天然裂縫群與地應(yīng)力差作用下水力裂縫擴展試驗

張廣清, 周大偉, 竇金明, 聶元訓(xùn), 董昊然

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院,北京 102249; 2.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安 710032)

目前,在非常規(guī)裂縫性儲層水力壓裂設(shè)計中,天然裂縫、層理等不連續(xù)界面是水力裂縫擴展的主要影響因素之一。天然裂縫可劃分為張開型、閉合未膠結(jié)型和閉合膠結(jié)型3類[1],它改變儲層的初始地應(yīng)力場及滲透性,進而影響水力裂縫的擴展。天然裂縫的傾角及大小、地應(yīng)力狀態(tài)、縫內(nèi)壓力以及天然裂縫面之間的力學(xué)性質(zhì)是控制水力裂縫擴展的主要因素[1-2]。水力裂縫與天然裂縫的相互作用具體表現(xiàn)為穿過型、張開起裂型和停止擴展型3種形式[3-9]。Daneshy[1,10-11]研究表明水力裂縫可直接貫穿閉合膠結(jié)型裂縫,而張開型裂縫可阻止裂縫的局部擴展,同時研究裂縫尺度對裂縫擴展的影響,指出小尺度天然裂縫不會改變水力裂縫的擴展方向。Warpinski等[4]研究儲層的不連續(xù)性對水力裂縫擴展的影響。Jeffrey等[5,12]等分析現(xiàn)場裂縫性地層中的水力裂縫擴展。Bunger等[7]指出界面摩擦系數(shù)是水力裂縫是否穿過天然裂縫的重要因素之一,天然裂縫面之間相互錯動或尖端鈍化導(dǎo)致水力裂縫擴展的停止或轉(zhuǎn)向[6,13-14]。Llanos等[8]通過對多組不連續(xù)界面對水力裂縫擴展影響試驗、解析解和數(shù)值解,表明高黏度壓裂液易于穿過非連續(xù)面。Liu等[15]指出裂縫傾角和低應(yīng)力差為影響裂縫擴展的主要因素。陳勉等[16]指出水力裂縫的擴展模式主要分為主縫多分支縫和徑向網(wǎng)狀裂縫。這些研究多集中于單一或規(guī)則天然裂縫多水力裂縫擴展的影響。以往學(xué)者主要根據(jù)經(jīng)典的力學(xué)模型如摩爾庫倫準(zhǔn)則[4,17],線彈性力學(xué)或斷裂力學(xué)[9,18-19]等建立2D判斷準(zhǔn)則研究水力裂縫和天然裂縫的相互作用,這些模型中未考慮天然裂縫形狀參數(shù)。另外,學(xué)者采用擴展有限元[20-22]、位移不連續(xù)法[23-24]和相場模型[25]等模擬含天然裂縫儲層中水力裂縫的準(zhǔn)三維或三維擴展。Ciezobka等[26-27]進行了頁巖現(xiàn)場水力壓裂試驗研究,認(rèn)為頁巖儲層中天然裂縫分布異常復(fù)雜,在天然裂縫影響下,水力裂縫面粗糙甚至呈階梯狀分布,已完全超出了目前已有解析解及數(shù)值模型的模擬能力。筆者通過室內(nèi)試驗方法研究多裂縫組成的天然裂縫群對水力裂縫擴展的影響及地應(yīng)力差與天然裂縫尺度以及施工參數(shù)對水力裂縫擴展的影響。

1 裂縫性儲層水力壓裂物理模擬

1.1 試件制備

試驗采用尺寸為300 mm×300 mm×600 mm的人工水泥試件,水泥為PC32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥,砂為0.12～0.38 mm的石英砂,水泥與砂按質(zhì)量比1∶1混合澆筑,人工試件養(yǎng)護15 d,其力學(xué)性質(zhì): 密度、單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比和彈性模量分別為(2.11±0.06) g/cm3、(27.98±1) MPa、(3.55±0.2) MPa、0.17和20.6 GPa。預(yù)制試件時在其內(nèi)部隨機放置小水泥塊模擬天然裂縫體(圖1),改變小水泥塊的尺度、密度及方位模擬不同特征的天然裂縫群。規(guī)定天然裂縫尺度為小水泥塊長度與試件長度的比值,包含0.05、0.10與0.15三種尺度;天然裂縫密度為小水泥塊體積與試件體積比,采用的密度均為9%;天然裂縫與最大水平地應(yīng)力方向夾角在0～ 60°。

