許　丹，胡瑞林，高　瑋，夏加國

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所·中科院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué))

銅川地區(qū)陸相頁巖紋層結(jié)構(gòu)水力壓裂實(shí)驗(yàn)及評價(jià)

許丹1,2，胡瑞林1，高瑋1，夏加國1,2

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所·中科院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué))

摘要：采用大尺寸真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對陜西銅川地區(qū)陸相頁巖性質(zhì)相似的混凝土樣品，開展了物理模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用均值分析、極差分析和方差分析技術(shù)，研究了射孔套管與紋層的夾角、紋層厚度、紋層間距、主應(yīng)力差對水力壓裂效果的影響情況，并采用破裂面粗糙度指標(biāo)對各種工況的壓裂效果進(jìn)行評價(jià)。研究表明：該指標(biāo)能夠很準(zhǔn)確地表征壓裂效果好壞；射孔套筒與紋層的夾角越小，壓裂效果越好；試樣強(qiáng)度較高的紋層厚度偏大或偏小對壓裂效果均不利；水平主應(yīng)力差越小，壓裂效果越好；水平主應(yīng)力差對壓裂效果的影響最敏感，射孔套筒與紋層的夾角次之。

關(guān)鍵詞：銅川地區(qū)；陸相頁巖；紋層結(jié)構(gòu)；水力壓裂；裂縫擴(kuò)展

1概述

頁巖是由粒徑小于0.004 mm的細(xì)粒碎屑、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)等組成的具有紋層與頁理構(gòu)造的沉積巖[1]，頁巖氣是蘊(yùn)藏于頁巖層可供開采的天然氣資源，中國的頁巖氣可采儲(chǔ)量巨大[2]。我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，頁巖氣儲(chǔ)層賦存條件多變，迄今為止，可供開采的頁巖氣主要賦存于南方四川盆地、鄂西地區(qū)及上揚(yáng)子區(qū)的古生界海相頁巖層系和北方鄂爾多斯盆地三疊系延長組陸相頁巖層系中[3-6]。目前海相頁巖氣的開發(fā)技術(shù)趨近于成熟，而陸相頁巖氣的開發(fā)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，主要的原因是陸相頁巖層系的沉積環(huán)境、天然氣的成因、聚集模式等均與海相頁巖層系不同[7]，其中，最直觀的差別是陸相頁巖具有明顯的紋層結(jié)構(gòu)[8]。

陸相頁巖儲(chǔ)層物性致密、滲透率極低，需要采取壓裂等措施來提高頁巖氣井的產(chǎn)量。壓裂的目的是對儲(chǔ)層進(jìn)行改造，溝通天然紋層，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，為天然氣的產(chǎn)出提供通道。國內(nèi)外許多研究者通過物理模型實(shí)驗(yàn)等方法對頁巖儲(chǔ)層水力壓裂進(jìn)行了大量的研究[9-14]。這些研究都是基于天然裂縫對水力裂縫擴(kuò)展的影響，鮮有見到針對紋層結(jié)構(gòu)對水力壓裂影響的研究。本文采用大尺寸真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對鄂爾多斯盆地陜西銅川瑤曲地區(qū)完成的延科1井頁巖鉆探工程(總進(jìn)尺500 m)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究不同紋層傾角、紋層厚度、紋層間距、主應(yīng)力差對水力壓裂破壞的影響，并利用破裂面粗糙度指標(biāo)對各種工況的壓裂效果進(jìn)行評價(jià)[15-16]。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1試樣備制

實(shí)驗(yàn)采用與頁巖脆性、剪脹性質(zhì)類似的人造混凝土試樣，混凝土M1和M2的質(zhì)量配合比分別為水泥∶砂子∶水=1∶3∶0.5和1∶4∶0.6。用帶光面的厚木板制成凈尺寸為30 cm×30 cm×30 cm模具，將模具傾斜θ度，先澆筑厚度為D的M1混凝土試樣，待此層混凝土達(dá)到初凝時(shí)，再澆筑厚度為L的M2混凝土試樣，如此分層交替澆筑成邊長為30 cm的標(biāo)準(zhǔn)立方塊，并將特制的模擬射孔套管預(yù)埋在樣品的中心位置，埋深為20 cm，射孔段長為10 cm，射孔螺旋式分布，相鄰孔高差為1 cm，角度差為90°，圖1為模擬射孔套管的結(jié)構(gòu)示意圖。最后將脫模后的試樣放在溫度為20 ℃、濕度大于95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天。圖2為試樣結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)驗(yàn)測定混凝土M1彈性模量為8.843 GPa，泊松比為0.202，單軸抗壓強(qiáng)度σc為30.63 MPa；混凝土M2彈性模量為8.603 GPa，泊松比為0.214，單軸抗壓強(qiáng)度σc為29.17 MPa。實(shí)驗(yàn)中通過2D-SY型電動(dòng)試壓泵向模擬井筒中注入壓裂液，其額定排出壓力63 MPa，流量2 L/min，壓裂液中添加紅色示蹤劑，以便觀察水力壓裂裂縫的擴(kuò)展、連通規(guī)律。

