页岩水平井多级分段压裂物理模拟试验

郭天魁，孙悦铭，刘学伟，陈 铭，刘晓强

1）中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2）中国石油大港油田分公司石油工程研究院，天津 300280

水平井分段压裂是实现页岩气等非常规油气藏商业开采的核心技术［1］．大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm及以上）真三轴水力压裂物理试验是指导现场页岩压裂施工方案优化设计的重要手段．GUO等［2］基于页岩露头试件进行压裂裂缝扩展试验，利用高能电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）对水力压裂试验后岩心内部裂缝形态进行观测，探究了水平地应力、排量、水平应力差异系数和压裂液黏度对页岩水平井压裂裂缝扩展形态的影响；TAN等［3］利用三轴试验研究了岩体中不连续介质对水力压裂过程中裂缝扩展形态的影响，并将裂缝形态分为简易裂隙、鱼刺状网络、张开型以及闭合型鱼刺状裂隙；考佳玮等［4］利用“裂缝沟通面积”［5］开展三轴压裂实验，分析了层理和天然裂缝、水平应力差以及交替注液对于水力压裂过程中裂缝形态的影响；陈勉等［6］通过人造岩样和天然试样的大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）真三轴水力压裂试验，监测裂缝扩展的过程并探讨了地应力和断裂韧性等对水力裂缝扩展的影响．目前，受制于水平井分段压裂模拟井筒设计的复杂性，更加贴合实际施工条件下，不同地质及工程因素对于水平井多级分段压裂裂缝扩展形态影响的研究相对较少［7］．

本研究根据现场水平井分段压裂工艺特点，利用适用于大尺寸露头岩心水平井分段压裂的模拟井筒，针对7块页岩露头开展了水平井分段压裂物理模拟试验，测试了分段压裂过程中的裂缝诱导应力，通过Solidworks软件对水力压裂试验后岩样进行三维重构，明确了页岩水平井分段压裂裂缝扩展机制．研究成果可为其他非常规油气储层的水平井分段压裂物理模拟试验方法及裂缝扩展机理研究提供指导．

1 试 验

1.1 试验装置

页岩露头压裂模拟试验主要采用真三轴压裂模拟系统［8-10］，该系统主要由三轴高压缸、主控计算机、压裂液泵注系统、液压动力泵组与伺服控制系统和数据采集系统组成（图1）．该试验设备控制系统采用全数字控制，性能稳定且控制精度高．

图1 伺服控制岩石力学三轴试验系统Fig.1 Servo-controlled triaxial experimental system of rock mechanics

基于自主设计的三通道液压泵组与伺服控制系统，结合现场压裂施工方案进行常规真三轴岩样压裂试验.试验主要技术参数有:①岩样尺寸为300 mm×300 mm×300 mm；②三向应力加载范围为0～40 MPa；③最大压裂应力为40 MPa．

试验使用KDHB-70型高精度恒速恒压双缸驱替泵及相应软件进行控制．其中，压应力范围为0～50 MPa，排量范围为0.01～60.00 mL/min，试验系统能够及时对注入压应力和排量等参数进行采集．

1.2 试验方法

在岩样上钻出预设深度的盲孔，从底部开始安装外层套管按压裂段、密封圈、防漏胶钢套和胶封段，将井筒过盈连接装入套管中，井筒每段包括1个出液口，每个出液口与1个背压区对应（图2），出液口沿井筒轴向方向的两侧分别套有O型密封圈，并且与一个注液管线通过接头连接，注液管线从注液管线通道引出，与泵注系统连接．当岩样装入真三轴压裂试验设备时施加三向应力，应力经泵注系统注入的压裂液施加到不同通道的注液管线，开始特定某段的压裂［11］．

图2 水平井不同级数压裂井筒实物及参数（Φ为直径，单位:mm）Fig.2 Objects and parameters of different stages of fracturing wellborein horizontal wells(Φrepresenting the diameter in mm)

为模拟真实的页岩储层地应力的状态，在试验过程中，施加的垂向应力（σV）要垂直于页岩层理面（图3中白线），最小水平应力（σh）平行于井筒轴线方向，最大水平应力（σH）垂直于井筒轴线方向（图3）．为了压实页岩层理面，避免其在水力压裂试验前发生剪切破裂，首先施加一定的垂向应力，然后平稳施加水平向应力．试验应用滑溜水压裂液（黏度为5 mPa·s），并在其中加入了绿色示踪剂，从而更容易地观测水力裂缝形态．

