閆天雨 李瑋 李建冰 趙歡 呂策

摘 ?????要：為研究致密砂巖儲層水力壓裂裂縫擴展形態(tài)及空間展布規(guī)律，利用真三軸水力壓裂模擬實驗系統(tǒng)，分析了水平應力差、壓裂液黏度以及排量對復雜縫網(wǎng)形成規(guī)律的影響。研究結果表明：低水平應力差（3 MPa）下，水力裂縫更容易發(fā)生轉向，趨向于沿著相對薄弱的天然裂縫和層理面延伸，使得裂縫趨于復雜，有利于致密砂巖儲層形成復雜的裂縫網(wǎng)絡;在水力裂縫擴展中，低黏度壓裂液能充分保證濾失，在裂縫中流動摩阻小，有利于裂縫尖端的破裂，而且形成復雜縫網(wǎng);壓裂液泵注排量越大，破裂壓力越大，裂縫越容易多處起裂，使得壓裂裂縫形態(tài)趨于復雜。研究結果為致密砂巖儲層現(xiàn)場壓裂施工提供參考。

關 ?鍵 ?詞：致密砂巖;水力壓裂;裂縫形態(tài);水平應力差;壓裂液黏度;排量

中圖分類號：TE 357.1????文獻標識碼：?A ???文章編號： 1671-0460（2019）01-0014-05

Experimental Study on the Propagation Pattern of

Fracturing Cracks in Tight Sandstone Reservoirs

YAN Tian-yu¹，?LI Wei¹，?LI Jian-bing¹，?ZHAO Huan¹，?LV Ce²

（1.?Institute of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China;

2.?Exploration Department of PetroChina Tarim Oilfield Branch， Xinjiang Tarim 841000，?China）

Abstract： In order to study the fracture propagation pattern and spatial distribution law of hydraulic fracturing in tight sandstone reservoirs， the true triaxial hydraulic fracturing simulation test system was used to analyze the influence of horizontal stress difference， fracturing fluid viscosity and displacement on complex seam formation law. The results show that under low horizontal stress difference（3?MPa）， hydraulic fractures are more likely to turn， tending to extend along relatively weak natural fractures and bedding planes， making the fractures tend to be complex， which is conducive to the crack network formation of tight sandstone reservoirs; in the hydraulic crack propagation， the low-viscosity fracturing fluid can fully guarantee the fluid loss， the flow friction in the crack is small， which is conducive to the cracking of the crack tip， and it is easy to communicate the natural crack to form a complex seam; the larger the displacement of fracturing fluid pump， the larger the fracture pressure， and the more likely the crack is to crack， which makes the fracture morphology more complicated. The research results provide reference for on-site fracturing construction of tight sandstone reservoirs.

Key words：?Tight sandstone; Hydraulic fracturing; Crack morphology;?Horizontal stress difference; Fracturing fluid viscosity; Displacement

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術領域的不斷發(fā)展，針對水力壓裂技術和水平也有了更高的要求。致密砂巖儲層孔隙度小于10%，滲透率小于1 mD（基質覆壓滲透率小于0.1 mD）^[1，2]。水平應力差和儲層中存在的天然裂縫等都會影響水力壓裂裂縫的形態(tài)^[3-6]。同時，壓裂液黏度、排量和工藝技術都是影響水力裂縫擴展形態(tài)的關鍵因素^[7-9]。

目前，國內(nèi)外學者對巖石的水壓致裂進行了大量的研究。其中，Wright等^[10]提出地應力場對裂縫的擴展起決定性作用，同時認為裂縫沿垂直最小水平應力方向延伸。魏元龍等^[11]認為巖石性質是致密砂巖水力壓裂裂縫延伸與擴展的主要因素。侯冰等^[12]認為當水平應力差在2～8 MPa之間壓裂裂縫形態(tài)更加復雜。張士忠等^[13]認為在一定范圍內(nèi)排量是水力壓裂裂縫擴展的主要因素之一。李芷等^[14]認為裂縫主要沿最大水平主應力方向延伸。張礦生等^[15]認為巖石脆性對致密砂巖水力壓裂復雜性并沒有主要影響。薄江偉等^[16]認為當壓裂液黏度由40 mPa·s升高到120 mPa·s時，裂縫長度會呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)。

