玛湖致密砾岩裂缝干扰规律

2022-09-29潘玉婷刘鹏宇石善志王涛申颍浩葛洪魁

科学技术与工程 2022年23期

潘玉婷，刘鹏宇，石善志，王涛，申颍浩，葛洪魁

(1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院, 克拉玛依 834000； 2. 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院，北京 102249)

新疆玛湖致密砾岩储层由于粗粒沉积的沉积环境导致其具有颗粒大小混杂、非均质性极强的特点。由于砾岩储层构成复杂，不同组分间强度差异大导致砾岩储层裂缝扩展受到砾石的影响，裂缝形态与页岩等均质储层相差较大，存在压裂液滤失大、井内压力波动大、砂堵等问题从而影响压裂效果[1-3]。

砾岩力学性质研究是砾岩裂缝扩展研究的基础，国内外学者通过对不同区域砾岩的抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数进行测定，得出砾岩抗压、抗张和抗剪强度较低，胶结程度较弱，水敏性较强等特点[4-10]。赵益忠等[11]通过对不同岩性样品进行真三轴模拟压裂试验，对比不同岩性水力裂缝特征。孟庆民等[12]通过在混凝土试样中添加砾石制造人工砾岩样品，通过对其进行真三轴模拟压裂试验来研究砾石对施工压力的影响。李宁等[13]对砂砾岩露头进行实验与测试，研究砂砾岩储层裂缝形态与砾石粒径间的关系。鞠杨等[14]采用基于连续介质的离散元程序对砂砾岩水力裂缝切粒与扩展行为进行模拟，分析不同水平地应力对砂砾岩裂缝扩展的影响。李连崇等[15]通过数值模拟方法对砂砾岩水力裂缝扩展形态及你规律进行研究。余东和等[16]利用细观损伤有限元的方法对砾岩水力裂缝扩展的影响因素进行分析。罗攀等[17]以临界能量释放率作为裂缝延伸与停止延伸的指标分析砾岩裂缝延伸规律。

国内外学者对砾岩裂缝的研究以真三轴模拟压裂试验为主，对砾岩裂缝扩展形式、影响因素进行分析，但并未明确砾岩裂缝干扰及控制机理。现通过基于连续介质力学的离散元程序的数值模拟实验对砾岩储层裂缝扩展机理及干扰规律进行研究，为砾岩储层合理改造及开发对策提供理论支持。

1 数值模拟方法

采用中国科学院力学研究所探索的基于连续介质的离散元方法(continuum-based distinct element method,CDEM)对砾岩水力压裂过程进行研究，通过裂隙-块体系统渗流应力耦合实现对砾岩裂缝扩展流固耦合问题的模拟[18-20]。

CDEM将单元分为材料单元和接触单元，材料单元视为弹性块体，块体单元本身只发生变形，不发生破坏，破坏发生在接触单元上，同种材料破坏前按连续介质计算，破坏后按非连续介质计算。CDEM通过建立混合节点模型将有限元单元的节点与离散元块体的角点统一计算，将有限元与离散元的有机结合实现对混合介质材料进行模拟，保留复杂材料的材料特性的同时使得模拟结果更加真实可靠。CDEM结合块体切割技术和连续空间切割方法，通过建立岩块和裂隙的力学和渗流模型，采用离散元方法求解位移场和渗流场的方法解决流固耦合问题中的大变形问题和孤立裂隙问题。

1.1 裂隙-块体系统的基本假设

(1)块体视为连续、均匀、不可渗透介质，裂隙不能出现在块体内部，通过引入惯性项及人工阻尼项使破裂过程为准静态过程。

(2)渗流可以沿着不平行的裂隙流动，通过引入人工储存项使渗流过程为稳定状态。

1.2 块体控制方程

在求解裂隙岩体渗流应力耦合问题中，通过考虑块体小位移弹性动态方程，块体的初始值和边界条件为

σij+fi-ρui,t-αui,t=0 inΩb

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 裂隙网络控制方程

裂隙网络渗流分析建立在裂隙片段和其交接处的基础上，裂隙网络中渗流的控制方程为

(8)

(9)

(10)

(11)

式(11)中：g为重力加速度；b为裂隙开度；μ为液体运动黏滞系数。初始条件为

h(x,y,0)=h0(x,y)

(12)

式(12)中：h0为初始水头。

裂隙渗流和变形的耦合主要通过以下两种方式：①通过块体边界面上液体压力的改变影响块体的变形，从而引起裂隙开度的变化；②裂隙开度的变化引起渗透率、流量的改变，最终影响裂隙液体压力的分布。

