基于真三轴压裂试验的页岩损伤研究

2020-11-04张国祥王金意马海春

合肥工业大学学报（自然科学版） 2020年10期

张健, 张国祥, 王金意, 马海春

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京 102209; 2.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009)

0 引言

最新的勘察显示我国的页岩气储量达到7 643×108 m3,储量值全球第三,仅次于美国和加拿大。国内外利用水力压裂已经成功开采出页岩气资源,但是水力压裂的机理还存在许多问题。文献[1]认为水力压裂产生的裂缝沿垂直于最小主应力的方向扩展;文献[2-3]利用现场试验发现岩石主裂缝与分支裂缝同时扩展,提出扩展带概念;文献[4]基于压剪条件下的断裂准则及最大周向应力理论,推导出压剪和拉剪应力状态下水损伤作用的裂隙岩体断裂准则;文献[5]提出破裂压力数值计算理论,实现了岩石破裂压力数值计算的突破，提高了计算精度;文献[6]证明弱面强度、水平主应力差、弱面方位是影响水力裂缝与天然裂缝交叉行为的重要因素;文献[7-8]通过模拟试验,分析了水力裂缝遇到天然裂缝出现了3种状态,即穿过、转向和穿过转向同时发生;文献[9]利用室内真三轴水力压裂物理模拟试验,将水力裂缝分为4种起裂模式和6种扩展模式;文献[10]采用真三轴模拟试验机,发现裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。虽然国内外对水力压裂进行了一系列研究[11-14],但是大多是对于相似材料,对于不同岩性的真实岩石还存在许多争论,本文采用的岩石试样来自于牛蹄塘组露头页岩,利用室内真三轴水力压裂模拟试验,系统分析了页岩在水力压裂下的破坏模式。

1 试验

采用水力压裂伺服控制泵压系统进行水力压裂试验,操作仪器如图1所示,试样的大小设置为300 mm×300 mm×300 mm,在试样一面中间位置布置螺旋射孔,射孔深度为25 mm,如图2所示。

图1 真三轴模拟试验系统

图2 制作的试样

试验中可以对试样施加不同水平方向围压,再在计算机控制下注入泵注液。观察泵注液压力与岩石试样对应破裂的关系。

本试验所用岩石来自于重庆市秀山县牛蹄塘组页岩,如图2所示。岩石颜色呈黑灰色,有机碳含量较高,层理明显,易破碎。由于裂隙发育较为丰富,可以为游离的气体提供良好的储集空间,有机碳含量较高则使吸附气较多,是页岩气储存的良好空间。为探究页岩气的开发利用,现对牛蹄组页岩进行水力伺服压裂试验研究。其中1组试样因井质量不好，未成功压裂，压裂液从井筒附近渗出；其他6组试样的试验条件和参数见表1所列。表1中，σv为竖向压力；σh为最小水平压力；σH为最大水平压力。

表1 试样轴压参数

2 结果与分析

2.1 水力压裂下的岩石破裂情况

水力压裂试样破坏情况如图3所示。

图3 水力压裂破坏情况

(1) 试样1在压裂后形成2条裂缝,其中一条在井筒的一侧起裂后延伸至试样边界,形成渗流通道1,泵注水力大于试样单轴抗压强度,使射孔口附近发生剪切破坏,沿射孔方向形成初始裂隙(即张开型裂缝),压裂液必然渗流至初始裂隙内,当裂尖处的渗流水压力强度大于模拟岩样的断裂韧性值时,裂隙将向前扩展一定距离后随机交叉形成水力裂缝。由于此时压裂液泵注量依然大于滤失,在井筒另一侧必然产生一个与渗流通道1反向的平衡力,试样在该力的作用下从井筒的另一侧起裂并延伸至试样边界。

