覆壓水化作用對頁巖水力壓裂縫擴展的影響

王 欣 李德旗 姜 偉 盧海兵 易新斌 鄒清騰 王天一修乃嶺 唐 偉 李 濤

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油浙江油田公司

0 引言

頁巖氣井一般無自然產能，需要開展體積壓裂將頁巖儲層基質打碎，形成復雜裂縫網絡以實現頁巖氣井產氣量的提升[1-2]。已有文獻報道頁巖的水化作用可以促進頁巖次生裂縫的產生，進而形成較為復雜的裂縫網絡。馬天壽和陳平[3]采用CT掃描技術研究常壓、不同水化時間下頁巖的水化損傷特性，發(fā)現頁巖在水化過程中會發(fā)生細觀損傷及擴展；石秉忠等[4]采用CT掃描技術發(fā)現泥頁巖吸水水化后會促使次生微裂縫的產生、擴展與連通；方朝合等[5]采用掃描電鏡觀測到頁巖在流體浸泡下微裂縫將沿層理面和弱結構面不斷擴展延伸；薛華慶等[6]利用場發(fā)射掃描電鏡及微米CT技術研究頁巖水化前后的微觀結構和物性參數，發(fā)現水化作用可以增加頁巖內的裂縫條數及寬度。

在已公開的文獻中，頁巖水化實驗大多在常壓下或較低的圍壓下進行，但是在地層應力狀態(tài)下，頁巖水化作用是否仍然存在及其對水力裂縫復雜程度的影響有多大等問題仍需探索。為此，筆者采用威遠區(qū)塊龍馬溪組露頭頁巖制備的樣品，利用真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置，開展地層應力狀態(tài)下不同水化時間后的壓裂模擬實驗，進而開展了現場的水化試驗。

圖1 真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置照片

1 實驗裝置、方法及步驟

1.1 實驗裝置

采用真三維水力壓裂物理模擬實驗裝置（圖1），該裝置包含4個部分：巖樣室、三向應力加載系統、注入系統和控制系統。采用線切割方式將實驗巖樣切割成8 cm×8 cm×10 cm大小的長方體，各切割面盡可能平整以保證應力的均勻加載；三向應力加載系統由手搖泵控制，每個應力方向均有一個注入頭，應力加載的最大值為15 MPa；注入系統由恒流/恒壓泵和注入管線組成，最小注入流量為0.1 mL/min，最大入口壓力為30 MPa；控制系統則用于監(jiān)測和記錄入口壓力、流量等數據。

1.2 實驗方法

頁巖氣現場施工排量一般為12 m3/min，若射3簇，則單簇施工排量平均為4 m3/min；油層套管一般使用外徑為139.70 mm、內徑為115.02 mm的TP110T套管；根據微地震監(jiān)測數據，水力裂縫平均高度為50 m；實驗所使用的注入管線內徑為3 mm；頁巖巖樣尺寸為8 cm×8 cm×10 cm，考慮水力裂縫貫穿整個樣品，故水力裂縫高度取值為8 cm。在確定前述參數的基礎上，根據相似準則計算得到實驗注入流量為4.4 mL/min，為便于實驗，選擇5 mL/min作為此次實驗的注入流量。

1.3 實驗步驟

從同一頁巖露頭上切割、加工得到的頁巖巖樣（8 cm×8 cm×10 cm）中選擇3塊天然裂縫發(fā)育程度較為接近的巖樣開展實驗。CT掃描實驗結果顯示，3塊巖樣中均可見少量被充填的層理縫，但均未與模擬井筒相交（圖2），對后續(xù)壓裂模擬實驗的影響較小。

采用清水＋綠色染料為模擬壓裂液，按照威遠區(qū)塊三向應力相對值施加應力載荷，其中垂向應力為13 MPa、最大水平應力為13 MPa、最小水平應力為3 MPa，實驗注入流量均為5 mL/min，開展不同水化時間的壓裂模擬實驗，其中Ⅰ號巖樣不水化直接進行壓裂模擬，Ⅱ號巖樣首先在小于破裂壓力條件下注入一定量清水，水化9.5 h后，采用清水＋綠色染料進行壓裂模擬，Ⅲ號巖樣首先在小于破裂壓力條件下注入一定量清水，水化5 d后，采用清水＋綠色染料進行壓裂模擬。

