天然裂缝对干热岩水力压裂裂缝扩展的影响规律

2022-05-11谢紫霄黄中伟熊建华武晓光李根生邹文超龙腾达

天然气工业 2022年4期

谢紫霄黄中伟熊建华武晓光李根生邹文超龙腾达

1. 油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学（北京） 2. 中国石化江苏油田分公司

0 引言

地热能作为一种清洁可再生能源，具有低碳环保、稳定高效等特点，有望助力我国实现“碳达峰、碳中和”目标。干热岩（Hot Dry Rock，缩写为HDR）一般指温度大于180 ℃且内部不存在或仅含少量流体的高温岩体[1]。增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，缩写为EGS）是开发干热岩的主要手段之一[2]，即利用水力压裂等方式在干热岩储层中建立人工热储，从而提高循环工质与高温储层的换热体积。干热岩储层具有温度高、硬度大、天然裂缝发育等特点[3]，如何充分沟通天然裂缝是EGS高效构建的关键。

近年来，国内外学者通过理论分析、室内试验、数值模拟等方式研究了水力裂缝在天然裂缝影响下的扩展机理。目前研究普遍认为，水力裂缝遇天然裂缝后主要有三种裂缝扩展模式：①水力裂缝被天然裂缝捕获；②水力裂缝穿过天然裂缝；③水力裂缝先被天然裂缝捕获，沿天然裂缝扩展一段距离后，又穿过天然裂缝继续扩展[4]。针对非常规油气储层，国内外学者开展了砂岩和煤岩等岩样的真三轴压裂实验，证实了储层中的断层、层理、节理等不连续面对水力裂缝的扩展具有较大影响[5-6]，且天然裂缝和地应力差异系数是决定水力裂缝形态的主控因素[7-8]。此外，数值模拟结果显示，相较致密完整的花岗岩，具有天然裂缝的花岗岩其水力裂缝缝长和缝宽均显著增大，且储层改造效果提升了5.8倍[9-10]。

对于干热岩压裂技术的研究，国内还处于起步阶段。近年来国内学者通过开展室内实验和数值模拟研究，分析了不同温度、围压条件下花岗岩的裂缝起裂及扩展特征。结果表明：高温差产生的热应力会诱导岩石壁面产生微裂缝，花岗岩岩样初始温度越高，起裂压力和裂缝延伸压力越低[11-12]，当初始温度高于300 ℃时，花岗岩的起裂压力大幅降低[13]。

目前，尽管已经开展了煤岩、致密砂岩、页岩等非常规储层的水力压裂研究[14-17]，然而针对高温花岗岩水力压裂时天然裂缝对水力裂缝扩展的影响尚未进行广泛地研究。基于此，本文以裂缝型花岗岩与致密型花岗岩（无天然裂缝）为研究对象，开展真三轴水力压裂实验，探究两种类型花岗岩在不同温度下的裂缝扩展特征及导流能力，旨在揭示干热岩水力裂缝在天然裂缝影响下的扩展规律，为指导干热岩压裂提供理论支撑，助推我国地热资源开发。

1 实验设备及流程

1.1 实验材料

实验所用的岩样为具有天然裂缝的裂缝型花岗岩和完整的致密花岗岩（不含天然裂缝）。实验岩样取自山东省烟台市，颜色灰白，质地坚硬耐风化，且该岩样发育天然裂缝，如图1-a所示。通过力学及X衍射测试，获得了花岗岩岩样的矿物组分和物理力学性质，结果如表1和2所示。

图1 花岗岩岩样实物图

表1 花岗岩矿物组分含量统计表

表2 花岗岩基本物理及力学性质统计表

实验所用的花岗岩矿物组分较为丰富，以斜长石（42.2%）、石英（29.3%）、钾长石（16.0%）等脆性矿物为主，且岩样杨氏模量为36.2 GPa。因此岩样抵抗变形的能力较弱，具有高脆性特征。花岗岩岩样渗透率为0.006 98×10－3μm2，表明该岩样为致密的低渗透性岩体。此外，岩样具有高强的力学特征，其单轴抗压强度和抗拉强度分别为158.1 MPa和10.31 MPa。

