瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖裂縫擴(kuò)展形態(tài)

俞天喜，袁峰，周培堯，郝麗華，鄒雨時(shí)，馬新仿，張兆鵬

（1.中國(guó)石油 新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.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）

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷致密礫巖油藏采用水平井體積壓裂開(kāi)發(fā)，產(chǎn)量持續(xù)獲得突破[1-2]。但儲(chǔ)集層礫石含量高，粒徑變化大，不同顆粒組構(gòu)的巖石相種類多[3]，非均質(zhì)性極強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化缺乏理論依據(jù)。

準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層巖石力學(xué)性質(zhì)是研究水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)。針對(duì)礫巖力學(xué)性質(zhì)，文獻(xiàn)［4］以瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖為研究對(duì)象，開(kāi)展壓入硬度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礫石硬度可達(dá)到基質(zhì)硬度的5.3 倍。文獻(xiàn)［5］研究發(fā)現(xiàn)，隨著礫石抗拉強(qiáng)度和楊氏模量的增加，裂縫遇礫后更易繞礫擴(kuò)展。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］也指出，不同的礦物組成會(huì)導(dǎo)致礫石間存在強(qiáng)度差異，一方面影響礫巖彈塑性變形等宏觀力學(xué)特征，另一方面也會(huì)影響裂縫遇礫后的擴(kuò)展形態(tài)。上述研究表明，高強(qiáng)度礫石對(duì)裂縫擴(kuò)展具有較大的屏蔽作用，且礫石與基質(zhì)、礫石與礫石之間均存在一定程度的性質(zhì)躍變。因此，需分離礫石與基質(zhì)分別開(kāi)展力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)，而宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)（巴西劈裂測(cè)試、三軸壓縮測(cè)試等）以測(cè)定試樣整體力學(xué)性能為目標(biāo)，無(wú)法反映礫石和基質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)差異。

針對(duì)礫巖壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，前人已開(kāi)展了大量的研究。文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］通過(guò)水力壓裂實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為大粒徑礫石的存在將導(dǎo)致明顯的繞礫現(xiàn)象。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］基于RFPA 軟件開(kāi)展砂礫巖水力壓裂數(shù)值模擬，認(rèn)為水平應(yīng)力比在宏觀上控制主裂縫的大致走向，而裂縫局部擴(kuò)展受礫石粒徑、強(qiáng)度和含量的共同影響。文獻(xiàn)［12］—文獻(xiàn)［14］對(duì)比驗(yàn)證CDEM數(shù)值模擬和水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步明確高水平應(yīng)力差有利于雙翼簡(jiǎn)單縫的形成，而低水平應(yīng)力差下礫石分布主導(dǎo)裂縫擴(kuò)展，易形成復(fù)雜分支縫。文獻(xiàn)［15］結(jié)合CT 掃描和縫寬監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)滑溜水壓裂易形成迂曲繞礫窄縫，不利于支撐劑輸送。上述結(jié)果表明，礫巖裂縫擴(kuò)展形態(tài)與地應(yīng)力、礫石性質(zhì)（礫石直徑、礫石含量、礫石形狀等）和工程參數(shù)（壓裂液黏度、排量等）密切相關(guān)?，敽枷莸[巖巖相特征復(fù)雜，不同巖相對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響不能忽略。因此，在已有研究成果基礎(chǔ)上，有必要針對(duì)各類巖相的水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律開(kāi)展進(jìn)一步探索。

針對(duì)上述問(wèn)題，以瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖為研究對(duì)象，通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)[16-20]和水力壓裂實(shí)驗(yàn)，從納米尺度評(píng)價(jià)礫石和基質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，并分析裂縫遇礫后的裂縫擴(kuò)展規(guī)律。研究結(jié)果將深化認(rèn)識(shí)水力壓裂裂縫遇礫擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)瑪湖致密礫巖油藏壓裂改造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

