李 良，張 健，陳 亮，馬海春.

(1.華能國際電力開發(fā)公司，北京 100031；2.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230027 )

炭質(zhì)頁巖水力壓裂模擬試驗

李 良1，張 健2，陳 亮1，馬海春3.

(1.華能國際電力開發(fā)公司，北京 100031；2.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230027 )

為了分析炭質(zhì)頁巖的水力壓裂過程，采用天然頁巖巖塊，制作了邊長為30 cm的立方體試樣，并采用實驗室大型試驗設(shè)備，設(shè)置兩種不同的割縫注射方向，對試樣進(jìn)行了水力壓裂模擬試驗。對比分析試樣的破壞形態(tài)，可以看出割縫注射方向?qū)α芽p的發(fā)育有重要影響；水力壓裂的極限強(qiáng)度與裂紋和層面之間的夾角有一定的關(guān)系，當(dāng)裂紋方向接近層面時，對應(yīng)的水力壓裂強(qiáng)度較小。結(jié)合水力壓裂的水壓曲線，闡述了裂紋發(fā)育和壓裂液壓力之間的關(guān)系。聲發(fā)射監(jiān)測炭質(zhì)頁巖的水力壓裂存在一定的不足，需要進(jìn)一步提高探測精度。頁巖水力壓裂還有很多影響因素，需要開展更多的模擬試驗進(jìn)行研究。

炭質(zhì)頁巖；水力壓裂；模擬試驗；裂紋；水壓

我國頁巖氣資源十分豐富，但由于地質(zhì)背景復(fù)雜性和頁巖物理特性，在頁巖氣開發(fā)利用上，工程實際采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行頁巖體積改造，形成滲透路徑，以達(dá)到油氣增產(chǎn)效果[1-3]。頁巖的水力壓裂涉及復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)因素，因此需要開展研究分析頁巖水力壓裂規(guī)律，評估壓裂效果。很多學(xué)者都開展過頁巖水力壓裂室內(nèi)物理模型試驗。郭印同等[4]利用真三軸巖土工程模型試驗機(jī)、Disp聲發(fā)射三維空間定位技術(shù)和工業(yè)CT掃描對水力壓裂縫擴(kuò)展形態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和分析。陳勉等[5]采用試驗?zāi)Ｐ蛯μ烊缓腿嗽鞄r樣進(jìn)行了水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制模擬，研究了地應(yīng)力、節(jié)理和天然裂縫等因素對壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。姜滸等[6]研究了定向射孔方位角、水平應(yīng)力差和微環(huán)隙對裂縫孕育的影響。閆鐵等[7]建立水力壓裂下局部裂縫張開、裂縫面錯動和裂縫面抗剪能力的計算模型。張旭等[8]以彭水地區(qū)龍馬溪組地層頁巖開展水力壓裂物理模擬，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貞?yīng)力差異系數(shù)減小或壓裂液黏度降低時，水力裂縫易開啟天然裂縫。靳鐘銘[9]、鄧廣哲[10]、周健[11]等也進(jìn)行了相關(guān)的壓裂物理模擬研究，但試驗中采用的樣品多為裂縫性砂巖煤相似材料或固結(jié)散煤。室內(nèi)模擬試驗研究已經(jīng)開展很多，但其研究對象多是人工試樣，成果也多針對均質(zhì)性較好的砂巖或人工相似配比材料，且多采用直接觀測的方法描述裂縫；隨著技術(shù)發(fā)展，聲發(fā)射設(shè)備、工業(yè)CT掃描等技術(shù)也應(yīng)用于裂縫信息監(jiān)測。本文以天然頁巖為研究對象，對頁巖進(jìn)行水力壓裂的效果分析，利用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測破裂，并對不同的孔位位置角進(jìn)行了對比。

