基于三維掃描技術(shù)的頁巖暫堵壓裂物理模擬實驗

楊恒林，呂嘉昕，譚鵬，付衛(wèi)能，饒加富

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249）

0 引言

隨著油氣資源的開發(fā)不斷向深層、超深層進軍[1-2]，儲層低孔、低滲等特征更加顯著。通過水力壓裂誘導(dǎo)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成以提高滲透率，成為非常規(guī)資源高效開采的重要手段與關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。頁巖儲層在低應(yīng)力條件下，水力裂縫復(fù)雜程度相對較高；在高應(yīng)力條件下，天然裂縫或?qū)永淼热趺骐y以激活，裂縫形態(tài)簡單[4-5]。為提高頁巖儲層水力壓裂改造效果，相繼提出暫堵轉(zhuǎn)向、平面射孔、交替注液、變黏度變排量及多尺度造縫等新型壓裂技術(shù)[6-10]。 其中，暫堵壓裂技術(shù)在四川、大慶、新疆等地區(qū)廣泛應(yīng)用，油氣井產(chǎn)能提升效果顯著。

目前，關(guān)于暫堵壓裂方面的研究，學(xué)者們開展了大量研究。在物理模擬方面：侯冰等[10]針對天然頁巖露頭，開展真三軸暫堵水力壓裂實驗，研究了不同暫堵壓裂條件下裂縫起裂及轉(zhuǎn)向擴展特征；王賢君等[11]針對大慶低滲透儲層特點，優(yōu)化了暫堵多分支縫壓裂工藝參數(shù)；汪道兵等[12]采用一種可降解纖維的暫堵材料，研究了暫堵壓裂水力裂縫的轉(zhuǎn)向擴展行為。在數(shù)值模擬方面：Aghighi等[13]通過模擬井周圍帶有裂縫的應(yīng)力場，研究暫堵壓裂后可能發(fā)生的起裂情況；Wang等[14]基于有限元模擬方法，研究了均質(zhì)儲層近井筒單縫暫堵轉(zhuǎn)向壓裂過程；李瑋等[15]采用有限元方法，研究了不同應(yīng)力條件下暫堵壓裂水力裂縫的起裂及轉(zhuǎn)向擴展機理。在暫堵劑材料優(yōu)選方面：羅志鋒等[16]采用位移不連續(xù)法，建立了暫堵轉(zhuǎn)向纖維用量的評價模型；蔣衛(wèi)東等[17]研發(fā)了一種新型纖維材料，通過增加酸液流動阻力，實現(xiàn)裂縫暫堵和酸液轉(zhuǎn)向的目的。上述研究主要集中在暫堵材料的選型、性能評價及參數(shù)優(yōu)化等方面，關(guān)于暫堵劑對天然裂縫性頁巖水力裂縫轉(zhuǎn)向擴展的影響機理研究較少，同時關(guān)于如何定量評價壓后裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)尚不清楚。

本文選取川東南地區(qū)龍馬溪組天然頁巖露頭，開展真三軸暫堵壓裂物理模擬實驗，對比不同排量下頁巖暫堵壓裂水力裂縫的起裂與擴展規(guī)律。實驗結(jié)束后，采用三維掃描技術(shù)獲取水力裂縫特征，對水力裂縫進行面片化處理，計算裂縫體積與面積等參數(shù)，定量表征裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，從而評價壓裂改造效果。實驗結(jié)果可為認(rèn)識頁巖儲層暫堵壓裂水力裂縫的形態(tài)及擴展規(guī)律提供參考。

1 實驗方法

1.1 設(shè)備及實驗方案

為更準(zhǔn)確掌握頁巖儲層暫堵壓裂后裂縫的起裂及擴展規(guī)律，本文采用室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)[18-19]對川東南地區(qū)龍馬溪組天然頁巖露頭開展水力壓裂實驗。實驗系統(tǒng)由真三軸實驗架、MTS伺服增壓泵、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、穩(wěn)壓源、油水隔離器、平板壓裂裝置、實驗記錄裝置及其他輔助裝置組成。其中：設(shè)備允許的試樣尺寸為邊長300 mm及400 mm的正方體，最大注入壓力為100 MPa，最大圍壓為40 MPa；聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的采樣率為3 MS/s，系統(tǒng)頻率為1～400 kHz。