顆粒支撐礫巖是瑪湖凹陷上烏爾禾組礫巖儲(chǔ)集層的重要巖相類型之一[21-25]，表現(xiàn)為礫石相互支撐接觸，礫石間充填砂質(zhì)、泥質(zhì)或細(xì)礫質(zhì)。針對(duì)瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖開(kāi)展井下巖心取樣工作，并結(jié)合微米CT掃描技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)（圖1）發(fā)現(xiàn)，礫石以細(xì)礫—中礫為主，礫石直徑一般為5～20 mm，最大礫石為28 mm×40 mm，分選差，近等軸狀或長(zhǎng)條狀，礫石之間為顆粒支撐或多級(jí)顆粒支撐?；阢@井取心資料，礫石成分以火成巖塊為主，變質(zhì)巖塊次之，礫石間充填細(xì)礫質(zhì)或砂質(zhì)雜基，泥質(zhì)膠結(jié)或鈣泥質(zhì)膠結(jié)。

圖1 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖巖心及礫石支撐形態(tài)Fig.1.Gravel?supported conglomerate core and gravel?supported pattern of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 納米壓痕實(shí)驗(yàn)

研究表明，礫石和基質(zhì)存在明顯的力學(xué)強(qiáng)度差異[4-7]，采用巴西劈裂、三軸壓縮等常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段評(píng)價(jià)礫巖力學(xué)性質(zhì)，僅能獲得試樣綜合的宏觀力學(xué)性能，無(wú)法反映礫石個(gè)體和基質(zhì)部分的力學(xué)性質(zhì)差異。另外，顆粒支撐礫巖礫石間膠結(jié)物含量少，膠結(jié)強(qiáng)度低，礫石易脫落，導(dǎo)致礫巖標(biāo)準(zhǔn)巖心鉆取難度大，成樣率很低。納米壓痕實(shí)驗(yàn)可以在納米尺度下分別對(duì)礫石和基質(zhì)的彈性模量、硬度、斷裂韌性等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，減少了對(duì)巖石試樣的破壞，極大降低了試樣加工的質(zhì)量和尺寸要求[26]。因此，采用納米壓痕實(shí)驗(yàn)可評(píng)價(jià)礫巖的力學(xué)性質(zhì)特征。

為避免礫石脫落，采用線切割精確加工納米壓痕試樣，樣品橫截面為15 mm×15 mm，厚度為8 mm（圖2）。為減少局部微孔隙或不同物相界面處的粗糙度突變對(duì)測(cè)試結(jié)果精確性的影響，采用碳化硅砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行多次機(jī)械拋光，再采用寬束氬離子設(shè)備進(jìn)行二次拋光，以獲得表面平滑的樣品[26]。使用原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展納米壓痕實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)采用頂端曲率半徑小于20 nm 的波氏壓頭，載荷分辨率為50 nN，測(cè)試最大載荷可擴(kuò)展至10 N，位移分辨率小于0.01 nm，最大壓入深度大于500 μm。將實(shí)驗(yàn)壓頭分別壓入礫石個(gè)體和基質(zhì)部分，以獲得納米尺度下礫石和基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)。納米壓痕實(shí)驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行。

圖2 納米壓痕試樣及壓入位置示意Fig.2.Schematic diagram of nanoindentation sample and indentation position

（1）標(biāo)定 借助原子力顯微鏡標(biāo)定壓入位置，同時(shí)輸入壓入?yún)?shù)。

（2）加載 壓頭以20 nm/s 的載荷下降速率向試樣表面逐漸靠近，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)顯示載荷突然增大時(shí)，表示壓頭已經(jīng)接觸到試樣表面。此時(shí)，系統(tǒng)以恒定應(yīng)變率方式開(kāi)始加載，自動(dòng)記錄載荷以及對(duì)應(yīng)的壓入深度，同時(shí)采用連續(xù)剛度測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)記錄接觸剛度。

（3）保載 對(duì)于每個(gè)壓入點(diǎn)，加載至設(shè)定壓入深度后，維持恒定載荷10 s。

（4）卸載 壓頭逐漸遠(yuǎn)離試樣表面，壓頭附近材料的彈性變形得到恢復(fù)，而塑性變形則形成壓痕裂縫。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制納米壓痕載荷—位移變化曲線，并利用該曲線計(jì)算壓入點(diǎn)材料的彈性模量、硬度、斷裂韌性等參數(shù)。

2.2 水力壓裂實(shí)驗(yàn)