針對目前致密砂巖儲層壓裂裂縫擴展形態(tài)的研究相對單一，有關單因素對比分析的研究相對較少。本文采用真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)對致密砂巖物理模型進行實驗研究，全面地研究了水平應力差、壓裂液黏度和排量對致密砂巖儲層水力壓裂裂縫擴展形態(tài)的影響規(guī)律，為致密砂巖水力壓裂現(xiàn)場施工提出合理的、可供參考的建議。

1 ?實驗條件及方案設計

1.1 ?實驗材料

壓裂液包括滑溜水和胍膠，均由大慶油田采油工藝研究院提供。物理模型為G級固井水泥與石英砂混合制作，外觀幾何尺寸：長×寬×高=300×300×300 mm³，在制備混凝土試樣時，水泥、石英砂、水配比為3∶1∶1，并在試樣制備過程中加入消泡劑，攪拌均勻，避免內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，影響壓裂效果。預制壓裂管在實驗磨具中心位置，澆筑攪拌均勻的混凝土，包裹壓裂管并完成固井過程，其中壓裂管埋入外徑為6 mm、內(nèi)徑為4 mm、長度為150 mm，能承受的最大壓力為60 MPa（圖1-2）。

1.2 ?儀器設備

巖心參數(shù)測定實驗裝置主要包括巖石三軸應力實驗測試系統(tǒng)、單軸抗拉測試試驗機。

水力壓裂實驗裝置采用真三軸壓裂模擬實驗系統(tǒng)，主要包括方形巖樣夾持器、壓裂實驗平臺（為巖樣提供載體）、三向壓力加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、恒速恒壓泵、液壓站、真空泵和管閥件等，（圖3-5）。

1.3 ?實驗流程

實驗前準備實驗磨具、清水、G級水泥、石英砂、消泡劑、水泥攪拌器，制作水泥巖樣。將制作好的巖樣放置在實驗平臺，連接進液管線與壓裂管接頭并對齊，轉動絲杠將壓裂試驗平臺推入艙室，再將鐵皮套推入與設備連接，起到固定實驗平臺的作用。加載三軸應力，設定三軸應力后飽壓10 min，使巖樣充分接觸增壓缸，防止巖樣從外側破裂。三軸應力穩(wěn)定后通過軟件輸入排量使壓裂液泵入巖樣，并記錄數(shù)據(jù)。觀察實驗數(shù)據(jù)，當壓力降到底部穩(wěn)定了一段時間后，停止注入壓裂液并卸載壓力，取出巖樣做后處理。

實驗流程見圖6。

1.4 ?方案設計

為了研究水平應力差、壓裂液黏度、壓裂液排量對致密砂巖儲層水力壓裂的起裂、擴展及裂縫網(wǎng)絡結構的影響，共設計了5組壓裂實驗，采用三軸液壓加載方式，分別施加垂向應力（σ_x）、水平最小主應力（σ_z）、水平最大主應力（σ_y）。壓裂液分別采用低黏度壓裂液（滑溜水）和高黏度壓裂液（胍膠），注入排量選定6和12?mL/min。

制定實驗方案如表1所示。試樣壓裂完成后保持三軸應力大小不變，在低排量的情況下注入染色劑，方便觀察裂縫形態(tài)以及走向，實驗結束可以觀察到巖樣表面染色劑的分布來初步判定裂縫形態(tài)，然后沿表面裂縫敲開巖樣觀察內(nèi)部裂縫形態(tài)。

