張 輝

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢430035）

砂巖壓裂理論認為，壓裂形成的水力裂縫主要為對稱雙翼裂縫，隨著非常規(guī)油氣藏的深入開發(fā)，該理論已不能適應(yīng)非常規(guī)儲層體積壓裂的要求。國內(nèi)頁巖氣開發(fā)存在壓裂理論不成熟，對裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的機理、特點不明確，針對頁巖儲層進行的物模試驗較少等問題，使得國內(nèi)頁巖氣開發(fā)缺乏相應(yīng)的壓裂理論指導(dǎo)或者試驗數(shù)據(jù)支撐，因此，國內(nèi)頁巖氣開發(fā)還需對裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的工藝技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化、液體體系等方面作更進一步的探索和研究。

1 天然露頭真三軸壓裂模擬試驗分析

實驗所需天然露頭取自位于湖北省利川市謀道鎮(zhèn)東岳廟段。壓裂前，將露頭巖芯加工成300mm×300 mm×300mm的形狀，在巖樣中心預(yù)制井眼，埋入鋼管模擬套管并預(yù)制射孔或割縫，完成壓裂前試樣準備工作（圖1）。

圖1 真三軸物模實驗流程圖

本次實驗利用中科院武漢巖土所大型真三軸物理模型試驗機進行室內(nèi)模擬。根據(jù)前期東岳廟段地應(yīng)力測試結(jié)果，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.2，設(shè)置模擬過程中三軸加載應(yīng)力的大小分別為σv＝24.12 MPa、σH＝15.65 MPa、σh＝12.87 MPa，排量為1.5mL／s，壓裂液采用清水替代，割縫方位與水平主應(yīng)力方向的夾角為45°，加載應(yīng)力后，開始以排量1.5mL／s進行泵注。在整個真三軸壓裂模擬過程中，在巖樣上布置了聲發(fā)射探頭，每端面暫定放置3枚，并根據(jù)試驗實際監(jiān)測效果進行調(diào)整。從聲發(fā)射監(jiān)測的結(jié)果看（圖2），隨著壓裂時間的增加，聲發(fā)射事件數(shù)量逐漸增多，壓裂后期聲發(fā)射事件數(shù)量增加緩慢。

圖2 聲發(fā)射事件分布圖

2 水力裂縫物理模擬模型試驗分析

從破裂后裂縫形態(tài)可以看出，頁巖壓裂后有一條沿水平應(yīng)力方向開裂的貫穿破裂面，平行天然頁巖層理面。從開裂面可以觀察到，在破裂面上有多條不規(guī)則分布的壓裂縫，呈交叉狀相互連通，有明顯的液體滲透痕跡（圖3）。從垂向加載面與水平向加載面可以看出，試件表面有多條不規(guī)則分布的破裂面，部分破裂面相互連通，形成了一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種立體狀的三維空間裂縫展布和延伸也是頁巖儲層改造的最為關(guān)鍵性條件。

圖3 巖心壓開后裂縫剖面觀察圖

針對東岳廟段可壓性好的頁巖儲層，壓裂過程中希望形成網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)?？p網(wǎng)的形成主要受人工裂縫與天然裂縫夾角和水平應(yīng)力差控制，縫網(wǎng)壓裂工藝主要溝通穿越天然裂縫和結(jié)構(gòu)弱面的剪切破壞。

裂縫延伸過程中遇到天然裂縫后存在3種可能。

1）當(dāng)θ＜30°時，無論應(yīng)力差大小，天然裂縫均開啟，改變原有延伸路徑，有利縫網(wǎng)形成。

2）當(dāng)30°≤θ≤60°時，低應(yīng)力差，天然裂縫開啟，具有形成縫網(wǎng)的條件，高應(yīng)力差天然裂縫不開啟，不具有形成縫網(wǎng)的有利條件。

3）當(dāng)θ＞60°時，無論應(yīng)力差大小，天然裂縫均不開啟，不具有形成縫網(wǎng)的有利條件。

根據(jù)壓裂試驗后裂縫的形態(tài)，考慮天然裂縫或結(jié)構(gòu)弱面對人工裂縫延伸的影響，結(jié)合理論模型，得出以下3種裂縫延伸模型（圖4、5、6）。

圖4 模型Ⅰ的裂縫延伸模型圖

圖5 模型Ⅱ的裂縫延伸模型圖

圖6 模型Ⅲ的裂縫延伸模型圖

3 水力裂縫影響因素分析與評價

3.1 高角度縫影響

實驗表明，高角度截交縫對起裂的影響很大，水平截交縫對起裂的影響甚微，幾乎不影響起裂方向。由于高角度截交縫的存在，使得起裂初始方向沿著天然裂縫的方向進行，當(dāng)水力裂縫從天然裂縫的尖端擴展出去以后（圖7），往往會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終沿著最大水平主應(yīng)力方向擴展，從而導(dǎo)致了起裂裂縫的近井筒扭曲。

