林英松， 劉 瑩， 魏曉菲， 丁雁生

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100080)

0 引 言

水力壓裂技術(shù)是非常規(guī)油氣開(kāi)采的重要手段，水力壓裂作業(yè)井大量選用射孔完井方式。因此射孔對(duì)周圍巖石作用而產(chǎn)生裂縫的規(guī)律，以及裂縫對(duì)于壓裂效果的影響值得關(guān)注。

1978年,Saucier剖開(kāi)射孔后的貝雷砂巖靶發(fā)現(xiàn)鄰近孔眼周圍巖石滲透率升高，稍向外處降低[1]；1991年,Pucknell等采用CAT掃描觀察射孔后的貝雷砂巖靶，發(fā)現(xiàn)分別產(chǎn)生了徑向、環(huán)向、螺旋向3種裂紋[2]；2010年,Nabipour等研究了砂巖地層射孔損傷情況和射孔深度的關(guān)系[3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也做出了許多相關(guān)研究， 2006年，孫新波等對(duì)射孔后的砂巖靶進(jìn)行高能氣體壓裂，產(chǎn)生更多的裂縫且裂縫大多開(kāi)口于射孔孔道，壓裂縫可以突破射孔壓實(shí)區(qū)[4-5]；2014年，朱秀星等對(duì)砂巖儲(chǔ)層射孔壓實(shí)程度評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，建立了砂巖儲(chǔ)層射孔壓實(shí)傷害評(píng)價(jià)力學(xué)模型[6]；2015年，薛世峰等基于射孔效能物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬，提出了一種用于定量評(píng)價(jià)射孔壓實(shí)帶孔隙度和滲透率損傷程度的方法[7]。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于射孔造成的周圍巖石損傷情況進(jìn)行了大量研究，但少有學(xué)者研究射孔對(duì)周圍巖石產(chǎn)生裂縫的分布規(guī)律。

本文用實(shí)驗(yàn)方法研究射孔對(duì)周圍巖石產(chǎn)生裂縫的分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)用的試樣采用預(yù)制橫剖面的方法，便于實(shí)驗(yàn)后觀察其橫剖面上的裂紋形態(tài)、數(shù)目和寬度等，以分析射孔作業(yè)對(duì)其孔道周圍巖石破壞的基本規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的是勝利油田測(cè)井公司的高溫高壓射孔實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置按照API RP 19B標(biāo)準(zhǔn)制造，可模擬高溫、井筒壓力、圍壓、孔隙壓力、流體流動(dòng)狀態(tài)等，由三軸高壓釜、液壓動(dòng)力泵組、伺服控制系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)五部分組成。在高壓釜頂部、底部和側(cè)壁設(shè)有壓力、溫度測(cè)點(diǎn)，釜體上端設(shè)有爆破片接口，起到安全保護(hù)作用。該實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制器，控制精度高，可靠性強(qiáng)。高壓釜內(nèi)徑400 mm，有效空間高度1 m；設(shè)計(jì)最大壓力145 MPa，水壓實(shí)驗(yàn)壓力181 MPa，工作壓力80 MPa；三腔壓力狀態(tài)下，孔隙壓力<圍壓≤80 MPa，井筒壓力≤145 MPa；射孔彈最大允許裝藥量為300 g。高壓釜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試樣制作

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M頁(yè)巖地層，根據(jù)頁(yè)巖地層特性選擇了與其性能參數(shù)相近的水泥試樣,試樣及實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示[8-12]。其中,試樣直徑200 mm,射孔彈型號(hào)SDDP41RDX32-1。

表1 試樣及實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

1.3 靶套制作

巖樣放入高壓釜前需先安裝在靶套中，靶套的作用：①可以固定巖樣，并使巖樣預(yù)制剖面保持緊密接觸；②靶套上部開(kāi)口，下部閉合，避免射孔過(guò)程中脫落的巖屑掉入高壓實(shí)驗(yàn)容器中，堵塞加壓口；③靶套上部可安裝固定射孔裝置；④可懸掛，便于上提下放。

靶套的外表面有若干小孔，流體可通過(guò)小孔進(jìn)入靶套對(duì)巖樣施加圍壓。靶套示意圖和靶套射孔彈組裝圖如圖2、3所示。

圖2 靶套示意圖圖3 靶套與射孔彈組合完成示意圖

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

射孔器安裝在靶套上部，將準(zhǔn)備好的型號(hào)為SDDP41RDX32-1的射孔彈安裝在射孔器中，固定好并接好雷管，檢查密封圈。

將水泥試樣放入靶套中。由上到下依次放入200、300、500 mm高度的水泥試樣，并分別編號(hào)為F1、F2、F3，每個(gè)試樣上表面標(biāo)為A，下表面標(biāo)為B。

