震惊！颠覆经典认知，有人说影响储层改造体积SRV的主要因素居然不是主应力
本文摘要：（由ai生成）
加拿大多伦多大学Giovanni Grasselli教授挑战水力裂缝经典理论，指出在分层介质中裂缝可能水平而非垂直于最小主应力。通过真三轴测试，他发现裂缝形状受岩石结构和层状各向异性影响，而非仅受主应力方向影响。这一发现对于理解非常规油气储层裂缝网络和优化压裂设计有重要意义，或能提高油气产量。
加拿大多伦多大学的三位教授今年在美国丹佛非常规技术大会上发表文章，URTeC 3871683，题目是《“Rock Fabric Not Principal Stress Dictates SRV: The Story of How a~70 Year Old Discounted Data Point Still Plagues Our Industry and How True Triaxial Testing Finally Confirms it” 是岩石的结构而不是主应力决了储层改造体积SRV，一个70年前被忽视的数据点如何一直困扰着石油 行业，而真三轴测试如何最终证实了这一点》题目是够长的，这么长的题目至少是想搞三个吸引眼球的热点，决定储层改造体积SRV的主要因素、长达70年前的疑点、动用了真三轴岩石力学测试。
多伦多大学校园小景（网图，看到很多描述多伦多大学的照片都用这座建筑）
我们最常听到的是“fractures should be perpendicular to the axis of least stress”这就是经典的认知“水力裂缝会垂直于最小主应力方向”，其实这句话说的还是很准确的“should be”以及提到的是垂直于“the axis of least stress”并没说“平行于最大主应力方向”虽然这在大多数情况下垂直于最小主应力就是平行于最大主应力方向，但还是有特殊情况。“fractures should be perpendicular to the axis of least stress”之所以经典并广为人们接受，是该理论于1957年首次发表，并经受了时间的检验。当然也经受住了“实践”的考验，很多实验室和矿场实验的各种数据，都在从不同角度不同时间证实着这个经典的认知。这个事之所以这么重要，是因为水力裂缝方向、井眼轨迹、油气开发方式、产量和采收率等等这些工程事件的结果之间有着密切的关系。
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但是，Giovanni Grasselli（乔瓦尼 格拉塞利）在他的文章URTeC: 3871683里说，当年，1957年科学家得出这个经典的认知是出于一系列实验的研究结果，研究人员将石膏浆注入均匀介质的在不同主应力方向下的“普通明胶”中，观察凝固石膏的最终几何形态，确定了这一发现。所有的测试都证实了该理论，except for one test that "shows a horizontal fracture (that was tested) in stratified gelatin"。也就是有一个实验“显示了在分层的明胶中有水平裂缝被测到”。但是They discounted this result stating that it was an outlier because of the "weakness due to bubbles between two gelatin layers”.他们对这一结果不以为然，认为这是一个异常值，因为“两层明胶之间的气泡造成了弱点”。
非常规资源技术会议(URTeC)是一个专注于应用于非常规资源勘探和开发的最新科学技术的重要活动，特别强调技术/专业学科的整合。URTeC由SPE、AAPG和SEG共同推动，是交换信息，管理和优化非常规资源，制定战略想法和解决问题的最佳机会。
