朱 江， 張 楠， 陳 晨， 張 晗， 潘棟彬， 王亞斐， 靳成才， 劉書源

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026； 3.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026)

0 引言

近年來，油頁巖作為石油的補(bǔ)充能源備受關(guān)注。油頁巖是一種固體可燃有機(jī)礦物，作為一種重要的非常規(guī)能源，油頁巖在世界范圍內(nèi)分布廣泛，而且儲(chǔ)量巨大[1-8]。油頁巖的開采方法主要有兩種，第一種開采方法是露天、地下巷道開采，再進(jìn)行地面干餾分離，此方法對環(huán)境污染較大。油頁巖的另一種開采方法是地下原位加熱裂解開采，原位裂解的原油和天然氣提取到地表，整個(gè)反應(yīng)在地下進(jìn)行，大大減輕了油頁巖開采對環(huán)境的污染[9]。目前，油頁巖原位加熱裂解開采方法已經(jīng)成為主要的研究方向[10]。

油頁巖在原位加熱過程中將產(chǎn)生很多化學(xué)物質(zhì)，包括有機(jī)揮發(fā)物、半揮發(fā)物質(zhì)和重金屬[11-14]。在地下水豐富的地層中，地下水容易進(jìn)入壓裂后的原位開采區(qū)，地下水的進(jìn)入不僅影響了原位裂解的加熱效率，也容易將產(chǎn)生的油氣帶走。同時(shí)，裂解的油氣也很容易污染周邊的地下水及土壤。為了避免以上問題，國內(nèi)外大量學(xué)者對油頁巖原位裂解區(qū)的止水封閉方法進(jìn)行了研究。美國的殼牌公司在開采區(qū)周邊布置冷凍井，利用循環(huán)冷凍液，將冷凍井周邊的地下水及周圍介質(zhì)一起冷凍形成冷凍墻[15-16]；陳晨等采用高壓氮?dú)鈴淖⑷刖⑷?，開采井流出，其間形成高壓區(qū)，使高壓氮?dú)馀c地下水形成壓力平衡，阻止地下水進(jìn)入開采區(qū)[17]；呂士東等利用水泥漿液對開采區(qū)周邊進(jìn)行滲透注漿，漿液凝固后在迎水方向阻止地下水進(jìn)入油頁巖原位裂解開采區(qū)[18]。油頁巖原位裂解開采周期長[19]，注漿封閉無論是在能量消耗還是止水穩(wěn)定性上具有非常大的優(yōu)勢。

注漿方法已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，在油頁巖地層少有研究。油頁巖是一種致密的沉積巖，用滲透注漿的辦法封閉開采區(qū)周邊，漿液的擴(kuò)散范圍小，所需注漿孔多，鉆孔及注漿經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高。而且，油頁巖地層存在許多天然裂縫和構(gòu)造裂縫，若注漿孔不能與已有裂隙相交，漿液通過滲透形式很難滲入微小裂縫。劈裂注漿方法利用較高的注漿壓力產(chǎn)生裂縫，以此連通天然裂隙及人工壓裂裂隙，漿液填充并凝結(jié)在裂縫中可以減少滲水通道，而且，劈裂注漿較滲透注漿擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，可以減少鉆孔數(shù)量，節(jié)省工程造價(jià)和縮短工期。地層中裂縫的擴(kuò)展具有不確定性，大量學(xué)者對定向劈裂進(jìn)行了研究，石明生等利用定向劈裂對土石壩進(jìn)行止水治理[20]；呂奇峰在隧洞注漿止水中，對注漿孔與誘導(dǎo)孔的間距進(jìn)行了研究[21]；黃明利等針對隧道內(nèi)水平超前注漿，利用理論和模擬的方法得出了誘導(dǎo)劈裂注漿中誘導(dǎo)孔及側(cè)壓力系數(shù)滿足的條件[22]。以上研究中誘導(dǎo)孔與注漿孔的誘導(dǎo)間距小，工程量大，利用射孔與注漿相結(jié)合可增大漿液擴(kuò)散范圍，減少注漿孔數(shù)量，針對油頁巖地層利用射孔引導(dǎo)裂隙擴(kuò)展的雙孔劈裂注漿可增大孔間距并形成止水帷幕，然而，對此還未有研究。

基于此，本文采用RFPA-2D軟件建立數(shù)值模型，根據(jù)油頁巖地層物理力學(xué)參數(shù)，對比分析帶有射孔注漿和不帶射孔注漿的裂隙起裂位置及裂隙擴(kuò)展方向的不同，并對射孔間距為2 m時(shí)，模擬分析應(yīng)力差異對帶射孔劈裂注漿裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。

