郭天魁,孫悅銘,劉學(xué)偉,陳 銘,劉曉強(qiáng)
1)中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2)中國石油大港油田分公司石油工程研究院,天津 300280
水平井分段壓裂是實(shí)現(xiàn)頁巖氣等非常規(guī)油氣藏商業(yè)開采的核心技術(shù)[1].大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm及以上)真三軸水力壓裂物理試驗(yàn)是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)頁巖壓裂施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段.GUO等[2]基于頁巖露頭試件進(jìn)行壓裂裂縫擴(kuò)展試驗(yàn),利用高能電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)對(duì)水力壓裂試驗(yàn)后巖心內(nèi)部裂縫形態(tài)進(jìn)行觀測(cè),探究了水平地應(yīng)力、排量、水平應(yīng)力差異系數(shù)和壓裂液黏度對(duì)頁巖水平井壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響;TAN等[3]利用三軸試驗(yàn)研究了巖體中不連續(xù)介質(zhì)對(duì)水力壓裂過程中裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響,并將裂縫形態(tài)分為簡易裂隙、魚刺狀網(wǎng)絡(luò)、張開型以及閉合型魚刺狀裂隙;考佳瑋等[4]利用“裂縫溝通面積”[5]開展三軸壓裂實(shí)驗(yàn),分析了層理和天然裂縫、水平應(yīng)力差以及交替注液對(duì)于水力壓裂過程中裂縫形態(tài)的影響;陳勉等[6]通過人造巖樣和天然試樣的大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)真三軸水力壓裂試驗(yàn),監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展的過程并探討了地應(yīng)力和斷裂韌性等對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響.目前,受制于水平井分段壓裂模擬井筒設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,更加貼合實(shí)際施工條件下,不同地質(zhì)及工程因素對(duì)于水平井多級(jí)分段壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)影響的研究相對(duì)較少[7].
本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水平井分段壓裂工藝特點(diǎn),利用適用于大尺寸露頭巖心水平井分段壓裂的模擬井筒,針對(duì)7塊頁巖露頭開展了水平井分段壓裂物理模擬試驗(yàn),測(cè)試了分段壓裂過程中的裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力,通過Solidworks軟件對(duì)水力壓裂試驗(yàn)后巖樣進(jìn)行三維重構(gòu),明確了頁巖水平井分段壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制.研究成果可為其他非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的水平井分段壓裂物理模擬試驗(yàn)方法及裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究提供指導(dǎo).
頁巖露頭壓裂模擬試驗(yàn)主要采用真三軸壓裂模擬系統(tǒng)[8-10],該系統(tǒng)主要由三軸高壓缸、主控計(jì)算機(jī)、壓裂液泵注系統(tǒng)、液壓動(dòng)力泵組與伺服控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(圖1).該試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制,性能穩(wěn)定且控制精度高.
圖1 伺服控制巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Servo-controlled triaxial experimental system of rock mechanics
基于自主設(shè)計(jì)的三通道液壓泵組與伺服控制系統(tǒng),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工方案進(jìn)行常規(guī)真三軸巖樣壓裂試驗(yàn).試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)有:①巖樣尺寸為300 mm×300 mm×300 mm;②三向應(yīng)力加載范圍為0~40 MPa;③最大壓裂應(yīng)力為40 MPa.
試驗(yàn)使用KDHB-70型高精度恒速恒壓雙缸驅(qū)替泵及相應(yīng)軟件進(jìn)行控制.其中,壓應(yīng)力范圍為0~50 MPa,排量范圍為0.01~60.00 mL/min,試驗(yàn)系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)注入壓應(yīng)力和排量等參數(shù)進(jìn)行采集.