(2) 试样2所施加的围压的水平地应力差异系数为0.1,差异系数较小,地应力的作用不明显,形成了2个较规则的裂缝面。一条沿射孔方向形成初始裂缝(即张开型裂缝),压裂液必然渗流至初始裂缝内,当裂尖处的渗流水压力强度大于岩样的断裂韧性值时,裂缝将向前延伸,后逐步演化成渗流通道。由于螺旋射孔分布范围较广,在井筒其他方向上,同样会有压裂液渗出,当裂尖的应力大于试样单轴抗拉强度时射孔相反的方向上发生拉伸破坏,从而形成撕开型水力裂缝。这说明试样发生拉伸破坏后次生裂缝开始起裂,之后它的延伸方向具有一定的随机性。

(3) 试样3没有设置围压,且存在较大尺度的天然裂隙,试验开始时,随着压裂液的泵注,试样在近井端形成了沿井筒轴线方向的主裂缝,然而由于没有地应力作用的影响和天然裂缝的随机分布,水力裂缝在天然裂缝的诱导和没有地应力的作用下迅速地转向沿天然裂缝延伸,导致裂缝再通过近井端后在试样中发生了渗流,并不断沟通天然裂缝,导致泵压波动频繁,也未形成贯穿试样尺寸较大的裂缝。

(4) 试样4地应力差异系数为0.2,模拟地应力的差异对于裂缝形态的影响也凸显了出来,裂缝首先同时在2个射孔处起裂,在进井端相互沟通形成了沿井筒轴线方向的纵向裂缝。

(5) 试样5裂缝地应力差异系数0.3,地应力的作用更加明显,裂缝起裂后沿最大主应力方向扩展一定距离后与开度较大的结构面相交,沟通结构面并沿着结构面延伸至试样边界,主裂缝形成,且较为平整,并逐步演化为主渗流通道。此时由于压裂液的泵注量依然大于压裂液的滤失量,必将产生次生裂缝。由于天然裂缝的胶结度较低,水力裂缝容易贯穿天然裂缝。在试样5中,天然裂缝的存在不仅改变了裂缝的延伸方向,还改变了压裂液的渗流方向,从而影响裂缝面的最终形态。首先初始裂缝在天然裂缝处延伸方向发生了改变(由射孔方向转变为天然裂缝面所在的方向),即发生沟通后在泵注压裂液水压力的作用下裂缝继续扩展,逐渐演变成不规则坡面形态。其次,天然裂缝改变了压裂液的渗流方向,在进行压裂试验时发现压裂液先从天然裂缝处渗透至试样外侧面中间部位,后逐步沿中间部位向周围扩散。因此,可以判断天然裂缝改变了裂缝的扩展和延伸方向,对裂缝的形态产生巨大影响。次生裂缝沿天然裂缝扩展并延伸至试样边界直至有大量压裂液渗出。

(6) 试样6裂缝地应力差异系数为0.4,对于水力裂缝形态的影响则是决定性的。裂缝自射孔处起裂后在模拟地应力的作用下形成了垂直于最小水平地应力的初始裂缝,随着压裂液的泵注裂缝迅速延伸,在与天然裂缝相交后又迅速地沿天然裂缝延伸之至试样边界,而在井筒另一侧,初始裂缝沟通了另一条天然裂缝同样沿天然裂缝沿伸至试样边界,从而形成2条渗流通道,压裂持续时间较短。

