賈利春，陳勉，孫良田，孫志宇，張偉，朱千千，孫振，金衍

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院）

0 引言

水力壓裂技術(shù)是低滲透儲集層常用增產(chǎn)技術(shù)，為了確保壓裂增產(chǎn)措施的成功，需要準(zhǔn)確預(yù)測水力裂縫的形態(tài)。室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識水力壓裂過程的有效手段，通過壓裂模擬實(shí)驗(yàn)可以研究影響水力裂縫擴(kuò)展的因素，更重要的是可以借助一些有效的方法觀測裂縫擴(kuò)展形態(tài)[1]。通過壓裂模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)識水力裂縫形態(tài)的主要方法包括[2-17]：壓裂后劈裂巖樣觀測裂縫形態(tài)；在壓裂液中添加示蹤劑來觀測裂縫的擴(kuò)展情況；采用聲發(fā)射或微地震方法監(jiān)測裂縫的擴(kuò)展過程。這些方法的共同缺點(diǎn)是無法準(zhǔn)確地認(rèn)識水力裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，實(shí)驗(yàn)誤差較大。一些研究者借助 CT技術(shù)觀測水力裂縫，精確度較高，但只獲得了裂縫的平面擴(kuò)展形態(tài)[18-20]。

本文采用大型真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對取自野外地層露頭的火山巖巖樣進(jìn)行水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前后采用工業(yè)CT技術(shù)對巖樣進(jìn)行掃描，通過對比分析實(shí)驗(yàn)前后CT圖像的變化分析水力裂縫的擴(kuò)展情況，并通過 CT圖像的三維重建和可視化處理分析巖樣內(nèi)水力裂縫的空間形態(tài)和裂縫面的扭曲程度。

1 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)

壓裂模擬系統(tǒng)為大型真三軸模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3對扁千斤頂模擬3個方向的地應(yīng)力[3-4]。實(shí)驗(yàn)過程中，通過MTS伺服增壓泵將油水分離器中的壓裂液泵注到模擬井筒中。同時，MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓裂液的壓力、排量等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)所采用的CT掃描系統(tǒng)為高能量大型工業(yè)CT設(shè)備，該系統(tǒng)的最大射線源電壓為450 kV，焦點(diǎn)尺寸為0.4～1.0 mm，密度分辨率小于等于1%，空間分辨率為3 lp/mm，可分辨0.5 mm的孔隙，但要求試樣的尺寸不超過8 000 cm3。掃描過程中，采用1 mm的間隔對巖樣自下而上進(jìn)行斷面掃描，每個巖樣經(jīng)過 1次完整的掃描可獲得200張CT圖像。

實(shí)驗(yàn)試樣為取自中國松遼盆地松南氣田營城組火山巖儲集層露頭的天然巖樣，巖樣的巖石力學(xué)基本參數(shù)見表1。根據(jù)CT掃描系統(tǒng)對試樣的尺寸要求，將天然巖樣切割成體積為8 000 cm3的立方體。

表1 巖樣巖石力學(xué)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)前，在巖樣中鉆出直徑10 mm、深度140 mm的模擬井眼，然后將長度120 mm、外徑6 mm、內(nèi)徑3 mm的模擬井筒放入井眼中，用高強(qiáng)度黏合劑黏合。

水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)中要求模擬地應(yīng)力條件，最主要的是地應(yīng)力的大小和分布。實(shí)驗(yàn)過程中施加的模擬地應(yīng)力參數(shù)和壓裂液參數(shù)見表2。

表2 模擬地應(yīng)力參數(shù)和壓裂液參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CT圖像分析

從1#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像（見圖1）中可以看出：在1#巖樣中形成了2條主水力裂縫，分別編號為Ⅰ和Ⅱ，圖中白色圓環(huán)是模擬井筒；裂縫Ⅰ和裂縫Ⅱ的起裂位置在井筒兩翼部位的夾角約為 165°；裂縫Ⅱ延伸較長，初始延伸方向與最大水平地應(yīng)力方向不一致，之后逐漸與最大水平地應(yīng)力方向一致；裂縫Ⅰ和裂縫Ⅱ均連通了巖樣內(nèi)的部分天然孔隙。從圖 1中還能看出，雖然火山巖內(nèi)部天然孔隙非常發(fā)育，但是水力裂縫并未沿著天然孔隙發(fā)育密集的區(qū)域延伸，說明火山巖難于達(dá)到理想的壓裂效果。