圖1 試件內(nèi)部基質(zhì)與天然裂縫體分布(預(yù)制過程中)Fig.1 Distribution of matrix and natural fractures in a specimen (in sample preparation)

1.2 試驗方案

采用三軸應(yīng)力加載方式(圖2,單位mm),其中，σv、σH和σh分別為垂向應(yīng)力、最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力。設(shè)置初始水平應(yīng)力差為2～15 MPa,以研究應(yīng)力差對含裂縫群儲層的水力裂縫擴展影響。選擇3種尺度的天然裂縫體,以研究隨機裂縫的尺寸特征對水力裂縫擴展的影響;同時采用不同的壓裂液黏度和注液速率進行10組試驗,試驗參數(shù)見表1。

圖2 試驗試件及其地應(yīng)力的加載方式示意圖Fig.2 Sketch of testing sample and its loading of in-situ stresses

試件編號天然裂縫尺度水平應(yīng)力差Δσ/MPa注液速率Q/(mL·min-1)黏度μ/(mPa·s) 10.0561120.056101030.106101040.1012101050.152101060.156101070.1512101080.1513101090.15151010100.151511

注:天然裂縫尺度為天然裂縫長度與試件長度比值。

2 試驗結(jié)果

2.1 注入壓力曲線

圖3為試件2、3和6的注入壓力曲線(天然裂縫尺度分別為0.05、0.1和0.15)。由圖3可知,隨著裂縫尺度增大,其擴展壓力波動越明顯,說明水力裂縫越易形成體積裂縫[28]。由于天然裂縫體與基質(zhì)之間存在弱膠結(jié)面,水力裂縫擴展至天然裂縫體時,壓裂液迅速滲透進入弱膠結(jié)面,導(dǎo)致縫內(nèi)壓力下降,因此除了水力裂縫本身的漸進式擴展外[29],天然裂縫群的存在加劇了擴展壓力波動。

另外,體積裂縫的擴展壓力約為9 MPa,單一裂縫的擴展壓力約為5 MPa(圖3),體積裂縫比單一裂縫的擴展壓力要高。由于裂縫的復(fù)雜程度越高,導(dǎo)致縫內(nèi)摩阻越大,因此裂縫擴展所需縫內(nèi)壓力增大。試件6中含有最大尺度(0.15)的天然裂縫群,導(dǎo)致初始破裂后,注入壓力持續(xù)上升且波動幅度較大,說明水力裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)且不斷溝通天然裂縫[30],從而形成大范圍的體積裂縫。

圖3 試件2、3和6的注入壓力Fig.3 Injection pressure of specimens of 2,3 and 6

2.2 應(yīng)力差對裂縫形態(tài)影響

表2為不同應(yīng)力差條件下試驗結(jié)果。由表2可知,當(dāng)水平應(yīng)力差為2 MPa時,水力裂縫的擴展形態(tài)完全由天然裂縫控制,即水力裂縫易于溝通天然裂縫,產(chǎn)生了大范圍的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)以形成復(fù)雜體積裂縫;當(dāng)水平應(yīng)力差為6 MPa時,壓裂過程中產(chǎn)生了體積縫,其中主裂縫沿最大水平應(yīng)力方向擴展,同時在主裂縫周圍產(chǎn)生多條分支裂縫;當(dāng)水平應(yīng)力差為12 MPa時,主裂縫的擴展方向與最大水平應(yīng)力呈約30°夾角,擴展過程裂縫發(fā)生了輕微轉(zhuǎn)向;當(dāng)水平應(yīng)力差大于12 MPa時,盡管水力裂縫溝通了鄰近的天然裂縫體,但仍為單一的平直裂縫(圖4)。