在巖樣上鉆出預(yù)設(shè)深度的盲孔,從底部開始安裝外層套管按壓裂段、密封圈、防漏膠鋼套和膠封段,將井筒過盈連接裝入套管中,井筒每段包括1個(gè)出液口,每個(gè)出液口與1個(gè)背壓區(qū)對(duì)應(yīng)(圖2),出液口沿井筒軸向方向的兩側(cè)分別套有O型密封圈,并且與一個(gè)注液管線通過接頭連接,注液管線從注液管線通道引出,與泵注系統(tǒng)連接.當(dāng)巖樣裝入真三軸壓裂試驗(yàn)設(shè)備時(shí)施加三向應(yīng)力,應(yīng)力經(jīng)泵注系統(tǒng)注入的壓裂液施加到不同通道的注液管線,開始特定某段的壓裂[11].
圖2 水平井不同級(jí)數(shù)壓裂井筒實(shí)物及參數(shù)(Φ為直徑,單位:mm)Fig.2 Objects and parameters of different stages of fracturing wellborein horizontal wells(Φrepresenting the diameter in mm)
為模擬真實(shí)的頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力的狀態(tài),在試驗(yàn)過程中,施加的垂向應(yīng)力(σV)要垂直于頁巖層理面(圖3中白線),最小水平應(yīng)力(σh)平行于井筒軸線方向,最大水平應(yīng)力(σH)垂直于井筒軸線方向(圖3).為了壓實(shí)頁巖層理面,避免其在水力壓裂試驗(yàn)前發(fā)生剪切破裂,首先施加一定的垂向應(yīng)力,然后平穩(wěn)施加水平向應(yīng)力.試驗(yàn)應(yīng)用滑溜水壓裂液(黏度為5 mPa·s),并在其中加入了綠色示蹤劑,從而更容易地觀測(cè)水力裂縫形態(tài).
圖3 試驗(yàn)巖樣與三軸應(yīng)力加載Fig.3 Experimental rock sample and triaxial stressloading
為更好地分析復(fù)雜裂縫擴(kuò)展形態(tài),使用Solidworks軟件對(duì)水力壓裂試驗(yàn)后不規(guī)則的裂縫壁面進(jìn)行三維重構(gòu).該方法基于坐標(biāo)變換,根據(jù)所拍照片,應(yīng)用任意四邊形映射為正方形的方式,將任意四邊形坐標(biāo)域中的“偽”裂縫坐標(biāo),得到正方形坐標(biāo)域中的“真”裂縫坐標(biāo).根據(jù)所處空間位置確定第3個(gè)坐標(biāo)值,即得到真實(shí)空間坐標(biāo),借助Soildworks軟件根據(jù)坐標(biāo)值在巖石樣本建立的“基準(zhǔn)面”上進(jìn)行描點(diǎn)和連線,再通過“放樣曲面”功能畫出相應(yīng)的斷裂面(圖4).最后,隱藏畫圖過程中的基準(zhǔn)面和點(diǎn),得到清晰、精確和形象的巖石內(nèi)部水力壓裂試驗(yàn)后裂縫形態(tài)特征(圖5).
圖4 對(duì)巖石樣本描點(diǎn)和連線并生成曲面Fig.4 Generated fracture surfaces by drawing pointsand lineson rock samples
圖5 巖石樣本斷裂面Fig.5 Fracture surface of rock sample
為研究不同因素對(duì)于水平井多級(jí)壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力的影響規(guī)律和影響程度,開展頁巖露頭真三軸水平井多級(jí)壓裂試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè),為水平井多級(jí)壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制研究提供數(shù)據(jù)支持.試驗(yàn)中3個(gè)圍壓設(shè)置為σH>σV>σh,共設(shè)計(jì)7組試驗(yàn)(表1),探究地應(yīng)力差、壓裂級(jí)數(shù)和排量等因素對(duì)頁巖水平井多級(jí)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響.
