劉玉章付海峰丁云宏盧擁軍王 欣梁天成

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中國石油油氣藏改造重點實驗室，河北廊坊 065007）

層間應(yīng)力差對水力裂縫擴(kuò)展影響的大尺度實驗?zāi)M與分析

劉玉章1，2付海峰1，2丁云宏1，2盧擁軍1，2王 欣1，2梁天成1，2

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中國石油油氣藏改造重點實驗室，河北廊坊 065007）

儲隔層水平地應(yīng)力差是水力裂縫高度延伸的主控因素，采用大尺寸全三維水力壓裂實驗系統(tǒng)模擬儲隔層地應(yīng)力條件，對長慶長6砂巖進(jìn)行水力壓裂裂縫垂向擴(kuò)展模擬實驗，并實現(xiàn)對大尺度巖樣內(nèi)部裂縫擴(kuò)展的全三維實時聲波監(jiān)測。通過聲波監(jiān)測結(jié)果與實際裂縫形態(tài)對比，討論了層間應(yīng)力差、施工參數(shù)（排量、黏度）、施工壓力對裂縫垂向延伸的影響。結(jié)果表明：縫高受層間應(yīng)力差控制明顯；同時施工參數(shù)也會影響裂縫的垂向延伸，高黏流體壓裂有利于縫高延伸；對于均質(zhì)致密砂巖巖樣，實時聲波監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)α芽p擴(kuò)展動態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。本研究為縫高延伸機(jī)理研究提供了實驗手段，也為現(xiàn)場微地震監(jiān)測提供參考。

大尺度物理模擬實驗；水力壓裂；垂向擴(kuò)展；層間應(yīng)力差；聲波監(jiān)測

水力壓裂裂縫高度延伸控制技術(shù)一直是儲層改造設(shè)計、施工、評估過程中的重要環(huán)節(jié)，一方面施工過程中如果縫高控制不當(dāng)，進(jìn)入甚至突破隔層，溝通上下氣層或水層，造成壓裂施工失??；另一方面對于頁巖氣，致密砂巖氣等非常規(guī)儲層而言，水力壓裂工藝技術(shù)向著體積改造的方向發(fā)展，施工規(guī)模越來越大，施工成本越來越高，為了實現(xiàn)該類儲層經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)，將裂縫控制在儲層內(nèi)部擴(kuò)展就顯得尤為重要。因此無論是對于常規(guī)還是非常規(guī)儲層而言，對水力裂縫縫高延伸機(jī)理及控縫高技術(shù)的研究一直是水力壓裂領(lǐng)域研究的熱點。

前人對縫高延伸機(jī)理的研究已經(jīng)開展了深入的理論研究、數(shù)值模擬、礦場試驗及大量室內(nèi)實驗工作。首先對于縫高延伸的理論認(rèn)識是基于經(jīng)典的巖石斷裂力學(xué)理論［1］，Simonson、Hanson、Cleary、Biot［2-5］等人又對該理論進(jìn)一步完善，考慮垂向應(yīng)力差，界面物性差異等多因素對裂縫垂向延伸的影響；Gu［6］、王翰［7］等開展數(shù)值模擬研究，對影響裂縫垂向擴(kuò)展的多因素進(jìn)行敏感性分析。由于實際地層條件的異常復(fù)雜性，理論研究及數(shù)值模擬研究認(rèn)識的合理性還需要礦場試驗及室內(nèi)實驗的驗證。上世紀(jì)80年代Warpinski［8］等學(xué)者通過開展礦場試驗，來直觀觀察水力裂縫擴(kuò)展并驗證理論認(rèn)識，但由于開展礦場試驗成本較高，技術(shù)難度大等問題，該研究手段無法進(jìn)行推廣?；谏鲜稣J(rèn)識，利用室內(nèi)物模實驗技術(shù)來對水力裂縫延伸擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行研究就顯得尤為重要。