圖7 高角度截交縫導(dǎo)致起裂后水力裂縫近井筒扭曲

實驗還發(fā)現(xiàn)，在縫高增長的初期，天然裂縫對縫高的影響相對較小，使得縫高方向的濾失加大，在縫高增長的中后期，除了增加了濾失外，天然裂縫還有具有強烈的止裂作用，從而有效地控制了縫高增長。

3.2 壓裂液粘度影響

考慮壓裂液的粘度和排量對壓裂后裂縫形態(tài)的影響，當(dāng)采用高粘度的壓裂液時用較小的排量，當(dāng)采用低粘度壓裂液時用較高的排量。從試樣實驗參數(shù)可以看出，在相同的應(yīng)力條件下，v－1、v－2、h－1、h－2等4支試樣所采用的壓裂液的粘度為100mPa·s，對應(yīng)的排量為1.5mL／s，而v－3、v－4、h－3、h－4等4支試樣所采用的壓裂液的粘度為10mPa·s，對應(yīng)的排量為2.0mL／s。

采用高粘度壓裂液時，所壓開的水力裂縫表面粗糙度較低，裂縫形態(tài)比較理想，裂縫表面比較光滑，水力裂縫容易穿過預(yù)置的天然裂縫。采用低粘度壓裂液的時，裂縫表面非常粗糙，起伏比較明顯，水力裂縫容易沿著天然裂縫方向延伸。

在相同工況下，高粘度流體濾失量顯然要比低粘度流體的濾失量小，水力裂縫要想穿過一個天然裂縫，必須克服不連續(xù)體表面的巖石強度。假如天然裂縫有足夠的剪切力，并在巖石表面產(chǎn)生足夠大的拉伸力，上述情況就會發(fā)生，而濾失的流體就像潤滑劑，會減少不連續(xù)體的剪切力，甚至使之完全沒有。因此，高粘度流體有利于水力裂縫穿過天然裂縫，這一試驗結(jié)果也與很多現(xiàn)場結(jié)果相符。

3.3 排量影響

當(dāng)排量為1mL／s時，峰值水壓力僅為1.9MPa，之后，壓力迅速跌落，將排量增加到2mL／s時，峰值水壓達到4.7MPa，停止注水后，壓力迅速跌落（圖8）。在較小的水壓下，鋼管割縫處產(chǎn)生的裂縫與天然裂縫溝通，壓裂液很快到達試樣邊界，引起壓力的急劇跌落。在排量為1mL／s時，試樣已經(jīng)形成了從內(nèi)部割縫處到外部邊界的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將排量增大到2mL／s后，壓力峰值達到4.7MPa，并保持相對穩(wěn)定。這些數(shù)據(jù)說明，真三軸試驗機施加的三向應(yīng)力抑制了裂紋寬度的增大，使試樣內(nèi)部裂縫網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)相對保持不變，讓壓裂液在裂縫中的流動處于一個動態(tài)的平衡。

圖8 不同排量模擬狀態(tài)圖

采用高排量壓裂時，裂縫形態(tài)比較理想，裂縫表面比較光滑，水力裂縫容易穿過預(yù)置的天然裂縫。采用低排量壓裂時，裂縫表面非常粗糙，起伏比較明顯，水力裂縫容易沿著天然裂縫方向延伸。

4 結(jié)論與建議

1）從實驗結(jié)果看，在試件表面有多條不規(guī)則分布的破裂面，部分破裂面相互連通，形成了具有一定規(guī)模的縫網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)實驗結(jié)果，再結(jié)合前期對東岳廟段儲層可壓性的評價，可以判斷出東岳廟段頁巖儲層可壓性較好，通過水力壓裂能形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)，能有效地增大改造體積。

2）根據(jù)天然裂縫或結(jié)構(gòu)弱面對人工裂縫延伸的影響，再結(jié)合理論模型，得出了東岳廟段頁巖儲層的3種裂縫延伸模型。由于該儲層天然裂縫較為發(fā)育，根據(jù)巖樣試驗結(jié)果可以初步判斷，模型Ⅲ為最主要的裂縫延伸擴展模型，即，水力裂縫在相交點直接穿過天然裂縫，并繼續(xù)沿最大水平主應(yīng)力方向延伸。

3）水力裂縫影響因素的評價結(jié)果表明，高角度縫、壓裂液粘度和排量是決定壓后裂縫形態(tài)的主要因素。因此，在現(xiàn)場壓裂施工中，首先應(yīng)考慮高角度縫對縫高抑制的影響，同時盡量采用高粘液體與低粘液體相結(jié)合的液體體系組合，以便盡可能多地打開天然裂縫系統(tǒng)；其次應(yīng)考慮施工排量對裂縫的影響，應(yīng)盡量采用大排量施工，以便有效地提高施工凈壓力，形成復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)。

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