2.2 岩石试样破裂声发射情况

岩石试样破裂声发射情况与裂纹对比分析如图4所示。

从图4a可以看出，岩石在压裂液压裂下,试样1井筒下半部声发射事件较多,试样裂缝明显贯通试样,裂缝沿层理面扩展至边界,对应于右侧的试样1的裂缝位置。

从图4b可以看出，试样2有个转向的缝隙生成,转向角度60°左右,此位置声发射事件较多,与试样2图中的裂缝位置相对应。

图4 试样1～4声发射图与试样裂纹对比

从图4c可以看出，试样3的声发射效果不好,采集到的声发射事件较少,在试样中间位置有垂直于井管的裂缝,试验中有少量压裂液溢出,对应于试样3的裂缝位置。

从图4d可以看出，试样4沿井筒方向存在纵向裂缝,裂缝处对应的声发射事件也较多,对应于试样4的裂缝位置。由此可以发现裂缝生成位置对应有声发射发生。

2.3 注水压力的曲线分析

注水压力曲线如图5所示。

由图5a可知，从试样1第1次达到峰值压力为81 MPa,随后压裂液压力发生陡降,此峰值压力对应于射孔附近的张开型初始裂缝,裂缝形成后压裂液压力迅速降低,此时试样并没有完全贯通破坏,在继续加入注水量后,达到第2波峰值,其峰值压力为9.18 MPa,后续压力一直稳定在0.25 MPa,说明此后压裂液注入量与滤出量差不多一致,试样裂缝贯通至边界处。

由图5b可知，试样2的第1次峰值压力为24.68 MPa,峰值持续时间较长,此时试样裂缝可能正在扩展,当形成渗流通道时,泵压迅速下降,此时水力压力为0,说明贯通的裂缝扩展到试样边界,第2次峰值压力与第3次峰值压力中间变化时间极短,峰值压力较近,分别为24.05、27.23 MPa,说明多为层面裂缝的多次发育,最终水力压力归零,达到裂缝贯通。

由图5c可知，试样3的第1次峰值压力在21.3 MPa左右,第2次峰值压力在31.4 MPa,最后压裂液的稳定压力在28.26 MPa,说明试样中发生了渗流,泵压上下波动,裂缝与天然裂隙发生了贯通,但是没有出现贯穿试样较大的裂缝,与试验结果一致。

由图5d可知，试样4出现了3次峰值压力,且呈递减趋势,分别为30.82、25.4、19.02 MPa,开始阶段的水压波动对应着裂缝的张开,第2阶段对应点的峰值水压下降,说明裂缝的张开难度相对较小,可能对应着破坏图中的细小裂缝发育;最后的阶段对应峰值压裂水压峰值为17 MPa,对应破坏效果中的层间裂缝发育。

由图5e可知，试样5对应有3个峰值应力阶段。第1个峰值应力大小为23.52 MPa,对应的是沿主应力方向扩展的主裂缝；第2个峰值应力大小为28.51 MPa,形成的是次生裂缝；第3个峰值大小为50.88 MPa,此时对应于裂缝沿天然裂缝扩展。

由图5f可知，试样6的注水压力曲线有4个峰值,裂缝扩展最为复杂。第1个峰值应力对应于形成垂直于最小水平应力的初始裂缝,峰值应力大小为13.99 MPa;第2、3、4峰值应力大小接近,分别为13.74、15.04、13.39 MPa,第2个峰值应力对应于次生裂缝的缠身,第3峰值与第4峰值应力曲线相似,峰值应力值大小相近,对应于沿天然裂缝扩展。

图5 注水压力-时间曲线

由图5可知，压裂液压力会出现陡升和陡降现象,在注压裂液前期泵压压力较长时间处于0阶段,此时试样尚有较大容液量,压裂液较小,当试样达到饱和后,压裂液继续灌入,压裂液压力迅速上升,首先在射孔口发生张裂缝,裂缝慢慢扩展,压裂液压力在峰值压力附近波动,直到出现较大的裂缝,试样的溶液量再次迅速增大,压裂液压力出现陡降,直到再次达到饱和溶液量,出现新一波压裂液压力峰值。对比有围压和无围压泵压曲线发现,无围压的峰值时间持续更短,泵压短时间达到峰值又迅速下降到零压附近,有围压的峰值时间持续较长,在达到峰值后,泵压较长时间在峰值压力下较小范围内波动,最后泵压再迅速降到零压附近。

注水压力峰值不同差异系数如图6所示。