2 ?結果分析

2.1 ?水平應力差的影響

為研究水平應力差對致密砂巖水力壓裂裂縫形態(tài)的影響，實驗設置了2組應力差進行對比，分析裂縫的形態(tài)以及復雜性。第一組：1#、3#試樣，黏度為3 mPs·s，排量為6 mL/min;第二組：2#、4#試樣，黏度為100 mPs·s，排量為6 mL/min。1#～4#試樣壓后裂縫形態(tài)如圖7-10所示。觀察實驗結果，如圖7所示，1#試樣壓裂后形成一條沿水平最小主應力方向延伸的單一垂直裂縫，根據(jù)染色劑分布我們可以觀察到裂縫沿井筒方向起裂并延伸，裂縫表面較為平坦，試樣剖開前可在上表面觀察到沿井筒軸線方向的細微水力裂紋，試樣剖開后觀察到試樣內(nèi)部2/3的面積被染色，說明染色區(qū)域是水力裂縫的主要運移通道。1#、2#試樣裂縫形態(tài)都相對單一，并未出現(xiàn)分支裂縫，2#試樣裂縫起裂過程中發(fā)生偏轉，但整體來說裂縫形態(tài)并不復雜;如圖8所示，3#試樣中，裂縫沿垂直最小水平主應力方向起裂，沿水平最大主應力方向延伸，形成一條主裂縫的同時并擴展成兩條分支裂縫（HF1、HF2），兩條分支縫夾角為48°。兩條分支裂縫繼續(xù)延伸，在垂向應力方向下表面兩條分支裂縫再次發(fā)生轉向并重合，形成一條主裂縫貫穿試樣;4#試樣壓裂后，觀察到裂縫沿井筒起裂，形成多條分支裂縫，在低水平應力差的作用下，裂縫發(fā)生轉向形成復雜的縫網(wǎng)結構。

分析認為，在水平應力差越小的狀態(tài)下，水力壓裂形成初始裂縫的長度越短，同時閉合應力也就越高，也就是說形成分支裂縫的起裂角度也就會越大，說明水力壓裂的效果越好。在低的水平應力差條件下（3 MPa），裂縫容易發(fā)生轉向，水力裂縫更趨向于沿著強度相對薄弱的天然裂縫面延伸，裂縫形態(tài)趨于復雜。

2.2 ?壓裂液黏度的影響

研究選取了2組實驗對比分析壓裂液黏度對致密砂巖裂縫延伸規(guī)律的影響。第一組：1#、2#試樣，應力差為6 MPa，排量為6 mL/min;第二組：3#、4#試樣，應力差為3 MPa，排量為6 mL/min。

對比分析兩組試驗，如圖9所示，2#試樣壓裂后形成一條單一、不規(guī)則的轉向裂縫。壓裂完成后在垂向應力方向上表面觀察到裂縫沿井筒方向起裂，同時與最大主應力方向夾角為30°。

試樣剖開后觀察到裂縫在擴展中，受到水平應力差作用使得裂縫發(fā)生偏轉，轉向與垂向應力夾角為45°方向，形成相對單一且不規(guī)則的斜向裂縫。如圖10所示，4#試樣壓裂后裂縫沿垂向應力方向起裂，其中裂縫HF1延伸過井筒后發(fā)生偏轉，同時形成多條分支裂縫。受到近井筒層理面以及水平應力差的影響，在裂縫擴展中右側裂縫發(fā)生偏轉，轉向至與水平最小主應力夾角為40°方向，最終形成裂縫形態(tài)相對復雜的縫網(wǎng)結構。

實驗結果表明在低黏度壓裂液情況下壓裂后水力裂縫形態(tài)更加復雜。在水力壓裂裂縫擴展過程中，壓裂液黏度越低，壓裂過程中壓裂液在縫內(nèi)流動越容易，同時也就容易使得裂縫尖端破裂，從而有利于裂縫的擴展和復雜縫網(wǎng)的形成。同時低黏度壓裂液能夠保證充分濾失，隨著注入壓力的不斷增大，水力能量在裂縫尖端更容易達到巖石破裂的門限值，形成相對復雜的裂縫結構^[12]。黏度過高其在裂縫中流動受到的摩阻就會相應升高，同時帶動施工壓力升高，非常不利于現(xiàn)場施工，而且裂縫高度不容易控制，同時還要考慮到環(huán)境問題^[17]

