玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩裂缝扩展形态

俞天喜，袁峰，周培尧，郝丽华，邹雨时，马新仿，张兆鹏

（1.中国石油 新疆油田分公司 工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

准噶尔盆地玛湖凹陷致密砾岩油藏采用水平井体积压裂开发，产量持续获得突破[1-2]。但储集层砾石含量高，粒径变化大，不同颗粒组构的岩石相种类多[3]，非均质性极强，导致对水力压裂裂缝扩展规律认识不清，压裂设计优化缺乏理论依据。

准确评价储集层岩石力学性质是研究水力压裂裂缝扩展规律的基础。针对砾岩力学性质，文献［4］以玛湖凹陷百口泉组砂砾岩为研究对象，开展压入硬度实验，发现砾石硬度可达到基质硬度的5.3 倍。文献［5］研究发现，随着砾石抗拉强度和杨氏模量的增加，裂缝遇砾后更易绕砾扩展。文献［6］和文献［7］也指出，不同的矿物组成会导致砾石间存在强度差异，一方面影响砾岩弹塑性变形等宏观力学特征，另一方面也会影响裂缝遇砾后的扩展形态。上述研究表明，高强度砾石对裂缝扩展具有较大的屏蔽作用，且砾石与基质、砾石与砾石之间均存在一定程度的性质跃变。因此，需分离砾石与基质分别开展力学性质评价，而宏观力学实验（巴西劈裂测试、三轴压缩测试等）以测定试样整体力学性能为目标，无法反映砾石和基质的力学性质差异。

针对砾岩压裂裂缝的扩展规律，前人已开展了大量的研究。文献［8］和文献［9］通过水力压裂实验，认为大粒径砾石的存在将导致明显的绕砾现象。文献［10］和文献［11］基于RFPA 软件开展砂砾岩水力压裂数值模拟，认为水平应力比在宏观上控制主裂缝的大致走向，而裂缝局部扩展受砾石粒径、强度和含量的共同影响。文献［12］—文献［14］对比验证CDEM数值模拟和水力压裂实验结果，进一步明确高水平应力差有利于双翼简单缝的形成，而低水平应力差下砾石分布主导裂缝扩展，易形成复杂分支缝。文献［15］结合CT 扫描和缝宽监测技术，发现滑溜水压裂易形成迂曲绕砾窄缝，不利于支撑剂输送。上述结果表明，砾岩裂缝扩展形态与地应力、砾石性质（砾石直径、砾石含量、砾石形状等）和工程参数（压裂液黏度、排量等）密切相关。玛湖凹陷砾岩岩相特征复杂，不同岩相对裂缝扩展的影响不能忽略。因此，在已有研究成果基础上，有必要针对各类岩相的水力压裂裂缝扩展规律开展进一步探索。

针对上述问题，以玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩为研究对象，通过纳米压痕实验[16-20]和水力压裂实验，从纳米尺度评价砾石和基质的力学性质，并分析裂缝遇砾后的裂缝扩展规律。研究结果将深化认识水力压裂裂缝遇砾扩展规律，对玛湖致密砾岩油藏压裂改造优化设计提供理论指导。

1 实验样品

颗粒支撑砾岩是玛湖凹陷上乌尔禾组砾岩储集层的重要岩相类型之一[21-25]，表现为砾石相互支撑接触，砾石间充填砂质、泥质或细砾质。针对玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩开展井下岩心取样工作，并结合微米CT扫描技术对样品进行观测（图1）发现，砾石以细砾—中砾为主，砾石直径一般为5～20 mm，最大砾石为28 mm×40 mm，分选差，近等轴状或长条状，砾石之间为颗粒支撑或多级颗粒支撑。基于钻井取心资料，砾石成分以火成岩块为主，变质岩块次之，砾石间充填细砾质或砂质杂基，泥质胶结或钙泥质胶结。

图1 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩岩心及砾石支撑形态Fig.1.Gravel⁃supported conglomerate core and gravel⁃supported pattern of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

2 实验方法

2.1 纳米压痕实验

研究表明，砾石和基质存在明显的力学强度差异[4-7]，采用巴西劈裂、三轴压缩等常规力学实验手段评价砾岩力学性质，仅能获得试样综合的宏观力学性能，无法反映砾石个体和基质部分的力学性质差异。另外，颗粒支撑砾岩砾石间胶结物含量少，胶结强度低，砾石易脱落，导致砾岩标准岩心钻取难度大，成样率很低。纳米压痕实验可以在纳米尺度下分别对砾石和基质的弹性模量、硬度、断裂韧性等参数进行测试，减少了对岩石试样的破坏，极大降低了试样加工的质量和尺寸要求[26]。因此，采用纳米压痕实验可评价砾岩的力学性质特征。