表1 頁巖露頭水平井分級(jí)壓裂模擬試驗(yàn)方案Table1 Simulation parameters of shale outcrop horizontal well staged fracturing
地應(yīng)力狀態(tài)是決定頁巖中水力裂縫的擴(kuò)展形態(tài)的最重要地質(zhì)因素,從水平應(yīng)力和垂向應(yīng)力兩個(gè)方面研究頁巖氣儲(chǔ)層中地應(yīng)力對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響[12],試驗(yàn)結(jié)果如圖6.其中,重構(gòu)圖中黑色代表天然裂縫,深灰色代表層理縫,淺灰色代表水力裂縫.
巖樣1#在水力壓裂試驗(yàn)前有明顯的天然裂縫和層理縫,見圖6(a).水力壓裂試驗(yàn)后觀測(cè)表明,裂縫主要分布在井筒附近,表面可見1條垂向裂縫和1條層理縫,見圖6(b).破巖觀測(cè)發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生1條垂向裂縫和1條層理縫,在形成的裂縫面上未見明顯的裂縫溝通井筒,且泵注液體3次壓裂都是在同一位置滲出,說明井筒附近有裂縫溝通,見圖6(d).三維重構(gòu)得到圖6(e).
圖6 1#—4#巖樣水力壓裂試驗(yàn)前、后、破巖觀測(cè)圖及三維重構(gòu)圖Fig.6 Rock samplesof 1#,2#,3#,4#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and three-dimensional reconstruction diagram(In the three-dimensional reconstruction image,black represents natural cracks,dark gray representsbeddingcracks,and light gray representshydraulic cracks.Thesamebelow.)
水力壓裂試驗(yàn)前2#巖樣表面有1條天然裂縫及大量層理縫,見圖6(f).水力壓裂試驗(yàn)后表面除開啟1條天然裂縫外,還形成了1條垂向裂縫與1條水平縫相交的分叉縫.巖樣表面“魚骨”狀裂縫開啟[13],形成分支縫,側(cè)面開啟兩條層理縫,壓裂液從第1級(jí)通道位置沿井筒所在大致剖面開啟層理縫,溝通了3級(jí)通道,見圖6(h).
水力壓裂試驗(yàn)前巖樣3#表面有大量層理縫,側(cè)面有1條沿井筒方向上的天然裂縫.水力壓裂試驗(yàn)后表面有多條層理縫以及1條天然裂縫,見圖6(k),側(cè)面開啟1條沿井筒方向的天然裂縫和1條垂直井筒的水力裂縫.圖6(l)中右半部分為被層理縫和天然裂縫分開的巖樣,可見第1級(jí)水力主裂縫一翼向巖樣中心部位偏轉(zhuǎn),由于受到第1級(jí)裂縫的應(yīng)力干擾,第2級(jí)水力裂縫擴(kuò)展較短并且向井口方向偏轉(zhuǎn)[14],并且在該圖中可見第1級(jí)橫切井筒的水力主裂縫,從而產(chǎn)生3級(jí)水力裂縫.
水力壓裂試驗(yàn)前4#巖樣表面有1條天然裂縫,與上覆地應(yīng)力方向夾角約為15°,側(cè)面可見微弱的天然裂縫痕跡.水力壓裂試驗(yàn)后4#巖樣表面開啟了1條垂直于最大水平主應(yīng)力方向的天然裂縫.破巖觀測(cè)顯示,開啟1條天然裂縫,表面開啟兩條層理縫,見圖6(o),圖6(p)中裂縫為第1級(jí)壓裂產(chǎn)生的水力裂縫,壓裂后在第2級(jí)和第3級(jí)位置處產(chǎn)生了兩條橫切井筒的水力裂縫.
4塊巖樣裂縫擴(kuò)展形態(tài)結(jié)果表明,裂縫的擴(kuò)展延伸受天然裂縫影響較大,水平應(yīng)力差(σH-σh)的增大,更易開啟小逼近角、膠結(jié)較弱的天然裂縫[15].