已知川東南地區(qū)X區(qū)塊龍馬溪組深層頁巖埋深4 073.92～4 080.38 m，處于走滑斷裂應(yīng)力狀態(tài)。最大水平地應(yīng)力（σH）為 107.94～109.12 MPa，垂直地應(yīng)力（σv）為 102.74～103.40 MPa，最小水平地應(yīng)力（σh）為 92.32～94.42 MPa。實驗前通過相似準(zhǔn)則計算壓裂實驗參數(shù)[20]，并將不規(guī)則天然頁巖露頭切割成300 mm×300 mm×300 mm的正方體巖塊，去掉巖石表面風(fēng)化部分。隨后，用鉆孔機在巖塊一面的中心向下鉆出直徑20 mm、長180 mm的圓柱形孔，并采用高強度錨栓固結(jié)長度為120 mm的模擬井筒，預(yù)留60 mm裸眼段，用高強度固結(jié)膠將井筒黏結(jié)在鉆孔內(nèi)，以模擬套管完井[21-22]（見圖1）。壓裂實驗參數(shù)如表1所示。

圖1 頁巖試樣示意

表1 壓裂實驗參數(shù)

實驗中2組頁巖試樣取自同一巖體，以保證各試樣的天然裂縫分布特征和層理發(fā)育程度相近。壓裂前對試樣表面天然裂縫與層理分布特征進行標(biāo)注，便于實驗后對比（見圖2）。

圖2 試樣表面天然裂縫與層理分布特征

實驗過程中，注液過程可分為2個階段：第1階段，將不含暫堵劑的壓裂液注入試樣，使巖石形成初次裂縫；第2階段，更換含有暫堵劑的壓裂液，采用與第1階段相同的壓裂液黏度與排量，進行二次壓裂。為區(qū)分2個階段的水力裂縫，在第1階段壓裂液中添加綠色熒光粉作為裂縫示蹤劑，第2階段壓裂液中不添加示蹤劑。實驗結(jié)束后，采用物理方法劈裂巖石，對裂縫面進行三維掃描和三維裂縫重構(gòu)。

1.2 裂縫面數(shù)值處理方法

實驗結(jié)束后，為表征水力裂縫形態(tài)，常規(guī)方法[4，6，11]是將巖石剖切后，通過人為觀察或者軟尺粗略評估裂縫的長度和改造面積，計算精度較差。本文采用三維掃描成像設(shè)備對裂縫面進行掃描，得到三維斷面數(shù)據(jù)，并進行數(shù)值處理分析，準(zhǔn)確獲取裂縫面的尺度信息。

裂縫三維掃描成像設(shè)備配置雙CCD鏡頭（鏡頭分辨率大于1 280×1 024），掃描成像后的點云最低點距小于0.05 mm，配置專有的掃描軟件和數(shù)據(jù)修復(fù)模塊?？梢暬ぞ甙强梢暬I(lǐng)域中重要的開發(fā)工具，包括圖像模型和三維可視化模型。數(shù)據(jù)處理時，首先利用源對象對預(yù)處理后的初始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換；隨后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過映射對象映射為圖形數(shù)據(jù)，并進行實體化操作，進而調(diào)用渲染器將繪制結(jié)果在電腦窗口中渲染顯示；結(jié)束后，采用Python編程語言對裂縫掃描數(shù)據(jù)處理分析，從而得到裂縫的體積、面積，以及裂縫面的面法向量等信息。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓后裂縫形態(tài)

實驗結(jié)束后，將試樣沿水力裂縫劈裂，觀察示蹤劑及暫堵劑在裂縫中的分布特征，分析頁巖水力裂縫的形態(tài)與暫堵轉(zhuǎn)向規(guī)律。

在第1階段，1#試樣的初次裂縫沿垂直于井筒方向起裂，擴展形成橫切縫（見圖3）。在第2階段，隨著暫堵劑的泵入，有效暫堵初次裂縫，誘導(dǎo)二次裂縫在裸眼段底部上方的割縫段起裂，并沿垂直于最小水平地應(yīng)力方向擴展，在初次裂縫的上方形成垂直于井筒方向的橫切縫。在水力裂縫擴展過程中，首先激活沿井筒方向的層理弱面，裂縫在擴展到半徑為7 cm時，向上溝通天然裂縫，最終形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖3 1#試樣壓后裂縫形態(tài)

2#試樣在裸眼段附近發(fā)育1條天然裂縫（見圖2）。在第1階段，初次裂縫首先沿天然裂縫起裂并擴展（見圖4）。在第2階段，隨著暫堵劑的泵入，在頂部形成有效暫堵，而后在裸眼段中部開啟新的破裂，裂縫起裂后沿垂直于最小水平地應(yīng)力方向擴展，形成垂直于井筒方向的橫切縫。2個階段產(chǎn)生的水力裂縫相互平行，二次裂縫不再沿初次裂縫擴展，而是從裸眼段中部起裂，形成垂直于井筒方向的橫切縫。

圖4 2#試樣壓后裂縫形態(tài)

