頁巖暫堵轉(zhuǎn)向壓裂水力裂縫擴展物模試驗研究

侯 冰，木哈達斯·葉爾甫拉提，付衛(wèi)能，譚 鵬

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

大型水力壓裂技術(shù)是實現(xiàn)頁巖儲層商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵[1-3]。壓裂實踐表明，平面射孔、交替注液、變黏變排量及多尺度造縫等[3-6]技術(shù)可極大提高水力裂縫與天然裂縫交叉幾率，增大頁巖儲層泄流面積。由于頁巖儲層壓力與產(chǎn)量衰減快，需及時實施老井重復壓裂。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂通過暫堵初始改造裂縫、擴大縫網(wǎng)波及區(qū)域，可極大提高頁巖重復壓裂的改造效果[7]。

目前，關(guān)于頁巖儲層水力裂縫擴展規(guī)律及延伸形態(tài)已進行大量研究[8-16]。在物理模擬方面，文獻[6,8-12]結(jié)果表明，淺層頁巖形成以魚骨刺裂縫為主裂縫的裂縫網(wǎng)絡，深層頁巖形成以臺階狀裂縫為主裂縫的裂縫網(wǎng)絡。侯冰等[5]研究如何將水力裂縫更多地與天然裂縫溝通，壓裂過程中逐步提高排量并實時監(jiān)測擴展行為。結(jié)果表明，隨著排量升高，水力裂縫與天然裂縫溝通形成復雜裂縫。為定量表征壓裂物模試驗水力裂縫延伸范圍，侯冰等[13]提出裂縫改造面積(SRA)這一指標評價水力壓裂效果。結(jié)果表明，頁巖脆性越高、壓裂液黏度越低，頁巖儲層改造面積越大。在數(shù)值模擬方面，F(xiàn).Zhang等[14]、R.R.Settgast 等[15]建立了全耦合三維水力裂縫擴展數(shù)值模型，研究了張剪復合破壞模式下復雜裂縫網(wǎng)絡延伸規(guī)律。然而，上述研究并未涉及水力裂縫暫堵后的擴展行為。B.Wang 等[16]基于有限元模擬，研究了均質(zhì)儲層近井筒單縫暫堵轉(zhuǎn)向壓裂過程。W.Li 等[17]通過室內(nèi)實驗研究了低地應力條件下致密砂巖儲層暫堵重復壓裂水力裂縫延伸規(guī)律。結(jié)果表明，裂縫復雜程度深受水平地應力差和天然裂縫的影響。然而，裂縫性層狀頁巖儲層地質(zhì)特征與應力狀態(tài)更為復雜，頁巖暫堵壓裂時水力裂縫起裂與延伸機理尚不明確。F.Zhang 等[18]通過完全耦合地質(zhì)力學模型和微震分析研究近井摩阻對鷹福特井重復壓裂的影響。結(jié)果表明，由耗竭引起的應力變化可以增強應力的轉(zhuǎn)移，應力在重復壓裂過程中的不同耗竭區(qū)域段分布發(fā)生不同變化。此實例微震可以評估重復壓裂中轉(zhuǎn)向有效性和預估壓裂液分布。F.Zhang 等[19]又采用離散元數(shù)值模型研究了裂縫網(wǎng)絡導流性對水力壓裂效果的影響。模擬結(jié)果表明，裂縫網(wǎng)絡導流性對水力壓裂效果起著關(guān)鍵作用，進而影響泵注壓力、產(chǎn)生的微震和相應的儲層改造體積，最終影響油井產(chǎn)量。P.Tan 等[20]通過室內(nèi)模擬實驗研究了砂巖和煤巖不同組合試樣參數(shù)，如起裂壓力點、壓裂液黏度和注液排量對其裂縫擴展的影響。結(jié)果表明，水力裂縫主裂縫在天然裂縫中起裂擴展，隨著地應力變化而發(fā)生轉(zhuǎn)向、分叉等現(xiàn)象；裂縫沿最大水平主應力方向起裂；在同一時間產(chǎn)生多裂縫起裂和擴展。侯冰等[21]利用室內(nèi)物模實驗對頁巖試樣開展體積壓裂實驗，建立多通道聲發(fā)射實驗監(jiān)測系統(tǒng)，對裂縫縫網(wǎng)形成過程進行三維動態(tài)實時跟蹤，監(jiān)測過程發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射累積次數(shù)最高點先于破裂壓力點出現(xiàn)，水力裂縫擴展接收的聲發(fā)射信號多于天然裂縫開啟過程，地層破裂后泵壓曲線的波動可以識別裂縫之間的溝通程度。