對(duì)比圖6中1#與2#、3#與4#巖樣可以看出,由于頁巖天然裂縫及層理縫發(fā)育,且應(yīng)力狀態(tài)為走滑斷層機(jī)制,上覆壓力對(duì)層理縫的壓實(shí)作用有限,裂縫容易沿層理縫擴(kuò)展.隨著水平應(yīng)力差的增大,產(chǎn)生的橫切井筒水力裂縫擴(kuò)展距離更遠(yuǎn).較低水平應(yīng)力差條件下,僅在近井筒形成橫切裂縫擴(kuò)展一小段距離后就沿層理裂縫面方向延伸,且更易在水平裂縫即垂直上覆應(yīng)力方向產(chǎn)生裂縫.
綜合比較1#與3#、2#與4#巖樣可以看出,垂向應(yīng)力越大,對(duì)層理的壓實(shí)效果越明顯,水力裂縫在擴(kuò)展過程中越容易發(fā)生穿層擴(kuò)展[16].1#和2#巖樣垂向開啟厚度為7 cm左右,巖樣3#和4#層理垂向開啟厚度為10~15 cm.因此,垂向應(yīng)力的增加有利于改善儲(chǔ)層厚度方向的溝通效果,開啟更多的層理面,顯著增加儲(chǔ)層改造體積[17].但是對(duì)于近井筒層理發(fā)育的試樣,水力裂縫遇到層理時(shí),壓裂液沿較大開度的層理面快速濾失,最終形成較為簡單的層理縫裂縫形態(tài).
泵注排量是決定頁巖中水力裂縫的擴(kuò)展形態(tài)的最關(guān)鍵因素之一[18].為分析不同泵注排量條件對(duì)裂縫形態(tài)影響,進(jìn)行1#與5#巖樣對(duì)比試驗(yàn),在三軸應(yīng)力和壓裂級(jí)數(shù)不變的情況下分別設(shè)定泵注排量為50 mL/min和10 mL/min,試驗(yàn)結(jié)果如圖7.
水力壓裂試驗(yàn)前,5#巖樣有1條明顯的天然裂縫和4條側(cè)面層理縫.水力壓裂試驗(yàn)后巖樣開啟了1條天然裂縫.破巖觀測(cè)發(fā)現(xiàn),裂縫在表面呈現(xiàn)兩翼不對(duì)稱特征,與最大水平應(yīng)力方向約成60°夾角,在誘導(dǎo)破巖過程中裂縫面內(nèi)攜帶著較多的壓裂液,這與裂縫因開啟的角度與最大水平應(yīng)力方向夾角較大,受到的擠壓作用強(qiáng),開度較小,液體難以滲出有關(guān),見圖7(c).
圖7 巖樣5#水力壓裂試驗(yàn)前、后、破巖觀測(cè)圖及三維重構(gòu)圖Fig.7 Rock sample5#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and 3D reconstruction diagram
比較1#和5#巖樣水力壓裂試驗(yàn)后及破巖情況,與大排量相比,小排量下雖能產(chǎn)生水力裂縫,但巖樣水力壓裂試驗(yàn)后形成的裂縫開度較小,各表面也只是在原有的天然裂縫或?qū)永砜p稍有擴(kuò)張,液體僅僅沿薄弱區(qū)域擴(kuò)展,裂縫面并沒有完全開啟,誘導(dǎo)破巖困難,且易滲入天然裂縫及層理縫,難以形成深穿透裂縫.
為研究不同水平井壓裂級(jí)數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響,在三軸應(yīng)力和排量相同的情況下,分別對(duì)1#、6#和7#巖樣設(shè)置壓裂級(jí)數(shù)為3級(jí)、2級(jí)、4級(jí)進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn),結(jié)果如圖8.