表2 不同應(yīng)力差條件下試驗結(jié)果Table 2 Test results under different horizontal stress difference

圖4 試件9裂縫剖切面及其示意圖Fig.4 Hydraulic fracture morphology of specimen 9 and its schematic

應(yīng)力差為裂縫擴展的主要控制因素,尤其是在均勻介質(zhì)中應(yīng)力差成為水力裂縫擴展的主導(dǎo)因素[31]。天然裂縫作為非連續(xù)體改變了初始地應(yīng)力場的分布,同時改變了裂縫體及其周圍巖體的強度,使其更容易發(fā)生破壞,因此降低了應(yīng)力差對水力裂縫擴展方向的控制作用。

2.3 天然裂縫尺度對裂縫形態(tài)影響

在相同地應(yīng)力差條件下(Δσ=6 MPa),通過對比含有3種試件(試件2、3和6)中的天然裂縫尺度(0.05、0.1和0.15)條件下水力裂縫形態(tài),分析天然裂縫尺度對水力裂縫擴展的影響。

當(dāng)天然裂縫尺度為0.05時,起裂點附近產(chǎn)生了小范圍的復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖5)。注液過程中,隨著井底流體壓力增大,井底周圍的孔隙壓力逐漸增大,導(dǎo)致天然裂縫面上的正應(yīng)力減小,同時裂縫面得到潤滑作用,此時天然裂縫面容易發(fā)生滑動,在裂縫壁面或裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,發(fā)生拉伸破壞,進而溝通井底周圍的天然裂縫。同時該剪切破壞也為地?zé)衢_采過程中的主要破壞機制[32]。

圖5 試件2的裂縫形態(tài)及其示意圖Fig.5 Hydraulic fracture morphology of specimen 2and its schematic

當(dāng)天然裂縫尺度為0.1時,產(chǎn)生兩條分叉的主裂縫,一條沿最大水平地應(yīng)力方向擴展,另一條擴展方向與最大水平地應(yīng)力夾角約30°,兩條主裂縫之間形成了縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖6)。由于兩條主裂縫共同建立中間的孔隙壓力場,降低了其有效應(yīng)力,因此更有利于裂縫的擴展形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖6 試件3的裂縫形態(tài)及其示意圖Fig.6 Hydraulic fracture morphology of specimen 3and its schematic

當(dāng)天然裂縫尺度為0.15時,在主裂縫上產(chǎn)生多條分支裂縫,且溝通了水力裂縫周圍的大部分天然裂縫,產(chǎn)生的縫網(wǎng)體積超過試件的一半體積(圖7)。

圖7 試件6的裂縫形態(tài)及其示意圖Fig.7 Hydraulic fracture morphology of specimen 6and its schematic

2.4 天然裂縫群尺度和應(yīng)力差對裂縫形態(tài)的綜合影響

通過試驗結(jié)果可知,在相同的天然裂縫密度與應(yīng)力差條件下,當(dāng)天然裂縫尺度越大時,試件內(nèi)部應(yīng)力場的不均勻性增強,導(dǎo)致水力裂縫的形態(tài)更為復(fù)雜(圖8,綠色的為天然裂縫,紅色的為水力裂縫)。小裂縫尺度條件下,天然裂縫體主要是以垂直于最小地應(yīng)力的拉伸破壞為主,裂縫形態(tài)相對單一(圖8(a));大裂縫尺度條件下,天然裂縫體主要是以拉伸-剪切破壞為主,容易溝通附近的天然裂縫體,形成裂縫網(wǎng)絡(luò)(圖8(b))。

圖8 含天然裂縫體儲層水力壓裂機制示意圖Fig.8 Schematic of two conceptual models for mechanisms of hydraulic fracturing in fractured reservoir