圍繞裂縫垂向延伸機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量物模實驗研究，主要集中在對垂向應(yīng)力、儲隔層物性、界面物性等因素的考察。Warpinski利用圓柱形天然巖樣（直徑20 cm，高度20 cm）進(jìn)行水力壓裂實驗，考察2層水平應(yīng)力差，垂向應(yīng)力以及層間彈性模量差對水力裂縫垂向擴(kuò)展的影響［9］。Teufel利用垂向疊置的3塊立方體天然巖樣（20 cm×20 cm×8 cm）開展物模實驗，定性考察界面剪切強(qiáng)度、層間彈性模量差及誘導(dǎo)水平應(yīng)力對縫高延伸的影響［10］。陳勉等人利用立方體水泥人工樣品（30 cm×30 cm×10 cm）模擬儲隔層物性條件，考察垂向應(yīng)力，垂向巖石物性差異對縫高延伸的影響［11］。Casas通過大尺寸天然巖樣（762 cm×762 cm×914 cm）的物模實驗考察了界面膠結(jié)強(qiáng)度對裂縫延伸的影響。

另一方面層間水平應(yīng)力差是裂縫垂向延伸的主控因素［8-10］，對其控制機(jī)理的認(rèn)識以斷裂力學(xué)理論和數(shù)值模擬為研究手段，受實驗設(shè)備及巖樣尺寸限制，一直無法開展有效地物模實驗。筆者采用大尺寸全三維水力壓裂實驗系統(tǒng)模擬儲隔層地應(yīng)力條件，對長慶長6砂巖進(jìn)行水力壓裂裂縫垂向擴(kuò)展模擬實驗，首次應(yīng)用層間應(yīng)力差模擬實驗技術(shù)，并結(jié)合實時聲波監(jiān)測結(jié)果，討論了層間應(yīng)力差、施工參數(shù)（排量、黏度）、施工壓力對裂縫垂向延伸的影響。

1 實驗

1.1 大型水力壓裂物模實驗系統(tǒng)

本實驗采用中石油油氣藏改造重點實驗室的標(biāo)志性設(shè)備—大型全三維水力壓裂物理模擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巖樣加載框架、壓力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集自動控制系統(tǒng)及聲波監(jiān)測系統(tǒng)4大部分組成。實驗巖樣尺寸為762 mm×762 mm×914 mm，大尺寸巖樣可以有效地降低巖樣邊界效應(yīng)［9］，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展更充分，實驗結(jié)果更具研究價值。實驗系統(tǒng)中水平地應(yīng)力加載方式為加壓板柔性加壓，加壓板放置在巖樣與加載框架之間，通過向加壓板中注水，水壓增大致加壓板膨脹，然后將水壓傳遞至巖樣表面，達(dá)到模擬水平地應(yīng)力的目的，工作原理如圖1（a）所示。加壓板柔性加壓與傳統(tǒng)的扁千斤頂剛性加載相比，具有應(yīng)力加載均勻的優(yōu)點，但由于加壓板材料的膨脹不可回縮特性，屬于耗材性產(chǎn)品，因此重復(fù)使用次數(shù)有限。

水力壓裂物模實驗需要模擬實際地層條件特別是地應(yīng)力場分布，一般而言，地層三向主應(yīng)力大小不同，且垂向上儲隔層水平應(yīng)力也會不同。因此本實驗系統(tǒng)在具備三向應(yīng)力模擬的同時，還需具備垂向3層應(yīng)力的獨立加載的功能，具體實現(xiàn)方法是在巖樣的每個水平主應(yīng)力方向上采用3套獨立的加壓板系統(tǒng)予以控制，分為上中下3層，達(dá)到真實模擬儲層及上下隔層的目的，加載示意如圖1（b）所示，其中單塊加壓板尺寸（長×高）為750 mm×280 mm。

圖1 水平應(yīng)力加載示意圖

1.2 實驗基本參數(shù)

本實驗所用巖樣為長慶油田長6儲層天然砂巖露頭，加工尺寸為762 mm×762 mm×914 mm，巖石力學(xué)基本參數(shù)如表1所示。參考長6地質(zhì)條件，考察層間應(yīng)力差為7 MPa下裂縫垂向擴(kuò)展形態(tài)，具體各向地應(yīng)力參數(shù)如表2所示。為了考察不同液體體系對裂縫垂向擴(kuò)展的影響，依次采用滑溜水和線性膠2種液體體系進(jìn)行壓裂，并分別混入2種染色涂料，便于觀察各自造縫形態(tài)。本實驗采用裸眼壓裂，井筒參數(shù)及裸眼段長度如圖2所示?？紤]到水力裂縫在儲層內(nèi)部擴(kuò)展，24路聲波傳感器集中不均勻布置在中間儲層。