圖8 巖樣6#和7#水力壓裂試驗(yàn)前、后、破巖觀測(cè)圖及三維重構(gòu)圖Fig.8 Rock sample6#,7#beforehydraulic fracturing test,rock-breaking observation diagram after hydraulic fracturing test and 3D reconstruction diagram
水力壓裂試驗(yàn)前6#巖樣表面有多條垂直于上覆應(yīng)力的層理縫以及1條天然裂縫.水力壓裂試驗(yàn)后,6#巖樣表面第1級(jí)壓裂位置處有1條橫切井筒的水力裂縫和1條開啟的天然裂縫相連.破巖觀測(cè)顯示,第1級(jí)壓裂后形成1條橫切井筒的水力主裂縫,第2級(jí)壓裂后開啟1條斜交井筒的天然裂縫,與最大水平主應(yīng)力方向約成60°夾角,裂縫面一翼平整,另一翼向最大水平主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)形成臺(tái)階狀裂縫,見圖8(c).
由圖8(e)至圖8(j)可見,水力壓裂試驗(yàn)前,7#巖樣有1條天然裂縫以及多條側(cè)面層理縫.水力壓裂試驗(yàn)后7#巖樣表面開啟1條天然裂縫,并產(chǎn)生多條微裂縫.破巖觀測(cè)顯示,7#巖樣開啟了1條與上覆應(yīng)力成30°夾角的層理縫,并溝通微小天然裂縫,第1級(jí)壓裂形成1條橫切井筒的水力裂縫,裂縫面從井筒向兩側(cè)遠(yuǎn)離井口端凹陷,第2級(jí)壓裂和第3級(jí)壓裂形成的橫切裂縫.其中,第2級(jí)橫切水力裂縫向第1級(jí)方向扭曲,第3級(jí)橫切水力裂縫向第4級(jí)方向扭曲,而第4級(jí)沒有見到水力主裂縫的產(chǎn)生.
結(jié)合圖6和圖8,比較1#、6#和7#巖樣水力壓裂試驗(yàn)后及破巖情況,壓裂級(jí)數(shù)小的情況下,不同級(jí)數(shù)產(chǎn)生的水力裂縫的縫間干擾較弱,能夠開啟相應(yīng)壓裂級(jí)數(shù)的水力裂縫,而壓裂級(jí)數(shù)多的在壓裂過程中裂縫向后續(xù)壓級(jí)數(shù)位置偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致后續(xù)裂縫擴(kuò)展較近或不擴(kuò)展.
誘導(dǎo)應(yīng)力監(jiān)測(cè)表明,在壓裂過程中7塊試件都監(jiān)測(cè)到裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力,為0~6 MPa,平均為5.4 MPa.6#巖樣的誘導(dǎo)應(yīng)力最大,峰值壓應(yīng)力約為6 MPa;峰值壓應(yīng)力最小出現(xiàn)在巖樣7#約為4.8 MPa.平均峰值壓力約為5.46 MPa.
為探究誘導(dǎo)應(yīng)力與壓裂壓應(yīng)力的關(guān)系,將壓裂曲線與誘導(dǎo)應(yīng)力曲線繪制在同一幅圖中進(jìn)行對(duì)比,見圖9.3#巖樣的泵注壓力曲線在整個(gè)壓裂過程中具有明顯的破裂特征,見圖9(a),與3#巖樣水力壓裂試驗(yàn)后分析產(chǎn)生多條裂縫的結(jié)果一致.誘導(dǎo)應(yīng)力曲線在整個(gè)壓裂段波動(dòng)明顯.3#巖樣的垂向應(yīng)力較低(12 MPa),且由于走滑斷層機(jī)制原因,使得該巖樣層理縫未被壓實(shí)緊密而易被滲入壓裂液開啟,導(dǎo)致誘導(dǎo)應(yīng)力在整個(gè)壓裂過程中變化明顯.特別地,由于在第3級(jí)壓裂過程中產(chǎn)生的橫切水力裂縫未完全開啟,因此,對(duì)應(yīng)泵注的高壓液體沿井筒竄入第1、2級(jí)開啟的裂縫中,此時(shí)應(yīng)力片受壓作用下降,產(chǎn)生了非常明顯的卸壓區(qū)域.