基于此，本文通過選取四川天然龍馬溪組頁巖露頭，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測定位方法，開展暫堵轉(zhuǎn)向壓裂物理模擬試驗，試驗參數(shù)依據(jù)相似準則[21]，研究地應力以及注液速率等因素對頁巖暫堵壓裂水力裂縫起裂及轉(zhuǎn)向擴展行為的影響。試驗結(jié)果可為認識頁巖儲層暫堵轉(zhuǎn)向壓裂水力裂縫擴展行為及指導現(xiàn)場重復壓裂改造提供參考。

1 頁巖暫堵壓裂模擬試驗

1.1 試驗準備

1.1.1 試件制備及試驗裝置 試件采用四川長寧地區(qū)龍馬溪組天然頁巖露頭加工而成。利用線切割技術(shù)剔除不規(guī)則頁巖露頭被風化的巖石表面，加工成300 mm×300 mm×300 mm 立方體試樣，試驗前將壓裂試樣表面打磨平整。待切割、打磨完成后，沿平行于頁巖層理面的面中心鉆取長度為180 mm、直徑為20 mm 的圓柱形沉孔，并采用高強度錨栓固結(jié)長度為120 mm 的模擬井筒，預留60 mm 裸眼段。試樣制備過程如圖1 所示。

試驗共包括6 組頁巖壓裂試樣，由同一巖體切割加工而成，保證各試樣裂縫分布特征和發(fā)育程度大體相似。為便于觀察和對比壓裂前后裂縫形態(tài)及與天然裂縫溝通情況，壓裂前對試樣表面天然裂隙分布特征進行標注，如圖2 所示。圖2 中紅色線表示天然裂縫，黃色線表示頁巖層理。

壓裂模擬試驗裝置是中國石油大學(北京)巖石力學實驗室設計組建的一套大尺寸真三軸試驗系統(tǒng)[22]。模擬系統(tǒng)由真三軸實驗架、MTS 伺服增壓泵、穩(wěn)壓源、油水隔離器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他輔助裝置構(gòu)成。注液系統(tǒng)最高注入壓力為100 MPa，最大加載圍壓為30 MPa，最大注液排量為100 mL/min。模擬過程中，通過穩(wěn)壓源向扁千斤施加剛性載荷模擬三向地應力，通過MTS 伺服增壓泵將油水隔離器中的壓裂液沿管線注入試樣內(nèi)部，形成高壓致裂巖石。整個模擬壓裂過程中，采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可自動監(jiān)測和記錄泵壓、排量與注液量等信息，并以時間-排量曲線、時間-壓力曲線以及排量-壓力曲線的方式進行實時輸出，從而對水力裂縫擴展過程進行監(jiān)測。另外，整個試驗過程采用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測[21]，用于協(xié)同分析水力裂縫擴展過程中泵壓曲線的的波動特征。

1.1.2 試驗流程 水力壓裂試驗中，壓裂液的泵注過程分為兩個階段：第一階段，按一定排量將不含暫堵劑的壓裂液注入試樣內(nèi)部，致裂巖石形成初始裂縫。待第一階段結(jié)束后停泵，將壓裂液更換為含有暫堵劑的混合溶液，開泵采用與第一階段相同的排量進行第二階段壓裂。為便于試驗結(jié)束后觀察和對比兩個注液階段水力裂縫延伸形態(tài)及延伸范圍，第一階段壓裂時向壓裂液中添加熒光粉作為裂縫示蹤劑，第二階段壓裂時不添加示蹤劑（通過暫堵劑和液體前緣監(jiān)測裂縫范圍）。不同壓裂階段的壓裂液體系如圖3 所示。試驗結(jié)束后，通過紫外線燈照射采集試驗結(jié)果，可清晰顯示和區(qū)分兩次注液階段水力裂縫延伸范圍。

1.2 試驗方案

開展頁巖暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂物理模擬試驗，研究地應力差、暫堵劑類型、濃度以及注入排量因素對頁巖水力裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律的影響。試驗參數(shù)基于四川長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖壓裂層段地應力、施工排量和壓裂液黏度等現(xiàn)場條件，并結(jié)合頁巖壓裂模擬實驗相似準則和實際模擬實驗系統(tǒng)的工作參數(shù)計算得到，結(jié)果見表1。試驗中，壓裂液黏度為3 mPa·s；第一階段注入不含暫堵劑的壓裂液體積為400 mL，第二階段注入含暫堵劑的壓裂液體積為500 mL。