为避免砾石脱落，采用线切割精确加工纳米压痕试样，样品横截面为15 mm×15 mm，厚度为8 mm（图2）。为减少局部微孔隙或不同物相界面处的粗糙度突变对测试结果精确性的影响，采用碳化硅砂纸对试样表面进行多次机械抛光，再采用宽束氩离子设备进行二次抛光，以获得表面平滑的样品[26]。使用原位纳米力学测试系统开展纳米压痕实验。该系统采用顶端曲率半径小于20 nm 的波氏压头，载荷分辨率为50 nN，测试最大载荷可扩展至10 N，位移分辨率小于0.01 nm，最大压入深度大于500 μm。将实验压头分别压入砾石个体和基质部分，以获得纳米尺度下砾石和基质的力学参数。纳米压痕实验按如下步骤进行。

图2 纳米压痕试样及压入位置示意Fig.2.Schematic diagram of nanoindentation sample and indentation position

（1）标定 借助原子力显微镜标定压入位置，同时输入压入参数。

（2）加载 压头以20 nm/s 的载荷下降速率向试样表面逐渐靠近，当测试系统显示载荷突然增大时，表示压头已经接触到试样表面。此时，系统以恒定应变率方式开始加载，自动记录载荷以及对应的压入深度，同时采用连续刚度测量技术实时记录接触刚度。

（3）保载 对于每个压入点，加载至设定压入深度后，维持恒定载荷10 s。

（4）卸载 压头逐渐远离试样表面，压头附近材料的弹性变形得到恢复，而塑性变形则形成压痕裂缝。通过实验数据绘制纳米压痕载荷—位移变化曲线，并利用该曲线计算压入点材料的弹性模量、硬度、断裂韧性等参数。

2.2 水力压裂实验

基于纳米压痕测试所得砾石和基质的力学参数，进一步分析砾岩水力压裂裂缝遇砾扩展形态。采用真三轴水力压裂模拟系统开展玛湖砾岩试样的水力压裂实验[27-28]。该系统由液压加载装置、加压腔室、压力监测装置、活塞容器、恒速恒压计量泵、数据采集设备等构成。该系统所能加载的最大围压为23 MPa，最大泵压为60 MPa，最大注液量为2 000 mL，最大排量为20 mL/min。为了精确控制试样表面的平行度，使用金刚砂线数控切割机床加工成80 mm×80 mm×100 mm的长方体试样（图3）。采用实验取心钻头在试样中心钻取直径为15 mm、深53 mm的井眼，然后将直径为12 mm、长58 mm的钢制井筒沿井眼下放至距底部5 mm处，形成裸眼段，并向环空注入高强度环氧树脂以实现固井。

图3 真三轴水力压裂试样示意Fig.3.Schematic diagram of true triaxial hydraulic fracturing sample

由于玛南斜坡上乌尔禾组砾岩储集层埋藏较深，三轴应力较大，现有装置无法实现实际绝对应力的加载。因此，实验仅基于水平应力差12 MPa 开展。同时，由于实验模拟勘探直井的压裂裂缝扩展形态，所以垂向应力沿井筒方向加载，水平主应力沿垂直于井筒方向加载。实验采用滑溜水和胍胶压裂液，实验方案和参数见表1。具体实验流程如下。

表1 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩水力压裂实验方案Table 1.Experimental scheme for hydraulic fracturing in the gravel⁃supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

（1）应力加载 将试样放入加压腔室，通过液压加载装置，首先将三轴应力均增加至5 MPa，然后继续将z轴应力增加至17 MPa，最后将x轴应力增加至20 MPa。

（2）压裂试样 连接高压注液管线后，打开井口注液阀，以恒定排量向井眼裸眼段注入压裂液，压力传感器同步采集井口压力并实时绘制压力曲线。试样破裂后，继续恒定排力注入3 min，以确保裂缝扩展充分。随后停泵，关闭井口阀门。

（3）压后分析 利用线阵列CT 扫描，表征压裂后裂缝扩展形态，结合纳米压痕实验结果，分析裂缝遇砾扩展特征。

3 颗粒支撑砾岩力学特征

针对玛南斜坡上乌尔禾组砾岩试样的砾石和基质开展纳米压痕实验，分别评价弹性模量、硬度和断裂韧性，并就加载和卸载过程中的能量演化过程进行分析。受载岩石能量演化所涉及的能量种类较多，考虑到耗散能的不可逆性和弹性能的可逆性，本文只对弹性能和耗散能进行考察，并利用载荷—位移曲线（图4），计算弹性能和耗散能[29-30]。由于卸载后所释放的能量为整个加载过程所积累的弹性能（忽略压痕底部残余弹性能），而卸载过程中未释放的能量为耗散能[29-32]，因此将卸载曲线与位移轴之间的面积作为整个实验过程中积累的弹性能，而将加载曲线、卸载曲线与位移轴之间的面积作为实验过程中用于塑性变形和形成压痕裂缝的耗散能。