基于納米壓痕測(cè)試所得礫石和基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步分析礫巖水力壓裂裂縫遇礫擴(kuò)展形態(tài)。采用真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)開(kāi)展瑪湖礫巖試樣的水力壓裂實(shí)驗(yàn)[27-28]。該系統(tǒng)由液壓加載裝置、加壓腔室、壓力監(jiān)測(cè)裝置、活塞容器、恒速恒壓計(jì)量泵、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等構(gòu)成。該系統(tǒng)所能加載的最大圍壓為23 MPa，最大泵壓為60 MPa，最大注液量為2 000 mL，最大排量為20 mL/min。為了精確控制試樣表面的平行度，使用金剛砂線數(shù)控切割機(jī)床加工成80 mm×80 mm×100 mm的長(zhǎng)方體試樣（圖3）。采用實(shí)驗(yàn)取心鉆頭在試樣中心鉆取直徑為15 mm、深53 mm的井眼，然后將直徑為12 mm、長(zhǎng)58 mm的鋼制井筒沿井眼下放至距底部5 mm處，形成裸眼段，并向環(huán)空注入高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂以實(shí)現(xiàn)固井。

圖3 真三軸水力壓裂試樣示意Fig.3.Schematic diagram of true triaxial hydraulic fracturing sample

由于瑪南斜坡上烏爾禾組礫巖儲(chǔ)集層埋藏較深，三軸應(yīng)力較大，現(xiàn)有裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際絕對(duì)應(yīng)力的加載。因此，實(shí)驗(yàn)僅基于水平應(yīng)力差12 MPa 開(kāi)展。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M勘探直井的壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)，所以垂向應(yīng)力沿井筒方向加載，水平主應(yīng)力沿垂直于井筒方向加載。實(shí)驗(yàn)采用滑溜水和胍膠壓裂液，實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)見(jiàn)表1。具體實(shí)驗(yàn)流程如下。

表1 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)方案Table 1.Experimental scheme for hydraulic fracturing in the gravel?supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

（1）應(yīng)力加載 將試樣放入加壓腔室，通過(guò)液壓加載裝置，首先將三軸應(yīng)力均增加至5 MPa，然后繼續(xù)將z軸應(yīng)力增加至17 MPa，最后將x軸應(yīng)力增加至20 MPa。

（2）壓裂試樣 連接高壓注液管線后，打開(kāi)井口注液閥，以恒定排量向井眼裸眼段注入壓裂液，壓力傳感器同步采集井口壓力并實(shí)時(shí)繪制壓力曲線。試樣破裂后，繼續(xù)恒定排力注入3 min，以確保裂縫擴(kuò)展充分。隨后停泵，關(guān)閉井口閥門(mén)。

（3）壓后分析 利用線陣列CT 掃描，表征壓裂后裂縫擴(kuò)展形態(tài)，結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析裂縫遇礫擴(kuò)展特征。

3 顆粒支撐礫巖力學(xué)特征

針對(duì)瑪南斜坡上烏爾禾組礫巖試樣的礫石和基質(zhì)開(kāi)展納米壓痕實(shí)驗(yàn)，分別評(píng)價(jià)彈性模量、硬度和斷裂韌性，并就加載和卸載過(guò)程中的能量演化過(guò)程進(jìn)行分析。受載巖石能量演化所涉及的能量種類較多，考慮到耗散能的不可逆性和彈性能的可逆性，本文只對(duì)彈性能和耗散能進(jìn)行考察，并利用載荷—位移曲線（圖4），計(jì)算彈性能和耗散能[29-30]。由于卸載后所釋放的能量為整個(gè)加載過(guò)程所積累的彈性能（忽略壓痕底部殘余彈性能），而卸載過(guò)程中未釋放的能量為耗散能[29-32]，因此將卸載曲線與位移軸之間的面積作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中積累的彈性能，而將加載曲線、卸載曲線與位移軸之間的面積作為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用于塑性變形和形成壓痕裂縫的耗散能。

圖4 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖納米壓痕實(shí)驗(yàn)典型載荷—位移曲線Fig.4.Typical load-displacement curve of nanoindentation experiments on the gravel?supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