2 计算参数与模型

为对数值模拟实验参数进行标定，对新疆准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组砾岩储层(图1)进行取芯实验。

图1 新疆玛湖凹陷区域图Fig.1 Regional map of Mahu Sag in Xinjiang

如图2(a)所示通过岩石力学试验系统对研究区域样品[图2(b)]进行单轴压缩实验，如图2(c)所示对实验结果进行处理得出研究区域样品单轴压缩应力应变曲线。

如图3(a)所示，通过扫描电镜对实验后砾岩端面进行观察，并对其表面元素进行分析，结果表明砾岩端面存在Si、Al、Fe、Na、K、Ca、Mg等元素，以Si元素为主的砾石与基质边界清晰，基质中含有大量Al、Fe、K、Ca、Mg等元素。为进一步对基质中元素分布进行分析，如图2(c)所示选取砾石与基质间的胶结面进一步放大并进行元素分析，结果表明所选区域元素以Si、O、Al、Fe、Ca、Mg元素为主，其中Si元素含量最高，其质量分数为37.72%，其次为O元素，其质量分数为23.37%，Al元素质量分数为17.76%，Fe元素质量分数为15.57%，Mg元素质量分数为4.35%，Ca元素质量分数为1.24%。由此可以判断，研究区域砾岩砾石与基质间的胶结面以泥质胶结为主，属于弱胶结面。

通过以上分析可知，元素差异引起不同组分间力学性质差异较大是导致不同砾石含量下砾岩力学性质变化较大的主要原因，总体上砾石的强度远大于基质与胶结面的强度。因此，以基于连续介质力学的离散元方法，如图4(a)所示通过数值模拟软件GDEM建立了砾石-基质-胶结面的三相混合介质的砾岩模型，并进行了单轴压缩试验模拟来对模型进行验证，如图4(b)所示对实验结果进行处理得到砾岩模型的应力应变曲线。

通过对相同粒径范围下随机分布所形成的不同砾石含量砾岩进行单轴压缩试验模拟，结果表明，不同砾石含量砾岩模型的应力应变曲线存在明显差异，且不同模型的抗压强度在39.31～58.65 MPa，与研究区域样品的单轴压缩试验结果相近，基于连续介质力学的离散元方法所构建的砾岩模型真实可靠，其所使用的力学参数可对以下裂缝扩展及干扰研究中的参数选择进行标定。

图2 物理实验仪器及结果Fig.2 Physical experiment instruments and results

图3 砾岩端面的SEM照片及元素分析Fig.3 SEM images and elemental analysis of conglomerate face

图4 数值模拟模型及结果Fig.4 Numerical simulation model and results

3 实验结果

3.1 不同砾石含量的双裂缝干扰

由上述研究可知，砾石含量对砾岩力学性质有重要影响，因此在考虑到砾石含量影响的情况下建立如图5(a)所示的20 m×50 m的半缝长双裂缝干扰模型。模型采用图4(a)所示模型，其中A、B分别为两条裂缝的注液点，间距为10 m，X方向为最大主应力方向，Y方向为最小主应力方向，应力差为10 MPa。通过对三角形网格的随机划分构建不同形状的砾石模型，由于模拟地层尺度的水力裂缝扩展，考虑到模型计算的稳定性与时间成本，并且消除巨砾对裂缝扩展的局部影响，将砾石粒径设定在200～2 000 mm的范围，注入点流体为水，排量为6×10-5m3/s，该地层模型中各组分的力学参数通过上述研究中所得数值进行标定。

如图5(b)所示通过构建与砾岩力学性质相同的均质储层来进行对比，结果表明均质储层在双裂缝扩展过程存在“应力阴影”的干扰效应，在裂缝①率先扩展的情况下，裂缝②的扩展受到了裂缝①应力阴影遮盖的阻碍作用，从而使得裂缝②的扩展受阻。从图5(c)中可以看出，总体上砾岩水力裂缝的形态为主裂缝周围形成众多复杂的分支缝，扩展形式以绕砾为主，存在部分穿砾扩展[图5(c)中A]和止砾扩展[图5(c)中B]；局部上可以观察到砾岩水力裂缝在形成分支缝的过程中是受到周围砾石的“吸引”作用，并且在裂缝④的分支缝的遮盖下，裂缝③的分支缝向着X方向扩展，使得整体裂缝更加复杂；与图5(b)均质储层水力裂缝扩展对比来看，相同条件下砾岩储层水力裂缝扩展过程更加复杂，受到砾石的“吸引”作用，主裂缝更容易形成分支缝。

