基于真三軸實(shí)驗(yàn)研究超稠油儲(chǔ)集層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律

林伯韜，史璨，莊麗，游紅娟，黃勇

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.韓國(guó)建設(shè)技術(shù)研究院，高陽(yáng) 10223，韓國(guó)；3.中國(guó)石油新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

風(fēng)城油田位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣北端，北以哈拉阿拉特山為界，東與夏子街接壤，西鄰烏爾禾鎮(zhèn)，地面海拔280～503 m，平均約380 m，侏羅系超稠油地質(zhì)儲(chǔ)量高達(dá) 3.7×108t。超稠油是油層溫度下脫氣原油黏度大于5×104mPa·s的稠油[1]；新疆風(fēng)城超稠油在原位狀態(tài)下黏度約為3.5×106mPa·s，在50 ℃時(shí)的地面脫氣黏度為9 495～49 320 mPa·s[2]。超稠油密度高、黏度高，硅膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及蠟含量高，須通過(guò)熱采方式開(kāi)采[2-3]。當(dāng)前，蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是風(fēng)城地區(qū)開(kāi)采超稠油的關(guān)鍵技術(shù)。SAGD開(kāi)采通常包括循環(huán)預(yù)熱及生產(chǎn)兩個(gè)階段。循環(huán)預(yù)熱時(shí)同時(shí)向上下水平井（分別稱(chēng)I、P井）井筒注蒸汽循環(huán)，通過(guò)熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流方式對(duì)井周原油加熱降黏，使井周4～5 m內(nèi)的超稠油具有流動(dòng)性，由此建立SAGD兩井的水力和熱力連通，該過(guò)程通常持續(xù)若干個(gè)月甚至 1年。兩井充分連通后進(jìn)入生產(chǎn)階段，I井持續(xù)注汽，P井持續(xù)采油。井周降黏后流動(dòng)的原油在蒸汽壓力及重力的綜合作用下，沿平行于倒水滴狀蒸汽腔外緣的方向流向生產(chǎn)井。該過(guò)程貫穿整個(gè)生產(chǎn)周期，持續(xù)幾年至幾十年不等[4-6]。

風(fēng)城油田超稠油儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量高、夾層發(fā)育、滲透率低、原油黏度高，導(dǎo)致SAGD預(yù)熱階段耗時(shí)長(zhǎng)、蒸汽能耗高、產(chǎn)出液處理造成的環(huán)境壓力大、見(jiàn)汽周期長(zhǎng)等，嚴(yán)重制約預(yù)熱及開(kāi)發(fā)效果[3,7-9]。注汽預(yù)熱前進(jìn)行微壓裂預(yù)處理在井周形成微裂縫，可以快速建立兩井間的水力、熱力連通，在節(jié)約注汽成本的同時(shí)減少產(chǎn)出液，降低環(huán)境處理壓力，提高SAGD初期日產(chǎn)量[10-12]。微壓裂預(yù)處理即向SAGD井控壓、控排量分階段擠注20～70 ℃液體（前期SAGD產(chǎn)出液），通過(guò)剪脹、張性擴(kuò)容方式建立井周擴(kuò)容帶。該技術(shù)不僅能提高井周區(qū)域的儲(chǔ)集層孔隙度、滲透率，建立較好的注采井連通性，縮短預(yù)熱周期，還能以凝析液對(duì)流傳熱方式為主，大幅提高傳熱效率，改善后續(xù)注汽循環(huán)生產(chǎn)效果[11-12]。此外，在SAGD生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)集層內(nèi)廣泛分布的低滲夾層阻礙了蒸汽腔的發(fā)育和夾層上方原油向井筒的泄流，需要通過(guò)水力壓裂溝通夾層上下方的儲(chǔ)集層，從而改善SAGD生產(chǎn)效果，提高最終采收率。因此，需要明確超稠油儲(chǔ)集層微壓裂以及夾層中壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律。部分學(xué)者通過(guò)擬三軸或真三軸壓力條件下的注液壓裂實(shí)驗(yàn)研究了疏松砂巖裂縫起裂及延伸的機(jī)理[13-20]，但實(shí)驗(yàn)研究均在純砂巖樣中開(kāi)展，未考慮黏性膠結(jié)物（如稠油）的作用。Yuan等[11]、Lin等[21]認(rèn)為儲(chǔ)集層壓裂不僅在井筒周?chē)a(chǎn)生微裂縫，還形成類(lèi)似橢圓狀的垂直于最小水平主應(yīng)力方向的擴(kuò)容帶。Saeedi等[22]提出在SAGD裸眼井下尾管，采用分段加砂壓裂方式能夠擊穿超稠油儲(chǔ)集層中的泥巖夾層并制造垂直縫，并通過(guò)擴(kuò)展的Renshaw與Pollard準(zhǔn)則[23]描述砂泥界面的穿層延伸，確定了該種壓裂方式的可行性，但尚未有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)此結(jié)論；此外，在疏松砂巖中的壓裂通常表現(xiàn)為井筒擴(kuò)徑至壓出短寬縫（儲(chǔ)集層滲透率較低）[14-15,20]或?yàn)V失產(chǎn)生的均勻擴(kuò)容帶（儲(chǔ)集層滲透率較高）[7,14-17]，所以在質(zhì)地松軟、塑性較強(qiáng)的儲(chǔ)集層中起裂的裂縫是否能夠擊穿遠(yuǎn)離井筒的泥巖夾層仍有待商榷。