由圖4 可知，礫石和基質(zhì)的受載過(guò)程和能量演化存在顯著差異。在加載階段，礫石的加載曲線平滑，而基質(zhì)的加載曲線呈現(xiàn)多個(gè)載荷波動(dòng)，這可能是基質(zhì)中力學(xué)強(qiáng)度較軟物質(zhì)的存在導(dǎo)致界面效應(yīng)的產(chǎn)生，致使加載過(guò)程中出現(xiàn)載荷跳躍[26]。另外，在相同壓入深度下，礫石的載荷遠(yuǎn)高于基質(zhì)的載荷，說(shuō)明基質(zhì)在受載后呈現(xiàn)一定程度的塑性蠕變，在較低的載荷下即可實(shí)現(xiàn)較大的位移。卸載后，彈性能得到釋放，但與礫石相比，基質(zhì)所釋放的彈性能占總輸入能量的比例較小，卸載后的殘余深度較大，說(shuō)明基質(zhì)受載后大部分能量因塑性變形和形成壓痕裂縫斷裂面而耗散掉，卸載后形變不可恢復(fù)程度高。

礫石和基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)和能量演化測(cè)試結(jié)果分別如表2和表3所示。礫石和基質(zhì)的平均彈性模量分別為71.2 GPa 和1.6 GPa；礫石和基質(zhì)的平均硬度分別為7.17 GPa 和0.04 GPa；礫石和基質(zhì)的平均斷裂韌性分別為6.75 MPa·m0.5和0.07 MPa·m0.5。結(jié)果表明，礫石的彈性模量、硬度和斷裂韌性均遠(yuǎn)高于基質(zhì)，但數(shù)值大小整體呈現(xiàn)較強(qiáng)的離散性，說(shuō)明儲(chǔ)集層非均質(zhì)性很強(qiáng)，同一深度的礫石也可能具有差異較大的力學(xué)性質(zhì)。

從能量角度看，礫石在加載階段平均407.0×10-9J的能量以彈性能的方式儲(chǔ)存，占加載總能量的比例為53.09%?；|(zhì)在加載階段平均只有1.4×10-9J 的能量以彈性能的方式儲(chǔ)存，僅占加載總能量的14.16%。上述結(jié)果表明，礫石在加載階段約一半的輸入能量以彈性能的方式儲(chǔ)存，總體呈現(xiàn)較強(qiáng)的彈塑性變形特征。而作用于基質(zhì)的約80%以上的輸入能量用于塑性變形和形成壓痕裂縫的斷裂面，以耗散能的形式消耗掉，呈現(xiàn)較強(qiáng)的塑性變形特征。筆者認(rèn)為，礫石和基質(zhì)不同的礦物組成是造成力學(xué)性質(zhì)差異的主要原因。礫石主要由火成巖塊和變質(zhì)巖塊構(gòu)成，表現(xiàn)出強(qiáng)度高、硬度大、抵抗斷裂能力強(qiáng)的特點(diǎn)；基質(zhì)為砂、泥、鈣和細(xì)礫質(zhì)混合物，且膠結(jié)物含量較少，部分軟物質(zhì)表現(xiàn)出塑性變形特征。

另外，從圖5 可知，礫石的硬度、斷裂韌性和彈性能比例與彈性模量具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系，即礫石的彈性模量越大，硬度和斷裂韌性也越大，儲(chǔ)存的彈性能占加載總能量的比例越高?；|(zhì)的彈性模量、硬度、斷裂韌性和彈性能比例之間呈現(xiàn)無(wú)序性和離散性，這可能是基質(zhì)較強(qiáng)的塑性蠕變特征所導(dǎo)致的。

4 水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)特征

納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瑪南斜坡上烏爾禾組礫石的彈性模量可達(dá)到基質(zhì)的44.5倍，礫石的硬度甚至可達(dá)到基質(zhì)的179.3 倍，礫石和基質(zhì)之間存在很大的力學(xué)性質(zhì)差異。通過(guò)開(kāi)展礫巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)，分析在力學(xué)性質(zhì)差異顯著的情況下，使用滑溜水和胍膠壓裂液形成的水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)特征。

表2 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖礫石的力學(xué)參數(shù)和能量演化測(cè)試結(jié)果Table 2.Test results of mechanical parameters and energy evolution of the gravel in the gravel?supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

表3 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)和能量演化測(cè)試結(jié)果Table 3.Test results of mechanical parameters and energy evolution of the matrix in the gravel?supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

4.1 滑溜水壓裂裂縫形態(tài)