图5 均质储层与砾岩裂缝干扰图Fig.5 Interference diagram of homogeneous reservoir and conglomerate fractures

图6(a)为高砾石含量下裂缝干扰模型，与图5(a)低砾石含量下裂缝干扰模型相比，在高砾石含量下裂缝形态更为复杂，呈现多裂缝共同发育的形态。图6(b)中A显示，在裂缝扩展过程中裂缝受到砾石“吸引”后因砾石的形状、大小及排列等原因存在止裂现象，而对裂缝扩展形成沿Y方向扩展“阻碍”作用，这种作用促进了裂缝沿X方向继续扩展，从而形成更多的分支缝。如图6(b)所示在砾石的“吸引”作用和“阻碍”作用的共同作用下，裂缝②向X方向偏转后受应力差作用下向Y方向发育，而裂缝②的分支裂缝③则逐渐形成了新的主裂缝，裂缝③在裂缝①和裂缝②应力遮挡的情况下沿Y方向发育缓慢转而向X方向发育，并且如图6(b)中B所示与裂缝①的分支缝相互贯通。高砾石含量下，砾石的“吸引”作用和“阻碍”作用使得主裂缝相较于低砾石含量产生更多的分支缝，并相互贯穿。

图6 高砾石含量下砾岩裂缝干扰图Fig.6 Interference diagram of conglomerate fracture with high gravel content

图7显示了裂缝在扩展过程中受砾石“吸引”作用的不同阶段，X为最小主应力方向，Y为最大主应力方向。图7(a)显示裂缝起始破裂于砾石A的左下方，在应力差的作用下裂缝沿着Y方向向前扩展，当裂缝扩展至图7(b)时由于裂缝与砾石B的距离较近，沿着砾石B的胶结面扩展所消耗的能量最小，因此裂缝被砾石B所“吸引”，在原有的扩展方向上向左偏移沿着砾石B绕砾扩展，裂缝绕过砾石B后如图7(c)所示继续受应力差控制沿着Y方向扩展，当裂缝经过砾石C时，由于裂缝距离砾石C距离较远，裂缝沿基质中扩展所消耗的能量要小于偏转后沿砾石C绕砾扩展所需要的能量，因此裂缝并未被砾石C所“吸引”，而如图7(d)所示沿着Y方向继续扩展，直至与下个砾石相遇。砾岩裂缝与砾石间的距离决定了裂缝扩展消耗能量最小的优势通道，砾岩裂缝与胶结面的距离为砾岩裂缝扩展的主控因素。随着砾石含量的增加，裂缝与砾石间的距离变小，在裂缝扩展过程中更容易受到砾石的“吸引”作用，从而形成复杂的裂缝网络。砾石的存在对于水力裂缝形成复杂缝网具有积极作用。

图7 裂缝受砾石吸引的不同阶段Fig.7 Different stages of fracture attraction to gravel

图8显示了裂缝在扩展过程中受砾石“阻碍”作用的不同阶段，X为最小主应力方向，Y为最大主应力方向，显示了沿着砾石A扩展的裂缝①和沿着砾石C扩展的裂缝②的双裂缝干扰下裂缝扩展情况。砾石C周围的裂缝②受应力差的作用沿着箭头所指方向进行扩展，当裂缝扩展至图8(b)时，一方面沿着原有路径扩展至两砾石中间受到“阻碍”，另一方面受到砾石B的“吸引”作用从而改变扩展方向，如图8(c)沿着砾石B绕砾扩展，当裂缝继续扩展至图8(d)时，裂缝受到砾石B的“阻碍”作用，绕过砾石B后裂缝扩展方向继续向Y方向偏转，然而如图8(e)所示裂缝又受到砾石A的“吸引”从而再次改变扩展方向，最终与沿着砾石A扩展的裂缝①相互沟通。砾石对于裂缝的“阻碍”作用同样源于砾石与裂缝的距离，同时还与砾石的形状、大小、空间分布有关，这种“阻碍”作用有助于改变裂缝扩展方向，从而形成相互贯穿的分支缝。

图8 裂缝受砾石阻碍的不同阶段Fig.8 Different stages of fracture obstruction by gravel

3.2 不同应力差的双裂缝干扰

由3.1节研究可知，在相同应力差下砾岩裂缝扩展受砾石的影响，通过建立60 m×60 m的砾岩地层模型，通过10 m簇间距双裂缝扩展实验探寻不同应力差对砾岩裂缝干扰的数值模拟实验研究，实验参数与3.1节相同。