本文基于超稠油儲(chǔ)集層及夾層的巖石力學(xué)和孔滲特征，考慮壓裂液排量、黏度、射孔密度和起裂位置，開(kāi)展真三軸水力壓裂與 CT掃描實(shí)驗(yàn)，研究?jī)?chǔ)集層-夾層互層樣品中微裂縫和宏觀裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。

1 地質(zhì)與工程背景

針對(duì)均質(zhì)且?jiàn)A層較少的超稠油儲(chǔ)集層，通過(guò)控制井口流量或壓力，在注汽預(yù)熱前對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行微壓裂預(yù)處理，可使I、P井間儲(chǔ)集層均勻擴(kuò)容，且在井周發(fā)育微米級(jí)裂縫（見(jiàn)圖1），從而快速建立兩井間的水力、熱力連通，可縮短預(yù)熱周期 60%以上。但當(dāng)微裂縫匯集成的宏觀裂縫完全溝通I、P井時(shí)，會(huì)導(dǎo)致SAGD后期生產(chǎn)發(fā)生汽竄。在原位地應(yīng)力場(chǎng)和儲(chǔ)集層巖性組構(gòu)約束下，微壓裂過(guò)程中微米級(jí)裂縫發(fā)育、延伸、匯集成毫米級(jí)宏觀裂縫的機(jī)理尚不清晰，尤其對(duì)于物性差（泥質(zhì)含量高）的超稠油儲(chǔ)集層，亟需了解其微壓裂的造縫機(jī)理及裂縫延伸規(guī)律，從而為現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)控縫及提升改造效果提供科學(xué)指導(dǎo)，在提高產(chǎn)油量和采收率的同時(shí)規(guī)避汽竄風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 超稠油儲(chǔ)集層SAGD微壓裂預(yù)處理示意圖[24]