2 實驗結果與分析

2.1 Ⅰ號巖樣、不水化直接壓裂模擬實驗

如圖3所示，該模擬實驗以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液64 s后巖樣發(fā)生破裂，破裂壓力為19.85 MPa，破裂時注入液體5.33 mL，巖樣破裂后入口壓力由19.85 MPa下降至0.58 MPa，后續(xù)繼續(xù)以5 mL/min的流量注入，入口壓力保持在0.07 MPa左右，說明巖樣破裂后流體沿裂縫壁面的流動摩阻很小，裂縫壁面相對較為光滑，破裂為較為簡單的張性破裂形式。

實驗結束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣外表面有一條垂直于最小水平主應力方向的裂縫，在其他方向未見明顯裂縫。沿著巖樣外表面的裂縫線將巖樣剖開，如圖4所示，壓裂液中加入的綠色染料布滿整個裂縫面，沿高度方向裂縫貫穿了整個巖樣，且裂縫面較為平整，這也是巖樣破裂后壓裂液沿裂縫壁面流動的摩阻較小的原因。

圖2 巖樣CT掃描圖

圖3 Ⅰ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（不水化）

圖4 Ⅰ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（不水化）

2.2 Ⅱ號巖樣、水化9.5 h后壓裂模擬實驗

為避免恒流量注入方式造成壓力上漲過快而壓開巖石，水化注入階段采取控壓注入方式，先將入口壓力上升并穩(wěn)定在7.4 MPa，注入清水7.33 mL，再將入口壓力提升并穩(wěn)定在8.4 MPa，注入清水0.44 mL，然后關閉注入閥門，使注入液體在巖樣中滲流擴散，使水化作用產生，水化時間合計為9.5 h，累計注入清水7.77 mL。

水化9.5 h后，打開注入閥門，如圖5所示以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液63 s后巖樣發(fā)生破裂，破裂壓力為21.05 MPa，此時注入液體5.25 mL。隨后又產生3次破裂，分別是90 s時，破裂壓力為22.63 MPa，累計注入液量為7.50 mL；141 s時，破裂壓力為28.68 MPa，累計注入液量為11.75 mL；239 s時，破裂壓力27.35 MPa，破裂時注入液體19.92 mL。相對于直接壓裂（不水化）的巖樣，第1破裂點的破裂壓力高出1.2 MPa，且為多點破裂，形成的裂縫形態(tài)特征復雜。由停止注入前、后的入口壓力計算得到總摩阻為1.08 MPa，由于注入管線摩阻可以忽略，則該摩阻應為近井筒摩阻。停止注入189 s后入口壓力降至0.29 MPa，下降6.56 MPa。

圖5 Ⅱ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（水化9.5 h后）

圖6 Ⅱ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（水化9.5 h后）

實驗結束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣表面有兩條較為明顯的裂縫，其中①號裂縫走向垂直于最小水平主應力方向，②號裂縫為水平縫，將巖樣沿①號裂縫剖開后，如圖6所示，裂縫面形態(tài)不再對稱，染料的分布具有明顯的方向性，有一條水平的流動通道和一條向下的流動通道，裂縫面凸凹不平，導致沿裂縫面的流動摩阻較大。

2.3 Ⅲ號巖樣水化5 d后壓裂模擬實驗

同樣采用控壓注入方式，將入口壓力提升并穩(wěn)定在3 MPa，累計注入清水8.77 mL，之后關閉注入閥門，水化5 d；然后打開注入閥門，以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液，如圖7所示110 s時發(fā)生破裂，破裂壓力為25.23 MPa，破裂時累計注入液量為9.17 mL。與直接壓裂（不水化）的巖樣相比，破裂壓力高出5.38 MPa，且破裂時間延長46 s。巖樣破裂后壓力降至0.17 MPa左右，繼續(xù)以5 mL/min的流量注入模擬壓裂液，壓力上升到0.5 MPa左右，表明破裂后繼續(xù)注入壓裂液，摩阻產生了新的變化。停泵壓力為0.48 MPa，32 s后壓力降至 0.10 MPa，下降 0.38 MPa。