图4 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩纳米压痕实验典型载荷—位移曲线Fig.4.Typical load-displacement curve of nanoindentation experiments on the gravel⁃supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

由图4 可知，砾石和基质的受载过程和能量演化存在显著差异。在加载阶段，砾石的加载曲线平滑，而基质的加载曲线呈现多个载荷波动，这可能是基质中力学强度较软物质的存在导致界面效应的产生，致使加载过程中出现载荷跳跃[26]。另外，在相同压入深度下，砾石的载荷远高于基质的载荷，说明基质在受载后呈现一定程度的塑性蠕变，在较低的载荷下即可实现较大的位移。卸载后，弹性能得到释放，但与砾石相比，基质所释放的弹性能占总输入能量的比例较小，卸载后的残余深度较大，说明基质受载后大部分能量因塑性变形和形成压痕裂缝断裂面而耗散掉，卸载后形变不可恢复程度高。

砾石和基质的力学参数和能量演化测试结果分别如表2和表3所示。砾石和基质的平均弹性模量分别为71.2 GPa 和1.6 GPa；砾石和基质的平均硬度分别为7.17 GPa 和0.04 GPa；砾石和基质的平均断裂韧性分别为6.75 MPa·m0.5和0.07 MPa·m0.5。结果表明，砾石的弹性模量、硬度和断裂韧性均远高于基质，但数值大小整体呈现较强的离散性，说明储集层非均质性很强，同一深度的砾石也可能具有差异较大的力学性质。

从能量角度看，砾石在加载阶段平均407.0×10-9J的能量以弹性能的方式储存，占加载总能量的比例为53.09%。基质在加载阶段平均只有1.4×10-9J 的能量以弹性能的方式储存，仅占加载总能量的14.16%。上述结果表明，砾石在加载阶段约一半的输入能量以弹性能的方式储存，总体呈现较强的弹塑性变形特征。而作用于基质的约80%以上的输入能量用于塑性变形和形成压痕裂缝的断裂面，以耗散能的形式消耗掉，呈现较强的塑性变形特征。笔者认为，砾石和基质不同的矿物组成是造成力学性质差异的主要原因。砾石主要由火成岩块和变质岩块构成，表现出强度高、硬度大、抵抗断裂能力强的特点；基质为砂、泥、钙和细砾质混合物，且胶结物含量较少，部分软物质表现出塑性变形特征。

另外，从图5 可知，砾石的硬度、断裂韧性和弹性能比例与弹性模量具有较好的线性正相关关系，即砾石的弹性模量越大，硬度和断裂韧性也越大，储存的弹性能占加载总能量的比例越高。基质的弹性模量、硬度、断裂韧性和弹性能比例之间呈现无序性和离散性，这可能是基质较强的塑性蠕变特征所导致的。

4 水力压裂裂缝扩展形态特征

纳米压痕实验结果表明，玛南斜坡上乌尔禾组砾石的弹性模量可达到基质的44.5倍，砾石的硬度甚至可达到基质的179.3 倍，砾石和基质之间存在很大的力学性质差异。通过开展砾岩水力压裂实验，分析在力学性质差异显著的情况下，使用滑溜水和胍胶压裂液形成的水力压裂裂缝扩展形态特征。

表2 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩砾石的力学参数和能量演化测试结果Table 2.Test results of mechanical parameters and energy evolution of the gravel in the gravel⁃supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

表3 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩基质的力学参数和能量演化测试结果Table 3.Test results of mechanical parameters and energy evolution of the matrix in the gravel⁃supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

4.1 滑溜水压裂裂缝形态

试样MH-1 和试样MH-2 采用滑溜水压裂，压裂后试样均采用线阵列CT 扫描技术观察内部裂缝形态。试样MH-1 和试样MH-2 的表观裂缝形态与CT扫描结果分别如图6 和图7 所示。由图6a 和图7a 可知，试样MH-1 和试样MH-2 均形成3 条垂直缝的辐射状多裂缝扩展形态。结合2 组试样井筒处的扫描断面（图6b、图7b）发现，裂缝辐射状扩展可能是由滑溜水压裂引起多点起裂导致的，多个起裂点不均匀地分布在井壁四周，起裂后裂缝以井眼为中心近似径向扩展。值得注意的是，裂缝趋于在砾石与基质的界面处或细砾区域起裂，而不直接从砾石处起裂，这是因为砾石断裂韧性较大，破裂所需能量较高，在输入相同能量的情况下，胶结薄弱的界面和断裂韧性较低的细砾区域更易破裂。