超稠油儲(chǔ)集層夾層厚度大（一般為0.5～3.0 m）、分布特征復(fù)雜、展布范圍廣和滲透率低等特點(diǎn)對(duì)SAGD開(kāi)采過(guò)程中蒸汽腔的發(fā)育以及累計(jì)產(chǎn)量和最終采收率均有影響[22-27]。同時(shí)，夾層還阻礙蒸汽的上升、冷凝后蒸汽和加熱后原油的泄流，導(dǎo)致蒸汽腔發(fā)育不均勻。井對(duì)（I、P井）之間若存在連續(xù)的較厚夾層，則會(huì)導(dǎo)致注汽周期變長(zhǎng)、兩井水力和熱力連通困難；當(dāng)井對(duì)之間存在夾層時(shí)，需要明確在儲(chǔ)集層中微壓裂是否可以間接壓破井對(duì)間的夾層，建立夾層內(nèi)的局部滲流通道。當(dāng)夾層分布于井對(duì)上方時(shí)，蒸汽腔無(wú)法到達(dá)上部?jī)?chǔ)集層，該區(qū)域大量的超稠油無(wú)法被采出。夾層同樣嚴(yán)重阻礙了其他超稠油熱采方式的熱對(duì)流作用，導(dǎo)致熱對(duì)流未波及的儲(chǔ)集層區(qū)域原油無(wú)法采出或采出程度極低。通過(guò)套管完井的直井（通常為已有的探井或觀察井）在夾層段下封隔器，輔助雙水平井壓裂改造（見(jiàn)圖 2），能夠在夾層中形成貫穿夾層頂?shù)椎臐B流通道，明顯改善儲(chǔ)集層的滲流能力，可大幅度提高儲(chǔ)集層的采油速度、動(dòng)用程度和最終產(chǎn)量。因此，明確夾層中裂縫的擴(kuò)展規(guī)律對(duì)改造夾層具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

圖2 直井輔助SAGD雙水平井壓裂示意圖

風(fēng)城油田超稠油儲(chǔ)集層中的夾層可分為泥質(zhì)夾層與泥巖夾層兩類(lèi)，主要區(qū)別在于泥巖夾層固結(jié)成巖作用明顯，彈性模量（1.1～2.5 GPa）遠(yuǎn)大于疏松程度類(lèi)似儲(chǔ)集層的泥質(zhì)夾層（282～476 MPa），而其水測(cè)有效滲透率顯著小于泥質(zhì)夾層[28]；兩類(lèi)夾層水測(cè)有效滲透率均遠(yuǎn)低于儲(chǔ)集層。同一井下取心筒獲取的巖心呈現(xiàn)儲(chǔ)集層、泥質(zhì)夾層和泥巖夾層的分層交錯(cuò)分布，可見(jiàn)儲(chǔ)集層具有明顯的非均質(zhì)性（見(jiàn)圖3）。

圖3 風(fēng)城超稠油儲(chǔ)集層及夾層井下巖心

綜上所述，改造超稠油儲(chǔ)集層研究的關(guān)鍵在于以下 3個(gè)方面：①儲(chǔ)集層壓裂過(guò)程中微裂縫匯聚成宏觀裂縫的機(jī)理；②夾層中起裂的裂縫能否貫穿夾層，以及到達(dá)儲(chǔ)集層后如何延伸；③在儲(chǔ)集層中形成的微裂縫匯聚成宏觀裂縫后，能否突破夾層。通過(guò)室內(nèi)真三軸壓裂物模實(shí)驗(yàn)闡明儲(chǔ)集層、夾層中裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，可為設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)集層壓裂改造方案提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.1 常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)及巖石物理實(shí)驗(yàn)

天然儲(chǔ)集層試樣從井下巖心獲取，稠油黏度極高，非均質(zhì)性強(qiáng)，不同位置的儲(chǔ)集層含油飽和度和黏土礦物含量差異大，無(wú)法制作多塊巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)相近的真三軸立方體巖樣。因此，本文采用人造儲(chǔ)集層樣品與人造夾層樣品在鋼制立方體模具中分層壓制試樣，從而精細(xì)控制各層的力學(xué)、滲流性質(zhì)與幾何分布。通過(guò)對(duì)人造與天然樣品開(kāi)展巖石物理、力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確保人造樣品和天然樣品的相似性。

為保證人造樣品在物理力學(xué)性質(zhì)上能有效代替現(xiàn)場(chǎng)取心樣品，分別壓制與現(xiàn)場(chǎng)25 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)巖心樣品同等密度與成分的人造儲(chǔ)集層樣品和人造夾層樣品，采用 ASTM-D7181（2001）標(biāo)準(zhǔn)[29]開(kāi)展排水條件下的常規(guī)三軸剪切實(shí)驗(yàn)?？刂瓶紫秹毫閷?shí)際地層平均壓力5 MPa，飽和系數(shù)為0.88～0.92，有效圍壓（圍壓與孔隙壓力的差值）分別設(shè)為0.5，1.0，2.0，5.0 MPa。對(duì)從井下巖心獲取的同尺寸圓柱狀天然儲(chǔ)集層、泥質(zhì)夾層和泥巖夾層樣品開(kāi)展常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)和巖石物理實(shí)驗(yàn)。