1 試驗介紹

采用水力壓裂伺服控制泵壓系統(tǒng)進(jìn)行水力壓裂試驗，通過計算機(jī)程序可以設(shè)置恒定排量的泵注液體，試驗過程中利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄泵壓、排量等參數(shù)。水力壓裂伺服泵壓系統(tǒng)和泵注加壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓裂試驗中一般采用定排量控制，即位移控制模式，本次壓裂模擬試驗采用5 mL/min的定排量水力壓裂。

圖1 試驗設(shè)備示意圖

試樣由采自安徽地區(qū)的天然炭質(zhì)頁巖加工而成，如圖2所示?？紤]到試樣的不規(guī)則形狀和易破碎性，采用尺寸30 cm×30 cm×30 cm的模具對頁巖周圍進(jìn)行混凝土澆鑄填補(bǔ)。其中，頁巖的強(qiáng)度為4.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa，混凝土按照C25標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配制。然后，進(jìn)行預(yù)制注水孔。本試驗所需模擬試樣分2類預(yù)設(shè)割縫方向，即一組平行外邊，一組沿對角線設(shè)置，如圖3所示。

圖3 割縫設(shè)置示意圖

連接好試樣，利用實驗室水力壓裂設(shè)備進(jìn)行注水壓裂，主要設(shè)置壓裂液排量參數(shù)和壓力泵行程，控制壓裂液的排量。在模擬井筒中注滿示蹤劑(高級染色劑)，然后安裝模擬井筒與壓力管的銜接接頭，為保證壓裂液泵注效果，在射孔口附近采用干燥后的堵縫劑進(jìn)行密封性處理。隨過程記錄水壓變化情況，直至巖樣破碎，水壓降低后穩(wěn)定。待試驗結(jié)束后，對試樣進(jìn)行剖解觀察。

2 試驗結(jié)果

2.1 試樣破壞形態(tài)

共對6塊試樣進(jìn)行了試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋發(fā)育與割縫有直接關(guān)系，如圖4(試樣1)所示，裂紋的發(fā)育基本沿割縫的方向延伸，壓裂過程中試樣內(nèi)部伴有微弱聲響，表面出現(xiàn)長度不等的裂紋和排量不等的壓裂液，說明巖樣內(nèi)部發(fā)生了一定的破裂，也賦存一定量的壓裂液，其內(nèi)部產(chǎn)生裂縫的情況也不同。頁巖產(chǎn)生沿某一方向的擴(kuò)展和延伸，隨著壓裂液增加，巖樣內(nèi)部裂縫逐步演變成裂縫通道，從而在巖樣表面產(chǎn)生微小裂紋。

圖4 頁巖破裂效果圖(試樣1)

2.2 水力壓裂水壓分析

在水力壓裂過程中，記錄水壓的變化情況，如圖5(試樣1)所示。從圖5可以看出，試驗開始時，水壓從1.2 MPa下降至0.9 MPa，應(yīng)該是壓裂液開始進(jìn)入小空隙時產(chǎn)生降壓；隨著壓裂液的進(jìn)入，水壓開始增加，且增長速度很快，直至達(dá)到約3.0 MPa，這對應(yīng)頁巖水力壓裂的極限強(qiáng)度2.96 MPa；維持這一水壓約90 s后，巖石開始破裂，裂紋不斷擴(kuò)展，壓裂液繼而進(jìn)入新的裂紋，致使水壓下降，直至前方裂紋發(fā)展受阻，水壓再上升，最后形成完整的破裂裂紋。水力通道完整后，水壓下降至一定值并在一定范圍內(nèi)保持不變。

對比分析兩種布設(shè)割縫的頁巖破裂極限強(qiáng)度，一類割縫對應(yīng)的強(qiáng)度極限值約2.6 MPa，比二類的強(qiáng)度極限值約4.12 MPa明顯小，這是因為一類割縫的方向與頁巖層面方向接近平行，頁巖在此方向上容易破裂，水力通道容易形成。二類割縫的方向接近垂直層面方向，產(chǎn)生的裂紋也與層面有較大的交角，裂紋的發(fā)育需要穿越層面，因而需要更大的水壓支持。