試樣MH-1 和試樣MH-2 采用滑溜水壓裂，壓裂后試樣均采用線陣列CT 掃描技術(shù)觀察內(nèi)部裂縫形態(tài)。試樣MH-1 和試樣MH-2 的表觀裂縫形態(tài)與CT掃描結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示。由圖6a 和圖7a 可知，試樣MH-1 和試樣MH-2 均形成3 條垂直縫的輻射狀多裂縫擴(kuò)展形態(tài)。結(jié)合2 組試樣井筒處的掃描斷面（圖6b、圖7b）發(fā)現(xiàn)，裂縫輻射狀擴(kuò)展可能是由滑溜水壓裂引起多點(diǎn)起裂導(dǎo)致的，多個(gè)起裂點(diǎn)不均勻地分布在井壁四周，起裂后裂縫以井眼為中心近似徑向擴(kuò)展。值得注意的是，裂縫趨于在礫石與基質(zhì)的界面處或細(xì)礫區(qū)域起裂，而不直接從礫石處起裂，這是因?yàn)榈[石斷裂韌性較大，破裂所需能量較高，在輸入相同能量的情況下，膠結(jié)薄弱的界面和斷裂韌性較低的細(xì)礫區(qū)域更易破裂。

試樣MH-1 中縫2 發(fā)生了穿礫擴(kuò)展（圖6b），這是因?yàn)榈[石內(nèi)部存在天然充填微裂隙，近井處的高壓流體將微裂隙打開(kāi)并沿其擴(kuò)展，形成穿礫裂縫。然而，CT 掃描結(jié)果顯示，穿礫僅為水力壓裂裂縫遇礫擴(kuò)展的次要形式，而繞礫延伸或礫緣縫是裂縫遇礫擴(kuò)展的主要形式。對(duì)于顆粒支撐礫巖來(lái)說(shuō)，礫石含量很高，大量礫石對(duì)裂縫擴(kuò)展起到了一定的屏蔽作用，較大程度限制了水力壓裂裂縫自由擴(kuò)展的空間，礫石成為水力壓裂裂縫擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。因此，水力壓裂裂縫遇礫后即向礫石一側(cè)偏轉(zhuǎn)繞流，且裂縫尖端頻繁與礫石作用，裂縫擴(kuò)展路徑相當(dāng)于多個(gè)礫石的部分輪廓線組合而成的迂曲曲線，曲線形態(tài)由礫石大小和礫石形狀決定。

圖5 瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖力學(xué)參數(shù)與彈性模量的相關(guān)性分析Fig.5.Correlation between mechanical parameters and elastic modulus of the gravel?supported conglomerate of the upper Wuerhe formation on the Manan slope

圖6 試樣MH-1的表觀裂縫形態(tài)及CT掃描結(jié)果（排量為15 mL/min）Fig.6.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH?1(at the displacement of 15 mL/min)

前人研究指出，砂礫巖壓裂在高水平應(yīng)力差下趨于形成沿最大水平主應(yīng)力方向強(qiáng)勢(shì)擴(kuò)展的雙翼縫[10-14]。試樣MH-1和試樣MH-2均在12 MPa高水平應(yīng)力差下開(kāi)展壓裂實(shí)驗(yàn)，但均形成輻射狀多裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜形態(tài)，且部分裂縫并未沿最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生強(qiáng)勢(shì)擴(kuò)展，而是與其斜交或近似沿最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展。這是因?yàn)椋孩倬蔡幏植嫉母邚?qiáng)度礫石影響近井處的應(yīng)力分布，導(dǎo)致裂縫起裂方向偏離最大水平主應(yīng)力方向，且滑溜水黏度較低，容易進(jìn)入基質(zhì)微裂隙形成多點(diǎn)起裂；②不同于雜基支撐的砂礫巖（礫石呈游離態(tài)分布于基質(zhì)中），實(shí)驗(yàn)所用瑪湖顆粒支撐礫巖礫石之間相互緊密支撐，裂縫頻繁遇礫且?guī)缀踔荒苎氐[石邊界擴(kuò)展而無(wú)法直接穿礫延伸，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展路徑發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)壓裂雖然受遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力的影響，存在沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，但是裂縫延伸路徑受礫石影響可能已經(jīng)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)方向。