1 劈裂注漿概念及數(shù)學(xué)模型

1.1 劈裂注漿概念

劈裂注漿是在灌漿鉆孔中施加漿液，當(dāng)液壓超過滲透和壓密灌漿的極限力時(shí)，使被灌注巖土體發(fā)生劈裂現(xiàn)象產(chǎn)生新的灌漿裂縫或者使原有裂縫張開并沿著最小阻力方向延伸，灌注載體最終凝固在裂縫中，起到填充和加固的作用，如圖1所示。對于不與注漿孔相連的裂隙及孔隙，以漿液為壓裂液劈裂巖層形成裂隙，漿液與裂隙同時(shí)流動(dòng)擴(kuò)展，可將遠(yuǎn)處裂隙及孔隙連通并填充。劈裂注漿對被灌注載體是破壞性的，因?yàn)橐冗M(jìn)行劈裂為漿液流動(dòng)提供通道，同時(shí)，劈裂注漿又是建設(shè)性的，漿液在裂縫中流動(dòng)最終凝結(jié)，起到防滲堵漏的作用。

圖1 劈裂注漿示意圖

1.2 滲流-應(yīng)力-損傷數(shù)學(xué)模型[23-25]

地層中的巖石在劈裂過程中，巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和滲流特性會(huì)持續(xù)相互影響，最終導(dǎo)致材料的損傷破壞。在注漿壓力的作用下，劈裂裂縫的滲流行為和已存在裂縫的滲流行為是不同的。所以，巖體在荷載作用下劈裂損傷時(shí)，巖體的滲透率時(shí)刻發(fā)生變化。所以在劈裂裂縫的擴(kuò)展中要考慮裂縫滲流-應(yīng)力-損傷耦合的效應(yīng)。

(1)滲流-應(yīng)力耦合方程。

基于Biot經(jīng)典滲流耦合基本方程建立滲流-應(yīng)力耦合方程：

K(σ，p)=ξK0e-β〔(σii/3)-αp〕

(1)

式中：K、K0——巖體滲透系數(shù)，m/s；σii——正應(yīng)力，MPa；p——劈裂注漿壓力，MPa；ξ——滲透相關(guān)系數(shù)；β——滲流-應(yīng)力耦合系數(shù)；α——裂縫液壓系數(shù)。

(2)滲流-損傷耦合方程。

當(dāng)模型中的單元所受的應(yīng)力或者應(yīng)變達(dá)到某個(gè)設(shè)定的損傷數(shù)值時(shí)，單元開始損傷，損傷單元的彈性模量為：

E=(1-λ)E0

(2)

當(dāng)單元的剪應(yīng)力達(dá)到巖體的抗剪破壞臨界強(qiáng)度時(shí)，損傷變量為：

(3)

巖體單元滲透系數(shù)為：

(4)

當(dāng)單元達(dá)到抗拉強(qiáng)度臨界值時(shí)：

σ3<-ft

(5)

損傷系數(shù)λ為：

(6)

單元滲透系數(shù)為：

(7)

式中：E——損傷單元彈性模量，MPa；λ——巖體損傷系數(shù)；E0——無損傷單元彈性模量，MPa；fcr——巖體殘余強(qiáng)度，MPa；ft——抗拉強(qiáng)度損傷閾值，MPa；K、K0——巖體滲透系數(shù)，m/s；σi——正應(yīng)力，MPa；p——劈裂注漿壓力，MPa；ξ——滲透相關(guān)系數(shù)；β——滲流-應(yīng)力耦合系數(shù)；α——裂縫液壓系數(shù)；ξ′——滲透突變系數(shù)；ε0——原始形變；εcλ——損傷剪切變形；εtu——應(yīng)變極限值。

2 數(shù)值模擬

本文采用Realistic Failure Process Analysis-2D Flow(RFPA)軟件對油頁巖地層進(jìn)行劈裂注漿數(shù)值模擬，RFPA軟件是基于Biot固結(jié)理論和修正的Terzaghi有效應(yīng)力原理，同時(shí)在劈裂過程中考慮了滲透率變化的影響，開發(fā)出的二維的巖石失穩(wěn)過程滲流-應(yīng)力-損傷耦合分析程序，后處理功能有聲發(fā)射圖、孔隙水壓力圖、最大主應(yīng)力云圖等[26]?？梢詫Φ蜐B透性和非均勻性的巖石劈裂過程中裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、失穩(wěn)過程進(jìn)行分析。

本文研究的物理模型見圖2，模型長6 m、寬3 m，注漿孔半徑為0.06 m，裸孔間距為3.2 m，射孔長度0.6 m，射孔間距為2 m，本文以k=(σx-σy)/σx為水平地應(yīng)力變化的指標(biāo)評價(jià)不同應(yīng)力水平對裂隙擴(kuò)展影響。應(yīng)力組合見表1。

