唐鵬飛 ，劉宇 ，齊士龍 ，鄧大偉 ，李存榮 ，郭天魁 ，唐宋軍

（1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

0 引言

水力壓裂是實現(xiàn)致密油氣有效開采的必要手段，壓后效果的好壞與儲層改造程度密切相關。有無天然裂縫、地應力條件、壓裂施工參數(shù)以及暫堵措施等是影響改造程度的相關因素，有必要明確致密砂巖儲層壓裂裂縫擴展機制，來有效指導現(xiàn)場壓裂施工方案設計。真三軸水力壓裂物理模擬實驗是認識巖體裂縫擴展機理的重要手段之一［1-2］，通過采集與地下目標儲層巖石相似物性的天然露頭巖樣開展室內(nèi)實驗，可直接觀測壓后裂縫形態(tài)，考察不同因素對裂縫擴展形態(tài)的影響規(guī)律。Guo等［3］針對30 cm立方塊頁巖露頭運用高能CT掃描觀測壓后巖心內(nèi)部裂縫形態(tài)，探究了水平地應力、排量、壓裂液黏度等因素對頁巖水平井壓裂裂縫擴展形態(tài)的影響。Hou等［4］分析了含天然缺陷30 cm立方塊頁巖露頭的裂縫擴展規(guī)律，研究了地質(zhì)因素和工程因素對水力裂縫擴展的影響，提出“激活巖體面積”作為水力壓裂效果的評價指標。Dehghan等［5］通過混凝土相似模擬實驗對預制天然裂縫的30 cm立方塊水泥試件進行水力壓裂實驗，研究了天然裂縫傾角和走向角對裂縫擴展的影響。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：物模實驗的研究對象多集中在頁巖和水泥試件［6-8］，鮮有針對致密砂巖露頭的相關研究；試件尺寸多為30 cm立方塊，進一步弱化邊界效應的50 cm立方塊及以上尺寸研究較少；考察因素多為壓裂施工參數(shù)，針對有無天然裂縫和暫堵壓裂實驗研究較少；分析手段多為破巖照片描述和聲發(fā)射監(jiān)測，但對于較為復雜的裂縫，難以有效表征空間改造形態(tài)。

本文針對10塊50 cm立方塊及3塊50 cm×50 cm×80 cm的沙河子組致密砂巖露頭，開展了真三軸水力壓裂物理模擬實驗，創(chuàng)新了試件壓后裂縫三維形態(tài)構(gòu)建方法，更加精確、形象地呈現(xiàn)了壓后裂縫形態(tài)特征，探究了有無天然裂縫、地應力條件、暫堵工藝等因素對致密砂巖壓裂裂縫擴展的影響機制。

1 實驗

1.1 實驗裝置和試件制備

實驗裝置為大尺寸真三軸壓裂模擬實驗系統(tǒng)［9］，與傳統(tǒng)實驗設備相比，其最大的優(yōu)勢在于試件的尺寸最大可達50 cm×50 cm×80 cm，極大地減少了邊界效應的影響。此外，控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制，控制精度高，性能穩(wěn)定。具體參數(shù)為垂向應力加載0～60 MPa，水平應力加載0～40 MPa，壓力控制精度在±0.1 MPa。

試件為沙河子組野外露頭，現(xiàn)場挖掘切割得到3塊50 cm×50 cm×80 cm和10塊50 cm立方塊巖樣，包括5塊含天然裂縫（1#—5#）和8塊無天然裂縫巖樣（6#—13#）。對于 50 cm×50 cm×80 cm 試樣，設計井筒長度為35 cm，鉆孔深度43 cm；對于50 cm立方塊試樣，設計井筒長度為20 cm，鉆孔深度28 cm。在野外露頭巖樣上取得24塊標準巖心進行三軸實驗測試，測得彈性模量平均為20.42 GPa，泊松比平均為0.218。運用彈性模量和泊松比計算法［10］得到巖樣的平均脆性指數(shù)為43.94，脆性較強。

1.2 實驗方案

為了考察致密砂巖有無天然裂縫、水平地應力差、暫堵工藝（顆粒型暫堵劑）等因素對水力裂縫擴展形態(tài)的影響，根據(jù)沙河子組致密氣藏地應力差（8～10 MPa），設計了13組壓裂實驗，方案如表1所示。設計壓裂液排量為100 mL/min。