表1 巖石力學(xué)基本參數(shù)

表2 地應(yīng)力場設(shè)計

圖2 物理模型

1.3 實驗結(jié)果

實驗共分為2個階段進(jìn)行，第1階段采用紅色滑溜水進(jìn)行壓裂，注入量為3 152 mL；第2階段改注藍(lán)色線性膠壓裂液，注入量為3 375 mL。實驗結(jié)束后對巖樣進(jìn)行切片，測量實際裂縫形態(tài)，并繪制實際裂縫形態(tài)效果圖（圖3），紅色滑溜水壓裂裂縫形態(tài)成徑向形態(tài)，造縫高度控制在中間儲層范圍以內(nèi)，受層間地應(yīng)力場控制明顯；藍(lán)色線性膠造縫形態(tài)為橢圓形，高度延伸進(jìn)上下隔層，但仍受地應(yīng)力場影響進(jìn)入深度有限。從實驗結(jié)果可以雖然高黏流體壓裂產(chǎn)生的縫高更大，但縫長方向的延伸距離大于縫高方向，這與Smith［15］數(shù)值模擬結(jié)果是一致的，即隨著流體黏度的增大，裂縫長度與高度的比值2Xf/H增大。

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力場分析

在室內(nèi)物模實驗中，巖樣尺寸有限且受邊界條件的限制，加載到巖樣表面上的應(yīng)力并不會等同地傳遞至巖樣內(nèi)部，巖石內(nèi)部應(yīng)力場的分布實際是表面各向加載應(yīng)力相互干擾耦合的結(jié)果［9］。采用有限元模擬的方法，對表2應(yīng)力加載條件下的巖樣內(nèi)部應(yīng)力場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示，受層間應(yīng)力干擾，中間層最小水平主應(yīng)力由外及內(nèi)逐漸增大，上下隔層應(yīng)力逐漸減小。圖4結(jié)果顯示，中間層內(nèi)部裂縫面附近的最小水平主應(yīng)力值為7.14 MPa，同時滑溜水壓裂縫高延伸至8.14 MPa，線性膠壓裂縫高進(jìn)一步延伸至9.41 MPa，因此低黏度滑溜水壓裂縫高受限的層間應(yīng)力差為1 MPa，高黏度線性膠壓裂縫高受限的層間應(yīng)力差為2.27 MPa。

圖3 實際裂縫形態(tài)

圖4 最小水平主應(yīng)力分布

2.2 聲波監(jiān)測分析

利用聲波監(jiān)測技術(shù)，對聲事件定位結(jié)果進(jìn)行分析，考察裂縫動態(tài)擴(kuò)展規(guī)律。

2.2.1 聲事件空間分布及數(shù)量 滑溜水壓裂聲事件主要集中在井筒附近，如圖5所示；線性膠壓裂監(jiān)測到的聲事件分布規(guī)律更明顯：垂向上聲事件分布在有限高度域內(nèi)，平面上則成扁長條帶分布，如圖6所示。兩種液體條件下的聲事件定位結(jié)果與實際裂縫形態(tài)對比如圖3所示，具有很好的一致性。同時與滑溜水壓裂相比，線性膠壓裂產(chǎn)生了更多數(shù)量的聲事件，這是因為低黏度滑溜水濾失大，產(chǎn)生的徑向裂縫很快就停止擴(kuò)展，規(guī)模較小，而高黏度線性膠在此基礎(chǔ)上繼續(xù)壓裂，產(chǎn)生了更大規(guī)模的橢圓形裂縫。

2.2.2 聲信號振幅及發(fā)生頻率 實驗過程中聲波系統(tǒng)可以實時記錄聲波振幅和聲信號發(fā)生頻率（單位時間內(nèi)采集到的聲信號數(shù)量）圖7所示。圖中可以看出在注入排量相同的情況下線性膠壓裂產(chǎn)生的聲信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑溜水壓裂，表明高黏流體的造縫效率更高；同時振幅數(shù)據(jù)顯示線性膠壓裂與滑溜水壓裂產(chǎn)生聲事件的振幅大小相當(dāng)，說明由裂縫擴(kuò)展誘發(fā)的聲事件能量大小與壓裂液種類無相關(guān)性。