圖2 注漿模型

編號σx/MPaσy/MPak編號σx/MPaσy/MPak1610-0.6771080.22710-0.4381070.33810-0.2591060.44910-0.11106605101001144061090.112220

本文研究的材料為油頁巖，基本材料參數(shù)為：均質(zhì)度1 m，彈性模量均值E=15 GPa，抗壓強(qiáng)度均值σ=30 MPa，摩擦角φ=30°，壓拉比C/T(材料抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值)14.2，泊松比0.23，滲透系數(shù)0.00001 m/d。滲流壓力加載初始值設(shè)為對應(yīng)的漿液液柱壓力，單位m，逐級加載直至巖石模型破壞失效，模型中的邊界滲流壓力取值為0 MPa。劈裂漿液的密度取值 1510 kg/m3。

3 無射孔注漿與有射孔注漿的裂縫起裂及擴(kuò)展對比分析

為研究射孔對裂縫起裂及擴(kuò)展的影響，排除σx、σy差異的影響，取k=0時(shí)，對模擬試驗(yàn)5、10、11、12進(jìn)行數(shù)值模擬。4組試驗(yàn)中裂隙擴(kuò)展相似，以模擬試驗(yàn)5為例對無射孔注漿和有射孔注漿的裂縫起裂及擴(kuò)展進(jìn)行對比分析，模擬試驗(yàn)5的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3無射孔注漿

圖4 有射孔注漿

圖5 孔隙壓力云圖

長期研究表明，材料在荷載的作用下會(huì)發(fā)生變形及破壞，會(huì)發(fā)出一系列聲脈沖，這種聲信號是材料內(nèi)部相對位移、裂隙發(fā)育和力的釋放等過程釋放出來的，這就是聲發(fā)射，聲發(fā)射圖中的圓圈大小代表能量的大小，圓圈越大能量越大，紅色圓圈代表拉伸破壞，白色圓圈代表剪切破壞。聲發(fā)射可以作為本文裂縫起裂位置及裂隙產(chǎn)生的依據(jù)。

圖3中聲發(fā)射圖表明，裂隙在注漿孔四周起裂，主要為拉伸破壞，局部存在剪切破壞，最終會(huì)向巖層薄弱的位置延伸破壞。而圖4的聲發(fā)射圖表明，裂縫的起裂位置主要集中在射孔的尖端以及左注漿孔左端、右注漿孔右端，起裂的位置及裂縫的擴(kuò)展主要集中在射孔之間，近似對稱分布，而無射孔注漿的最終裂縫分布沒有一定的方向性，在注漿實(shí)際工程中不易控制注漿方向。有射孔的劈裂注漿與裸孔注漿相比，射孔起到定向劈裂的目的，并且減小注漿孔間的劈裂距離。從圖5可知，無射孔注漿的最大液柱壓力值為15.91 MPa，帶射孔的最大液柱壓力值為15.46 MPa，帶射孔注漿所消耗的能量少，且最終能夠?qū)蓚€(gè)注漿孔相連，形成有效的防水帷幕。因此，帶射孔注漿具有定向劈裂并減小能量消耗的作用。

4 k值變化對有射孔的雙孔注漿的影響

實(shí)際地層中σx和σy具有差異性，這種差異會(huì)對裂縫的擴(kuò)展有很大的影響，本文以k值作為地應(yīng)力變化的指標(biāo)，對有射孔的注漿孔進(jìn)行裂縫擴(kuò)展的模擬分析。

4.1 k=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí),地應(yīng)力對有射孔的雙孔注漿的影響

利用數(shù)值模擬軟件RFPA分別對表1中的模擬試驗(yàn)6、7、8、9四組應(yīng)力組合進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。以模擬試驗(yàn)9為例，其最大主應(yīng)力及聲發(fā)射模擬結(jié)果如圖6所示。四組數(shù)值模擬的孔隙壓力云圖見圖7。

圖6表明起裂的位置首先在左射孔的尖端和右射孔末端的σx方向上開始。由圖6(a)的聲發(fā)射圖可見，在射孔的尖端紅色能量圈小而密集，注漿孔附近的區(qū)域也存在一些紅色和白色的能量圈，其中紅色圓圈為拉伸破壞能量釋放，白色圓圈為剪切破壞能量釋放，聲發(fā)射圖表明在破壞初始階段主要以射孔尖端拉伸破壞及局部區(qū)域的剪切破壞為主。隨著注漿孔壓力持續(xù)增大，射孔尖端的應(yīng)力集中越來越明顯，拉伸破壞能量釋放不斷增多，破壞范圍不斷增大，射孔尖端附近形成拉伸破壞區(qū)，與此同時(shí)注漿孔孔壁附近也形成了拉伸破壞區(qū)，圖6的(b)和(c)聲發(fā)射圖相對應(yīng)的最大主應(yīng)力圖也可表明在射孔尖端及注漿孔附近的主拉應(yīng)力值及拉應(yīng)力區(qū)越來越大。隨著注漿壓力持續(xù)增加，注漿孔和射孔周邊的主拉應(yīng)力區(qū)不斷擴(kuò)大，最終相連，在兩個(gè)射孔之間形成了類似梭形的最大主拉應(yīng)力區(qū)，與最大主應(yīng)力圖相對應(yīng)的聲發(fā)射圖表明在射孔之間能量釋放越來越多，且非常密集，此處產(chǎn)生大量的裂縫，最終導(dǎo)致射孔之間的巖層劈裂連通。