表1 水力壓裂物理模擬實驗方案

1.3 壓后裂縫精細重構(gòu)方法

為更好地分析復雜裂縫擴展形態(tài)，本文創(chuàng)新了真三軸壓裂物模實驗巖樣壓后裂縫三維形態(tài)構(gòu)建方法。該方法基于坐標變換，根據(jù)壓后破巖拍攝照片，應用任意四邊形映射為正方形的方式，可以由任意四邊形坐標域中的一組“偽”裂縫坐標，得到正方形坐標域中的一組“真”裂縫坐標；再根據(jù)所處空間位置確定第3個坐標值，即得到真實空間坐標，借助SolidWorks軟件來建模得到裂縫三維重構(gòu)模型。雖然運用該方法得到的巖樣裂縫形態(tài)相比CT掃描不夠精確，但成本低，且比常規(guī)破巖肉眼觀測繪制更能精確、形象地呈現(xiàn)壓后裂縫形態(tài)特征。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 地應力條件影響

1#、2#、3#露頭巖樣天然裂縫發(fā)育，采用 2.5 mPa·s滑溜水定排量（100 mL/min）壓裂施工，實驗結(jié)果見圖1（圖中，σH為最大水平地應力，σh為最小水平地應力，HF為水力裂縫，BP為層理縫，NF為天然裂縫，分別采用紅、黃、藍3種顏色，以下同）。

1#巖樣壓前顯示1條與井筒平行的天然裂縫，上下貫通，與最大水平地應力方向成10°夾角，距井筒6 cm左右；壓后顯示裂縫從裸眼段沿最大地應力方向起裂，遠離天然裂縫一側(cè)水力裂縫面扭曲，靠近天然裂縫一側(cè)，水力裂縫溝通天然裂縫后沿天然裂縫方向延伸，與天然裂縫成30°左右夾角（見圖1a）。

2#巖樣壓前顯示有2條層理縫和1條天然裂縫，壓后每個面表現(xiàn)為2～3條裂縫交織，產(chǎn)生了1條沿最大水平地應力方向的主縫，主縫與井筒成20°相交；開啟了1條天然裂縫，在天然裂縫下端溝通部分層理縫，為次級流動通道；2條層理縫被主縫連通，匯成1條層理縫流動通道，為第2次級裂縫（見圖1b）。

3#巖樣壓前顯示有1條硅鈣質(zhì)膠結(jié)的天然裂縫，該天然裂縫與井筒平行，裂縫面成圓弧狀，曲率半徑為25 cm左右，圓心點位于頂角，上下貫通，裂縫膠結(jié)強度高；壓后形成雙翼縫，產(chǎn)生1條沿最大水平地應力方向的裂縫，巖樣上表面表現(xiàn)為在近井筒附近與天然裂縫垂直相遇后，直接穿越天然裂縫沿最大水平地應力方向延伸（見圖1c）。

圖 1 1#、2#、3# 巖樣水力壓裂實驗結(jié)果

分析上述結(jié)果，裂縫的擴展延伸受天然裂縫影響較大。隨著地應力差的增大，小逼近角天然裂縫更易開啟，膠結(jié)較弱的天然裂縫更易開啟，產(chǎn)生的水力裂縫面更加平整。較低的水平地應力差（9 MPa以下）條件下，裂縫擴展具有隨機性，易沿多個方向起裂，溝通多條天然裂縫；當水平地應力差較高（12 MPa以上）時，裂縫更傾向于沿著最大地應力方向擴展，壓裂液難以濾失進入天然裂縫或?qū)永砻?，而是直接穿透形成單一裂縫。低應力差條件下，水力裂縫更偏向于沿著最薄弱的天然裂縫面滲透，當復雜裂縫形成于井筒附近時，易造成裂縫擴展路徑曲折、形態(tài)復雜、裂縫變窄，最終造成砂堵。為避免井筒附近裂縫過于復雜，使主裂縫擴展得較遠，一是建議由高應力差區(qū)域向低應力差區(qū)域方向進行水力壓裂開采，二是建議后期提高凈壓力，制造深穿透的主縫。

2.2 暫堵措施影響分析

針對致密砂巖儲層，調(diào)整施工參數(shù)難以改善裂縫復雜程度。暫堵壓裂是增加裂縫復雜度的有效方式之一［11］，通過暫堵劑封堵，提高凈壓力，迫使裂縫轉(zhuǎn)向，提升裂縫復雜程度［12］。