2.2 真三軸實(shí)驗(yàn)

綜合考慮前文的工程背景及需求，針對(duì)以下 3種情況制作壓裂物模實(shí)驗(yàn)樣品（見(jiàn)表1）：①純儲(chǔ)集層樣品，在儲(chǔ)集層中壓裂，研究物性較差但較均質(zhì)儲(chǔ)集層的壓裂規(guī)律（樣品1）；②儲(chǔ)集層-夾層互層樣品，在泥巖夾層中壓裂，研究壓裂液排量、黏度與射孔密度的影響（樣品 2—5）；③儲(chǔ)集層-夾層互層樣品，在儲(chǔ)集層中壓裂，研究裂縫到達(dá)泥巖界面時(shí)的延伸規(guī)律（樣品 6）。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品及參數(shù)

樣品1—6中儲(chǔ)集層的砂泥比均為65∶35，與實(shí)際天然儲(chǔ)集層一致；含油飽和度為70.6%，與天然油砂樣品的飽和度（67.1%）相近。人造儲(chǔ)集層樣品采用石英砂和黏土混合制成，粒徑分布和黏土礦物成分（高嶺石、伊利石）均對(duì)標(biāo)天然砂樣；采用 20 ℃下黏度為7×104mPa·s的高黏硅油代替超稠油。所有試樣均在壁厚為1 cm的正方體鋼制容器中分層均勻壓實(shí)而成；其中在儲(chǔ)集層-夾層界面處，采用土力學(xué)模式，使用土工刀劃制密集劃痕再放置并壓實(shí)上覆巖層，保證界面上下顆粒充分接觸，避免人造平滑層理面的產(chǎn)生。

根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓裂施工的排量和黏度，根據(jù)柳貢慧等[30]提出的水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)中的相似準(zhǔn)則，通過(guò)相似比例系數(shù)以及單值條件量構(gòu)成的相似準(zhǔn)則條件，確定了三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)的排量分別為 320 mm3/s和960 mm3/s，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)排量分別為 0.6 m3/min和 1.8 m3/min；壓裂液黏度分別為1 mPa·s和150 mPa·s，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)壓裂液黏度分別為6 mPa·s和900 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)采用真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)設(shè)備[31]，為了通過(guò) CT掃描分析壓裂后微裂縫、宏觀線(xiàn)性裂縫的擴(kuò)展情況，壓裂樣品尺寸設(shè)定為100 mm×100 mm×100 mm。樣品側(cè)面共放置 8個(gè)聲發(fā)射探頭，用于監(jiān)測(cè)壓裂過(guò)程中裂縫擴(kuò)展的聲發(fā)射響應(yīng)（見(jiàn)圖4）。水力裂縫起裂位置聲發(fā)射事件點(diǎn)較多、分布集中；且裂縫密度越大，裂縫處聲發(fā)射事件點(diǎn)的分布越密集[32]。