綜合分析9組試驗結(jié)果,得到裂縫性儲層中3類水力裂縫形態(tài)與應(yīng)力差、天然裂縫尺度的關(guān)系(圖9)。水力裂縫形態(tài)主要由天然裂縫群與地應(yīng)力差共同控制,在區(qū)域①為體積裂縫,區(qū)域②為分支裂縫,區(qū)域③為單一裂縫。當(dāng)?shù)貞?yīng)力差大于8 MPa時,無論天然裂縫的尺寸為多大,水力裂縫的擴展都不會產(chǎn)生體積裂縫;當(dāng)?shù)貞?yīng)力差大于14 MPa時,水力裂縫形態(tài)完全受地應(yīng)力控制,形成單一平直裂縫。

2.5 裂縫性儲層中施工參數(shù)對裂縫形態(tài)影響

裂縫性儲層中水力裂縫擴展不僅受地層條件(應(yīng)力、天然裂縫等)的影響,還受到施工參數(shù)的影響[33]。

圖9 天然裂縫尺度與地應(yīng)力差對水力裂縫形態(tài)影響Fig.9 Influences of natural fracture size and horizontal stress difference on hydraulic fracture morphology

在高黏度(10 mPa·s)與高排量(10 mL·min-1)條件下,水力裂縫僅在起裂點附近范圍內(nèi)溝通部分天然裂縫,而當(dāng)裂縫擴展一定距離后形態(tài)較為單一平直。在低黏度(1 mPa·s)與低排量(1 mL·min-1)條件下,水力裂縫呈現(xiàn)體積縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),未出現(xiàn)明顯的主裂縫。

由于在低排量與低黏度壓裂液條件下,單位時間內(nèi)壓裂泵輸入的能量小,使得擴展速度低,水力裂縫有充分時間在其周圍建立孔隙壓力場,根據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則可知,天然裂縫處的孔壓升高后應(yīng)力莫爾圓左移會導(dǎo)致天然裂縫發(fā)生剪切破壞,從而激活溝通更多的天然裂縫,產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此,在壓裂液黏度較低、排量較小的施工條件下,水力裂縫更容易溝通天然裂縫體,從而產(chǎn)生體積裂縫。

3 討 論

從天然裂縫、應(yīng)力差和壓裂液黏度3方面對水力裂縫擴展的影響進行了討論,其結(jié)果可用來校準(zhǔn)數(shù)值模型或解析模型。采用人工水泥試件模擬天然儲層巖石,并人為控制天然裂縫的密度和傾向,但仍與實際儲層巖石具有一定的差異,后續(xù)研究中應(yīng)采用天然露頭作為試驗試件。從2010年頁巖氣的水平井多段壓裂成功應(yīng)用后,水力裂縫的剪切破壞和剪切-拉伸破壞對頁巖氣增產(chǎn)顯得尤為重要[34-36]。 儲層條件下應(yīng)力差和天然裂縫特征是決定儲層巖石剪切破壞是否發(fā)生的首要條件,而壓裂液黏度和排量對于天然裂縫激活具有重要影響,因此今后研究中應(yīng)加強壓裂液黏度和注入速率對裂縫擴展的影響。

4 結(jié) 論

(1)天然裂縫尺度越大、地應(yīng)力差越小,水力裂縫形態(tài)越復(fù)雜;隨著天然裂縫尺度增加,地應(yīng)力差對水力裂縫擴展的控制作用降低;當(dāng)?shù)貞?yīng)力差大于8 MPa時,無論天然裂縫尺寸為多大,水力裂縫擴展均不會產(chǎn)生體積裂縫;當(dāng)?shù)貞?yīng)力差大于14 MPa時,水力裂縫形態(tài)完全受地應(yīng)力控制,形成單一平直裂縫。

(2)通過注入壓力曲線可判斷裂縫性儲層水力裂縫的復(fù)雜程度,擴展壓力波動越劇烈且持續(xù)上升,則水力裂縫溝通越多的天然裂縫,水力裂縫形態(tài)越復(fù)雜。

(3)壓裂液黏度越低,排量越小,水力裂縫易于在天然裂縫群周圍形成多條主裂縫,溝通主裂縫周圍的天然裂縫群,形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。