图3 试验岩样与三轴应力加载Fig.3 Experimental rock sample and triaxial stressloading

为更好地分析复杂裂缝扩展形态，使用Solidworks软件对水力压裂试验后不规则的裂缝壁面进行三维重构．该方法基于坐标变换，根据所拍照片，应用任意四边形映射为正方形的方式，将任意四边形坐标域中的“伪”裂缝坐标，得到正方形坐标域中的“真”裂缝坐标．根据所处空间位置确定第3个坐标值，即得到真实空间坐标，借助Soildworks软件根据坐标值在岩石样本建立的“基准面”上进行描点和连线，再通过“放样曲面”功能画出相应的断裂面（图4）．最后，隐藏画图过程中的基准面和点，得到清晰、精确和形象的岩石内部水力压裂试验后裂缝形态特征（图5）．

图4 对岩石样本描点和连线并生成曲面Fig.4 Generated fracture surfaces by drawing pointsand lineson rock samples

图5 岩石样本断裂面Fig.5 Fracture surface of rock sample

为研究不同因素对于水平井多级压裂诱导应力的影响规律和影响程度，开展页岩露头真三轴水平井多级压裂试验过程中的应力应变监测，为水平井多级压裂裂缝扩展机制研究提供数据支持．试验中3个围压设置为σH＞σV＞σh，共设计7组试验（表1），探究地应力差、压裂级数和排量等因素对页岩水平井多级压裂裂缝扩展形态的影响．

表1 页岩露头水平井分级压裂模拟试验方案Table1 Simulation parameters of shale outcrop horizontal well staged fracturing

2 结果与分析

2.1 地应力条件影响分析

地应力状态是决定页岩中水力裂缝的扩展形态的最重要地质因素，从水平应力和垂向应力两个方面研究页岩气储层中地应力对水力裂缝扩展的影响［12］，试验结果如图6．其中，重构图中黑色代表天然裂缝，深灰色代表层理缝，浅灰色代表水力裂缝．

岩样1#在水力压裂试验前有明显的天然裂缝和层理缝，见图6（a）．水力压裂试验后观测表明，裂缝主要分布在井筒附近，表面可见1条垂向裂缝和1条层理缝，见图6（b）．破岩观测发现，产生1条垂向裂缝和1条层理缝，在形成的裂缝面上未见明显的裂缝沟通井筒，且泵注液体3次压裂都是在同一位置渗出，说明井筒附近有裂缝沟通，见图6（d）．三维重构得到图6（e）．

图6 1#—4#岩样水力压裂试验前、后、破岩观测图及三维重构图Fig.6 Rock samplesof 1#,2#,3#,4#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and three-dimensional reconstruction diagram(In the three-dimensional reconstruction image,black represents natural cracks,dark gray representsbeddingcracks,and light gray representshydraulic cracks.Thesamebelow.)

水力压裂试验前2#岩样表面有1条天然裂缝及大量层理缝，见图6（f）．水力压裂试验后表面除开启1条天然裂缝外，还形成了1条垂向裂缝与1条水平缝相交的分叉缝．岩样表面“鱼骨”状裂缝开启［13］，形成分支缝，侧面开启两条层理缝，压裂液从第1级通道位置沿井筒所在大致剖面开启层理缝，沟通了3级通道，见图6（h）．

水力压裂试验前岩样3#表面有大量层理缝，侧面有1条沿井筒方向上的天然裂缝．水力压裂试验后表面有多条层理缝以及1条天然裂缝，见图6（k），侧面开启1条沿井筒方向的天然裂缝和1条垂直井筒的水力裂缝．图6（l）中右半部分为被层理缝和天然裂缝分开的岩样，可见第1级水力主裂缝一翼向岩样中心部位偏转，由于受到第1级裂缝的应力干扰，第2级水力裂缝扩展较短并且向井口方向偏转［14］，并且在该图中可见第1级横切井筒的水力主裂缝，从而产生3级水力裂缝．

水力压裂试验前4#岩样表面有1条天然裂缝，与上覆地应力方向夹角约为15°，侧面可见微弱的天然裂缝痕迹．水力压裂试验后4#岩样表面开启了1条垂直于最大水平主应力方向的天然裂缝．破岩观测显示，开启1条天然裂缝，表面开启两条层理缝，见图6（o），图6（p）中裂缝为第1级压裂产生的水力裂缝，压裂后在第2级和第3级位置处产生了两条横切井筒的水力裂缝．