7#巖樣的壓裂曲線在第1、2級(jí)壓裂段破裂特征較為明顯,見圖9(b).誘導(dǎo)應(yīng)力曲線在第1、2壓裂級(jí)段波動(dòng)較大,在第3、4壓裂級(jí)段緩慢下降后出現(xiàn)小幅度卸壓.這表明整個(gè)壓裂過程所產(chǎn)生的裂縫主要產(chǎn)生于第1、2和3級(jí)壓裂階段,在7#巖樣第4級(jí)段出現(xiàn)裂縫互相連通的情況.結(jié)合破巖觀測(cè)分析,第1級(jí)壓裂段產(chǎn)生1條較小的橫切水力裂縫,第2級(jí)產(chǎn)生1條較大橫切縫,在第3級(jí)產(chǎn)生的橫切縫沿井筒向上偏轉(zhuǎn).第4級(jí)壓裂產(chǎn)生的裂縫與第2、3級(jí)溝通,后提高泵注排量使液體發(fā)生竄進(jìn)導(dǎo)致應(yīng)力片所受壓應(yīng)力波動(dòng)并出現(xiàn)卸壓.
圖9 3#和7#巖心壓裂壓力與誘導(dǎo)應(yīng)力曲線Fig.9 Fracturing pressureand induced stresscurvesof(a)rock sample3#and(b)rock sample7#
誘導(dǎo)應(yīng)力受地應(yīng)力狀態(tài)、泵注排量和壓裂所處級(jí)數(shù)(泵注液體與應(yīng)力片的距離)的影響,地應(yīng)力狀態(tài)影響層理縫及巖樣的壓實(shí),上覆應(yīng)力低的壓裂液易滲入層理縫,誘導(dǎo)應(yīng)力值較小,且較為波動(dòng).
由于上覆應(yīng)力小于最大水平應(yīng)力,在水平應(yīng)力差不變的情況下,上覆應(yīng)力由15 MPa降低至12 MPa時(shí)易導(dǎo)致層理縫的開啟;上覆應(yīng)力越高,對(duì)層理等弱面的壓實(shí)作用越明顯,當(dāng)橫切水力裂縫與層理相遇時(shí),更容易沿弱膠結(jié)界面擴(kuò)展;當(dāng)排量由50 mL/min降低至10 mL/min時(shí),由于凈壓力降低,壓裂液容易濾失進(jìn)入天然裂縫及層理縫,水力壓裂試驗(yàn)后不易產(chǎn)生深穿透的水力主裂縫.
由于前一級(jí)水力裂縫的擴(kuò)展通常伴隨著層理縫的開啟,當(dāng)壓裂級(jí)數(shù)由二級(jí)增加至四級(jí)時(shí),壓裂段間距減小,段間應(yīng)力干擾增強(qiáng),后一級(jí)壓裂產(chǎn)生深穿透水力主裂縫的幾率減小,且裂縫易朝井筒根部偏轉(zhuǎn);二級(jí)壓裂的縫間干擾弱,能夠開啟相應(yīng)級(jí)數(shù)的水力裂縫,而四級(jí)壓裂的則是中間級(jí)壓裂時(shí)裂縫向后續(xù)將壓級(jí)數(shù)位置偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致后續(xù)裂縫擴(kuò)展較近或不擴(kuò)展.
試驗(yàn)裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力范圍為0~6 MPa,平均為5.4 MPa.誘導(dǎo)應(yīng)力受地應(yīng)力狀態(tài)、泵注排量和壓裂所處級(jí)數(shù)的影響;地應(yīng)力狀態(tài)影響著層理縫及巖樣的壓實(shí),上覆應(yīng)力低的壓裂液易滲入層理縫,誘導(dǎo)應(yīng)力值較小,且較為波動(dòng);復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成過程中,壓力曲線常顯示有多次明顯的破裂壓降;裂縫延伸過程中,壓力曲線波動(dòng)劇烈.