圖1　模擬射孔套管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　試樣結(jié)構(gòu)示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)置如表1所示，實(shí)驗(yàn)中垂向應(yīng)力設(shè)為13 MPa，與延科1井500 m處的垂直應(yīng)力相當(dāng)；水平最小主應(yīng)力加載在平行于紋層的面上，設(shè)為5 MPa；水平最大主應(yīng)力加載在垂直于紋層的面上，分別設(shè)置為6 MPa，7 MPa，8 MPa，組成不同實(shí)驗(yàn)工況。利用正交試驗(yàn)法原理，采用4因素3水平的L9正交表對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，只需9個(gè)樣品就能保證全面實(shí)驗(yàn)的要求，這9個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)因素和實(shí)驗(yàn)因素組合如表2所示

表1　紋層結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)的因素

2.3實(shí)驗(yàn)儀器

本研究中的模擬壓裂實(shí)驗(yàn)使用中國石油大學(xué)(華東)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自行研究建造的真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1泵壓曲線分析

圖3為2號(hào)試樣壓裂時(shí)的時(shí)間-泵壓關(guān)系曲線圖，其中OA段為開泵階段，A點(diǎn)處低壓腔調(diào)壓閥打開；AB段為空行程階段；BC階段泵壓迅速增大，初始裂縫開始擴(kuò)展萌生；D點(diǎn)處高壓腔調(diào)壓閥打開，DE階段泵壓平穩(wěn)增長，主裂縫開始萌生、擴(kuò)展；E點(diǎn)處泵壓無法繼續(xù)增高，達(dá)到最高泵壓值，EF階段試樣內(nèi)裂縫貫通，壓裂液迅速濾失到貫通的裂縫中，壓力急劇下降；FG階段泵壓較為平穩(wěn)，G點(diǎn)處高壓腔調(diào)壓閥關(guān)閉，泵壓陡降；H點(diǎn)處低壓腔調(diào)壓閥關(guān)閉。

圖3　試樣2的時(shí)間-泵壓關(guān)系曲線圖

3.2壓裂后試樣形態(tài)

圖4中紅色線標(biāo)出了2號(hào)試樣壓裂后肉眼能明顯觀察到的裂縫，其中有1條貫穿試樣的主裂縫，有4條次裂縫，主裂縫開始沿著紋層擴(kuò)展，然后發(fā)生偏轉(zhuǎn)沿著垂直于紋層擴(kuò)展，直至貫通整個(gè)試樣，次裂縫基本沿著紋層擴(kuò)展。

圖4　2號(hào)試樣壓裂后裂縫形態(tài)圖

用清水在無圍壓條件下將2號(hào)試樣壓開后的形態(tài)如圖5所示，根據(jù)試樣上紅色示蹤劑的分布可以分析出在真三軸水力壓裂時(shí)試樣內(nèi)的裂縫擴(kuò)展情況，如圖中綠色的箭頭所示。水力裂縫基本從模擬射孔套筒的射井段開始起裂，然后向各個(gè)方向擴(kuò)展。

分析9個(gè)試樣的主破裂面可知：1#、5#、9#3個(gè)試樣的垂直于紋層的水平主應(yīng)力與平行于紋層的水平主應(yīng)力相當(dāng)，主破裂面平行于紋層；2#、3#、4#、6#、7#、8#6個(gè)試樣垂直于紋層的水平主應(yīng)力與平行于紋層的水平主應(yīng)力相差較大，主破裂面垂直于紋層。

圖5　2號(hào)試樣清水壓開后形態(tài)

圖6為5號(hào)試樣主裂縫形態(tài)圖，示意圖中紅色的線表示主裂縫形態(tài)，其中，BC段、EF段、GH段沿著紋層，F(xiàn)G段隆起部分可能是由于試樣內(nèi)部局部效應(yīng)引起的，CE段裂縫穿過紋層。圖7為4號(hào)試樣主裂縫形態(tài)圖，4號(hào)試樣的主裂縫垂直紋層，AB段、BC段均穿過紋層，且在B點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖6　5號(hào)試樣主裂縫形態(tài)圖和示意圖