实验所用岩样为150 mm×150 mm×150 mm的花岗岩立方体，在其中一面中心位置垂直钻取直径为16 mm、深度为80 mm的圆孔，模拟井眼。以外径为14 mm、内径为10 mm的不锈钢管，模拟井筒，岩样尺寸如图1-b所示。采用耐温环氧树脂固井，首先将石英砂填满裸眼，待固井完成后，钻穿并倒出孔底石英砂，保证环氧树脂不进入孔底。

1.2 实验设备及流程

实验采用自主研发的高温高压真三轴压裂设备，该设备主要由注入系统、高温三轴加载系统和数据采集及控制系统三部分组成。其中，注入系统可通过伺服增压器调节压裂液注入排量和压力，最大注入排量为100 mL/min，最高注入压力为60 MPa。高温三轴加载系统主要由围压釜体、模具垫片、大功率电热管和液压稳压源组成。通过调整模具垫片尺寸，可对边长100～400 mm的立方体岩样进行加载测试。X,Y,Z3个方向的应力加载均独立控制，最大应力加载能力可达50 MPa，加载精度±0.1 MPa。围压釜体内置36根大功率电热管，电热管最大功率可达14.4 kW。该设备能以100 ℃/h的升温速率加热釜体，用于调节和维持围压釜体的温度（小于350 ℃）。数据采集及控制系统主要包括温度传感器、压力传感器、数据采集器等，可实现注入速度、三轴应力、加热温度等参数的实时监测与调控。数据采集器可实时采集注入压力，采集频率达每毫秒100个数据点。

实验详细步骤如下：①将清水压裂液染色，灌装至中间容器，连接管线并检查管线密封性；②岩样放置烘箱内，以5 ℃/min的升温速率加热岩样至目标温度，并维持12 h；③真三轴围压釜加热至目标温度后，取出烘箱内岩样安装于围压釜内，连接井筒与压裂液注入管线；④待围压釜内温度恢复至目标温度后，开启真三轴设备围压增压阀门，通过控制系统加载三轴应力至目标值；⑤开启压裂液注入泵，以目标排量开展干热岩压裂实验，记录压裂—时间曲线，当压裂曲线下降并稳定一段时间后，停止泵注压裂液，保存数据；⑥停止加热釜体，打开设备排空阀门，卸载压力后，取出岩样并标号，完成一组实验；⑦多组实验时，重复步骤②～⑥，直至实验结束。

1.3 实验方案

针对致密花岗岩及裂缝型花岗岩岩样，开展高温真三轴水力压裂实验。依据美国能源部干热岩FORGE计划选址要求的EGS工程干热岩储层温度需达到180～220 ℃[18]，笔者设计了3种温度下（25 ℃、180 ℃、220 ℃）的实验方案，如表3所示。由于干热岩储层埋深大，上覆岩层压力较高，因此实验中地应力状态设置为σv＞σH＞σh。水平应力差异系数（k）决定着压后缝网形态。k越大，越易形成单一裂缝；k越小，越有利于形成复杂缝网，水平应力差异系数公式为[15]：

表3 干热岩水力压裂实验方案表

式中σH、σh分别表示最大、最小水平主应力，MPa。

此外，本实验以清水作为压裂液，注入排量恒定设置为20 mL/min。

2 致密花岗岩水力压裂实验

2.1 温度对花岗岩裂缝的起裂和扩展影响

作为裂缝型花岗岩压裂实验的对照组，以致密花岗岩（不含天然裂缝）为研究对象（试样2、4、5），开展不同温度（25 ℃、180 ℃、220 ℃）下的真三轴水力压裂实验，旨在探究不同温度对花岗岩起裂压力、裂缝形态和裂缝导流能力的影响规律。实验中各向应力为σh=5 MPa、σH=15 MPa、σv=18 MPa，水平应力差异系数(k)为2，压裂液注入排量为20 mL/min。