怎么着，异常值不管了？本文作者格拉塞利（Grasselli）就不干了，他对此提出了疑问，既然如此那么as all unconventional source reservoirs have weak interfaces associated to the presence of bedding planes, could the rock fabric influence the development of the stimulated rock volume (SRV) more than principal stress?由于所有非常规资源储层都存在着与层理相关的弱界面，那是不是意味着岩石结构或构造（fabric）对储层/岩石改造体积（SRV，巧合的是储层reservoir和岩石rock的首写字母都是R）的影响要比主应力的影响更大呢？
Giovanni Grasselli（乔瓦尼 格拉塞利，多伦多大学网站）是有质疑的权利和资格的，他2001年获瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）博士学位，现为加拿大多伦多大学土木工程系教授，加拿大自然科学和技术研究委员会研究首席、能源模拟研究首席、Geomechanica公司创始人之一、国际SCI期刊《Tunneling and Underground Space Technology》副主编、国际SCI期刊《Rock Mechanics and Rock Engineering》编委
你看你看，这就是教授，做科研的善于提出疑问，其实人家格拉塞利（Grasselli）这样想，本身也是基于当年那批科学家的解释，以彼之矛攻彼之盾，气泡造成的弱点就已经使裂缝方位不顾地应力的影响了，虽然被你们忽略了，但他就想到了非常规油气储层存在的弱界面不是比气泡造成的弱点更更更弱或者更会影响裂缝的方位和复杂程度（也就是最终影响到SRV）吗？
2018年在中国科学院地球科学研究院页岩气与地质工程院重点实验室作了题为“Advancements in experimental and numerical methods in rock physics and rock mechanics”的学术报告，来源于中科院中国科学院地质与地球物理研究所网站
既然想到了，说干就干。格拉塞利（Grasselli）借着加拿大多伦多大学实验室的优势，采用真三轴测试系统，用加拿大Montney组岩样（样品尺寸80×80×80mm3）进行了一系列室内测试，其概念类似当年Hubbert和Willis在1957年利用“层状明胶”开展的测试。发誓要把当年被科学家们不以为然忽略了的现象搞搞清楚。Montney组岩样还是有相当的代表性的，中国石油在加拿大的非常规油气的资产之一，主要产储层也是这个层组，对我们理解相关地层和做好增产措施研究有着最直接的借鉴意义。
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室内的水力压裂物模实验是在岩样的中心注入滑溜水，模拟单段压裂裸眼完井的情况。实验室采用真三轴条件（σHmax为63 MPa，σHmin为43MPa，σV为46MPa）。所有测试都用声发射传感器监测，然后用紫外线固化的环氧树脂浸渍所有测试岩心，进行x射线显微CT扫描（分辨率110μm），最终以50μm间隔连续切片。利用深度学习辅助叠加照片重建技术，获得了最终完井（压裂）阶段的高分辨率和高对比度的（岩石内部含裂缝的）三维几何形态，以及储层改造体积（SRV）内的裂缝网络。这个实验室的岩样尺寸没有我原来所在实验室装置的岩样尺寸大，但检测和解释手段非常丰富。
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观察到裂缝网络几何形态非常复杂但连续，分为三种裂缝类型：一个预先存在的天然裂缝，一个假（拟）双翼裂缝（垂直于σ3），和一套与分层面（层理）有关的占优势的裂缝（垂直σ2）。实际上，层理面分界点（垂直σ2）控制了裂缝网络和岩心内储层改造体积（SRV）所占的体积百分比（这类SRV占比超过60%）。在平行层理裂缝控制的储层改造体积（SRV）的样品中，检测到的声发射非常少。