表1 試驗參數(shù)設置

試驗結(jié)束后，采用侯冰等[13]提出的裂縫溝通面積(SRA)指標，定量表征水力裂縫改造范圍。裂縫溝通面積是指頁巖水力壓裂物模實驗中，壓裂后試樣中的裂縫面（包括主裂縫及水力裂縫溝通的天然裂縫、層理面）面積總和。通過計算得到SRA 指標，可以定量評價水力裂縫延伸及天然裂縫溝通區(qū)域。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)束后，沿試件表面的裂縫面將巖石劈裂，觀察不同泵注階段水力裂縫內(nèi)部幾何形態(tài)以及水力裂縫與天然裂縫溝通特征，發(fā)現(xiàn)壓后水力裂縫呈現(xiàn)非平面縫網(wǎng)擴展模式，而非單一的平直裂縫。暫堵劑作用后，可有效封堵初始裂縫，促進復雜多裂縫的形成。試驗結(jié)果如圖4 所示。

1#試樣（見圖4(a)）初始水力裂縫從裸眼段起裂后，在縫長方向上沿著最大水平主應力方向擴展，縫高上主要沿下方擴展，形成平行于井筒的垂直裂縫。隨著暫堵劑注入，有效暫堵初始裂縫，誘導裂縫沿垂直于井筒方向局部轉(zhuǎn)向，延伸小段距離后轉(zhuǎn)向繼續(xù)沿平行井筒方向擴展，最終形成縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的階梯狀裂縫。

2#試樣（見圖4(b)）受近井筒天然裂縫影響，初始裂縫沿與井筒斜交的天然裂縫起裂并擴展。隨著暫堵劑的注入，初始張開的天然裂縫被有效封堵，井眼底部憋壓產(chǎn)生垂直井筒方向的橫切裂縫。3#試樣與2#試樣裂縫擴展形態(tài)相似，如圖4(c)所示。

4#試樣（見圖4(d)）受近井筒層理縫影響，初始裂縫首先從裸眼段底部起裂后，沿層理面擴展，擴展過程中激活與其斜交的天然裂縫。暫堵劑注入后對層理形成有效封堵，誘導井筒內(nèi)憋壓，最終形成垂直井筒的橫切縫。

5#試樣（見圖4(e)）初始裂縫首先沿裸眼段頂部的天然裂縫起裂并擴展。隨著暫堵劑有效注入，對初始裂縫進行有效封堵，裸眼段底部產(chǎn)生新裂縫，形成垂直井筒方向的橫切縫。

6#試樣（見圖4(f)）初始裂縫沿垂直井筒方向起裂、擴展形成橫切裂縫，隨暫堵劑的有效注入，產(chǎn)生與初始裂縫平行的橫切縫，并且在水力裂縫擴展過程中，激活兩條斜交的層理弱面，最終形成復雜縫裂縫網(wǎng)絡。

試驗結(jié)果表明，隨著暫堵劑的注入，水力裂縫展現(xiàn)出縫內(nèi)轉(zhuǎn)向、起新縫以及起新縫結(jié)合縫內(nèi)轉(zhuǎn)向3 種擴展模式，提高了頁巖水力裂縫的復雜程度。根據(jù)上述試驗結(jié)果，可將頁巖暫堵壓裂水力裂縫形態(tài)總結(jié)為4 種基本類型，如圖5 所示。

(1)臺階裂縫：首先形成激活天然裂縫或垂直井筒的初始裂縫，暫堵劑注入后，形成縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的階梯狀裂縫，見圖5(a)；(2)激活弱面的橫切縫：首先張開與井筒斜交的弱結(jié)構(gòu)面（天然裂縫或?qū)永砻妫?，暫堵劑注入后，封堵張開的天然弱面，形成垂直井筒的橫切裂縫（或先形成橫切裂縫，后激活天然弱面），見圖5(b)；(3)簡單多裂縫：首先形成垂直井筒的初始橫切裂縫，暫堵劑注入后，形成與初始縫平行的橫切裂縫，見圖5(c)；(4)復雜多裂縫網(wǎng)絡：首先形成垂直井筒的初始橫切裂縫，暫堵劑注入后，形成平行于初始縫并伴隨原生裂隙激活的復雜裂縫網(wǎng)絡，見圖5(d)。

2.2 影響因素分析

2.2.1 地應力差的影響 設置兩組試驗分析水平地應力差的影響。第1 組：1#、2#、3#和5#試樣，對應的水平應力差分別為 5、8、12、15 MPa，排量為20 mL/min；第 2 組：4#和 6#試樣，對應的水平應力差分別為12、15 MPa，排量為50 mL/min。