圖7 試樣MH-2的表觀裂縫形態(tài)及CT掃描結(jié)果（排量為15 mL/min）Fig.7.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH?2(at the displacement of 15 mL/min)

4.2 胍膠壓裂裂縫形態(tài)

試樣MH-3 和試樣MH-4 采用胍膠壓裂，壓裂后試樣的表觀裂縫形態(tài)和CT 掃描結(jié)果分別如圖8 和圖9所示。由圖8a和圖9a可知，試樣MH-3壓后形成1 條近似沿最大水平主應(yīng)力方向延伸的迂曲垂直縫和1 條水平縫，而試樣MH-4 壓裂后形成1 條垂直縫和2 條水平縫連通的迂曲裂縫。結(jié)合CT 掃描斷面發(fā)現(xiàn)，井筒兩側(cè)均存在局部垂直縫，說(shuō)明胍膠壓裂時(shí)井筒裸眼段起裂趨于形成雙翼垂直縫，而非輻射狀多裂縫，但該垂直縫形態(tài)迂曲，延伸路徑受礫石影響較大。

圖8 試樣MH-3的表觀裂縫形態(tài)及CT掃描結(jié)果（排量為5 mL/min）Fig.8.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH?3(at the displacement of 5 mL/min)

滑溜水壓裂時(shí)裂縫遇礫趨于偏向礫石一側(cè)繞流，而胍膠壓裂時(shí)裂縫遇礫更易形成分支縫，從兩側(cè)繞礫擴(kuò)展，然后在某一薄弱點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，脫離礫石界面，導(dǎo)致裂縫形態(tài)較滑溜水更加復(fù)雜迂曲?，F(xiàn)場(chǎng)壓裂時(shí)，支撐劑在迂曲縫內(nèi)的均勻鋪置將十分困難，尤其在遇礫分支處容易發(fā)生砂堵，導(dǎo)致施工壓力過(guò)高[33]。

在圖8b 中，近井垂直縫向下側(cè)擴(kuò)展時(shí)遇礫分支，分支縫由接觸點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)展形成水平縫。在圖9b 中同樣發(fā)現(xiàn)，近井垂直縫向下側(cè)延伸時(shí)受到大礫石的阻礙，遇礫分支形成近似水平縫，而上側(cè)擴(kuò)展受到試樣頂部緊密排列的礫石帶的屏蔽，水力壓裂裂縫遇礫分支后產(chǎn)生大角度的回轉(zhuǎn)，沿水平方向延伸。上述現(xiàn)象表明，礫巖中的大礫石或緊密排布的礫石帶對(duì)水力壓裂裂縫垂向擴(kuò)展的阻礙作用是顯著的，且可能誘導(dǎo)裂縫的垂向擴(kuò)展成為水平延伸。

4.3 壓力曲線特征

采用滑溜水和胍膠壓裂的壓力曲線如圖10 所示。由試樣MH-1 和試樣MH-4 的壓力曲線可知，壓力升高至某值后即逐漸平穩(wěn)，進(jìn)入裂縫延伸階段，而未見(jiàn)明顯的破裂壓力。試樣MH-2和試樣MH-3的壓力曲線顯示，雖然觀察到明顯的破裂壓力點(diǎn)，但是裂縫起裂后壓力僅下降約20%即進(jìn)入延伸階段，未表現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)的脆性破裂現(xiàn)象。這是因?yàn)椋斈闲逼律蠟鯛柡探M顆粒支撐礫巖壓裂時(shí)，裂縫繞礫石邊界擴(kuò)展，若礫石與基質(zhì)的界面膠結(jié)較弱或存在微裂隙時(shí)，高壓流體易開(kāi)啟微裂隙造縫，導(dǎo)致破裂壓力不明顯。

圖9 試樣MH-4的表觀裂縫形態(tài)及CT掃描結(jié)果（排量為5 mL/min）Fig.9.Apparent fracture shapes and CT scanning results of sample MH?4(at the displacement of 5 mL/min)