圖4 超稠油儲(chǔ)集層真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①在厚度為10 mm、預(yù)先放置井筒的鋼制模具中采用土力學(xué)方法分層壓實(shí)制成實(shí)驗(yàn)樣品，設(shè)計(jì)的鋁制井筒外徑為5 mm，壁厚為1 mm，有2～4個(gè)（1～2排，每排對(duì)稱(chēng)共2個(gè)）模擬射孔的孔眼，孔眼內(nèi)徑為1.5 mm（見(jiàn)圖4）。通過(guò)常規(guī)三軸測(cè)試，保證其物理力學(xué)性質(zhì)與天然儲(chǔ)集層或天然泥質(zhì)夾層、泥巖夾層相近。②樣品整體外側(cè)涂覆聚乙烯樹(shù)脂以防止水滲。③與傳統(tǒng)真三軸致密巖樣不同，本研究?jī)?chǔ)集層樣品較疏松，為了防止液體沿井筒筒壁泄漏至樣品上表面，在正方體樣品上方澆筑約10 mm厚的水泥薄層，因此，表1中樣品1—6的厚度為90 mm；樣品2—6中儲(chǔ)集層和夾層的層厚均為30 mm。④在樣品邊界施加模擬深度處的三向地應(yīng)力。根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)小型壓裂試驗(yàn)和室內(nèi) Kaiser聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果，得到該區(qū)塊三向地應(yīng)力σv、σH和σh的梯度分別為0.021，0.019，0.017 MPa/m。由此，以新疆風(fēng)城SAGD開(kāi)發(fā)區(qū)某直井（觀察井）395 m深度處儲(chǔ)集層為例，地應(yīng)力σv、σH和σh分別為8.3，7.5，6.6 MPa。需要注意的是由于沉積環(huán)境和成巖過(guò)程的差異，夾層與其上下儲(chǔ)集層的σH和σh值可能不同，未來(lái)需要通過(guò)原位測(cè)量明確層間水平地應(yīng)力的差異，進(jìn)一步改進(jìn)壓裂實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力邊界施加方式。⑤根據(jù)表 1所設(shè)黏度、排量，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓裂過(guò)程中的注液參數(shù)，使用探頭監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

3.1 常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)及巖石物理實(shí)驗(yàn)

通常采用DP（Drucker-Prager）彈塑性本構(gòu)模型來(lái)表征儲(chǔ)集層的力學(xué)性質(zhì)[10,12,24,33]，其屈服面函數(shù)表示為：

有效應(yīng)力σij′的表達(dá)式見(jiàn)（2）式，疏松型地質(zhì)體的αb取值為1.0[10,34]。

根據(jù)三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線(xiàn)性擬合得到人造儲(chǔ)集層與天然儲(chǔ)集層受壓屈服時(shí)平均有效應(yīng)力與米澤斯應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5）。

圖5 人造儲(chǔ)集層與天然儲(chǔ)集層平均有效應(yīng)力與米澤斯應(yīng)力的擬合結(jié)果

綜合由圖5得到的β與d值、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果和巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可獲得人造儲(chǔ)集層和天然儲(chǔ)集層的巖石物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

對(duì)比圖5擬合結(jié)果和表 2中的力學(xué)、滲流參數(shù)可知，人造儲(chǔ)集層較好地復(fù)制了天然儲(chǔ)集層的彈塑性力學(xué)行為與滲流性狀，可替代天然儲(chǔ)集層進(jìn)行真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)。

表2 人造儲(chǔ)集層與天然儲(chǔ)集層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

采用DP本構(gòu)模型分析天然泥質(zhì)夾層、人造夾層與天然泥巖夾層的三軸測(cè)試結(jié)果，p′與q的擬合結(jié)果如圖6所示。同樣的方法得出人造夾層、泥質(zhì)夾層和泥巖夾層的巖石物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表3）。

圖6 3種夾層平均有效應(yīng)力與米澤斯應(yīng)力的擬合結(jié)果

表3 人造夾層與天然泥質(zhì)夾層、天然泥巖夾層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)比p′-q擬合曲線(xiàn)與表3的參數(shù)可知，人造夾層的p′-q擬合結(jié)果和巖石物理力學(xué)參數(shù)大部分介于天然泥質(zhì)夾層與天然泥巖夾層之間。由于本實(shí)驗(yàn)樣品的天然泥質(zhì)夾層、天然泥巖夾層代表了地層中夾層的兩類(lèi)極端情況，大部分夾層的力學(xué)性質(zhì)介于兩者之間，選用的人造夾層視為具備天然夾層的平均力學(xué)及孔滲性質(zhì)。

3.2 真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)

樣品1—6的壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括注液壓力曲線(xiàn)、聲發(fā)射事件、壓裂后樣品的 CT掃描圖（見(jiàn)圖 7—12）。其中X、Y、Z方向分別代表最小水平地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力、垂向地應(yīng)力的加載方向。