圖7　4號(hào)試樣主裂縫形態(tài)圖和示意圖

分析9個(gè)試樣的裂縫擴(kuò)展形態(tài)可知：無論主裂縫平行于紋層還是垂直于紋層，主裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)的位置基本都在紋層面上。

3.3試樣破裂面的三維表面形態(tài)分析

真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用清水作為壓裂液在無圍壓條件下將試樣壓開，并采用HZ12-16-138型高精度大景深激光測頭系統(tǒng)(三維激光掃描儀)對壓開后的斷面進(jìn)行掃描。該掃描儀一次測量帶寬、景深為25×30 mm ，最大測量深度120 mm，精度±0.02 mm，通過激光脈沖發(fā)射器周期地發(fā)射激光，激光的波長為650 nm，打到斷面表面產(chǎn)生反射信號(hào)，接收透鏡收到反射信號(hào)后產(chǎn)生接收信號(hào)，最后由微電腦處理接收信號(hào)，從而得出破裂面的三維坐標(biāo)值。

利用克里格網(wǎng)格劃分法處理三維坐標(biāo)值，然后進(jìn)行破裂表面的三維重建，重建后的三維空間情況如圖8所示。通過克里格網(wǎng)格劃的等值線圖計(jì)算出8號(hào)試樣破裂面的真實(shí)表面積為113 546.927 3 mm2，從而可以確定破裂面粗糙度指標(biāo)RS，即破裂面的真實(shí)表面積SZ與其投影面積ST之比，RS=SZ/ST=113 546.923 7/90 000=1.261 6，RS越大，破裂面真實(shí)表面積越大，反應(yīng)到試樣內(nèi)就是裂縫波及面積越大，從而壓裂效果就越好。9個(gè)試樣的破裂面粗糙度指標(biāo)見表2。

圖8　8號(hào)試樣破裂面三維空間圖

表2　正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4正交試驗(yàn)表數(shù)據(jù)分析

4.1數(shù)據(jù)均值分析

如何定量評價(jià)實(shí)驗(yàn)壓裂效果的好壞，是確定紋層結(jié)構(gòu)的何種因素對壓裂效果敏感的關(guān)鍵。本文采用試樣破裂面的粗糙度指標(biāo)來分析壓裂效果的好壞。表2為四因素三水平正交試驗(yàn)表。

4.2數(shù)據(jù)極差分析

通過分析每種因素均值中的最大值與最小值之差(即極差分析)，可以確定影響壓裂效果的敏感性因素，極差分析數(shù)據(jù)列入表3中。

表3　極差分析表

4.3數(shù)據(jù)方差分析

表4為實(shí)驗(yàn)的方差分析表，可知：本實(shí)驗(yàn)四個(gè)因素的方差都很小，方差誤差與均方誤差均接近于零，說明實(shí)驗(yàn)的精度很高。

5結(jié)論

(1)水平主應(yīng)力差小時(shí)，壓裂后試樣的主裂縫平行于紋層；水平主應(yīng)力差大到一定程度時(shí)，壓裂后試樣的主裂縫垂直于紋層。

表4　方差分析結(jié)果

(2)用激光掃描儀對試樣的破裂面進(jìn)行了三維掃描，得到破裂面的三維坐標(biāo)值，重建破裂面的真實(shí)表面；破裂面粗糙度指標(biāo)能夠很準(zhǔn)確得表征壓裂效果好壞。

(3)通過均值分析得到：射孔套筒與紋層的夾角越小，壓裂效果越好；水平主應(yīng)力差越小，壓裂效果越好。

(4)通過極差分析得到：水平主應(yīng)力差對壓裂效果的影響最敏感；射孔套筒與紋層的夾角次之。

(5)通過方差分析說明實(shí)驗(yàn)誤差非常小，不會(huì)影響壓裂效果，壓裂效果的差異是由不同因素不同水平的差異決定的；本實(shí)驗(yàn)四個(gè)因素的影響很顯著。

致謝：衷心感謝中國石油大學(xué)(華東)薛世峰教授、朱秀星博士、賈鵬博士對實(shí)驗(yàn)的大力支持！

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編輯：劉洪樹

文章編號(hào)：1673-8217(2016)03-0119-05

收稿日期：2015-11-09

作者簡介：許丹，在讀博士生，1987年生，2010年畢業(yè)于三峽大學(xué)水利水電工程專業(yè)，主要從事頁巖儲(chǔ)層可壓裂性、地質(zhì)工程等方向的研究工作。

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技(B類)課題“儲(chǔ)層非均質(zhì)性與可壓裂性”(編號(hào)：XDB10030100)。

中圖分類號(hào)：TE357.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A