圖7表明當(dāng)k=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí)，最大液柱壓力值分別為13.32、11.84、8.44、7.55 MPa。最大液柱壓力隨著σy的減小而減小。模擬試驗(yàn)6、7、8同模擬試驗(yàn)9的破壞過程相似，在射孔存在的條件下，射孔擴(kuò)大了最大主拉應(yīng)力的范圍，隨著注漿壓力的不斷增大，兩個(gè)不斷擴(kuò)大的主拉應(yīng)力區(qū)更容易連通，最終在邊界應(yīng)力及射孔誘導(dǎo)下可實(shí)現(xiàn)注漿孔劈裂連通，而且隨著k值的增加，射孔之間的裂隙比較集中，裂隙的擴(kuò)展具有更好的方向性。

4.2 k=-0.67、-0.43、-0.25、-0.11時(shí),地應(yīng)力對有射孔的雙孔注漿的影響

對模擬試驗(yàn)1、2、3、4四組應(yīng)力組合進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖8。

圖8中的孔隙壓力云圖表明1、2、3、 4四組應(yīng)力組合的起裂壓力分別為7.55、8.88、11.84、13.32MPa，最大液柱壓力隨著k值的增加而增加。當(dāng)k=-0.25、-0.11時(shí)，隨著k值的減小，裂縫的擴(kuò)展方向會(huì)發(fā)生改變，注漿孔和射孔附近產(chǎn)生的裂縫會(huì)向最小阻力方向擴(kuò)展，即σy的方向。但是，因?yàn)檫吔鐟?yīng)力差較小，兩射孔附近形成的主拉應(yīng)力區(qū)仍會(huì)不斷增大并相連，最終在兩射孔之間形成主拉應(yīng)力區(qū)，受拉伸破壞形成的大量的裂縫也會(huì)連通兩個(gè)注漿孔，結(jié)果如圖8(c)最大主應(yīng)力圖，(d)最大主應(yīng)力圖所示。k=-0.25、-0.11時(shí)，與4.1中k>0的幾種情況相比，裂隙的擴(kuò)展會(huì)受到邊界應(yīng)力的影響，其擴(kuò)展方向較為不集中，但是仍可連通相距2 m的射孔。

圖6k=0.4時(shí)最大主應(yīng)力圖(左)與聲發(fā)射圖(右)

圖7 孔隙壓力云圖

圖8 不同k值的最大主應(yīng)力圖與孔隙壓力圖

如圖8(a)最大主應(yīng)力圖, (b)最大主應(yīng)力圖所示，當(dāng)k<-0.25時(shí)，較大邊界應(yīng)力差成為影響裂縫擴(kuò)展主要的因素，注漿孔及射孔附近產(chǎn)生的裂縫會(huì)沿最小阻力方向擴(kuò)展，即σy的方向，注漿孔的壓力雖然持續(xù)增加，但是注漿孔以及射孔周邊的主拉應(yīng)力區(qū)未能相互連接，不能為巖層破裂提供應(yīng)力條件。此時(shí)，間距2 m的射孔之間并未形成有效的連通區(qū)域。

5 結(jié)論

本文研究了地應(yīng)力差異對有射孔的雙孔劈裂注漿裂縫擴(kuò)展的影響，研究結(jié)果可為油頁巖原位裂解區(qū)止水封閉實(shí)際工程提供一定的借鑒。結(jié)論如下：

(1)有射孔注漿與無射孔注漿相比，有射孔注漿可以增大漿液的擴(kuò)散距離，同時(shí)具有定向劈裂并減小注漿壓力的作用。

(2)當(dāng)x方向應(yīng)力大于y方向應(yīng)力時(shí)，裂縫沿著x方向擴(kuò)展，射孔之間的巖層在主拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生大量的劈裂裂縫，將距離2 m的射孔連通形成帷幕。

(3)當(dāng)x方向應(yīng)力小于y方向應(yīng)力時(shí)，隨著地應(yīng)力差異的不斷變大，裂縫擴(kuò)展逐漸從x方向向y方向偏轉(zhuǎn)，直到應(yīng)力差異成為影響裂縫擴(kuò)展的主要因素，射孔之間才不能形成劈裂裂縫且不能連通。