图2为不同温度下压裂前后花岗岩岩样实物图。为直观展现出岩样压后裂缝形态，将压后岩样沿裂缝面劈开，根据裂缝内染色剂走向和天然裂缝方位，对岩样内部裂缝形态大致进行三维几何重构，描绘出裂缝形态示意图（图2-c、f、i）。由于实验中加载的水平应力差异较大，三种温度下产生的水力裂缝均大致沿最大主应力方向扩展，即垂直于最小主应力方向扩展，且裂缝扩展至岩样表面形成双翼缝。通过对比三组实验的裂缝形态可知，常温（25 ℃）时花岗岩形成的水力裂缝较为平直且缝面迂曲度较小，而180 ℃与220 ℃时花岗岩形成的水力裂缝形态呈不规则的波浪状，裂缝迂曲度明显高于常温花岗岩。这是由于低温流体与井底高温岩石接触时，较大温差诱导热应力使岩石表面产生大量微裂隙。当水力裂缝从井底起裂并扩展时，其周围产生的微裂隙会影响主裂缝的扩展路径，主裂缝倾向于沟通微裂隙后继续延伸，裂缝走向更加迂曲且具有随机性。由图2-f、i可知，虽主裂缝扩展方向大致垂直于最小水平主应力，但由于其在扩展时受到了热应力的影响，裂缝走向发生了一定的偏转。而常温下花岗岩产生的水力裂缝缝面相对平整、裂缝轨迹较为平滑，主裂缝沿最大水平主应力方向扩展至岩样表面，没有发现明显的裂缝转向（图2-c）。

图2 不同温度下致密型花岗岩压裂前后图

对比三组实验压力曲线（图3-a）可知，随着花岗岩温度逐渐升高，其起裂压力逐渐降低，25 ℃、180 ℃和220 ℃条件下，花岗岩起裂压力分别为20.8 MPa、15.2 MPa及9.0 MPa。花岗岩加热至180 ℃和220 ℃时的起裂压力较常温下（25 ℃）花岗岩起裂压力的降幅分别达27%和57%，这也与前人结论相符[10]，即当超过一定温度时，花岗岩的起裂压力会大幅降低。可能造成高温花岗岩起裂压力降低的原因是：当温度较低的流体在井底接触高温岩石后，岩石表面瞬间产生较大的温度差，进而引发矿物颗粒收缩，由于不同矿物的各向异性，矿物收缩程度也随之产生差异，从而造成局部应力集中（即热应力），导致岩石表面产生大量微裂隙。通常冷却过程中井筒周围热应力表现为拉应力，同时井底高压流体对井壁岩石也施加拉伸作用。因此，干热岩压裂是裂缝中流体压力和低温流体对高温岩石产生冷冲击的耦合作用[13,19-20]。随着压裂过程中流体压力的不断提升，晶内或晶间的微裂隙被流体充满，当压力上升至一定程度时，井壁周围的微裂隙会先被高压流体激活并沿裂隙末端继续扩展，从而降低岩石的起裂压力。此外，对比压力曲线的增压速率可知，随着岩样温度的增高，增压速率逐渐降低。这主要是由于井壁周围高温差诱导热应力产生大量微裂缝，导致其渗透率增加，压裂液滤失速度加快，因此增压速率也随之降低，该特征也侧面证明了热应力诱导产生微裂缝降低了岩石的强度。

图3 不同温度下致密型花岗岩注入压力曲线图

同时，由压裂曲线还可看出，常温下岩样注入压力达到起裂压力后，压力瞬间下降至最低点并维持平衡；而180 ℃和220 ℃时岩样起裂后，压力下降较为平缓。这是由于岩样温度的升高，花岗岩的破坏特征由脆性逐步转变为塑性[20]。此外，所有岩样的水力裂缝均扩展至岩样表面，直接观测水力裂缝的开度，可以观察出水力裂缝的开度随着花岗岩温度的升高而逐渐变大，这可能也是由于较大的温差引起了不同种类矿物的膨胀或收缩程度不一致，从而加剧了水力裂缝两侧岩石的错动[21-22]。