對(duì)比圖10a 和圖10b 發(fā)現(xiàn)，胍膠壓裂的延伸壓力較高（13～16 MPa），呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)；而滑溜水壓裂的延伸壓力較低（7～10 MPa）且較平穩(wěn)。結(jié)合上述CT掃描斷面可知，胍膠壓裂形成了水平縫和垂直縫相互交織、多分支縫的復(fù)雜迂曲裂縫形態(tài)，且胍膠壓裂液黏度較高，縫內(nèi)流體流動(dòng)阻力大，導(dǎo)致劇烈的壓力波動(dòng)?；锼畨毫蚜芽p遇礫分支縫較少，且滑溜水黏度較低，易于沿微裂隙流動(dòng)。

圖10 瑪南斜坡上烏爾禾組試樣采用不同壓裂液時(shí)的壓力曲線Fig.10.Pressure curves of the samples from the upper Wuerhe formation on the Manan slope after injecting different fracturing fluids

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

瑪湖18井為瑪南斜坡上烏爾禾組的勘探直井，全井套管射孔完井。針對(duì)措施目的層段3 741—3 744 m，使用胍膠壓裂液以4～5 m3/min 的排量開(kāi)展套管壓裂。施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力和支撐劑質(zhì)量濃度，施工曲線如圖11所示。

由圖11 可知，泵注前置液后，壓力逐漸上升至約44 MPa，但未見(jiàn)明顯起裂壓力，與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。攜砂液泵注期間，壓力出現(xiàn)波動(dòng)，并逐步下降至32 MPa，此時(shí)裂縫處于延伸階段。當(dāng)加大砂量后，頂替階段壓力迅速上升至約70 MPa，產(chǎn)生超壓。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，裂縫在延伸過(guò)程中頻繁與礫石作用，裂縫尖端遇礫則繞礫延伸或形成分支縫，產(chǎn)生十分迂曲復(fù)雜的裂縫形態(tài)。同時(shí)，受大礫石的阻礙，裂縫可能大角度偏轉(zhuǎn)甚至形成水平縫，導(dǎo)致壓裂后裂縫縫高擴(kuò)展受限。高濃度加砂后，支撐劑在迂曲裂縫內(nèi)運(yùn)移受阻，發(fā)生近井橋堵，導(dǎo)致頂替階段壓力迅速爬升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠合理解釋現(xiàn)場(chǎng)部分異常施工現(xiàn)象。

6 結(jié)論

（1）礫石的彈性模量、硬度和斷裂韌性均遠(yuǎn)高于基質(zhì)。礫石受載后，平均53.09%的輸入能量以彈性能的方式儲(chǔ)存，表現(xiàn)為彈塑性變形特征。基質(zhì)受載后，平均85.84%的輸入能量用于塑性變形和產(chǎn)生裂縫斷裂面而消耗，表現(xiàn)較強(qiáng)的塑性變形特征。

圖11 瑪湖18井上烏爾禾組3 741—3 744 m段壓裂施工曲線Fig.11.Fracturing curves of the interval of 3741-3744 m in the Wuerhe formation in Well Mahu 18

（2）瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖礫石強(qiáng)度大、含量高，在高水平應(yīng)力差下依舊對(duì)裂縫延伸具有較強(qiáng)的屏蔽作用，導(dǎo)致裂縫形態(tài)迂曲。無(wú)論采用滑溜水還是胍膠壓裂液，擴(kuò)展路徑均受礫石主導(dǎo)，繞礫延伸是水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的主要形式。僅當(dāng)?shù)[石內(nèi)部存在充填微裂縫時(shí)，高壓流體可能開(kāi)啟微裂縫，導(dǎo)致穿礫延伸。

（3）滑溜水壓裂趨于多點(diǎn)起裂，形成輻射狀多裂縫擴(kuò)展形態(tài)，裂縫遇礫石后偏向礫石一側(cè)繞流。胍膠壓裂趨于在近井產(chǎn)生迂曲雙翼垂直縫，但裂縫遇礫石后容易分支，導(dǎo)致裂縫形態(tài)較滑溜水更加復(fù)雜迂曲，在加砂階段容易形成砂堵，發(fā)生頂替超壓現(xiàn)象。同時(shí)，礫石的緊密排布可能阻礙裂縫垂向擴(kuò)展，誘導(dǎo)裂縫發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)形成水平縫。

（4）瑪南斜坡上烏爾禾組顆粒支撐礫巖壓力曲線破裂壓力不明顯。胍膠壓裂的延伸壓力較高且波動(dòng)劇烈，滑溜水壓裂的延伸壓力較低且較平穩(wěn)。