圖5 水壓變化曲線

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測分析

對水力壓力過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測分析，在頁巖的四周布置監(jiān)控點，如圖6所示。因為試樣是炭質(zhì)頁巖，強(qiáng)度較低，破裂時聲音信號不太強(qiáng)烈，因此所得到的曲線不理想，沒有連續(xù)的發(fā)射信號，只出現(xiàn)了較少的突發(fā)信號。從監(jiān)測結(jié)果分析，多個信號點監(jiān)測收到的信息基本一致，曲線中對應(yīng)的波動主要是主裂縫的發(fā)育，對應(yīng)著最大頁巖水力壓裂時刻，說明聲發(fā)射在監(jiān)測炭質(zhì)頁巖水力壓裂時有一定的弊端，需要進(jìn)一步提高聲發(fā)射監(jiān)測效果。

圖6 聲發(fā)射監(jiān)測圖

3 總結(jié)和建議

室內(nèi)模擬試驗?zāi)軌蚍治鲰搸r水力壓裂的破壞規(guī)律。本文針對炭質(zhì)頁巖進(jìn)行了兩種割縫設(shè)置條件下的水力壓裂試驗，得到以下主要結(jié)論和建議：

(1)建立了一套炭質(zhì)頁巖室內(nèi)模擬水力壓裂的試驗方法，結(jié)果表明裂紋的發(fā)育與注水割縫有直接關(guān)系，頁巖的破壞方向與割縫的方向基本一致。

(2)注水壓力與頁巖的破壞過程有對應(yīng)關(guān)系，而頁巖水力壓裂的極限強(qiáng)度與裂紋和層面之間的角度有一定關(guān)系，當(dāng)裂紋發(fā)育方向接近層面方向時，頁巖水力壓裂的極限強(qiáng)度較低。

(3)炭質(zhì)頁巖的聲發(fā)射監(jiān)測水力壓裂效果不理想，接收的信號很微弱，原因主要是炭質(zhì)頁巖的強(qiáng)度低，破裂時產(chǎn)生的信號不強(qiáng)。

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Simulation Test of Hydraulic Fracturing of Carbonaceous Shale

Li Liang1, Zhang Jian2, Chen Liang1, Ma Haichun3

(1.HuanengInternationalPowerDevelopmentCo.,Beijing100031,China; 2.HuanengCleanEnergyResearchInstituteco.,Ltd.,Beijing102209,China；3.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230027,China)

For analyzing the carbonaceous shale hydrofracture process, native shale rock has been made into cube samples of 30cm side length. By using of laboratory equipment samples with two kinds of fracturing fluid slits have been carried out hydrofracture tests. Failure mode has been compared with each other and fracturing fluid slits have great influences on the cracks development. The limit strength for shale hydrofracture has a correlation with the angle between crack and rock level. When the angle is smaller, the limit strength may be lower. Combined with the hydraulic pressure curve the relation between crack and hydraulic pressure has been expounded. Acoustic emission for carbonaceous shale hydrofracture has certain deficiency and the accuracy of detection has needed improved. More simulation analysis should be conducted for more factors＇ influences.

carbonaceous shale; hydraulic fracturing; simulation test; crack; hydraulic pressure

中國華能集團(tuán)科技項目“重慶酉陽東區(qū)塊儲層壓裂裂縫形態(tài)的主要影響因素研究”(CERI/TY-14-HJKO5)、國家自然科學(xué)基金資助項目(11102205) 、合肥工業(yè)大學(xué)青年基金(2013HGQC)聯(lián)合資助。

李良(1966—)，男，碩士，華能國際電力開發(fā)公司燃?xì)赓Y源開發(fā)部副經(jīng)理、石油工程高級工程師，在能源開發(fā)與利用領(lǐng)域從事石油天然氣、煤層氣、頁巖氣勘探開發(fā)工作。郵箱：35101514@qq.com.

TV131；O241

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