1#和2#試樣對應(yīng)的排量分別為50，20 mL/min，水平地應(yīng)力差均為15 MPa。當(dāng)注入排量為50 mL/min時，1#試樣的初次裂縫沿垂直于井筒方向起裂，擴展形成橫切縫；當(dāng)注入排量為20 mL/min時，2#試樣的初次裂縫沿裸眼段頂部的天然裂縫起裂并擴展。實驗結(jié)果顯示，在大排量下，水力裂縫穿透天然裂縫時，低黏壓裂液可沿天然裂縫濾失，提高天然裂縫周圍的孔隙壓力，使得摩爾-庫倫準(zhǔn)則中的莫爾圓向左移動，天然裂縫被激活，增加了壓后裂縫的復(fù)雜程度。

基于上述分析可知，暫堵劑可以有效促進頁巖水力裂縫轉(zhuǎn)向、分叉，以及多裂縫的形成。在不同排量條件下，頁巖暫堵壓裂裂縫形態(tài)呈現(xiàn)2種基本模式：1）小排量條件下，首先形成垂直于井筒方向的初次橫切縫，隨后注入暫堵劑封堵初次裂縫，形成平行于初次裂縫的簡單橫切縫；2）大排量條件下，首先形成垂直于井筒方向的橫切縫，隨后注入暫堵劑封堵初次裂縫，形成平行于初次裂縫并伴隨天然裂縫張開的復(fù)雜縫。大排量壓裂能增加頁巖儲層水力裂縫的延伸距離，同時井筒內(nèi)快速增壓，水力能量集中，提高了水力裂縫暫堵效果，從而增加了多裂縫的形成概率。

2.2 泵壓曲線響應(yīng)特征

通過分析泵壓曲線響應(yīng)特征，并結(jié)合壓后裂縫形態(tài)，可以更好地認(rèn)識頁巖水力裂縫的起裂與暫堵轉(zhuǎn)向擴展行為。1#試樣的泵壓曲線顯示：在第1階段，當(dāng)泵壓到達A點（30.1 MPa）時，水力裂縫初次起裂，A—B區(qū)間為擴展階段，形成面積較大的初次裂縫；在第2階段，暫堵劑封堵初次裂縫后，井筒內(nèi)發(fā)生二次增壓，近井筒層理不斷被激活，B—C階段泵壓曲線不斷波動，當(dāng)泵壓到達C點（42.7 MPa）時，泵壓陡降，層理被完全激活并形成橫切縫，隨后橫切縫在擴展過程中溝通遠處天然裂縫，泵壓曲線小幅波動（見圖5）。通過對比聲發(fā)射能量曲線可知，聲發(fā)射信號主要集中于泵壓劇烈波動階段，且信號強弱和壓力波動幅度大致呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 1#試樣泵壓曲線和聲發(fā)射能量曲線

在第1階段，2#試樣的泵壓曲線只有1個峰值在A點（10.8 MPa），表明在A點發(fā)生初次起裂，這一階段泵壓曲線展示出顯著的壓降破裂特征（見圖6）。待第1階段完成后停泵，更換為添加暫堵劑的壓裂液，開始第2階段壓裂。泵壓曲線在B點（12.3 MPa）時有明顯波動，表明在形成有效暫堵后，裂縫溝通弱面并從裸眼段中部起裂，形成垂直于井筒方向的橫切縫。由于該壓后裂縫形態(tài)簡單，泵壓曲線也相對平滑。

圖6 2#試樣泵壓曲線

由于頁巖具有高脆性特征，且壓裂初始階段井筒附近憋壓，周圍發(fā)育的弱面產(chǎn)生很多微裂隙，并影響到水力裂縫的起裂方向及裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展規(guī)模。這與地層破裂瞬間有多少個微裂隙同時起裂相關(guān)。這種即將發(fā)生張性破裂的微裂隙，被稱為“待破裂點”[8]。并且，裂縫起裂位置的累積能量，決定了目標(biāo)儲層的裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度。因此，暫堵壓裂施工時需要增大泵壓，提高微裂隙附近的能量累積效率，促使裂縫在井筒附近分叉，繼而增大有效裂縫網(wǎng)絡(luò)面積，提高改造效率。

2.3 裂縫重構(gòu)與定量評價

2.3.1 壓后裂縫重構(gòu)

將壓后試樣進行三維掃描并進行數(shù)值處理，得到壓后三維可視化裂縫網(wǎng)絡(luò)。

1#試樣數(shù)值處理結(jié)果表明：初次擴展區(qū)域位于試樣下部裸眼段，二次裂縫最先出現(xiàn)在井筒上部的裸眼段附近，形成與初次裂縫平行的橫切縫，并激活產(chǎn)生2條天然裂縫（見圖7）。

圖7 1#試樣三維裂縫重構(gòu)形態(tài)

