含天然裂缝的观音桥泥岩在真三轴应力作用下的水力压裂实验研究
本文摘要：（由ai生成）
研究在《Journal of Natural Gas Science and Engineering》上发表，探讨自然裂缝钙质泥岩中多射孔水力裂缝扩展特征。实验表明，岩石组构和地应力是裂缝扩展的关键，天然裂缝和应力差显著影响裂缝形态。射孔水力压裂破裂压力低于裸眼压裂，小射孔相位角和大水平应力差利于裂缝起裂。钙质泥岩中裂缝扩展受天然裂缝影响，与脆性页岩多裂缝形成不同。研究为非均质地质构造中水力压裂增产设计与优化提供重要参考。
该成果发表在期刊 Journal of Natural Gas Science and Engineering 上，详情见：Guo P , Li X , Yang W ,et al.Experimental study on hydrofracture propagation through perforated wellbore in naturally fractured Guanyinqiao calcareous mudstone under true triaxial stress[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2022, 99:104415-.
【研究概述】
水力压裂技术在非常规油气资源开发中取得了成功。通过向目标地层注入高压流体和支撑剂，诱导人工裂缝提高渗透率和生产效率。目前，通过多孔水平压裂的方法被广泛用于在储层岩石中制造大块体积裂缝。然而，由于华南地区地质复杂，在五峰—龙马溪页岩气储层主产区经常发现钙质泥岩致密夹层，这可能会增加增产措施的风险，并导致其低增产效率。因此，研究钙质泥岩中多射孔的水力裂缝扩展特征至关重要。岩石组构和地应力是控制水力裂缝扩展的两个关键因素。沉积岩中的弱胶结构造面(层理面和天然裂缝)显著影响水力裂缝扩展和几何复杂性。
当主要裂缝路径与弱层理面方向一致时，水力压裂通常需要较低的注液压力，形成简单裂缝(Guo等，2021)。相比之下，以大角度穿过层理平面的水力裂缝会产生复杂的裂缝几何形状，需要更高的注液压力(Gehne等，2019; Lin 等，2017)。非常规气藏各向异性应力场显著影响主水力裂缝的走向。为了模拟水平水力压裂，研究人员采用真三轴水力压裂系统，因为它具有使立方岩样承受三个独立主应力的优势。在竖向应力差较小的情况下，水力裂缝的扩展高度受层理面限制。随着应力差的增大，水力裂缝向最大主应力方向扩展。
为了解决多个射孔造成的近井裂缝复杂性问题，已有大量的实验和数值研究报道。一般来说，实验室压裂测试中使用的是预制射孔的均质水泥样品。之后，对压裂后的试样进行拆解，分析不同射孔的水力裂缝扩展形态。Liu et al.(2015)对射孔井筒中的非平面裂缝进行了分析，结果表明，多个裂缝和更粗糙的表面增加了起裂和扩展压力。Zhang等人(2018)研究了射孔参数和应力对比对射孔水平井筒中裂缝起裂、支撑作用形态的影响。研究发现，形成的裂缝形态主要包含三种类型：单个扁平裂缝、螺旋裂缝和多个平行裂缝。较高的水平应力对比促进射孔形成多条裂缝，较大的射孔直径和密度，选择较小的相位角可以形成简单的裂缝几何形状。数值模拟方法可以深入了解水力裂缝在不同压裂阶段的起裂、扩展和聚并过程。例如，Zhang等人(2019)开发了三维晶格模型来分析水力裂缝通过螺旋射孔的起裂和扩展。结果显示，水力裂缝从几个射孔开始，并汇聚成一条横向裂缝。Wang et al.(2020)利用有限元模型模拟了不同射孔密度和应力对比下裂缝的起裂和扩展。结果表明，射孔密度的增加可能会增加近井裂缝的复杂性，减小裂缝宽度。应力对比的增加可以降低裂缝复杂性，促进多裂缝的形成。Shan等人(2021)建立了三维模型，研究射孔参数对裂缝起裂、非平面扩展特征的影响。结果表明，增加射孔密度或直径可以缓解裂缝弯曲，但增加相位角可能会产生长度较短的水平井水力压裂纵向裂缝。