圖1 1#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像

由于1#巖樣實(shí)驗(yàn)后的200張CT圖像中只有很少一部分能觀察到水力裂縫，因此只對該部分CT圖像進(jìn)了三維重建和可視化處理。借助可視化處理的 CT圖像，在不破壞巖樣及不擾動水力裂縫的基礎(chǔ)上，可獲得巖樣內(nèi)部水力裂縫的空間展布形態(tài)和扭曲程度。從1#巖樣的裂縫三維圖（見圖2a—圖2e）和可視化圖（見圖 2f）中可以看出，1#巖樣內(nèi)水力裂縫的延伸長度和延伸高度均較小，延伸高度只在4～5 mm，這與火山巖現(xiàn)場壓裂過程中難于形成裂縫的現(xiàn)象一致。此外，該巖樣在室內(nèi)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)中的破裂壓力達(dá)到了58.76 MPa，表明火山巖壓裂中的破裂壓力梯度高，導(dǎo)致其難于形成裂縫。

圖3是2#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像，圖中黑色圓點(diǎn)是模擬裸眼井眼。由圖3可知：實(shí)驗(yàn)前2#巖樣內(nèi)部幾乎無天然裂縫，實(shí)驗(yàn)后巖樣中形成了 1條主水力裂縫；裂縫的起裂位置在井筒兩翼部位并延伸貫穿整個巖樣；雖然裂縫整體上沿著最大水平地應(yīng)力方向延伸，但延伸方向與最大水平地應(yīng)力方向之間存在微小偏轉(zhuǎn)，這可能是火山巖的非均質(zhì)性造成的。

圖4是2#巖樣實(shí)驗(yàn)后的裂縫三維圖（見圖4a—圖4c）和可視化圖（見圖4d—圖4f）。由于CT設(shè)備的限制及火山巖的非均質(zhì)性，造成CT圖像的偽像比一般鑄鐵類材料嚴(yán)重。但是由圖 4可知，2#巖樣內(nèi)部的水力裂縫在空間上貫穿整個巖樣，裂縫面出現(xiàn)扭曲，總體而言扭曲程度較小。

2.2 造縫能力分析

壓裂過程中，根據(jù)水力裂縫擴(kuò)展所需流體壓力最小的理論，可獲得水力裂縫的縫端壓力：

圖2 1#巖樣的裂縫三維圖和可視化圖

圖3 2#巖樣實(shí)驗(yàn)前后的CT圖像

式中p——裂縫的縫端壓力，MPa；σ3——最小主應(yīng)力，MPa；E——楊氏模量，MPa；γ——裂縫的表面能，MPa·m；L——裂縫半長，m；ν——泊松比。

（1）式中，Eγ/(1?ν2)表征地層中巖石造縫的能力，其值越小，表明該地層越容易壓開形成水力裂縫，令：

圖4 2#巖樣的裂縫三維圖和可視化圖

將 1#巖樣和 2#巖樣的楊氏模量和泊松比（見表 1）代入（2）式，可得 1#巖樣和 2#巖樣的 Δ值分別為27 000γ和23 360γ，因此1#巖樣的造縫能力低于2#巖樣。可見，壓裂過程中井眼附近的巖石力學(xué)特性是影響巖石造縫能力的重要因素，火山巖往往具有較高的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，造縫能力低，難于壓開形成水力裂縫。

3 結(jié)論

利用室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，進(jìn)行了火山巖天然巖樣水力裂縫延伸的模擬實(shí)驗(yàn)，并且借助工業(yè)CT技術(shù)觀測了水力裂縫的平面和空間擴(kuò)展形態(tài)。

對巖樣的CT圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過壓裂的火山巖內(nèi)部裂縫在延伸過程中會連通部分天然孔隙；裂縫并未沿著天然孔隙發(fā)育密集的區(qū)域延伸；裂縫延伸方向整體上與最大水平地應(yīng)力方向趨于一致。

為了準(zhǔn)確獲知巖樣內(nèi)部水力裂縫的空間展布形態(tài)和扭曲程度，對部分能觀察到水力裂縫的CT圖像進(jìn)行了三維重建和可視化處理。結(jié)果表明：1#巖樣內(nèi)水力裂縫的延伸長度和延伸高度均較小，延伸高度只在4～5 mm，巖樣的破裂壓力達(dá)到了58.76 MPa，說明火山巖壓裂中的破裂壓力梯度高，導(dǎo)致其難于形成裂縫；2#巖樣內(nèi)部的水力裂縫在空間上貫穿整個巖樣，裂縫面出現(xiàn)扭曲，總體而言扭曲程度較小。

對巖樣的造縫能力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：井眼附近的巖石力學(xué)特性是影響巖石造縫能力的重要因素，火山巖往往具有較高的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，難于壓開形成水力裂縫。因此，火山巖現(xiàn)場壓裂改造中的關(guān)鍵問題之一是降低破裂壓力梯度。

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