第1 組試驗中，當?shù)貞Σ钚∮?2 MPa 時，在第1 注液階段，初始水力裂縫均沿著近井筒附近的原生層理或天然裂縫起裂并擴展（見圖4（a）-（c）），當?shù)貞Σ钤黾又?5 MPa 時，初始水力裂縫為垂直最小地應力方向（即垂直井筒方向）的平直橫切裂縫。在第2 注液階段，當?shù)貞Σ顬? MPa時，通過暫堵劑縫內(nèi)封堵形成憋壓，水力裂縫發(fā)生局部轉(zhuǎn)向，僅擴展小段距離后繼續(xù)沿著平行層理方向擴展（見圖4（a）），當?shù)貞Σ畲笥?5 MPa 時，注入的暫堵劑有效封堵初始張開的天然弱面，并在裸眼段根部誘導形成垂直井筒的橫切裂縫。第2 組試驗中，4#試樣巖心的水平應力差為12 MPa，由圖4（d）可知，初始裂縫沿著天然層理面起裂后在縱向延伸過程中，溝通了與其斜交的天然裂縫，相比3#試樣，水力裂縫形態(tài)更為復雜。同樣，相比5#、6#試樣，水力裂縫擴展過程中亦激活了更多的天然弱面。

試驗結(jié)果表明，不同地應力差異條件下頁巖暫堵壓裂水力裂縫形態(tài)及延伸規(guī)律不同。當?shù)貞Σ钶^小時，對水力裂縫擴展的限制作用小，初始水力裂縫往往沿頁巖近井筒發(fā)育的原生弱面擴展，而非垂直最小地應力方向，暫堵劑的注入僅能誘導裂縫局部短距離轉(zhuǎn)向，無法改變整體的裂縫延伸路徑，最終裂縫類型為臺階狀縫（見圖5（a））。隨著地應力差增加，對裂縫的控制力增強，暫堵劑對初始張開的初始天然弱面封堵后，誘導產(chǎn)生沿最大地應力方向延伸的橫切裂縫，最終裂縫類型為激活弱面的橫切縫（見圖5（b））。當?shù)貞Σ钸_到15 MPa時，近井筒處的天然裂縫難以激活，初始裂縫為沿垂直最小地應力方向的單一橫切裂縫，暫堵劑注入后，在此高應力差狀態(tài)下仍可有效封堵初始裂縫，誘導產(chǎn)生與其平行的橫切裂縫，最終裂縫類型為簡單多裂縫（見圖5（c））。因此，對于我國四川盆地深部龍馬溪頁巖儲層，平均水平地應力差10 MPa 時，實施暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂仍有望提高裂縫復雜程度，改善頁巖儲層壓裂效果。

2.2.2 排量的影響 設計了兩組試驗分析排量的影響。第1 組：3#和4#試樣，對應的排量分別為20、50 mL/min，地應力差為 12 MPa；第 2 組：5#和6#試樣，對應的排量分別為20、50 mL/min，地應力差為15 MPa。

在第 1 組中，當注入排量為 20 mL/min 時，3#試樣初始水力裂縫基本沿天然裂縫起裂并擴展，當注入排量為50 mL/min 時，4#試樣沿天然裂縫起裂的初始裂縫在延伸過程中，水力裂縫穿透并激活與其斜交的天然裂縫。結(jié)果顯示，4#試樣最終的裂縫溝通面積（SRA=1.75）大于3#試樣裂縫溝通面積（SRA=1.50）。在高排量下，水力裂縫穿透天然裂縫時可伴隨壓裂液沿天然裂縫濾失，提高天然裂縫周圍孔隙壓力，使得摩爾-庫倫準則中的莫爾圓左移誘導天然裂縫發(fā)生剪切破壞，從而增大裂縫復雜程度。在第2 組中，排量對裂縫形態(tài)及裂縫溝通面積的影響規(guī)律與12 MPa 地應力差條件下相似，6#試樣裂縫溝通面積（SRA=1.50）大于5#試樣裂縫溝通面積（SRA=1.00）。另外，對比兩組地應力差條件下試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1 組試樣（3#和4#試樣）比第2 組試樣（5#和6#試樣）具有更大的SRA，結(jié)合2.2.1可知，低地應力差對裂縫擴展路徑限制更弱。