4块岩样裂缝扩展形态结果表明，裂缝的扩展延伸受天然裂缝影响较大，水平应力差(σH-σh)的增大，更易开启小逼近角、胶结较弱的天然裂缝［15］．

对比图6中1#与2#、3#与4#岩样可以看出，由于页岩天然裂缝及层理缝发育，且应力状态为走滑断层机制，上覆压力对层理缝的压实作用有限，裂缝容易沿层理缝扩展．随着水平应力差的增大，产生的横切井筒水力裂缝扩展距离更远．较低水平应力差条件下，仅在近井筒形成横切裂缝扩展一小段距离后就沿层理裂缝面方向延伸，且更易在水平裂缝即垂直上覆应力方向产生裂缝．

综合比较1#与3#、2#与4#岩样可以看出，垂向应力越大，对层理的压实效果越明显，水力裂缝在扩展过程中越容易发生穿层扩展［16］．1#和2#岩样垂向开启厚度为7 cm左右，岩样3#和4#层理垂向开启厚度为10～15 cm．因此，垂向应力的增加有利于改善储层厚度方向的沟通效果，开启更多的层理面，显著增加储层改造体积［17］．但是对于近井筒层理发育的试样，水力裂缝遇到层理时，压裂液沿较大开度的层理面快速滤失，最终形成较为简单的层理缝裂缝形态．

2.2 泵注排量影响分析

泵注排量是决定页岩中水力裂缝的扩展形态的最关键因素之一［18］．为分析不同泵注排量条件对裂缝形态影响，进行1#与5#岩样对比试验，在三轴应力和压裂级数不变的情况下分别设定泵注排量为50 mL/min和10 mL/min，试验结果如图7．

水力压裂试验前，5#岩样有1条明显的天然裂缝和4条侧面层理缝．水力压裂试验后岩样开启了1条天然裂缝．破岩观测发现，裂缝在表面呈现两翼不对称特征，与最大水平应力方向约成60°夹角，在诱导破岩过程中裂缝面内携带着较多的压裂液，这与裂缝因开启的角度与最大水平应力方向夹角较大，受到的挤压作用强，开度较小，液体难以渗出有关，见图7（c）．

图7 岩样5#水力压裂试验前、后、破岩观测图及三维重构图Fig.7 Rock sample5#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and 3D reconstruction diagram

比较1#和5#岩样水力压裂试验后及破岩情况，与大排量相比，小排量下虽能产生水力裂缝，但岩样水力压裂试验后形成的裂缝开度较小，各表面也只是在原有的天然裂缝或层理缝稍有扩张，液体仅仅沿薄弱区域扩展，裂缝面并没有完全开启，诱导破岩困难，且易渗入天然裂缝及层理缝，难以形成深穿透裂缝．

2.3 压裂级数影响分析

为研究不同水平井压裂级数对裂缝扩展形态的影响，在三轴应力和排量相同的情况下，分别对1#、6#和7#岩样设置压裂级数为3级、2级、4级进行水力压裂试验，结果如图8．

图8 岩样6#和7#水力压裂试验前、后、破岩观测图及三维重构图Fig.8 Rock sample6#,7#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and 3D reconstruction diagram

水力压裂试验前6#岩样表面有多条垂直于上覆应力的层理缝以及1条天然裂缝．水力压裂试验后，6#岩样表面第1级压裂位置处有1条横切井筒的水力裂缝和1条开启的天然裂缝相连.破岩观测显示，第1级压裂后形成1条横切井筒的水力主裂缝，第2级压裂后开启1条斜交井筒的天然裂缝，与最大水平主应力方向约成60°夹角，裂缝面一翼平整，另一翼向最大水平主应力方向偏转形成台阶状裂缝，见图8（c）．

由图8（e）至图8（j）可见，水力压裂试验前，7#岩样有1条天然裂缝以及多条侧面层理缝．水力压裂试验后7#岩样表面开启1条天然裂缝，并产生多条微裂缝．破岩观测显示，7#岩样开启了1条与上覆应力成30°夹角的层理缝，并沟通微小天然裂缝，第1级压裂形成1条横切井筒的水力裂缝，裂缝面从井筒向两侧远离井口端凹陷，第2级压裂和第3级压裂形成的横切裂缝.其中，第2级横切水力裂缝向第1级方向扭曲，第3级横切水力裂缝向第4级方向扭曲，而第4级没有见到水力主裂缝的产生．