2.3??排量的影響

研究中充分考慮到排量對水力裂縫擴展的影響，同時選取了1組實驗進行對比分析，分析在水平應力差為3 MPa、采用低黏度壓裂液（滑溜水）進行壓裂的條件下，致密砂巖在不同排量下壓裂裂縫形態(tài)的規(guī)律。在低排量（6 mL/min）條件下，3#試樣壓裂后出現(xiàn)一條沿垂向應力方向起裂的主裂縫，同時在延伸一段距離后主裂縫分支為兩條夾角為48°的分支裂縫繼續(xù)延伸，后又溝通。在高排量（12 mL/min）條件下，5#試樣多點起裂同時出現(xiàn)多條分支裂縫，并且互相溝通形成復雜的裂縫網(wǎng)絡結構。如圖11所示，在5#試樣中，水力裂縫HF1、HF2同時沿水平最小主應力方向延伸，水力裂縫HF1發(fā)生偏轉形成兩條分支縫，其中一條分支縫與水力裂縫HF2匯合繼續(xù)延伸，同時形成分支裂縫HF4。另一條分支裂縫形成分支縫HF3以及HF5，其中分支裂縫HF5延伸后又溝通分支裂縫HF3繼續(xù)延伸，最終形成非常復雜的裂縫網(wǎng)絡。

實驗結果表明，當排量增大到一定程度后，裂縫內(nèi)壓力增加的幅值相對較大，壓力對裂縫面的法向應力以及裂縫尖端拉應力都隨之增大，為裂縫寬度和裂縫長度的增長提供了條件，促進裂縫擴展^[18]。

3 ?復雜裂縫形成機理分析

綜合以上實驗，得出水平應力差在致密砂巖儲層裂縫擴展中起到?jīng)Q定性作用。當在裂隙注入壓力大于部分之和儲層巖石的水平最大主應力拉伸強度、水力裂縫的可能性水力壓裂脫離正常方向，形成新的擴展方向。由理論研究可知，對于垂直裂縫來說，為了使裂縫產(chǎn)生明顯的延伸和形成支撐孔隙，需要滿足以下條件：

在不同的情況下，水力壓裂裂縫延伸條件是不同的，斷裂延伸應力也不同。當θ變?yōu)?°到90°，斷裂延伸應力變化在以下范圍內(nèi)^[19]：

由式（2）可知，裂縫的起裂與延伸與地應力差有很大影響，當?shù)貞Σ钤叫?，裂縫壓力越容易達到破裂壓力，易于延伸和拓展，地應力大小和分布是決定壓裂裂縫擴展和形態(tài)特征的關鍵因素^[20]。

4 ?結論

本文通過開展真三軸水力壓裂模擬實驗，分析了不同水平應力差、壓裂液黏度和排量對致密砂巖儲層壓裂裂縫形態(tài)的影響規(guī)律，得出以下結論：

（1）在低水平應力差下，致密砂巖壓裂裂縫容易發(fā)生轉向，使得裂縫形態(tài)趨于復雜;當水平應力差越小，壓裂形成初始裂縫的長度就會越短，同時初始裂縫的閉合應力也就越高，這種情況下形成分支裂縫的起裂角度就會越大，也就說明水力壓裂的效果越好。低水平應力差有利于致密砂巖儲層形成復雜的縫網(wǎng)結構。

（2）在致密砂巖儲層水力壓裂過程中，胍膠在水力裂縫中流動受到的阻力大，隨著注入壓力的升高，壓裂液的前緣更接近裂縫的尖端，裂縫尖端的水利能量也就更加容易達到巖石破裂的門限值，利于裂縫尖端的破裂和復雜縫網(wǎng)的形成。

（3）針對裂縫不發(fā)育的致密砂巖儲層，排量增大到一定程度后，裂縫內(nèi)壓力增加的幅值相對較大，壓力對裂縫面的法向應力以及裂縫尖端拉應力都隨之增大，為裂縫寬度和裂縫長度的增長提供了條件，促進裂縫擴展，也就是說，排量越大，巖石的起裂壓力也就越高，壓裂過程中巖石多點起裂，也就說明形成的裂縫也就更加復雜。

參考文獻：

[1]賈承造，鄒才能，李建忠，李登華，鄭民.中國致密油評價標準、主要類型、基本特征及資源前景[J].石油學報，2012，33（03）：343-350.