利用桁吊，將上述組合體放入高壓釜中并灌水，安裝容器蓋，使容器處于密封狀態(tài)，將射孔彈雷管引出，與電子引火裝置連接好。人員撤離地下設(shè)備室，打開(kāi)加壓泵，進(jìn)行第一組射孔實(shí)驗(yàn)，將圍壓逐步升到30.3 MPa，當(dāng)壓力趨于穩(wěn)定后，摁下點(diǎn)火按鈕，射孔完成。將高壓釜中的壓力卸掉，關(guān)閉水泵，打開(kāi)容器蓋，取出試樣靶，將水泥試樣取出。

圖4 水泥試樣安裝圖

將圍壓改為20 MPa，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，試樣標(biāo)記為S1、S2、S3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)F1、S1號(hào)試樣被射穿;F2、S2號(hào)試樣部分穿透，未完全射穿。

2.1 橫剖面宏觀裂紋分布

對(duì)兩個(gè)射孔彈金屬流的穿出面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)橫剖面的裂紋以徑向?yàn)橹?，?duì)徑向裂紋分布進(jìn)行分析[13]。為使試樣表面的裂紋更加明顯，用水潤(rùn)濕試樣表面，有縫隙的地方會(huì)迅速滲透，并留下痕跡，此方法可以明顯地觀察裂紋。

以孔道中心為圓心，將試樣表面分為8等份，依次數(shù)出與每個(gè)同心圓相交的徑向裂紋數(shù)目。其中，F(xiàn)1B面半徑最大的圓實(shí)際半徑為8.5 cm，所以相鄰兩個(gè)同心圓半徑相差1.062 5 cm；S1B面半徑最大的圓實(shí)際半徑為9.3 cm，所以相鄰兩個(gè)同心圓半徑相差1.162 5 cm。

從圖5、6可以看出，兩個(gè)面的分布規(guī)律大致相同，在第1、2個(gè)圓(2 cm)的范圍內(nèi)，徑向裂紋較少，分析原因是此范圍內(nèi)巖石受壓，抗拉強(qiáng)度變大。從第3～6個(gè)圓區(qū)域內(nèi)，裂紋數(shù)目增多，裂紋數(shù)目相對(duì)比較穩(wěn)定。在試樣邊緣處，裂紋數(shù)目則明顯降低。

(a) F1B面

(b) S1B面

2.2 橫剖面微觀裂紋分布

為了能夠更加深入地觀察試樣橫剖面的損傷情況，采用了顯微鏡研究試樣的微損傷擴(kuò)展情況，并對(duì)距孔眼不同距離的裂紋縫寬進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[14]，分析變化規(guī)律。

將橫剖面的半徑平均分為16等份，以孔道中心為圓心作16個(gè)同心圓，由孔道邊緣處向外依次標(biāo)為0～15號(hào)圓。利用便攜式數(shù)碼顯微鏡(最高放大150倍)對(duì)試樣拍攝照片，結(jié)合Nano Measurer軟件，依次測(cè)出每個(gè)圓上與之相交的所有徑向裂紋寬度，然后畫(huà)出兩個(gè)面上不同寬度裂縫數(shù)目變化圖，如圖7～9所示。

(1) F1B面。半徑最大的圓實(shí)際半徑為8.5 cm，所以相鄰兩個(gè)同心圓半徑相差0.531 cm。

0～1號(hào)圓范圍內(nèi)(<1.3 cm)裂紋較少，有兩條較寬裂紋從孔道處起裂，說(shuō)明孔道處巖石受到的拉伸應(yīng)力較大，但由于射孔對(duì)孔道周圍巖石產(chǎn)生壓剪損傷作用，產(chǎn)生塑性變形，巖石強(qiáng)度增加，拉伸應(yīng)力并沒(méi)有造成較多的微裂紋，只是在相對(duì)的方向上產(chǎn)生了兩條寬度較大的裂紋。

圖7 F1B面上不同寬度裂縫數(shù)目變化圖

2～11號(hào)圓范圍內(nèi)(1.3～6.6 cm)，各種寬度裂紋數(shù)目均有增加而后穩(wěn)定擴(kuò)展，出現(xiàn)了較多的微裂紋，短而窄。40 μm以下的微裂紋增加最多，多在較寬裂紋周圍產(chǎn)生。

12～15號(hào)圓范圍內(nèi)(>6.6 cm)，縫寬小于80 μm的裂紋數(shù)目逐漸減少，但80 μm以上的裂紋仍然較多，說(shuō)明較寬裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，是試樣邊緣的主要損傷形式。