2.2.3 裂縫動態(tài)擴(kuò)展 分析聲事件的動態(tài)分布規(guī)律，回歸出交聯(lián)凍膠壓裂裂縫擴(kuò)展動態(tài)，如圖8。A階段（500～1 050 s）裂縫從南側(cè)起裂并擴(kuò)展出邊界，北側(cè)很少有事件點發(fā)生；B階段（1 050～1 450 s）裂縫開始向北側(cè)擴(kuò)展產(chǎn)生聲事件，同時流體持續(xù)從南側(cè)流出也會有聲事件發(fā)生；C階段（1 450～2 400 s）裂縫突破北側(cè)邊界后，流體同時從南北兩側(cè)流出，此階段聲事件為流體流動噪音信號，南北兩側(cè)信號量大體相當(dāng)。

圖5 滑溜水壓裂聲事件定位結(jié)果

圖6 線性膠壓裂聲事件定位結(jié)果

圖7 聲波數(shù)據(jù)采集信息

圖8 裂縫擴(kuò)展期聲事件點分布（東面視圖）

通過對有效聲信號發(fā)生頻率的分析，進(jìn)一步驗證上述裂縫沿南北兩向非對稱擴(kuò)展的推斷。在A階段的末期，裂縫在南側(cè)突破邊界而由于流體滯后未到達(dá)邊界造成信號頻率的短暫降低；進(jìn)入B階段，裂縫繼續(xù)向北側(cè)擴(kuò)展，信號頻率重新增強(qiáng)，到B階段末期，裂縫向北再次突破邊界，流體滯后造成信號頻率的再次降低；C階段初期聲信號主要由流體流出邊界噪音產(chǎn)生，裂縫停止擴(kuò)展，有效信號頻率降低，后期提高排量，流體流動噪音增大，又會帶來信號頻率的重新增強(qiáng)。

2.3 凈壓力分析

根據(jù)圖8聲波監(jiān)測分析結(jié)果，裂縫主要在500～1 450 s時間段內(nèi)延伸擴(kuò)展，為進(jìn)一步考察裂縫延伸規(guī)律，對該時間段內(nèi)的泵注壓力進(jìn)行雙對數(shù)處理，如圖9所示。從圖中可以看出，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下壓裂壓力的斜率變化分為2個明顯的階段，以時間點900 s為界。在900 s之前，壓力起裂后快速下降，斜率為–1.34，裂縫在該階段處于徑向擴(kuò)展，縫高延伸不受限；900 s時，縫高延伸到最大，壓力降為11.5 MPa，凈壓力為4.36 MPa；此后壓力下降斜率由–1.34升至1/10，表明此階段縫高擴(kuò)展受限，裂縫擴(kuò)展由徑向模型向PKN模型過渡［1］。圖3所示的最終橢圓裂縫形態(tài)進(jìn)一步證實了上述認(rèn)識。

圖9 凈壓力對數(shù)圖

從900 s前后聲事件定位結(jié)果可以看出（圖10），900 s之前裂縫高度方向上存在聲事件的分布，表明裂縫垂向擴(kuò)展，900 s以后聲事件只在縫長方向上分布，表明縫高擴(kuò)展停止，與凈壓力分析一致。

圖10 A階段聲波事件點分布

3 結(jié)論

（1）通過建立模擬儲隔層地應(yīng)力條件下的水力壓裂物理模擬實驗技術(shù)，可以對裂縫垂向擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行更深入研究，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（2）實驗結(jié)果表明層間水平應(yīng)力差是裂縫垂向擴(kuò)展的主控因素，層間應(yīng)力差2.27 MPa、延伸凈壓力4.36 MPa條件下，高黏度線性膠壓裂縫高延伸受限，井筒附近縫高51.5 cm。

（3）在地應(yīng)力場、施工排量相同的條件下，高黏度液體壓裂更有利于縫高延伸，但縫長方向的延伸距離大于縫高方向，橢圓形態(tài)更明顯。

（4）室內(nèi)聲波監(jiān)測技術(shù)可以有效地實現(xiàn)對砂巖裂縫擴(kuò)展形態(tài)的監(jiān)測，也為現(xiàn)場微地震監(jiān)測提供重要的參考。室內(nèi)聲事件動態(tài)分布規(guī)律說明由于儲層非均質(zhì)性的存在，裂縫沿井筒兩側(cè)的擴(kuò)展存在不同步現(xiàn)象，這與現(xiàn)場某些條件下監(jiān)測到的微地震事件沿井筒兩側(cè)非對稱分布情況相似。

［1］ECONOMIDES M J,NOLTE K G .油藏增產(chǎn)措施（增訂本）［M］ .康德泉，周春虎，向世琪，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1991：199-304.