试样MH-1 中缝2 发生了穿砾扩展（图6b），这是因为砾石内部存在天然充填微裂隙，近井处的高压流体将微裂隙打开并沿其扩展，形成穿砾裂缝。然而，CT 扫描结果显示，穿砾仅为水力压裂裂缝遇砾扩展的次要形式，而绕砾延伸或砾缘缝是裂缝遇砾扩展的主要形式。对于颗粒支撑砾岩来说，砾石含量很高，大量砾石对裂缝扩展起到了一定的屏蔽作用，较大程度限制了水力压裂裂缝自由扩展的空间，砾石成为水力压裂裂缝扩展的主导因素。因此，水力压裂裂缝遇砾后即向砾石一侧偏转绕流，且裂缝尖端频繁与砾石作用，裂缝扩展路径相当于多个砾石的部分轮廓线组合而成的迂曲曲线，曲线形态由砾石大小和砾石形状决定。

图5 玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩力学参数与弹性模量的相关性分析Fig.5.Correlation between mechanical parameters and elastic modulus of the gravel⁃supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

图6 试样MH-1的表观裂缝形态及CT扫描结果（排量为15 mL/min）Fig.6.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH⁃1(at the displacement of 15 mL/min)

前人研究指出，砂砾岩压裂在高水平应力差下趋于形成沿最大水平主应力方向强势扩展的双翼缝[10-14]。试样MH-1和试样MH-2均在12 MPa高水平应力差下开展压裂实验，但均形成辐射状多裂缝扩展的复杂形态，且部分裂缝并未沿最大水平主应力方向发生强势扩展，而是与其斜交或近似沿最小水平主应力方向扩展。这是因为：①井筒处分布的高强度砾石影响近井处的应力分布，导致裂缝起裂方向偏离最大水平主应力方向，且滑溜水黏度较低，容易进入基质微裂隙形成多点起裂；②不同于杂基支撑的砂砾岩（砾石呈游离态分布于基质中），实验所用玛湖颗粒支撑砾岩砾石之间相互紧密支撑，裂缝频繁遇砾且几乎只能沿砾石边界扩展而无法直接穿砾延伸，导致裂缝扩展路径发生大角度偏转。现场压裂虽然受远场地应力的影响，存在沿最大水平主应力方向扩展的趋势，但是裂缝延伸路径受砾石影响可能已经严重偏离设计方向。

图7 试样MH-2的表观裂缝形态及CT扫描结果（排量为15 mL/min）Fig.7.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH⁃2(at the displacement of 15 mL/min)

4.2 胍胶压裂裂缝形态

试样MH-3 和试样MH-4 采用胍胶压裂，压裂后试样的表观裂缝形态和CT 扫描结果分别如图8 和图9所示。由图8a和图9a可知，试样MH-3压后形成1 条近似沿最大水平主应力方向延伸的迂曲垂直缝和1 条水平缝，而试样MH-4 压裂后形成1 条垂直缝和2 条水平缝连通的迂曲裂缝。结合CT 扫描断面发现，井筒两侧均存在局部垂直缝，说明胍胶压裂时井筒裸眼段起裂趋于形成双翼垂直缝，而非辐射状多裂缝，但该垂直缝形态迂曲，延伸路径受砾石影响较大。

图8 试样MH-3的表观裂缝形态及CT扫描结果（排量为5 mL/min）Fig.8.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH⁃3(at the displacement of 5 mL/min)

滑溜水压裂时裂缝遇砾趋于偏向砾石一侧绕流，而胍胶压裂时裂缝遇砾更易形成分支缝，从两侧绕砾扩展，然后在某一薄弱点发生偏转，脱离砾石界面，导致裂缝形态较滑溜水更加复杂迂曲。现场压裂时，支撑剂在迂曲缝内的均匀铺置将十分困难，尤其在遇砾分支处容易发生砂堵，导致施工压力过高[33]。

在图8b 中，近井垂直缝向下侧扩展时遇砾分支，分支缝由接触点向两侧扩展形成水平缝。在图9b 中同样发现，近井垂直缝向下侧延伸时受到大砾石的阻碍，遇砾分支形成近似水平缝，而上侧扩展受到试样顶部紧密排列的砾石带的屏蔽，水力压裂裂缝遇砾分支后产生大角度的回转，沿水平方向延伸。上述现象表明，砾岩中的大砾石或紧密排布的砾石带对水力压裂裂缝垂向扩展的阻碍作用是显著的，且可能诱导裂缝的垂向扩展成为水平延伸。