對于含天然裂縫巖樣，在低黏度情況下，利用暫堵轉(zhuǎn)向技術手段，提高凈壓力，對裂縫復雜程度的影響進行了實驗模擬，開展了含天然裂縫、低黏度（2.5 mPa·s）、定排量（100 mL/min）的暫堵壓裂物模實驗。

4#巖樣壓后沿最大水平地應力方向產(chǎn)生了1條主縫，主縫一翼遇逼近角為75°左右的天然裂縫后沿天然裂縫擴展，并未穿越天然裂縫，同時開啟了2條層理縫，形成復雜裂縫。破巖觀測顯示2條層理縫開啟，一條層理縫處于裸眼段，另一條層理縫處于裸眼段下方4 cm左右，與外觀觀測到的層理縫位置相符，說明層理縫較平直，垂直于井筒。2條層理縫開啟方式不同，第1條位于裸眼段的層理縫是由壓裂液直接侵入層理縫開啟，第2條則是壓裂液經(jīng)由主縫開啟層理縫。由于裸眼段有1條膠結(jié)薄弱的層理縫，發(fā)現(xiàn)暫堵劑較均勻地散布在裂縫面內(nèi)，且壓裂施工曲線也沒有憋起壓力，此次實驗暫堵劑顆粒質(zhì)量分數(shù)過低（2%），且天然裂縫非常發(fā)育，未能形成有效封堵；但天然裂縫發(fā)育且應力差為9 MPa，仍能形成復雜裂縫。此次實驗結(jié)果啟示，后期應提高暫堵劑質(zhì)量分數(shù)。

提高暫堵劑顆粒質(zhì)量分數(shù)為4%，水平地應力差12 MPa下，未加入暫堵劑時，巖樣12#初次壓裂后沿最大地應力方向產(chǎn)生了第1條單翼水力裂縫，同時開啟天然裂縫。破巖觀察到，巖心內(nèi)共發(fā)生2次有效封堵，在裸眼井筒內(nèi)暫堵劑聚集發(fā)生第1次有效暫堵，形成第2條裂縫。該裂縫與最大地應力方向成30°夾角，由于高應力差，擴展一小段距離后沿最大地應力方向偏轉(zhuǎn)，形成分支縫。后期壓裂液繼續(xù)注入，井筒附近暫堵劑沿該分支縫運移，在裂縫中間部位發(fā)生第2次重新聚集封堵，形成第3條裂縫，裂縫沿最大地應力方向，該裂縫較為平直，表面光滑，為內(nèi)部弱膠結(jié)面。

圖2 4#，5#巖樣水力壓裂實驗結(jié)果

2組實驗結(jié)果對比表明：暫堵劑顆粒質(zhì)量分數(shù)決定了暫堵劑的有效充填厚度，直接影響暫堵憋壓程度。施工時，顆粒型暫堵劑質(zhì)量分數(shù)過高，易造成近井堵塞，過低，則難以實現(xiàn)有效憋壓，現(xiàn)場壓裂需選擇合適的暫堵劑顆粒質(zhì)量分數(shù)。含天然裂縫巖樣中，合適的暫堵劑顆粒質(zhì)量分數(shù)（4%），在高達12 MPa的應力差下仍能形成封堵，暫堵轉(zhuǎn)向形成小角度的分支裂縫。

2.3 無天然裂縫巖樣影響因素

天然裂縫是決定致密砂巖儲層壓后裂縫形態(tài)的關鍵因素之一［13］。巖樣中天然裂縫的條數(shù)、逼近角和膠結(jié)強度會影響水力裂縫的擴展路徑，是能否形成復雜裂縫的主控因素。低逼近角（30°以下）下，水力裂縫易沿天然裂縫擴展（1#巖樣）；高逼近角（60°以上）下，當天然裂縫膠結(jié)強度較高時，易穿越擴展（3#巖樣），當膠結(jié)薄弱時，水力裂縫遭遇后或截止并沿天然裂縫擴展（4#、5#巖樣），或沿天然裂縫擴展并從天然裂縫的某個部位（交點與縫端之間的某個部位）穿出（2#巖樣）。