以往的研究主要集中在不同参数对页岩和类岩石材料中水力裂缝扩展特性的影响。然而，关于钙质泥岩的力学特性和水力压裂的工作报道较少，钙质泥岩水力压裂与页岩水力压裂的区别尚不清楚。钙质泥岩水力裂缝扩展特征的研究，对于非均质地质构造、不同岩性气藏的压裂增产设计与优化至关重要。与以往研究在相对均匀的类岩石材料或数值模型中模拟多个射孔的水力裂缝扩展不同，我们在天然裂缝的钙质泥岩和页岩中通过螺旋地层进行了压裂试验，以研究天然裂缝、应力差和岩性对水力裂缝扩展特征的影响。
本文组织如下：首先，我们制备了钙质泥岩和页岩样品，获得了单轴抗压强度、抗拉强度、各向异性和脆性等参数。进行真三轴水力压裂试验，模拟通过多个射孔的水平压裂。然后，分析了不同应力和射孔条件下流体压力曲线特征。随后，基于显微镜观察和三维激光扫描方法重建裂缝几何形态，研究应力差和天然裂缝对水力裂缝形态的影响。研究了钙质泥岩中侧向射孔水力裂缝的扩展过程，并对不同横向裂缝的聚并引起的裂缝性进行了表征。在此基础上，对比了钙质泥岩与页岩裂缝形态的差异，分析了岩石脆性和各向异性对射孔破裂模式的影响。
【实验准备】
水力压裂系统由高刚度真三轴伺服控制加载单元、压裂泵、声发射监测系统组成，如图1所示。围压由三个独立的液压活塞缸施加到立方试样上，每个轴上的最大载荷为3000 kN。采用伺服控制的压裂泵对试样进行压裂，注入速率范围为0.1 ml/s ~ 20 ml/s，最大注入压力为80MPa。采用物理声学公司研制的30通道声发射系统对水力压裂过程进行监测。
图1 真三轴水力压裂系统示意图
在贵州习水观音桥地层露头处采集了新鲜的钙质泥岩块体，这是川南页岩气储层的自然延伸。该地层介于下志留统龙马溪组与上奥陶统五峰组之间，露头及钻孔地层分布如图2所示。观音桥地层岩性以灰色钙质泥岩为主，沿层理平面分布有丰富的贝壳动物群。石灰质泥岩矿物含量按矿物重量计为石英17.1%，方解石27.8%，伊利石36.5%，白云石9.7%，钠长石4.4%，黄铁矿2.0%。观音桥钙质泥岩的构造相对完整，与龙马溪、五峰页岩的层状构造有明显区别。观音桥钙质泥岩广泛分布于华南扬子地块页岩气主产区。为获得钙质泥岩的力学性质，制备了直径为50 mm、高度为100 mm的岩心样品并进行了测试。结果为单轴抗压强度C0、巴西抗拉强度T0、弹性模量E、各向异性、和脆性特征见表1。在这里，我们使用标准偏差(Zhang等，2020)来测量力学各向异性，Ac和At分别代表单轴抗压强度各向异性和抗拉强度各向异性。指标B1和B2用于量化岩石样品的脆性(孟et al., 2021)。这里，B1= C0/T0, B2= (C0-T0)/(C0+T0)， B1和B2值越高，说明岩样脆性越强(Jin et al., 2014)。然后比较了观音桥钙质泥岩与龙马溪页岩的力学特性(Lin et al., 2017; Zhang, 2017)，揭示钙质泥岩的各向异性和脆性不如页岩。
表1 钙质泥岩和页岩样品的基本力学参数
图2 (a)露头照片；(b)岩心照片
用金刚石锯将岩块切割成边长为200mm的立方样品，用400目涂层磨料对样品表面进行磨平。为了模拟射孔水力压裂，将水平井射孔簇简化为4个螺旋射孔井眼，如图3a所示。沿顺层平面钻孔一个直径为20 mm、深度为160 mm的中心孔。然后，在钻孔中插入一根长度为250毫米、外径为16毫米、内径为14毫米的闭端钢管，模拟套管。在井眼与套管之间的间隙处注入高强度环氧胶，如图3b所示的绿色。随后，在垂直于样品井眼的方向钻4个直径为8毫米的小孔，并穿透套管，模拟射孔过程。四个较小孔的末端用环氧树脂密封，留下一个30毫米长的空段与钻孔相连，作为射孔隧道(图3b)。射孔的相位角为90◦或者120◦，相邻两个射孔之间的间距为20mm。