4.3 压力曲线特征

采用滑溜水和胍胶压裂的压力曲线如图10 所示。由试样MH-1 和试样MH-4 的压力曲线可知，压力升高至某值后即逐渐平稳，进入裂缝延伸阶段，而未见明显的破裂压力。试样MH-2和试样MH-3的压力曲线显示，虽然观察到明显的破裂压力点，但是裂缝起裂后压力仅下降约20%即进入延伸阶段，未表现强势的脆性破裂现象。这是因为，玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩压裂时，裂缝绕砾石边界扩展，若砾石与基质的界面胶结较弱或存在微裂隙时，高压流体易开启微裂隙造缝，导致破裂压力不明显。

图9 试样MH-4的表观裂缝形态及CT扫描结果（排量为5 mL/min）Fig.9.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH⁃4(at the displacement of 5 mL/min)

对比图10a 和图10b 发现，胍胶压裂的延伸压力较高（13～16 MPa），呈现明显的波动；而滑溜水压裂的延伸压力较低（7～10 MPa）且较平稳。结合上述CT扫描断面可知，胍胶压裂形成了水平缝和垂直缝相互交织、多分支缝的复杂迂曲裂缝形态，且胍胶压裂液黏度较高，缝内流体流动阻力大，导致剧烈的压力波动。滑溜水压裂裂缝遇砾分支缝较少，且滑溜水黏度较低，易于沿微裂隙流动。

图10 玛南斜坡上乌尔禾组试样采用不同压裂液时的压力曲线Fig.10.Pressure curves of the samples from the upper Wuerhe formation on the Manan slope after injecting different fracturing fluids

5 现场实例

玛湖18井为玛南斜坡上乌尔禾组的勘探直井，全井套管射孔完井。针对措施目的层段3 741—3 744 m，使用胍胶压裂液以4～5 m3/min 的排量开展套管压裂。施工过程实时监测环空压力和支撑剂质量浓度，施工曲线如图11所示。

由图11 可知，泵注前置液后，压力逐渐上升至约44 MPa，但未见明显起裂压力，与上述实验结果相似。携砂液泵注期间，压力出现波动，并逐步下降至32 MPa，此时裂缝处于延伸阶段。当加大砂量后，顶替阶段压力迅速上升至约70 MPa，产生超压。结合实验结果分析，裂缝在延伸过程中频繁与砾石作用，裂缝尖端遇砾则绕砾延伸或形成分支缝，产生十分迂曲复杂的裂缝形态。同时，受大砾石的阻碍，裂缝可能大角度偏转甚至形成水平缝，导致压裂后裂缝缝高扩展受限。高浓度加砂后，支撑剂在迂曲裂缝内运移受阻，发生近井桥堵，导致顶替阶段压力迅速爬升。实验结果能够合理解释现场部分异常施工现象。

6 结论

（1）砾石的弹性模量、硬度和断裂韧性均远高于基质。砾石受载后，平均53.09%的输入能量以弹性能的方式储存，表现为弹塑性变形特征。基质受载后，平均85.84%的输入能量用于塑性变形和产生裂缝断裂面而消耗，表现较强的塑性变形特征。

图11 玛湖18井上乌尔禾组3 741—3 744 m段压裂施工曲线Fig.11.Fracturing curves of the interval of 3741-3744 m in the Wuerhe formation in Well Mahu 18

（2）玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩砾石强度大、含量高，在高水平应力差下依旧对裂缝延伸具有较强的屏蔽作用，导致裂缝形态迂曲。无论采用滑溜水还是胍胶压裂液，扩展路径均受砾石主导，绕砾延伸是水力压裂裂缝扩展形态的主要形式。仅当砾石内部存在充填微裂缝时，高压流体可能开启微裂缝，导致穿砾延伸。

（3）滑溜水压裂趋于多点起裂，形成辐射状多裂缝扩展形态，裂缝遇砾石后偏向砾石一侧绕流。胍胶压裂趋于在近井产生迂曲双翼垂直缝，但裂缝遇砾石后容易分支，导致裂缝形态较滑溜水更加复杂迂曲，在加砂阶段容易形成砂堵，发生顶替超压现象。同时，砾石的紧密排布可能阻碍裂缝垂向扩展，诱导裂缝发生大角度偏转形成水平缝。

（4）玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩压力曲线破裂压力不明显。胍胶压裂的延伸压力较高且波动剧烈，滑溜水压裂的延伸压力较低且较平稳。