由上述實驗可知，天然裂縫發(fā)育的致密砂巖儲層，水平地應力差只有達到一定程度時，對裂縫擴展方向的控制作用才會呈現(xiàn)出來，存在一個應力差閾值。隨著水平地應力差的增加，低于閾值時，天然裂縫產(chǎn)狀為最終裂縫形態(tài)的主要影響因素；高于閾值時，水平地應力差對裂縫延伸約束能力強，裂縫更傾向于沿垂直最小地應力方向擴展。另外，實驗結(jié)果表明，如果致密砂巖中沉積層理發(fā)育，那么膠結(jié)脆弱的層理縫極易伴隨著橫切縫的產(chǎn)生而大量開裂。本文針對無天然裂縫巖樣，設計了8組實驗來考察地應力條件、施工參數(shù)、技術手段對水力裂縫擴展形態(tài)的影響。

2.3.1 低黏壓裂液

如圖 3 所示，低黏（2.5 mPa·s）壓裂液下，無天然裂縫巖樣常規(guī)壓裂后均為雙翼裂縫，僅裂縫扭曲程度不同。水平地應力差較高（6#巖樣9 MPa）時，裂縫面較平整且沿最大地應力方向展布；水平地應力差較低（7#巖樣6 MPa）時，裂縫面扭曲，受巖樣內(nèi)部非均質(zhì)性影響較大。在與7#巖樣相同條件下，8#巖樣在常規(guī)壓裂后，增加了暫堵壓裂措施。暫堵壓裂后，在45°夾角一翼形成分叉縫，與原縫夾角105°，即新縫與最大水平地應力夾角為60°。一次壓裂形成沿最大水平方向的水力裂縫，添加堵劑后，再次壓裂，在原主縫的一翼形成分叉縫。巖樣中無層理面或天然裂縫時，常規(guī)壓裂難以形成復雜裂縫。通過添加暫堵劑（8#巖樣），可形成封堵，產(chǎn)生分支縫。因此，對于天然裂縫不發(fā)育巖樣的沙河子組致密儲層，可采用暫堵工藝提升裂縫復雜程度。

圖 3 6#、7#、8# 巖樣水力壓裂實驗結(jié)果

2.3.2 高黏壓裂液

高黏（50 mPa·s）壓裂液下：水平地應力差較高（9#巖樣9 MPa）的裂縫面較平整且沿最大地應力方向，水平地應力差較低（10#巖樣6 MPa）的裂縫面扭曲。相對于低黏度壓裂液（7#巖樣）而言，扭曲程度較小，平行于最大地應力方向，僅有局部小偏轉(zhuǎn)（見圖4）。

設計11#巖樣在與10#巖樣相同的實驗條件下，常規(guī)壓裂后，增加暫堵壓裂措施。結(jié)果表明：暫堵后，采用高黏壓裂液時，裂縫在兩翼均形成暫堵轉(zhuǎn)向分支縫，暫堵轉(zhuǎn)向角度幾乎成90°，而8#巖樣暫堵轉(zhuǎn)向角度為60°左右，多為小角度分支裂縫（見圖4）。

圖 4 9#、10#、11# 巖樣水力壓裂實驗結(jié)果

總體而言，含天然裂縫巖樣在水平地應力差較低時，裸眼段起裂較多，易沿多個方向起裂，溝通多條天然裂縫，在水平地應力差較高時，壓裂液很難濾失進入天然裂縫或?qū)永砻?，而是直接穿透弱膠結(jié)的天然裂縫或?qū)永砻?，從而形成了單一裂縫；對于無天然裂縫的巖樣，采用高黏度壓裂液與低黏度壓裂液形成的裂縫并無太大區(qū)別，都是雙翼縫。但暫堵后，采用高黏壓裂液壓裂更易在裂縫的兩翼分別憋壓，制造分支縫。