2.2 致密花岗岩水力裂缝导流能力

以一定排量向压裂后的岩样重新注入压裂液，通过泵压大小可评价水力裂缝的导流能力[20]。实验中水力裂缝贯穿整个岩样且延伸至岩样外表面，所以裂缝末端流体压力可记为大气压。因此，泵压的大小即为该裂缝在一定排量下的渗流压力。裂缝的导流能力通常可以用渗透系数来表征，其计算公式为[13,20]：

式中K表示渗透系数，mm/s；q表示排量，mL/min；L表示裂缝长度，mm；rw表示水的重度，N/m3；Δp表示裂缝进出口压差，MPa；A表示岩样横截面积，mm2。

为了评价花岗岩水力裂缝的导流能力，以10 mL/min的恒定排量，在无围压的条件下，重新向压后岩样泵注压裂液，直至压力趋于稳定并记录泵压曲线（图3-b）。由图3-b可知，25℃时致裂花岗岩的重注压力显著高于180 ℃和220 ℃条件下致裂花岗岩的重注压力，这表明花岗岩温度越高，压裂后水力裂缝的渗流阻力越低，表明裂缝的导流能力越强，这也与前文所述水力裂缝开度的变化规律相符。利用公式（2）依次计算出不同温度下致密花岗岩压裂后的渗透系数，结果如表4所示。可以看出，水力裂缝的渗透系数随花岗岩温度的增加逐渐增加[21]。其中，220 ℃时花岗岩水力裂缝的渗透系数接近50 mm/s，分别约为180 ℃和25 ℃时致裂花岗岩渗透系数的6倍和35倍。进一步表明，在较高的温度下，花岗岩压裂过程中形成的水力裂缝可为流体提供较大的渗流通道，而常温花岗岩压裂后的水力裂缝较窄，流体阻力较高，需要较大的注入压力以维持流体在裂缝中流动。

表4 不同温度下致密型花岗岩压裂后渗透系数表

3 裂缝型花岗岩水力压裂实验

3.1 天然裂缝对水力裂缝的扩展影响

天然裂缝的存在增加了水力裂缝扩展的复杂性，为了研究干热岩天然裂缝对水力裂缝扩展的影响规律，在致密花岗岩压裂实验的基础上，选取具有天然裂缝的花岗岩岩样，开展了25 ℃与180 ℃时的水力压裂实验（试样1、3）。实验中各向应力为σh=5 MPa、σH=15 MPa、σv=18 MPa，水平应力差异系数(k)为2，压裂液注入排量为20 mL/min。两组实验参数均与致密花岗岩压裂实验一致。

岩样压裂前、压裂后以及三维透视图如图4所示。由图4可知，水力裂缝于井底裸眼处起裂，并沿平行于最大水平主应力方向扩展。当水力裂缝扩展至天然裂缝处，被天然裂缝捕获，并沿天然裂缝继续扩展，没有出现穿过天然裂缝沿原方向扩展的现象。由图4-b可知，压裂液从天然裂缝内渗出，流出岩样表面，表明天然裂缝被激活。图4-e显示，该岩样内存在三条明显的天然裂缝，压后水力裂缝有效激活了其中两条，而另一条天然裂缝未被沟通。可能的原因是被激活的两条天然裂缝在岩石内部相互连通（图4-f），当水力裂缝扩展至其中一条天然裂缝后，缝内流体倾向于沿已沟通的天然裂缝继续延伸，并最终流出岩石表面，导致水力裂缝无法沿原方向继续扩展。