[2]王永輝，盧擁軍，李永平，王欣，鄢雪梅，張智勇.非常規(guī)儲層壓裂改造技術進展及應用[J].石油學報，2012，33（S1）：149-158.

[3]Sondergeld C H， Newsham K E， Comisky J T， et al. Petrophysical considerations in evaluating and producing shale gas resources[R]. SPE 131768， 2010.

[4]kassis S， Phillips C， Sondergeld C H. Fracture permeability of gas shale： effects of roughness， fracture offsct proppant， and effective stress[R]. SPE 131376， 2010.

[5]MATHEWS H L， SCHEIN G， MALONEM. Stimulation of gas shales： theyre all the same-right[C].SPE 106070 presented at Hydraulic Fracturing Technology Conference，College Station， 2007.

[6]King G E. Thirty years of gas shale fracturing： what have we leareed[R]. SPE 133456， 2010.

[7]SOLIMAN M Y， EAST L， AUGUSTINE J. Fracturing design aimed at enhancing fracture complexity[C].SPE 130043 presented at SPE EUROPEC/EAGE Annual conferece and Exhibition， Barcelona， 2010.

[8]Mayerhofer M J， Lolon E P， Warpinski N R， et al. What is stimulated rock volume[R]. SPE 119890， 2008.

[9]蔡文斌，李兆敏，張霞林，張波，張琪.低滲透油藏水平井壓裂理論及現(xiàn)場工藝探討[J].石油勘探與開發(fā)，2009，36（01）：80-85.

[10]C.A. Wright and R.A. Conant， Hydraulic Fracture Reorientation in Primary and Secondary Recovery from Low-Permeability Reservoirs?[R]. SPE30484， 1995.

[11]魏元龍，楊春和，郭印同，劉偉，王磊，侯振坤，徐峰.須家河組致密砂巖水力壓裂裂縫形態(tài)的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2016，35（S1）：2720-2731.

[12]侯冰，譚鵬，陳勉，袁亮，熊振宇，許超蘭.致密灰?guī)r儲層壓裂裂縫擴展形態(tài)試驗研究[J].巖土工程學報，2016，38（02）：219-225.

[13]張士誠，郭天魁，周彤，鄒雨時，牟松茹.天然頁巖壓裂裂縫擴展機理試驗[J].石油學報，2014，35（03）：496-503+518.

[14]李芷，賈長貴，楊春和，曾義金，郭印同，衡帥，王磊，侯振坤.頁巖水力壓裂水力裂縫與層理面擴展規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（01）：12-20.

[15]張礦生，樊鳳玲，雷鑫.致密砂巖與頁巖壓裂縫網(wǎng)形成能力對比評價[J].科學技術與工程，2014，14（14）：185-189+211.

[16]薄江偉，羅明良，溫慶志，房堃，徐勝強.致密砂巖儲層壓裂有限離散元分析[J].特種油氣藏，2019，26（01）：152-157.

[17]范鐵剛，張廣清.注液速率及壓裂液黏度對煤層水力裂縫形態(tài)的影響[J].中國石油大學學報（自然科學版），2014，38（04）：117-123.

[18]葛燚. 工藝參數(shù)對壓裂效果影響的三維模擬分析[D]. 大連理工大學， 2018.

[19]Zhenyun Song， Xiaowen Wang， Yanpen Ren. et al. The application of In-fissure divert fracturing technology in ultra-low permeability oilfield：IPTC，13489[P]. 2009.

[20]彭科翔. 煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設計方法研究[J]. 當代化工， 2017， 46（10）： 2159-2161+2169.