2.3.3 不同應力差、暫堵壓裂

對于不含天然裂縫巖樣，采用低黏度滑溜水考察水平地應力差對暫堵壓裂的影響。12#巖樣（9 MPa）壓后產(chǎn)生了1條與最大地應力方向成20°左右的水力裂縫（見圖5a），其中一翼生成了分支縫。破巖發(fā)現(xiàn)分支縫從裸眼段開始起裂，由于暫堵劑充填裸眼段，壓裂液在井筒出口憋壓，暫堵劑未被攜帶進裂縫內(nèi)就出現(xiàn)了新的起裂點，從而形成從井筒附近分叉的分支縫。13#巖樣（12 MPa）壓后產(chǎn)生了1條水力主裂縫，主縫一翼沿最大水平地應力方向，另一翼與最大水平地應力方向成45°夾角。破巖發(fā)現(xiàn)暫堵劑殘余顆粒分布在裂縫前緣，且在主縫一翼距邊界15 cm左右分成2條小的分支縫，一條分支縫方向為沿最大水平地應力方向，另一條沿垂直最大地應力方向（見圖5b）。

圖5 12#、13#巖樣水力壓裂實驗結(jié)果

結(jié)果表明：對于無天然裂縫巖樣，采用暫堵壓裂措施可形成分支裂縫，提高了常規(guī)壓裂的裂縫復雜程度；無論是含天然裂縫巖樣還是無天然裂縫巖樣，2次壓裂產(chǎn)生裂縫之間的夾角與水平地應力差呈負相關。

2.4 壓裂曲線分析

13塊致密砂巖壓裂施工壓力曲線呈現(xiàn)了4種特征（見圖 6）。

1）破裂壓力不明顯，延伸壓力異常穩(wěn)定（1#巖樣）。在該巖樣的壓裂模擬實驗過程中，存在1個高泵注壓力的持續(xù)波動段，延伸壓力與破裂壓力接近 （見圖6a）。這一類型壓力曲線說明，水力裂縫與天然裂縫逼近角很小，且相遇后沿天然裂縫擴展。2）壓力曲線呈“臺階式”上升，延伸壓力波動異常（2#巖樣）。壓力曲線呈“臺階式”上升，達到破裂壓力點后會下降，而后延伸壓力快速升高后又下降，波動比較頻繁（見圖6b）。達到破裂壓力后說明有水力裂縫的產(chǎn)生，延伸壓力波動表明水力裂縫與多條天然裂縫相連。3）破裂壓力明顯，一旦達到破裂壓力，裂縫開啟后，壓力迅速下降（3#、6#、7#、9#、10#巖樣）。壓力穩(wěn)定上升至破裂壓力，破裂壓力非常明顯，注入壓力一旦達到破裂壓力，水力裂縫開啟，壓力迅速下降（見圖6c）。這類曲線多見于致密砂巖巖樣的壓裂模擬中，在巖心中僅產(chǎn)生了1條水力裂縫。4）第2次壓裂（暫堵）壓力曲線，破裂壓力與一次壓裂破裂壓力接近（12#巖樣）。壓裂暫堵壓裂的破裂壓力與暫堵壓裂前的破裂壓力值接近，說明開啟原有裂縫后尖端憋壓再次破裂產(chǎn)生新的分支裂縫（見圖6d）。9#巖樣正如前文分析，未能有效憋壓，封堵失效，反映在較低的暫堵劑封堵壓力值。

圖6 注入壓力曲線

4 結(jié)論

1）低逼近角，水力裂縫易沿天然裂縫擴展；高逼近角，天然裂縫膠結(jié)強度較高時易穿越擴展。巖樣尺寸增加，邊界效應弱化，更明確遠離井筒裂縫的擴展形態(tài)。

2）含天然裂縫儲層，水平地應力差在9 MPa以下時，最終裂縫形態(tài)以天然裂縫產(chǎn)狀為主；在12 MPa以上時，受天然裂縫影響弱化，易形成單一雙翼縫。

3）無天然裂縫巖心，裂縫形態(tài)主要受巖心非均質(zhì)影響；黏度增大，凈壓力增加，受儲層非均質(zhì)影響減弱，不易偏轉(zhuǎn)；變排量施工的小排量階段有利于壓裂液滲入天然裂縫，大排量階段有利于水力主縫的深部穿透。

4）暫堵壓裂效果主要取決于有效鋪置厚度（暫堵劑質(zhì)量分數(shù)）、暫堵劑的鋪置狀態(tài)、水平地應力差。實驗表明低黏、高排量壓裂液有利于暫堵劑遠端輸送，實現(xiàn)深部暫堵轉(zhuǎn)向。水平地應力差越大，暫堵壓裂裂縫轉(zhuǎn)向半徑越小，距離原裂縫越近，壓后改造效果越差。