圖7 樣品1壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)樣品壓裂后的CT掃描圖像以及注液壓力曲線(xiàn)，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行了分析。此外，采用ImageJ軟件對(duì)CT掃描結(jié)果進(jìn)行圖像處理，并利用圖像估算裂縫的寬度：首先對(duì)像素和距離的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，在圖像上沿樣品的邊長(zhǎng)繪制直線(xiàn)，并且得到直線(xiàn)段上的像素?cái)?shù)目；已知樣品邊長(zhǎng)（100 mm）和對(duì)應(yīng)直線(xiàn)段的的像素點(diǎn)總數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算得到樣品的分辨率（毫米/像素）；沿裂縫寬度繪制直線(xiàn)段，并且獲取其像素個(gè)數(shù)，通過(guò)分辨率計(jì)算裂縫寬度。

圖8 樣品2壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

圖7所示為純儲(chǔ)集層中的壓裂結(jié)果。由圖7a可見(jiàn)，注液壓力達(dá)到破裂壓力（12.0 MPa）后呈現(xiàn)約0.5 MPa的壓降，然后穩(wěn)定于12 MPa左右，曲線(xiàn)近似水平。同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)在起裂時(shí)（8 s）明顯增強(qiáng)，但其強(qiáng)度直至卸壓（60 s）均變化不大，表明微裂縫持續(xù)產(chǎn)生。從CT掃描圖中可見(jiàn)，這些微裂縫更多以?xún)?yōu)勢(shì)濾失通道的形式存在（紅色細(xì)實(shí)線(xiàn)），而不是線(xiàn)性張開(kāi)、具明顯壁面特征的具有肉眼可識(shí)別開(kāi)度的宏觀裂縫。采用不同粗細(xì)的紅色曲線(xiàn)來(lái)表征不同寬度的裂縫，可以看出壓裂后井筒射孔孔眼附近同時(shí)產(chǎn)生了沿σH和σh方向延伸的裂縫，且縫寬均小于1 mm。

樣品 2的壓力曲線(xiàn)所示，壓力在達(dá)到夾層的破裂壓力（18.3 MPa）后突降，降至約12 MPa后有小幅度上升，之后趨于平穩(wěn)。同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)在起裂時(shí)（5 s）明顯加強(qiáng)，直至卸壓（28 s）信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯變化，表明這一階段微裂縫持續(xù)發(fā)育并且擴(kuò)展。結(jié)合壓力曲線(xiàn)以及夾層和儲(chǔ)集層的破裂壓力分析，壓裂時(shí)首先在夾層中產(chǎn)生寬約1.2 mm的宏觀裂縫（圖8d橢圓虛線(xiàn)部分），其后裂縫穿過(guò)界面在儲(chǔ)集層中繼續(xù)擴(kuò)展。儲(chǔ)集層中濾失加劇，形成單條寬度約為80 μm的微裂縫。

圖9 樣品3壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

如圖9a所示，樣品3壓裂注液壓力達(dá)到破裂壓力（23.8 MPa）后明顯直降，說(shuō)明此時(shí)樣品產(chǎn)生宏觀線(xiàn)性裂縫，濾失突然加劇，聲發(fā)射信號(hào)急劇增加，其中宏觀裂縫的縫寬為1.5～2.0 mm。注液30 s后壓力在12 MPa附近出現(xiàn)4次較小波動(dòng)后趨于平緩，同時(shí)聲發(fā)射信號(hào)也維持在較高強(qiáng)度范圍，表明裂縫穿過(guò)界面層擴(kuò)展至儲(chǔ)集層產(chǎn)生微裂縫，縫寬小于0.5 mm。由圖9b可見(jiàn)，夾層內(nèi)部形成了向四周延伸的宏觀線(xiàn)性裂縫。其中沿σH方向的裂縫開(kāi)度最大，裂縫貫穿夾層延伸至儲(chǔ)集層中造成微裂縫，但延伸距離較短。相對(duì)于樣品2，增大夾層中壓裂液排量可增加裂縫寬度和裂縫在儲(chǔ)集層中的延伸長(zhǎng)度。需要注意的是，圖9d藍(lán)色橢圓區(qū)域中的黑色陰影部分并非裂縫，而是夾層俯視圖中延伸方向與Y方向切線(xiàn)相交的裂縫壁面。