图3 立方试样制备:(a)射孔压裂示意图，(b)井筒及射孔指定尺寸
为了研究钙质泥岩中多个射孔的水力裂缝扩展特性，实验方案设计如表2所示。实验步骤如下。(1)用湿毛巾擦拭岩样，拍摄有残余水迹清晰显示天然裂缝的岩样表面。(2)采用高分辨率工业显微镜对裂缝进行100倍放大扫描，获得天然裂缝序列照片。(3)用静态超声探测仪测量岩石样品的纵波速度。(4)将被测岩样与6个钢垫组合在一起，钢垫具有9个孔内放置声发射传感器，记录水力压裂过程中的声发射活动。(5)将集血岩样放入真三轴加载箱中，由3个独立的液压活塞缸对钢垫施加围压，加载速率为0.2 kN/s，直至达到设计值。(6)压力管道通过卡套与钢套管连接，将带有白色示踪剂的压裂液以恒定速率注入岩样中，发生物理击穿时停止试验。(7)按照(1)-(2)的相同程序对样品表面的水力裂缝进行拍照和扫描。(8)对裂隙岩样进行拆解，利用三维激光扫描仪对裂隙表面进行扫描重建。
表2 真三轴水力压裂试验参数及结果
[试验结果及分析]
流体压力曲线与水力裂缝的起裂、扩展和形态密切相关。图4a为不同钙质泥岩样品在水力压裂过程中的流体压力曲线。结果表明，通过螺旋射孔进行压裂时，2号样品的破裂压力比1号样品的裸眼压裂降低了51.4%。此外，在不同地应力和射孔方式下，钙质中射孔压裂的破裂压力比裸眼压裂低25.7% ~ 56.4%(表2)，多个射孔的存在容易削弱井筒周围岩石，更容易产生裂缝。在初始阶段压裂处理后，流体被注入井筒，注入压力缓慢升高。随后，连续泵入流体后，压力增长呈明显的线性趋势。当发生击穿时，流体压力瞬间下降，表明水力裂缝快速扩展。此后，样品2、4、5、6的压力曲线呈现出明显的波动特征，与样品1的光滑压力曲线不同。通过射孔进行水力压裂时，多个射孔同时破裂的可能性较小，一旦形成新的裂缝，流体压力会相应降低。通常情况下，在裂缝进一步扩展之前，流体压力会先升高到一定水平，然后由于裂缝体积的增加释放的能量而降低。此外，当在#2中形成弯曲的倾斜裂缝时，压力波动幅度高于#4、#5和#6。
射孔相位角影响水力压裂破裂压力。对于相位角为120°的6号试样，在注入压力达到32.5 MPa时发生物理击穿。然而，当相角为90◦时，样品#4的击穿压力比样品6降低了33.2%。同样，样品5的击穿压力比样品7的击穿压力低约25.7%。这说明较低的相位角有利于近井区域水力裂缝起裂。
图4b为#6在水力压裂过程中的变形情况，正(负)值表示试样在对应轴线上的收缩(膨胀)。由图可知，当横向水力启动时，σh轴上的变形瞬间减小40 μm，表明水力裂缝开启。σv轴变形增大至20 μm，这是由于横向裂缝的诱导降低了试样在该方向上的完整性，在恒定的垂直主应力作用下，试样进一步受压。随着流体压力的快速衰减，试样在σh轴上的变形先恢复到−30μm，后又回落到−20μm。连续注入流体时，水力裂缝保持张开状态，σh轴变形在−20μm ~−30μm之间变化，与流体压力波动一致。
图4 (a)不同样品的流体压力曲线，(b)样品6#的变形和流体压力
沉积岩中的天然裂缝影响岩石完整性、物理性质以及水力裂缝的起裂和扩展(Hou et al., 2019; Zhang et al. 2019)。在样品表面上对裂缝网络的具体描述对于理解水力裂缝扩展特征非常重要。图5显示了裂缝网络重建的详细步骤。首先，我们使用工业显微镜观察并获得裂缝的放大视图。将这些局部裂缝的图像拼接在一起，得到立方体样品某一表面上的整体裂缝，并通过颜色范围法提取裂缝。经过形态二值化和中轴线细化后，将裂缝宽度缩减为单个像素，通过计算像素数计算总长度。然后用不同的颜色 区分天然裂缝和新建水力裂缝，并分别计算裂缝长度。最后，将裂缝图像粘附到立方体表面，得到空间裂缝网络。
图5 裂缝网络重建流程