通過觀察1#試樣裂縫面特征發(fā)現(xiàn)，初次裂縫起裂時表現(xiàn)出曲率突變、而后平緩的特征，擴展過程中水力裂縫穿過些許孔洞，但并未發(fā)生轉(zhuǎn)向（見圖8）。裂縫末端曲率陡轉(zhuǎn)，此曲率變化與暫堵劑位置具有良好的對應(yīng)關(guān)系，表明暫堵劑對裂縫形成有效封堵。隨著暫堵劑的有效注入，產(chǎn)生了與初次裂縫平行的橫切縫，并且在擴展過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)向，激活了2條斜交的弱面，最終形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖8 1#試樣井周裂縫局部轉(zhuǎn)向形態(tài)

2#試樣數(shù)值處理結(jié)果表明：在小排量條件下，初次裂縫主要沿近井筒天然裂縫起裂并擴展；二次裂縫在井筒下部裸眼段起裂并擴展，擴展過程中發(fā)生小幅度轉(zhuǎn)向，最后延伸至試樣邊緣（見圖9）。2個壓裂階段裂縫形態(tài)近乎平行，壓后裂縫形態(tài)簡單。原因在于，由于頁巖層理發(fā)育，2#試樣的初次裂縫擴展至層理面后，便轉(zhuǎn)向至垂直于井筒方向，并且小排量導(dǎo)致壓裂液后續(xù)能量不足，難以產(chǎn)生三次轉(zhuǎn)向裂縫，無法充分?jǐn)U展井筒下部巖樣。與壓后直接觀察裂縫擴展形態(tài)相比，三維掃描技術(shù)能夠更精細展現(xiàn)水力裂縫在空間中的擴展及轉(zhuǎn)向情況。

圖9 2#試樣三維裂縫重構(gòu)形態(tài)

2.3.2 裂縫網(wǎng)絡(luò)效果定量評價

基于三維掃描成像重構(gòu)的裂縫形態(tài)，對三維裂縫進行面片化處理，并計算裂縫參數(shù)，定量評價水力裂縫的體積與面積特征。放大后的三維裂縫是由一系列小面片組成的，通過計算小面片的數(shù)量，對比不同裂縫的面片個數(shù)，可以定量化比較裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，從而評價壓裂改造效果。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 1#和2#試樣裂縫參數(shù)

結(jié)果表明：1#和2#試樣的面片個數(shù)比例為1.252，體積比例為2.175，面積比例為1.309。通過對比可知，排量為50 mL/min的1#試樣在體積和面積上均比2#試樣有較大提升，表明暫堵壓裂裂縫的有效改造效果與注入排量呈正相關(guān)關(guān)系。原因在于：1）第1次裂縫開啟時，小排量開啟的裂縫縫寬較小，不利于后續(xù)暫堵劑的進入，而大排量開啟的裂縫較寬，暫堵劑進入較為充分，更易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。2）第1次裂縫開啟后，大排量促使進入初次裂縫的暫堵劑分布范圍更廣，距離井口更遠。因此，有效暫堵區(qū)的弱面數(shù)目增加，暫堵開啟新裂縫的概率更高。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

川東南地區(qū)某深層頁巖氣井采用暫堵壓裂技術(shù)。該井改造井段為3 600～3 900 m，巖石脆性指數(shù)為0.38～0.46，排量為 0.9～11.0 m3/min，優(yōu)選 15.0 mm+13.5 mm粒徑的暫堵球和60/80目暫堵劑，暫堵球數(shù)量為32～58個，暫堵劑質(zhì)量為100～275 kg。平均單井簇數(shù)為110，綜合砂比為3.37%。

根據(jù)泵壓曲線分析，隨著施工排量的提高，瞬時停泵的泵壓明顯提高（見圖10）。暫堵壓裂改造后，平均單井無阻流量為38.5×104m3/d，單井最終可采儲量為0.9×108m3。相比同層段未改造的鄰井，產(chǎn)量明顯增加，表明暫堵壓裂改造效果良好。

圖10 泵壓曲線

4 結(jié)論

1）暫堵劑可有效促進頁巖水力裂縫轉(zhuǎn)向、分叉，以及多裂縫的形成，且在不同排量條件下展現(xiàn)2種不同的裂縫形態(tài)：小排量條件下，暫堵劑封堵初次裂縫，形成平行于初次裂縫的簡單縫；大排量條件下，暫堵劑封堵初次裂縫，形成平行于初次裂縫并伴隨天然裂縫張開的復(fù)雜縫。

2）在進行頁巖暫堵壓裂時，提高排量可促使暫堵劑對裂縫形成有效封堵，促進暫堵劑運移至更為有利于封堵的位置，從而增加遠端天然裂縫的激活概率。建議現(xiàn)場壓裂作業(yè)時，在地面設(shè)備承壓及施工條件允許范圍內(nèi)，選擇高于20 mL/min（現(xiàn)場10 m3/min）的排量。