图4 不同温度下裂缝型花岗岩压裂前后对比图

较高的水平应力差有利于水力裂缝穿过天然裂缝，并沿原方向继续扩展[23]。郭培峰等[24]开展了真三轴水力压裂室内实验，结果显示当水平应力差异系数大于1时，水力裂缝穿透天然裂缝后继续扩展，出现“贯穿”现象。本实验中水平应力差异系数设定为 2（σh=5 MPa，σH=15 MPa），但实验结果中未出现水力裂缝穿过天然裂缝继续扩展的情况。可能是岩样中天然裂缝开度较大（约为1 mm）且裂缝内未填充胶结矿物，导致天然裂缝的强度较低且渗透率较高。当水力裂缝扩展至天然裂缝后，在一定静压力的驱使下，缝内流体优先进入强度较低的天然裂缝，并沿天然裂缝继续扩展至岩石表面，出现了水力裂缝被“捕获并转向”的现象。Zhou等[7]开展了室内实验，证实了当天然裂缝开度较大时，水力裂缝更易发生转向，而当天然裂缝开度较小时，水力裂缝倾向于穿透天然裂缝并沿原方向继续扩展。

3.2 裂缝型花岗岩压裂过程压力曲线特征

由于裂缝型花岗岩中存在多条天然裂缝，导致其压裂时流体压力变化与致密花岗岩的不同。图5-a、b分别为裂缝型花岗岩与致密花岗岩在25 ℃和180 ℃下压裂时的压力曲线，由压力曲线可知，裂缝型花岗岩岩样水力压裂过程可大致分为四个阶段[20]：

1）压力聚集阶段：该阶段有两个加载过程，随着压裂液逐渐充满井筒，井内流体压力以较低的速率（曲线斜率小）缓慢上升，上升速率反映了注入排量的大小；随着流体进一步注入，由于水的压缩性差，流体在井筒内迅速增压，压力在短时间内以较高速率（曲线斜率大）上升，直至压力达到岩石的起裂压力，该阶段如图5中Ⅰ段。

2）裂缝起裂和扩展阶段：当流体压力达到岩样起裂压力，井壁岩石产生水力裂缝并扩展至天然裂缝处，此过程伴随流体不断流入缝内，引起井内压力骤降，图5中Ⅱ段。

3）缝内憋压阶段：当流体流至天然裂缝，尽管会有少部分流体滤失至天然裂缝中造成流体的短暂降低，但流体注入排量远大于滤失液量，因此缝内流体压力会再次升高，直至达到天然裂缝的扩展压力，图5中Ⅲ段。

4）天然裂缝开启阶段：当缝内流体压力达到开启天然裂缝的压力时，天然裂缝被流体沟通，此时大量流体流入被开启的天然裂缝中，井筒内压力再次骤降，并逐渐趋于稳定，图5中Ⅳ段。

由图5可知，常温（25 ℃）下裂缝型花岗岩的起裂压力为16.7 MPa，比相同条件下致密花岗岩的起裂压力低4.1 MPa；180 ℃时裂缝型花岗岩起裂压力为12.2 MPa，比相同条件下致密花岗岩的起裂压力低3 MPa，表明具有天然裂缝的裂缝型花岗岩的起裂压力低于致密花岗岩。此外，25 ℃时裂缝型花岗岩的起裂压力比180 ℃时裂缝型花岗岩高4.5 MPa，这也符合上述实验结论，即随着花岗岩温度的升高，岩样的起裂压力逐渐降低。

图5 不同温度下致密花岗岩与裂缝型花岗岩压力曲线图

3.3 天然裂缝对压裂后岩样导流能力的影响

利用上文中评价裂缝导流能力的方法对裂缝型花岗岩水力裂缝进行评价，即以一定排量重新向岩样注入压裂液，注入压力可作为初步评价裂缝导流能力的指标。以10 mL/min的排量将清水注入压裂后的裂缝型花岗岩中，当压力稳定后记录压力曲线，如图6所示。无论是在常温（25 ℃）还是180 ℃时，裂缝型花岗岩的注入压力都小于相同条件下致密花岗岩的注入压力，表明水力裂缝与天然裂缝沟通后有效提高了裂缝的导流能力。