圖10 樣品4壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

圖10a所示樣品4的壓力曲線(xiàn)在12 MPa處產(chǎn)生多次劇烈的波動(dòng)，聲發(fā)射信號(hào)的增加滯后于初始起裂時(shí)間，但之后一直呈較強(qiáng)的狀態(tài)（峰值大于60 dB）。由壓裂后的CT圖像可見(jiàn)，井筒壁與夾層的界面處既產(chǎn)生了單條向下延伸的穿層縫，又發(fā)育了沿夾層-儲(chǔ)集層界面擴(kuò)展的線(xiàn)性縫。這是因?yàn)榫餐獗诤蛫A層膠結(jié)較弱，存在預(yù)制微裂縫，壓裂液撐開(kāi)微裂縫，并沿其向下延伸到達(dá)下部的夾層-儲(chǔ)集層界面；黏度高的壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)集層后其濾失程度低，導(dǎo)致砂體受壓形成塑性變形的孔隙擴(kuò)容帶[20]。儲(chǔ)集層產(chǎn)生的塑性變形導(dǎo)致壓力升高，形變到一定程度發(fā)育少許張性或剪切微裂縫后壓力降落；由于濾失程度小又重新憋壓，是導(dǎo)致起裂后壓力明顯波動(dòng)的主要原因。

圖11 樣品5壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

樣品5的注液壓力在95 s時(shí)小幅度降低，其后基本趨于穩(wěn)定，在135 s和225 s處發(fā)生2次輕微壓降（見(jiàn)圖11a）。聲發(fā)射信號(hào)在第1次壓降約15 s后明顯增強(qiáng)，強(qiáng)度保持穩(wěn)定直至最后的降壓。雖然壓降沒(méi)有樣品2和樣品3顯著，但樣品5壓裂后在夾層和儲(chǔ)集層中均產(chǎn)生了向四周擴(kuò)展的宏觀線(xiàn)性裂縫（見(jiàn)圖11b—11e），兩排孔眼附近裂縫發(fā)育、濾失明顯（虛線(xiàn)圓區(qū)域），其中夾層中裂縫寬約2 mm，儲(chǔ)集層中裂縫寬為0.06～1.20 mm。這表明增加夾層中的射孔密度顯著提升了儲(chǔ)集層與夾層互層樣品的壓裂改造效果。宏觀裂縫產(chǎn)生后由于液體立刻進(jìn)入儲(chǔ)集層中，砂層的塑性變形導(dǎo)致的憋壓在較大程度上抵消了由于夾層中宏觀縫起裂產(chǎn)生的壓降。

圖12 樣品6壓裂注液壓力曲線(xiàn)及聲發(fā)射事件（a）和CT掃描圖（b—e）

與樣品2—5不同，樣品6在儲(chǔ)集層中壓裂，上下均為夾層。樣品6的壓力曲線(xiàn)分為2個(gè)階段：①當(dāng)壓力增加至儲(chǔ)集層破裂壓力（9.8 MPa）后，井筒周?chē)霈F(xiàn)微裂縫，導(dǎo)致壓力突降（70 s），隨著裂縫的擴(kuò)展壓力逐漸平穩(wěn)；②當(dāng)裂縫到達(dá)儲(chǔ)集層和夾層的界面后，壓力再次上升（130 s），當(dāng)壓力升至界面強(qiáng)度后裂縫沿界面延伸。同時(shí)聲發(fā)射信號(hào)在注液時(shí)間為70 s和130 s時(shí)出現(xiàn)2個(gè)峰值。如圖12c—12e所示，儲(chǔ)集層發(fā)育微裂縫和濾失帶（即儲(chǔ)集層擴(kuò)容帶，圖12d中虛線(xiàn)橢圓），而上下夾層均未產(chǎn)生裂縫。裂縫在儲(chǔ)集層中的擴(kuò)展規(guī)律與樣品1類(lèi)似，即在σH、σh兩個(gè)方向產(chǎn)生微裂縫，縫寬 40～60 μm。