實驗結束后，將巖樣從巖樣室取出，觀察到巖樣表面形成了多條交錯的水平縫和垂直縫，沿巖樣中間位置的一條水平縫剖開后，觀察到水平縫貫穿了整個巖樣（圖8）。

圖7 Ⅲ號巖樣模擬壓裂注入曲線圖（水化5 d后）

3 現場試驗

選擇鉆遇相同小層層位的某水平井開展水化試驗，第22段壓裂段作為水化試驗段，其他段作為對比段。第22段在壓裂前注入清水313.8 m3，且水化18 h。如表1所示，每個壓裂段加液量為1700 m3左右，加砂量介于88～155 t，施工排量介于7.5～14.0 m3/min，施工壓力介于69.8～84.7 MPa。

通過測斜儀進行監(jiān)測[7-8]，解釋得到第20～23段的垂直縫體積分數分別為76.37%、88.17%、74.37%、78.84%，第22段的垂直縫體積分數是這4段中最低的，由于垂直縫體積分數越接近50%則顯示裂縫越復雜，可見這4段中第22段的裂縫復雜程度是最高的，進一步證實了水化作用可提高壓裂縫的復雜程度。

圖8 Ⅲ號巖樣模擬壓裂后外觀及剖開裂縫面形態(tài)照片（水化5 d后）

表1 第20～23段地質和壓裂施工參數表

4 討論

相對于不水化直接進行壓裂模擬，水化9.5 h后進行壓裂模擬的巖樣表現出多點破裂特征，這是裂縫復雜化的表現。由停止注入前、后的入口壓力計算的近井摩阻為1.08 MPa，顯示出流動通道的摩阻較高，分析認為水化作用促進了頁巖多裂縫的產生；水化5 d后進行壓裂模擬，在巖樣中則形成了復雜裂縫網絡。在模擬三向應力狀態(tài)條件下，水化作用可以有效促進水力壓裂縫的復雜化程度，而且水化作用時間越長，形成的壓裂裂縫復雜程度越高。

同時，若巖樣不水化直接進行壓裂模擬，破裂壓力為19.85 MPa，而水化9.5 h和5 d后破裂壓力明顯升高，前者破裂壓力上升1.2 MPa，后者破裂壓力上升5.38 MPa；破裂后，相對于不水化，巖樣水化后近井筒摩阻有上升趨勢，從而導致施工壓力升高，不利于后期施工；不水化巖樣的破裂時間為64 s，水化9.5 h和5 d后巖樣的破裂時間具有后移趨勢。由于水化時間越長，水化作用的影響范圍越大，模擬壓裂時突破最低破裂點壓力所需的壓裂液體積就越大，從而使達到破裂點的泵注時間則越長。

因此，在現場壓裂施工過程中，要充分利用頁巖水化作用的有利面，通過降低入井液礦化度促進頁巖的水化作用[9-10]，以及采用壓后長時間燜井的方式[11-16]，利用水化的時間效應提升裂縫的復雜程度以提高頁巖氣井產氣量，進而提高氣藏的采收率；同時，應盡量縮短近井區(qū)域頁巖水化作用的影響時間，通過前期酸處理來降低施工壓力而為排量的快速提升創(chuàng)造條件、在壓裂施工的前期快速提升排量等方式，降低近井頁巖受水化作用影響的程度，進而降低在近井區(qū)域所形成縫網的復雜程度，減小多裂縫的產生對加砂造成的難度，同時在前置液階段采用前置膠液造縫、小粒徑段塞打磨等工藝[17-18]，對已經產生的近井區(qū)域多裂縫進行打磨以降低近井區(qū)域的流動摩阻。

5 結論

1）在地層三向應力條件下，巖樣經水化作用后壓裂形成的裂縫復雜程度更高。

2）頁巖水化作用的影響程度由水化時間決定，水化時間越長，水化作用影響程度越大，壓裂后形成的裂縫復雜程度越高。

3）由于頁巖水化作用的影響，使得壓裂后在近井區(qū)域產生了較為明顯的復雜多縫效應，導致流動摩阻上升，施工壓力升高，不利于后期施工。

4）水平井水化試驗段壓裂后的垂直縫體積分數較不水化壓裂段低，水化起到了增加壓裂縫復雜程度的作用。