图6 不同温度下致密花岗岩与裂缝型花岗岩重注压力曲线图

利用式（2）计算不同温度下岩样等效渗透系数，结果如表5所示。对比致密花岗岩和裂缝型花岗岩的渗透系数可知，25 ℃时裂缝型花岗岩的渗透系数为3.45 mm/s，较致密花岗岩的渗透系数提高约1.46倍。当岩样温度为180 ℃时，裂缝型花岗岩的渗透系数较致密花岗岩提高约2.35倍。无论是致密花岗岩还是裂缝型花岗岩，水力压裂形成的裂缝网络都具有一定的导流能力。裂缝型花岗岩压后裂缝导流能力显著高于致密花岗岩，这是由于裂缝型岩样中存在的天然裂缝开度较大且未被胶结矿物充填，即天然裂缝本身具有较高的渗透性。当水力裂缝有效连通天然裂缝后，提高了裂缝网络的复杂性并大幅增加了岩体内部的有效渗流通道，从而增强了裂缝网络的导流能力。而致密花岗岩压后裂缝形态单一，仅存在一条主裂缝且开度较小，导致岩样内部的有效渗流空间不足，进而导致其渗透系数较低。

表5 不同温度下裂缝型花岗岩压裂后渗透系数表

此外，实验结果还显示，随着裂缝型花岗岩温度的上升，裂缝导流能力也相应地提高，这也间接证实了前文结论，即岩样温度越高，水力裂缝的导流能力越高。因此针对干热岩储层压裂，有效的沟通天然裂缝，可形成较为复杂的裂缝网络，有利于提高裂缝导流能力，进而增大储层渗透率。

4 思考与讨论

干热岩压裂时注入的流体与井底岩石存在较大温差，岩石表面会诱导热应力迫使其产生大量微裂隙。随着水力裂缝的不断扩展，其周围产生的微裂隙会影响主裂缝的扩展方向，主裂缝倾向于沟通微裂隙后继续延伸，裂缝走向更加迂曲且具有随机性，如图7-a所示。

图7 干热岩裂缝扩展示意图

天然裂缝广泛存在于干热岩储层中，其对压裂过程中裂缝的起裂和扩展具有重要影响[25]。本实验结果表明，天然裂缝的存在有效降低了花岗岩起裂压力，有利于形成较为复杂的裂缝网络。岩石起裂压力的大小主要取决于井壁附近地应力分布情况，而非远井地带的地应力大小。当井壁附近的地应力减小，井壁内岩石的起裂压力会随之降低。本实验所用的裂缝型花岗岩井壁周围存在一条或多条天然裂缝，实验中岩样加载应力时，由于天然裂缝的存在，可能导致井壁附近应力加载不均匀，进而造成井壁附近岩石加载的地应力小于致密型花岗岩所加载的地应力，最终导致裂缝型花岗岩的起裂压力低于致密花岗岩的起裂压力。岩样中天然裂缝的存在，在一定程度上降低了岩石的力学强度，进而减小岩样的起裂压力[10]。

实验设置了较大的水平应力差异（k=2），但水力裂缝没有穿过天然裂缝继续扩展，可能是岩样中天然裂缝开度较大，且裂缝胶结强度远小于岩样基质强度。当水力裂缝扩展至天然裂缝后，缝内流体优先进入强度较低的天然裂缝内，并且低温流体与高温岩石接触后产生热应力诱导微裂隙的生成，进一步劣化了天然裂缝强度，促使流体沿着更易于流动的空间（天然裂缝）行进（图7-b），并最终扩展至岩样表面，导致缝内流体产生压降，始终无法达到穿过天然裂缝所需的最小延伸净压力。

此外，实验结果表明，水力裂缝有效沟通天然裂缝后，显著提高了裂缝渗透系数，改善了储层中裂缝的导流能力。因此，寻找天然裂缝发育的干热岩储层进行压裂改造是高效开发利用地热能的关键之一[26]。