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室内实验结果表明，在层理高度发育的储层中，水力裂缝的几何形状似乎更受岩石结构本身和完井区内层状各向异性频率的影响，而不是局部就地主应力方向。基于上述结果可以推测，区域标志层/接触带可以作为压裂冲击（frac hits 压窜）的流体运移通道。这有助于解释诸如母子井相互作用或套管变形的现象，以及还可以解释，如果裂缝进一步扩展到让完井液润滑临界应力面/断层会导致潜在的诱发地震活动。
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一个摘要就解释了这么长的文字，具体内容是不是很想看看呢。
1947年美国人就成功进行第一次压裂作业，而水力压裂的第一个基本原理可以追溯到Hubbert和Willis(1957)做的实验，当时得到的认知就是裂缝应垂直于最小主应力方向。但这个理论一直受到各种挑战，现在回顾起来，连Hubbert和Willis也说，他们忽略了岩体的抗拉强度(σt)，假设它是不可靠的量，而且由于一个或多个张开节理系统存在会使其在深度上降为零。此外，格拉塞利（Grasselli）在文章的前言里说，Hubbert等试验得出的理论非常受限，并不一定适用于实际油藏，特别是非常规油藏，其中：产生裂缝的介质是无限的、线弹性的、均匀的;连续体具有恒定的应力;介质无任何缺陷和/或岩石结构（fabric）;弹性介质的力学性能以及流体/注入特性对压裂没有影响;钻孔平行于其中一个主应力方向;·水平应力状态被认为是流体静力平衡的(Hubbert 1972);裂缝将在井筒壁上切向应力最小的一点发生。随后，格拉塞利（Grasselli）列举了一些岩石力学专家的理论和计算，认为Hubbert和Willis(1957)的研究结果应包括有限抗拉强度来启动水力压裂，这个事实后来被哈伯特承认了(1972)。并且，Bredehoeft等人(1976)也消除了歧义，提出在第一次注入周期和随后的任何注入周期中达到的峰值压力之间的差异是由于岩石的抗拉强度在随后的注入周期中降低到0 MPa的缘故。
Giovanni Grasselli（乔瓦尼 格拉塞利，多伦多大学网站）
在水力压裂过程中，有两种典型的破裂响应(图1)。在第一类(图1 -左)中，在整个压裂过程中，压力几乎是恒定的，并且比预期的压力要低得多，也就是说，没有明显的压力升降。这表明地层没有出现任何拉伸破坏，因此，它对应于水力压裂处理激活了先前存在的裂缝/开口网络(Bredehoeft et al. 1976, Hubbert and Willis 1957)。第二类(图1 -右)的特点是流体压力数据明显破裂，注入压力高于预期的地应力，峰值流体压力能够克服地层的总应力及其抗拉强度。
图1水力压裂过程中压力与时间的理想化示意图。改编自Hubbert和Willis(1957)。左:水力压裂源自先前存在的裂缝/开口，右图:理想的处理显示出明显的破裂压力。
上述限制表明裂缝的起裂和扩展方向垂直于（perpendicular to与某物呈直角关系）最小主应力(σ3)，或者说垂直于（vertical to以地面为参考的竖直）正断层状态下的孔截面（垂直缝），在逆冲断层中是水平方向(通常称为横向) （水平缝）(图2)。在上述解不成立的情况下，通常使用压力分离现象来解释现场观测结果。在油井酸化作业中，压力分离现象，早已被人们所认识，是一种破裂压力大于覆盖层压力的现象，表明岩石破裂，即由于注入导致层理面、节理或其他结构弱点的破坏(Clark 1999b, Torrey 1951)。这种压力分离现象通常与裂缝迅速延伸到距离注入孔相当远的距离有关。
图2 -裂缝起裂和扩展与原位主应力的关系。在真三轴和三轴(双轴)试验条件下的应力应用示意图。
尽管存在上述局限性和限制，但Hubbert的理论仍然适用于各向异性岩石，尽管它违背了各向异性和弹性的基本假设，从而忽略了各向异性的影响及其对地应力的作用。因此，问题就来了:“由于所有非常规烃源油藏都是高度各向异性的，在形成模拟岩石体积(SRV)时，岩石结构是否比主应力发挥更重要的作用?”