如图6所示，暗线和红线分别代表天然裂缝和新形成的水力裂缝。垂直于σh轴σh轴、σv轴的样面分别编号为1、3、2、4、5、6，如图6a所示。结果表明，天然裂缝主要沿顺层面发育，1、2、3、4面分布不均匀。层理裂缝的存在影响了水力裂缝的扩展几何特征。当天然裂缝持续张开时，水力裂缝在弱层理界面处终止，压裂液从层理裂缝中泄漏，如2号、3号、4号、6号试样。当天然裂缝闭合并中断时，水力裂缝会跨过层理裂缝，如5号、8号样品。一般来说，当水力裂缝以大角度与天然裂缝相交时，观察到两种扩展模式，它通常沿着打开的层理裂缝转向或在穿过后分支成封闭的层理裂缝。试样表面的水力裂缝和天然裂缝长度如图7所示。说明水力裂缝长度占水力压裂处理后总裂缝长度的50.7% ~ 77.1%。随着水平应力对比的增大，优势水力裂缝向最大水平应力方向转向扩展;水力裂缝长度从999 mm(2号样品)增加到1186 mm(4号样品)，水力裂缝长度占裂缝总长度的比例从50.7%增加到58.4%。注入量的增加有利于裂缝长度的增加。当射孔相位角为90◦时，水力裂缝长度从999 mm(样品2)增加到1263 mm(样品3)，水力裂缝长度占裂缝总长度的比例从50.7%增加到59.1%。当射孔相位角为120◦时，诱导水力裂缝长度从768 mm(样品#6)增加到1191 mm(样品#8)，水力裂缝长度占裂缝总长度的比例从60.9%增加到65.2%。
图6 各泥岩样品裂缝网络分布(天然裂缝用暗线表示，水力裂缝用红线表示)
图7 各试样天然裂缝长度和水力裂缝长度(不同表面上的裂缝长度用彩色块表示)
水力压裂试验结束后，我们利用三维激光扫描仪对裂缝表面进行扫描，重构了空间水力裂缝网络，结果如图8所示。在样品#2中，水力裂缝从垂直射孔开始，并从45°向最小水平应力方向倾斜。然后，水力裂缝沿着方解石扩展，导致裂缝发生转向。当接近试样边界时，裂缝转向最大水平应力方向(图8a)。在样品#3中，水力裂缝从侧向射孔开始，并从最大水平应力方向倾斜传播。随着注入速率的增加，3号样品的优势裂缝比2号样品的优势裂缝更平坦。水力裂缝扩展并穿过井筒上方的层理裂缝，沿井筒下方的层理裂缝扩展(图8b)。在样品4中，水力裂缝从横向和垂直射孔开始。在水平应力为8 MPa时，它垂直向井筒方向传播。随后，垂直水力裂缝在2、4面交叉分支形成闭合的顺层裂缝。被沿黄铁矿脉的张开层理裂缝截住，如图8c所示。在5号样品中，垂直和侧向孔洞同时被破坏。当从垂直射孔开始时，水力裂缝沿着最大水平应力方向传播，被方解石脉捕获。此外，另一条水力裂缝从侧向射孔重新开始，并向最大水平应力方向传播。这两条水力裂缝合并成一条优势裂缝，如图8d所示。在样品#6中，水力裂缝从垂直射孔开始，沿最大水平应力方向扩展。由于层理裂缝以开缝为主，因此水力裂缝沿天然裂缝扩展，如图8e所示。在8号样品中，垂向和侧向射孔被水力击穿，如图8f所示。在向最大水平应力方向扩展的过程中，两个水力裂缝合并成一个更大的横向裂缝。
图8 钙质泥岩样品的裂缝几何形状、三维视图和裂缝面(白线表示裂缝路径，绿色虚线表示破裂射孔)
【结果】
通过对观音桥钙质泥岩和龙马溪页岩进行真三轴水力压裂试验，研究了流体压力曲线特征、天然裂缝和水平应力差对水力裂缝几何形态的影响以及螺旋射孔击穿模式。主要结论如下:
(1)射孔水力压裂的破裂压力低于裸眼水力压裂，较小的射孔相角和较大的水平应力差有利于水力裂缝起裂。
(2)天然裂缝和水平应力差对水力裂缝扩展几何形状有显著影响。当水力裂缝与天然裂缝大角度相交时，通常沿张开的层理界面转向或交叉后分支进入闭合的层理界面。在水平应力差较小的情况下，水力裂缝斜向井筒扩展，随着应力差增大水力裂缝发生转向并向最大水平应力方向传播。
(3)钙质泥岩水力压裂在水力裂缝几何形态和射孔击穿模式上表现出不同的特征。观察到，在脆性较低的钙质泥岩中，一条优势水力裂缝是由单个射孔或两个相邻射孔形成的。相反，在脆性页岩中，多个水力裂缝容易同时从不同的射孔中形成。复杂地质构造地层中水力压裂工程的设计应考虑不同储层岩石的力学各向异性和脆性。