图9(a)为5 MPa应力差下砾岩双裂缝干扰图，图9(b)为其所对应的应力云图及标尺，X为最小主应力方向，Y为最大主应力方向。可以看出在低应力差下，整体上主裂缝①和主裂缝②整体上仍沿Y方向扩展，由3.1节可知裂缝受到砾石的“吸引”作用和“阻碍”作用，在砾石的作用下裂缝向X方向发生明显偏移，主裂缝①和主裂缝②呈现出以大角度夹角发育的裂缝形态，局部上观察到主裂缝①在起始破裂阶段受到砾石的“吸引”作用产生分支缝，在裂缝的发育过程中沿X方向与主裂缝②相互贯通，主裂缝②裂缝发育末端遇到砾石聚集从而受到砾石的“阻碍”作用形成分支缝。

当应力差为10 MPa时，裂缝扩展如图9(c)所示，其裂缝形态与5 MPa应力差下裂缝形态相似，同样呈现大角度夹角发育的裂缝形态，且分支缝相互贯穿。所不同的是在裂缝③和裂缝④的末端由于砾石的“吸引”作用发生了明显的偏转，从砾岩裂缝扩展的应力云图[图9(d)]中可以观察到裂缝③和裂缝④在受到缝间应力的影响下，向远离双裂缝中间的低应力区扩展。

图9 低应力差砾岩双裂缝模型图和裂缝图Fig.9 Double fracture model and fracture diagram of low stress difference conglomerate

在低应力差情况下，砾岩裂缝的扩展受到砾石的“吸引”作用大于应力差作用，裂缝在砾石的“吸引”作用下，裂缝向X方向发生偏转，并形成分支缝。两条裂缝间的高应力区使得裂缝向两侧的低应力区扩展，加剧了裂缝向两侧发育。由于裂缝受到砾石的“吸引”作用增加了裂缝的扩展通道，加上砾石的“阻碍”作用消耗较多能量，使得裂缝整体较短。

图10显示了15 MPa应力差及20 MPa应力差下砾岩的双裂缝干扰结果，图10(a)和图10(c)显示，高应力差情况下裂缝整体形态为两条相互平行，沿Y方向发育的主裂缝，主裂缝在发育过程中虽然受到砾石的“吸引”作用以绕砾形式扩展，但并没有在周围形成大量分支缝，没有分支缝之间相互沟通，与低应力差下裂缝形态差异较大。高应力差情况下不同裂缝间的缝间影响仍然存在，图10(b)中裂缝①的的率先发育使裂缝②发生轻微偏转以及抑制，图10(d)中裂缝③对裂缝④的抑制更加明显。

与低应力差下砾岩裂缝扩展相比，高应力差下砾岩整体裂缝扩展受应力差的作用大于砾石的“吸引”作用和“阻碍”作用，使得裂缝沿着最大主应力方向集中发育，没有较多的分支缝及偏转发育消耗能量的情况下，裂缝整体较长。不同裂缝的缝间应力影响仍然存在，但并不明显。

图10 高应力差砾岩双裂缝模型图和裂缝图Fig.10 Double fracture model and fracture diagram of high stress difference conglomerate

3.3 多裂缝的缝间干扰

由3.2节可知，在不同应力差情况下裂缝的缝间应力场对砾岩裂缝扩展的影响普遍存在，通过对不同数量裂缝同时起裂进行模拟，来研究多裂缝的缝间干扰问题，数值模拟模型应力差为15 MPa，其他参数与3.2节相同。

图11(b)显示在砾岩双裂缝干扰模拟中，裂缝①和裂缝②的缝间干扰使裂缝②发生偏转，结果与3.2节中结果相似，这里不再赘述。在三裂缝同时起裂过程中，如图11(d)显示在裂缝③和裂缝⑤发育的过程中，由于两裂缝间的应力形成了如图所示的“应力伞”对裂缝④的发育造成阻碍，导致裂缝④发育迟缓，同时由于裂缝③和裂缝⑤缝间距离较大，因此缝间应力并未使裂缝③和裂缝⑤形成如图11(b)所示的干扰偏转现象。当同时起裂4条裂缝时，如图11(f)所示裂缝⑥，裂缝⑦和裂缝⑧形成了与图11(d)相似的结果，裂缝⑥与裂缝⑧的扩展形成的缝间应力场阻碍裂缝⑦的发育，裂缝⑧和裂缝⑨形成了与图11(b)相似的结果，由于裂缝⑨右侧并无裂缝与裂缝⑧形成应力场，因此使得裂缝⑨在砾石的“吸引”作用下发生偏转。从整体上来看，当同时起裂数量增加时，缝间应力场逐渐连成片，不断扩大应力场范围，抑制裂缝发育，使裂缝长度整体变短。