基于樣品1—6的壓裂結(jié)果，總結(jié)壓裂液排量、黏度、射孔數(shù)（密度）及起裂位置影響下的儲(chǔ)集層與夾層互層樣品的壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律（見(jiàn)表4）。

在純儲(chǔ)集層中壓裂，層內(nèi)可以形成貫穿樣品并沿水平最大、最小地應(yīng)力方向擴(kuò)展的微裂縫。在儲(chǔ)集層-夾層-儲(chǔ)集層樣品中的夾層部分壓裂，穿層縫沿水平最大、最小地應(yīng)力方向在儲(chǔ)集層中擴(kuò)展；增大壓裂液排量，裂縫的穿層能力增強(qiáng)，在儲(chǔ)集層中的延伸長(zhǎng)度及縫寬增加；增大壓裂液黏度會(huì)減小壓裂液的濾失，傾向于造單條穿層裂縫，且易沿砂泥界面濾失；增加射孔密度，縫寬、縫長(zhǎng)增加，穿層能力增強(qiáng)，且能夠在儲(chǔ)集層、夾層中形成復(fù)雜的宏觀線(xiàn)性縫。在夾層-儲(chǔ)集層-夾層樣品的儲(chǔ)集層中壓裂，僅儲(chǔ)集層形成微裂縫與擴(kuò)容帶，裂縫無(wú)法突破上下的預(yù)制夾層。

表4 壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律

4 結(jié)論

在超稠油儲(chǔ)集層中進(jìn)行微壓裂，裂縫擴(kuò)展以微裂縫延伸和擴(kuò)容帶發(fā)育為主，難以形成宏觀線(xiàn)性裂縫，且無(wú)法突破夾層，只能沿儲(chǔ)集層-夾層的界面延伸。因此在直井輔助壓裂改造儲(chǔ)集層的實(shí)踐過(guò)程中，相較于儲(chǔ)集層，應(yīng)該選擇在泥巖或泥質(zhì)夾層中進(jìn)行壓裂，從而達(dá)到更好的改造效果。在夾層中壓裂施工時(shí)，為了更高效地突破夾層，施工排量應(yīng)大于0.6 m3/min，從而增強(qiáng)裂縫的穿層能力；壓裂液建議采用低黏度的前期SAGD產(chǎn)出水，增強(qiáng)裂縫的復(fù)雜程度；施工工藝可通過(guò)增加射孔密度來(lái)提高裂縫的穿層能力，增強(qiáng)裂縫的復(fù)雜度，增大其寬度和延伸長(zhǎng)度。

超稠油儲(chǔ)集層可通過(guò)優(yōu)化壓裂選層和施工參數(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)集層有效改造，建立儲(chǔ)集層特定區(qū)域的高效滲流通道，從而縮短SAGD的預(yù)熱周期，提高儲(chǔ)集層的動(dòng)用程度，減少蒸汽能耗和環(huán)境壓力。

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

d——黏聚力，MPa；f——屈服面函數(shù)，MPa；I1——第一主應(yīng)力不變量，MPa；J2——第二偏應(yīng)力不變量，MPa2；pf——地層孔隙壓力，MPa；p′——平均有效應(yīng)力，MPa；q——米澤斯應(yīng)力，MPa；sij——偏應(yīng)力，i=1，2，3，j=1，2，3，MPa；αb——比奧系數(shù)；β——內(nèi)摩擦角，（°）；σH——水平最大地應(yīng)力，MPa；σh——水平最小地應(yīng)力，MPa；σii′——有效應(yīng)力，MPa；σij——總應(yīng)力，i=1，2，3，j=1，2，3，MPa；σij′——愛(ài)因斯坦指標(biāo)記法中的有效應(yīng)力張量，i=1，2，3，j=1，2，3，MPa；σv——垂向地應(yīng)力，MPa；σ11′，σ22′，σ33′——三向主有效應(yīng)力，即有效應(yīng)力張量中的對(duì)角線(xiàn)上的值，MPa。