基于上述分析可知，裂縫性頁巖儲層高排量壓裂可增加水力裂縫的延伸距離，并激活周圍天然裂縫群，提高儲層改造體積。同時，高注液速率亦可減少壓裂液沿初始裂縫滲濾幾率，提高裂縫暫堵效果，使井筒內(nèi)快速增壓，水力能量集中，從而增大多裂縫的形成幾率。因此，建議現(xiàn)場壓裂作業(yè)時，在地面設備承壓及施工條件允許的情況下，選擇大于20 mL/min（對應現(xiàn)場10 m3/min）的排量。

2.3 泵壓曲線分析

通過聲發(fā)射計數(shù)曲線與泵壓曲線綜合分析，有助于更好地認識頁巖水力裂縫起裂與暫堵轉(zhuǎn)向擴展行為。以3#試樣為例進行詳細描述，其泵壓-時間-聲發(fā)射次數(shù)曲線如圖6 所示。在第1 階段，當井筒內(nèi)部增壓至32.50 MPa（1 294 s）時，巖石發(fā)生破裂，水力裂縫充分延伸至試樣端部后停泵。觀察這一階段壓裂曲線并未展示出顯著的壓降破裂特征，分析認為這主要受到水力裂縫起裂方式的影響。如圖4(c)所示，初始水力裂縫沿天然裂縫起裂延伸，未張開頁巖基質(zhì)。因此，在井筒不斷增壓過程中，注入的流體會不斷滲透至天然裂縫內(nèi)部，井筒和裂縫空間充滿流體且保持相近壓力，使巖石破裂時壓力不再波動。待第1 階段壓裂完成后停泵，更換為含暫堵劑的壓裂液，進行第2 階段壓裂。隨著壓裂液的注入，暫堵劑封堵初始裂縫后井筒內(nèi)部二次增壓，當壓力達到34.75 MPa（2 823 s）時，壓力降低產(chǎn)生新的破裂點，延展形成新的裂縫。觀察壓后裂縫形態(tài)（見圖4(c)），二次裂縫為垂直最小水平地應力方向（即垂直井筒）的橫切縫。通過對比兩個階段的破裂壓力，第2 階段破裂壓力高于第1 階段，亦間接證實了頁巖暫堵壓裂堵老縫造新縫以及提高裂縫復雜程度的可行性。

綜合觀察聲發(fā)射信號與壓裂曲線的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射次數(shù)在泵壓升高、巖石未發(fā)生破裂時開始大量積累，在巖石峰值破裂壓裂前已達到最大。對于這種現(xiàn)象，侯冰等[21]研究認為，在井內(nèi)增壓過程中，巖石內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了很多微觀裂縫，產(chǎn)生微破裂表象（即可產(chǎn)生聲信號），峰值壓力點僅為微觀裂縫突然貫通形成宏觀裂縫的表象。同時，結(jié)合壓后裂縫形態(tài)（見圖4(c)）可知，初始水力裂縫沿天然裂縫擴展時不易產(chǎn)生斷裂行為，故聲信號微弱，幾乎無事件數(shù)產(chǎn)生（a-b 階段）；而二次水力裂縫擴展時頁巖基質(zhì)不斷破裂，可誘發(fā)產(chǎn)生密集的聲發(fā)射信號（de 階段）。另外，瞬時停泵及停泵期間（b-c 階段）也產(chǎn)生了較為明顯的聲信號，原因在于水力裂縫閉合以及壓裂液沿原生裂隙的滲流會導致試樣內(nèi)部尋求新的應力平衡，誘導產(chǎn)生輕微的錯動和摩擦。

3 結(jié)論與建議

（1）頁巖暫堵壓裂可提高縫網(wǎng)復雜程度和波及范圍，最終水力裂縫形態(tài)展現(xiàn)4 種基本模式，包括臺階裂縫、激活天然弱面的橫切縫、簡單多裂縫以及復雜多裂縫網(wǎng)絡。

（2）當?shù)貞Σ钶^小時，暫堵劑僅能誘導裂縫局部短距離轉(zhuǎn)向，無法改變整體延伸路徑；當?shù)貞Σ钶^大時，暫堵劑封堵沿垂直最小地應力方向的初始裂縫，誘導產(chǎn)生與其平行的二次裂縫，近井筒天然裂縫難以激活。

（3）頁巖儲層暫堵轉(zhuǎn)向壓裂時，增大注液排量可以提高多裂縫形成幾率及最終裂縫溝通面積，建議現(xiàn)場壓裂作業(yè)時，在地面設備承壓及施工條件允許下，選擇高于20 mL/min（現(xiàn)場10 m3/min）的排量，同時，可在熟悉的頁巖儲層地質(zhì)特征條件下結(jié)合變排量變黏度壓裂工藝。