于是，格拉塞利（Grasselli）的团队开始做他们应该做的工作。
通过对Montney层组的现场实时微地震监测事件源机制反演表明，该组中许多活动断层遵循走滑机制(Eaton and Mahani 2015)。几乎所有非常规烃岩中都存在层理平面，包括在半深海海洋条件下形成的Montney，这使得它们本质上是各向异性的(Suarez-Rivera et al. 2016)。层理面的层化程度与岩石性质的变化直接相关，并会影响裂缝的扩展(Davey 2012)。
Montney在西加拿大，环球印象(www.zcqtz.com)搜集整理的网图（不是原文）
为了通过实验了解岩石结构对SRV几何形状和延伸的作用，在这项研究中，我们将重点放在了Montney组的样本上，该组是加拿大最大的非常规油气区，从可采资源和工业活动来看，这是迄今为止加拿大最大的非常规油气区(British Columbia Oil Gas 2012)。这项工作的目的是了解诱发裂缝的几何形状，并最终在估计预测最终采收率(EUR)时，为如何考虑材料非均质性提供实用信息。
西加拿大沉积盆地三叠系Montney组分为上、中、下三段，岩性从盆地东部砂岩逐渐向盆地过渡为粉砂岩、页岩。Montney页岩气富集带分布在艾伯塔省中西部，延伸至不列颠哥伦比亚省。环球印象(www.zcqtz.com)搜集整理的网图（不是原文）
多伦多大学不简单，他们有TTT（True-triaxial test）真三轴实验装置，马上用于加拿大的Montney层组的岩心测试。为了控制类似于原位条件的应力，从Montney地层岩心中制备了尺寸为80x80x80 mm3的立方体，并在其边缘倒角至约1.5 mm的深度。所有样品都有一个中心直径为6.35 mm，深为44.45 mm的盲孔来模拟井筒。安装迷你封隔器后，中心孔留下的用于注入和流体输送的空腔长度约为5mm，模拟了单级水平裸眼水力压裂作业。注入的流体在室温下为滑溜水，使用高精度高压泵(Vindum VP-6K)以7 mL/min的速率输送。这一速度引起压力上升至破裂，相当于在Montney的工业处理过程中进行的现场工作。在初始实验用样品制备过程中，努力保证井眼位于层理平面之间，使小井眼沿层理平面走向平行于σ3方向。Abdelaziz等人(2019)、Lombos等人(2013)、Young等人(2013)提供了有关该测试设置和真三轴系统的更详细信息。
图3多伦多大学的TTT及其各个组成部分。a)样品安装在内夹持器;b)样品夹持器安装在真三轴实验装置的带有加压注入孔的压力室内;c)压力室被吊起并放入MTS框架中。
在这个文章，格拉塞利（Grasselli）给出两个测试的结果。第一个测试是用来自艾伯塔省哈维高地（Harvie Heights）采石场的露头样本完成，该样本来自相同的地质年代，在对比上等同于Montney烃源岩(Zelazny et al. 2018)。第二个测试是用一个从深处(地下约1990米)回收的全直径岩心上加工出来的立方体上进行的。
针对露头样品，原位主应力最大水平应力(σH)为最大主应力(σ1)，设定为54.6 MPa。覆盖岩层竖向应力(σv) 为中间主应力(σ2)，设定为42.2 MPa。钻孔方向为即最小水平应力(σh)方向，最小主应力(σ3 = 37.7 MPa)方向。在流体注入过程中，样品的平滑力学响应(图4)清晰地描述了就地水力压裂作业的典型阶段：空腔填充、裸眼加压直到破裂压力，随后是不稳定压力释放和裂缝扩展的过程。观察到注入液从σ1压板流出(图4 - y方向)，当流体压力达到稳态时结束试验。图4中的立方彩图裂缝网络的3D渲染图，该裂缝网络是在测试后使用重建连续切片技术进行三维映射的(有关该技术的详细信息可在Li et al. (2020)， Li et al. (2022)， Wu(2023)中找到)。Wu(2023)对生成的裂缝网络中遇到的各种裂缝进行了详细描述。从这个测试中可以看出几点。首先，生成的裂缝网络在上覆岩压力作用下形成一条主裂缝，即σ2;设备上LVDT位移计的机械运动证实了这一点，它们都显示负运动，表示指向x方向上的开口(图4)，因此是拉伸开口。记录的注入液稳态应力几乎等于σ2。测试过程中的所有这些迹象都被测试后的裂缝图所证实。由此可见，岩石的结构和强度对裂缝的扩展方向起主导作用。