结合图6和图8，比较1#、6#和7#岩样水力压裂试验后及破岩情况，压裂级数小的情况下，不同级数产生的水力裂缝的缝间干扰较弱，能够开启相应压裂级数的水力裂缝，而压裂级数多的在压裂过程中裂缝向后续压级数位置偏转，导致后续裂缝扩展较近或不扩展．

2.4 水平井多级压裂诱导应力评价

诱导应力监测表明，在压裂过程中7块试件都监测到裂缝诱导应力，为0～6 MPa，平均为5.4 MPa．6#岩样的诱导应力最大，峰值压应力约为6 MPa；峰值压应力最小出现在岩样7#约为4.8 MPa．平均峰值压力约为5.46 MPa．

为探究诱导应力与压裂压应力的关系，将压裂曲线与诱导应力曲线绘制在同一幅图中进行对比，见图9．3#岩样的泵注压力曲线在整个压裂过程中具有明显的破裂特征，见图9（a），与3#岩样水力压裂试验后分析产生多条裂缝的结果一致．诱导应力曲线在整个压裂段波动明显．3#岩样的垂向应力较低（12 MPa），且由于走滑断层机制原因，使得该岩样层理缝未被压实紧密而易被渗入压裂液开启，导致诱导应力在整个压裂过程中变化明显．特别地，由于在第3级压裂过程中产生的横切水力裂缝未完全开启，因此，对应泵注的高压液体沿井筒窜入第1、2级开启的裂缝中，此时应力片受压作用下降，产生了非常明显的卸压区域．

7#岩样的压裂曲线在第1、2级压裂段破裂特征较为明显，见图9（b）．诱导应力曲线在第1、2压裂级段波动较大，在第3、4压裂级段缓慢下降后出现小幅度卸压．这表明整个压裂过程所产生的裂缝主要产生于第1、2和3级压裂阶段，在7#岩样第4级段出现裂缝互相连通的情况．结合破岩观测分析，第1级压裂段产生1条较小的横切水力裂缝，第2级产生1条较大横切缝，在第3级产生的横切缝沿井筒向上偏转．第4级压裂产生的裂缝与第2、3级沟通，后提高泵注排量使液体发生窜进导致应力片所受压应力波动并出现卸压．

图9 3#和7#岩心压裂压力与诱导应力曲线Fig.9 Fracturing pressureand induced stresscurvesof(a)rock sample3#and(b)rock sample7#

诱导应力受地应力状态、泵注排量和压裂所处级数（泵注液体与应力片的距离）的影响，地应力状态影响层理缝及岩样的压实，上覆应力低的压裂液易渗入层理缝，诱导应力值较小，且较为波动．

结 语

由于上覆应力小于最大水平应力，在水平应力差不变的情况下，上覆应力由15 MPa降低至12 MPa时易导致层理缝的开启；上覆应力越高，对层理等弱面的压实作用越明显，当横切水力裂缝与层理相遇时，更容易沿弱胶结界面扩展；当排量由50 mL/min降低至10 mL/min时，由于净压力降低，压裂液容易滤失进入天然裂缝及层理缝，水力压裂试验后不易产生深穿透的水力主裂缝．

由于前一级水力裂缝的扩展通常伴随着层理缝的开启，当压裂级数由二级增加至四级时，压裂段间距减小，段间应力干扰增强，后一级压裂产生深穿透水力主裂缝的几率减小，且裂缝易朝井筒根部偏转；二级压裂的缝间干扰弱，能够开启相应级数的水力裂缝，而四级压裂的则是中间级压裂时裂缝向后续将压级数位置偏转，导致后续裂缝扩展较近或不扩展．

试验裂缝诱导应力范围为0～6 MPa，平均为5.4 MPa．诱导应力受地应力状态、泵注排量和压裂所处级数的影响；地应力状态影响着层理缝及岩样的压实，上覆应力低的压裂液易渗入层理缝，诱导应力值较小，且较为波动；复杂裂缝网络形成过程中，压力曲线常显示有多次明显的破裂压降；裂缝延伸过程中，压力曲线波动剧烈．