由此,可以將F1B面的損傷區(qū)域劃分為三部分，見(jiàn)圖8，從孔道邊緣到1.3 cm處的區(qū)域?qū)儆趬杭魮p傷區(qū)，裂紋數(shù)目較少；1.3～6.6 cm的區(qū)域?qū)儆诶鞊p傷嚴(yán)重區(qū)，裂紋較多，微裂紋增多明顯，并且裂紋保持穩(wěn)定擴(kuò)展，裂紋寬度分布沒(méi)有發(fā)生太大變化；6.6 cm到試樣邊緣處屬于拉伸損傷衰減區(qū)，裂紋逐漸減少，余下多為較寬裂紋。

圖8 F1B面損傷區(qū)域劃分

圖9 S1B面上不同寬度裂縫數(shù)目變化圖

(2) S1B面。半徑最大的圓實(shí)際半徑為9.3 cm，所以相鄰兩個(gè)同心圓半徑相差0.581 cm。

對(duì)比F1B面，S1B面的各寬度裂紋大致變化趨勢(shì)是類似的，而縫寬40 μm以下的微裂紋數(shù)目要多于F1B面，說(shuō)明在圍壓較小的情況下，巖石抗拉強(qiáng)度較低，存在微裂紋的區(qū)域范圍更大，損傷程度也較大。7號(hào)圓處縫寬40～80 μm的裂紋大量增加，而縫寬40 μm以下裂紋大量減少，分析認(rèn)為是縫寬40 μm以下裂紋逐漸變寬所致。

將S1B面的損傷區(qū)域劃分為三部分(見(jiàn)圖10)。0～1.4 cm的區(qū)域?qū)儆趬杭魮p傷區(qū)，裂紋數(shù)目較少；1.4～8.1 cm處屬于拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)，裂紋較多，且裂紋寬度較大，很多縫寬較小的微裂紋相互交叉，呈網(wǎng)絡(luò)分布；8.1～9.3 cm處屬于拉伸損傷衰減區(qū)，裂紋數(shù)目逐漸減少，損傷逐漸降低。

圖10 S1B面損傷區(qū)域劃分

3 不同圍壓下?lián)p傷情況對(duì)比分析

3.1 圍壓對(duì)宏觀裂紋數(shù)目影響

由2.1可知，F(xiàn)1B面徑向裂紋較少，而S1B面徑向裂紋較多，即隨著圍壓的增大，裂紋數(shù)目減少。

3.2 圍壓對(duì)微觀裂紋數(shù)目影響

由于試樣尺寸有限，縫寬在100 μm以上裂紋可能是由應(yīng)力波反射產(chǎn)生的;100 μm以下的裂紋，其數(shù)目分布規(guī)律如圖11所示。

圖11 F1B面與S1B面微裂紋數(shù)目對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比，可以看出在2.5～5.0 cm的范圍內(nèi)，S1B面的微裂紋數(shù)目明顯多于F1B面，S1B面的損傷更為嚴(yán)重一些;5.8～8.1 cm的范圍內(nèi)，兩個(gè)面開(kāi)始出現(xiàn)第二次裂紋增多的現(xiàn)象，F(xiàn)1B面裂紋數(shù)目在增加到峰值后迅速減少，S1B面裂紋增加的速度較慢，但峰值裂紋數(shù)目多于F1B面。整體看來(lái),S1B面損傷更為嚴(yán)重，由此可以得出結(jié)論，使用相同射孔彈射孔的情況下，圍壓降低會(huì)使巖石的損傷情況更為嚴(yán)重。

3.3 圍壓對(duì)損傷區(qū)域范圍影響分析

由表2可以看出，F(xiàn)1B面拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)的范圍明顯小于S1B面，F(xiàn)1B面拉伸損傷衰減區(qū)范圍大于S1B面是由射孔不正中及試樣尺寸有限導(dǎo)致的。由此可以得出結(jié)論，隨著圍壓的增大，拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)范圍減小。

綜上所述，圍壓的增大，會(huì)使巖石強(qiáng)度增大，產(chǎn)生的裂紋數(shù)目減少，拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)范圍減小，巖石的損傷情況減輕。

表2 F1B面與S1B面損傷區(qū)域范圍對(duì)比

4 孔道周圍巖石的滲透率計(jì)算

在有裂縫的巖心中，如果真實(shí)裂縫巖心和理想裂縫巖心的滲流阻力相等，則在幾何尺寸、流體性質(zhì)和外壓條件相同時(shí)，用N-S方程和達(dá)西公式計(jì)算的流量應(yīng)相等，可以推出巖心的滲透率用裂縫寬度近似計(jì)算[15]:

K=b2/12

其中:K為巖心滲透率，pm2；b為裂縫巖心的平均寬度，m。

假設(shè)裂縫均勻分布，可以將流壓下裂縫寬度引起的孔隙度和滲透率變?yōu)閇16]：

Φf=nb,Kf=Φfb2/12

其中:n為裂縫密度，條/m；Φf為裂縫孔隙度；Kf為裂縫滲透率，pm2。

由此可以計(jì)算出孔道周圍不同位置處巖石的滲透率增幅，如表3所示。

表3 S1B面距孔道中心不同位置處巖石滲透率增幅

巖樣初始滲透率為6.7 nm2，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度引起的滲透率增幅和初始滲透率在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，巖石滲透率由基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率共同作用，所以射孔后孔道周圍滲透率有明顯提升。