图4露头样品。在流体注入过程中，注入流量、井筒附近的流体压力以及lvdt的机械响应。立方体彩图是使用重建连续切片技术生成的裂缝网络的三维渲染。
针对取自地下深部的样品，取深采全直径岩心，切割成形成立方体试样，给最大水平应力(σH)为最大主应力(σ1)，设定为41.1 MPa。覆盖岩层竖向应力(σv) ，为中间主应力(σ2)，设定为29.1 MPa。钻孔沿最小主应力(σ3) =最小水平应力(σh)方向钻取，设定为23.6 MPa。值得注意的是，准备实验时μCT显示样品中存在着天然裂缝。在流体注入期间，样品的平滑力学响应如图5所示。注入分三个循环进行，以评估破裂压力和重开或关井压力。一旦达到破裂，就暂停注入，然后让注入处的压力消散，然后重新注入流体。图5中插入的立方彩图是生成的裂缝网络的3D渲染图，该裂缝网络是使用重建连续切片技术在测试后进行3D映射的(该技术的详细信息可在Li et al. (2020)， Li et al.(2022)中找到)。Li et al.(2022)对生成的裂缝网络中遇到的各种裂缝进行了详细描述。
图5深部样品。在流体注入过程中，注入流量、井筒附近的流体压力以及lvdt的机械响应。立方体彩图是使用重建连续切片技术生成的裂缝网络的三维渲染。
综观LVDT位移计（和我们早年考察荷兰代尔夫特大学看到的装置一样）的力学响应可知，在x方向上，即在指向σ2方向上，LVDT的运动包括了开启和闭合的显示。将这些信息与泵送数据结合起来，表明样品沿着位于注入孔附近的一个层理平面发生了剪切。而且是最靠近已有天然裂缝的边缘移动最多。值得注意的是，在注入后(即，即使在关闭注入后)，这种运动仍在继续，这也支持了上述层理平面/预先存在天然裂缝的滑动或润滑，使其在消散流体压力的同时继续进行剪切运动。
真三轴试验(TTTs)的结果清楚地表明，Hubbert的理论不能解释实验结果，因为裂缝方向没有明确地与最小地应力联系在一起。裂缝似乎沿着提供最小机械阻力的平面传播，而是由主应力的大小和岩体抗拉强度的各向异性决定(即，裂缝将朝着主应力与其各自抗拉强度之和最小的方向打开)。露头样品实验描绘了一条清晰的主裂缝，平行于层理，是平面的，类似于张拉开口。通过lvdt对上覆岩压力(σ2)的响应证实了这一行为。然而，这与深部样品的LVDT响应不同，后者显示了相反方向的LVDT运动，这可能表明流体注入引起的剪切运动。这些结果的详细描述和提出的方法可以在Abdelaziz(2023)中找到。
如果严格地与σ3联系在一起，关井压力有时可能是一个误导性的参数。记录的关井压力表明，如果地层是非均质、各向异性的，或者已知包含影响局部应力状态的地质特征，则关井压力可以作为代表，表明形成相互连接的压裂水力网络的各种裂缝的复杂性和贡献。在这种情况下，平面裂缝导致关井压力等于上覆岩压力，这是一个足以保持裂缝打开的等效压力。在裂缝网络较为复杂的情况下，关井压力值远远小于σ3。
图6 -原位主应力、实验压力结果(起裂、破裂和关井)与经典(Hubbert and Willis 1957)、孔隙弹性(Haimson 1968, Schmitt and Zoback 1989)计算的破裂压力以及本文提出的方法之间的比较。
他们的结论是，在正常情况下，水力裂缝将开始并向机械上最有利的方向扩展。这个方向通常受延伸断裂尖端正前方的应力影响。岩体中存在的预先存在的特征可能会阻止或促进裂缝沿其扩展。如果发生后者，裂缝继续扩展，并将尝试向其优先平面重新定向/旋转。
在高度层状的非常规油藏中，水力裂缝的几何形状似乎更多地受到岩石结构本身和完井区内层状各向异性的频率的影响/驱动，而不是局部主应力方向。基于这些实验结果，我们可以推测，区域层理面可以作为流体通道，与解释母子井相互作用的压裂冲击有关，如果进一步扩展，则完井流体可以润滑临界应力面/断层，从而导致滑动，并导致套管变形或诱发地震活动。了解裂缝几何形状的主要驱动因素，可以针对井段内这些高度各向异性的区域，开发新的风险缓解工作流程和优化生产。
读了文章后，你怎么看呢。学无止境，挑战权威出创新认识。实验室要解决现场问题--套变、诱发地震、压裂冲击、SRV和增产.........