［2］SIMONSON E R,ABOU-SAYED A S,CLIFTON R J.Containment of massive hydraulic fractures［R］.SPEJ,1978-02：27-32.

［3］HANSON M E,SHAFFER R J.Some results from continue mechanics analyses of the hydraulic fracture process ［R］.SPE 7942,1979.

［4］CLEARY M P.Analysis of mechanics and production for producing favourable shapes of hydraulic fractures［R］.SPE 9260,1980.

［5］BIOT M A,MEDLIN W L,MASSE L.Fracture penetration through an interface［R］.SPEJ,1983（12）：857-869.

［6］GU H R,SIEBRITS E.Effect of formation modulus contrast on hydraulic fracture height containment［R］.SPE 103822,2006.

［7］王翰，劉合，張勁，等.水力裂縫的縫高控制參數(shù)影響數(shù)值模擬研究［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2011，41（9）：820-825.

［8］WARPINSKI N R,SCHMIDT R A,NORTHROP D A.In situ stresses：the predominant influence on hydraulic fracture containment ［R］.SPE 8932,1980.

［9］WARPINSKI N R,CLARK J A,SCHMIDT R A,et al.Laboratory investigation on the effect of in situ stresses on hydraulic fracture containment［R］.SPE 9834,1981.

［10］TEUFEL L W,CLARK J A.Hydraulic fracture propagation in layered rock：experimental studies of fracture containment［R］.SPE 9878,1984.

［11］陳勉，龐飛，金衍.大尺寸真三軸水力壓裂模擬與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19（S0）：868-872.

（修改稿收到日期 2014-06-30）

〔編輯 付麗霞〕

Large scale experimental simulation and analysis of interlayer stress difference effect on hydraulic fracture extension

LIU Yuzhang1,2,FU Haifeng1,2,DING Yunhong1,2,LU Yongjun1,2,WANG Xin1,2,LIANG Tiancheng1,2
（1.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Langfang065007,China;2.Key Laboratory of Reservoir Stimulation,CNPC,Langfang065007,China）

Horizontal geostress difference between reservoir and caprock is the main controlling factor for hydraulic fracturing height growth.A large scale full 3D hydraulic fracturing experiment system was used to simulate the geostress conditions of reservoir and caprock;simulation experiment was conducted to vertical growth of hydraulic fracturing for Chang-6 sandstone in Changqing Oilfield,and full 3D real-time acoustic monitoring was accomplished to internal fracture growth in large-size rock samples.A discussion was made regarding the effect interlayer stress difference,job parameters (flow rate,viscosity) and job pressure on vertical growth of fractures by comparing the results of acoustic monitoring and actual fracture geometry.The results show that fracture height is evidently controlled by interlayer stress difference;meanwhile,the job parameters will also affect the vertical growth of fractures,and fracturing with high-viscosity fluid is favorable for extension of fracture height;for homogeneous tight sandstone samples,real-time acoustic monitoring technique can effectively monitor the fracture growth conditions.This paper provides an experimental approach for the study on fracture height extension mechanism and also provides a reference for field micro-seismic monitoring.

large scale physical simulation experiment;hydraulic fracturing;vertical extension;interlayer stress difference;acoustic monitoring

劉玉章，付海峰，丁云宏，等.層間應(yīng)力差對水力裂縫擴(kuò)展影響的大尺度實驗?zāi)M與分析［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：88-92.

TE357.1

：A

1000–7393（2014）04–0088–05

10.13639/j.odpt.2014.04.022

國家科技重大專項“低滲、特低滲油氣儲層高效改造關(guān)鍵技術(shù)”（編號：2011ZX05013-003）資助。

劉玉章，1955年生。中國石油勘探開發(fā)研究院教授級高級工程師，主要從事油氣田開發(fā)領(lǐng)域的理論研究及管理工作。通訊作者：付海峰，電話：010-69213794。E-mail：fuhf69@petrochina.com.cn。