當(dāng)裂縫寬度較大時(shí)，需要考慮濾失量的增加。本次實(shí)驗(yàn)孔道周圍大部分裂紋縫寬在90 μm以下，縫長(zhǎng)度較小，且主要分布在距孔道中心8.5 cm的范圍內(nèi)，壓裂液在壓裂時(shí)不會(huì)大量滲入地層，起裂壓力不會(huì)顯著提高，壓裂過(guò)程中不會(huì)造成卸壓較快的現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

(1) 射孔作業(yè)對(duì)其孔道周圍巖石會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷破壞，其破壞形式由近孔向外依次為壓剪損傷區(qū)、拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)、拉伸損傷衰減區(qū)。壓剪損傷區(qū)，裂紋數(shù)目較少；拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)，裂紋數(shù)目明顯增多，試樣損傷嚴(yán)重；拉伸損傷衰減區(qū)，微裂紋減少并逐漸消失；

(2) 隨著圍壓增加，拉伸損傷嚴(yán)重區(qū)范圍減小，裂紋數(shù)目減少，損傷程度降低；

(3) 利用縫寬估算孔道周圍巖石的滲透率發(fā)現(xiàn)，孔道周圍巖石的滲透率較射孔前明顯增加，這種結(jié)果有利于壓裂液進(jìn)入地層并形成復(fù)雜裂縫；

(4) 由于孔道周圍裂紋短且縫寬較小，壓裂時(shí)壓裂液不會(huì)大量滲入地層，起裂壓力也不會(huì)因此而顯著提高，所以壓裂過(guò)程中不會(huì)造成卸壓過(guò)快的現(xiàn)象。

[1] James E B, Dennis H. Laboratory simulation of flow through a perforation[C]//SPE European Formation Damage Conference. Noordwijk: Society of Petroleum Engineers, 2011: SPE-144187-MS.

[2] Pucknell J K, Behrmann L A. An investigation of the damaged zone created by perforating[C]//66th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers. Dallas: Society of Petroleum Engineers, 1991: 511-522.

[3] Nabipour A, Sarmadivaleh M. A DEM study on perforation induced damaged zones and penetration length in sandstone reservoirs[C]//44th US Rock Mechanics Symposium & 5th U.S.-Canada Rock Mechanics Symposium. Salt Lake City: American Rock Mechanics Association, 2010: ARMA 10-248.

[4] 孫新波, 趙 敏. 實(shí)驗(yàn)室條件下聚能射孔損害帶研究[J]. 測(cè)井技術(shù), 2005, 29(1): 8-10.

[5] 孫新波, 梁 純. 聚能射孔損害帶研究[J]. 測(cè)井技術(shù), 2006, 30(1): 33-36.

[6] 朱秀星, 張 林. 砂巖儲(chǔ)層射孔壓實(shí)傷害評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 38(1): 137-142.

[7] 薛世峰, 逄銘玉. 砂巖儲(chǔ)層射孔壓實(shí)帶孔隙度與滲透率損傷研究[J]. 巖土力學(xué), 2015, 36(6): 1539-1536.

[8] 齊寶權(quán), 楊小兵. 應(yīng)用測(cè)井資料評(píng)價(jià)四川盆地南部頁(yè)巖氣儲(chǔ)層[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(4): 44-47.

[9] 糜仲春, 楊仁華. 聚能裝藥對(duì)巖石的侵徹[J]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 28(2): 200-204.

[10] 彭瑞東, 劉紅彬. 巖石損傷檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 巖礦測(cè)試, 2007, 26(1): 61-66.

[11] 陳 勉. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展機(jī)制[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 37(5): 88-93.

[12] 蔣金寶. 爆炸激波對(duì)水泥試樣損傷規(guī)律研究[D]. 青島: 中國(guó)石油大學(xué)(華東), 2008.

[13] 楊更社. 巖石損傷檢測(cè)技術(shù)及其進(jìn)展[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 23(6): 47-55.

[14] 李俊鍵, 趙樹(shù)成. 裂縫寬度對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的影響研究[J]. 斷塊油氣田, 2016, 23(1): 95-99.

[15] 李 瑩. 裂縫間距分布規(guī)律對(duì)導(dǎo)流能力的影響研究[D]. 成都: 成都理工大學(xué), 2013.

[16] 邢楊義, 趙立強(qiáng). 裂縫性儲(chǔ)層水平井壓裂過(guò)程中起裂條件研究[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)), 2013, 35(5): 120-126.