孟卫东,刘洪涛,孙彬峰

(1.中国石油化工股份有限公司 河南油田分公司科技部,河南 南阳 473000;2.中国石油化工股份有限公司 河南油田分公司石油工程技术研究院,河南 南阳 473000)

目前水力压裂技术是致密储层有效开发的重要技术之一,具有很高商业价值,并得到广泛运用,而压裂之后的裂缝形态是评价裂缝扩展的重要因素[1-2]。但储层一般埋藏较深、地下岩层结构和应力水平复杂,对水力压裂技术具有诸多影响,加上缺乏准确有效的现场监测手段,因而无法直接观测地下储层的水力压裂效果[3]。现阶段人们对水力压裂裂缝的扩展模式和分布规律认识不清,对地下压裂井网的设计和布置具有盲目性。因此,探明和掌握水力压裂裂缝的起裂条件、扩展形态和影响因素,对于水力压裂设计、储层改造和提高油气资源的采收率十分重要。针对不同压裂液对储层岩石进行的室内压裂物理模拟试验,是认识压裂裂缝几何形态和扩展规律的一种可靠、有效的手段,通过室内试验探究不同因素对水力压裂破裂压力及破坏形态的影响能够更好地指导现场压裂设计[4-7]。

目前国内外主要通过大尺寸真三轴物理实验来直观研究压裂裂缝形态。Daneshy[8]较早地利用真三轴装置开展了砂岩裂缝延伸实验,并采用透明有机玻璃作为材料制备试样以直观观察裂缝形态。Bahrmann 和Elbel[9]、Ketterij和 Pater[10]、张广清和陈勉[11]通过真三轴水力压裂物理实验分别研究了射孔方位角和井筒方位角对水力裂缝的影响。Lamont和Jessen[12]、Blanton[13]、Olson等[14]、Dehghan等[15]、林伯韬等[16]、唐鹏飞等[17]、郭培峰等[18]分别通过岩石和混凝土模拟实验对预制天然裂缝的立方体试件进行真三轴水力压裂实验,研究了岩石类型、胶结类型、天然裂缝发育、倾角及走向、应力差等不同因素下的天然裂缝对压裂裂缝扩展的影响。Guo等[19]、Liu等[20]、鞠杨等[21]借助计算机断层扫描(computed tomography,CT)扫描技术和分形理论对真三轴压裂后的页岩和砂砾岩的压裂裂缝形态裂缝复杂程度进行了评价。Shi等[22]为了研究砂砾岩储层的水力裂缝破裂行为和体积压裂的可行性,通过真三轴物理实验研究压裂裂缝形态,并开展声发射实时监测,试验结果产生弯曲的水力裂缝。李畅等[23]采用水、超临界二氧化碳两种压裂液对煤样进行水力压裂试验发现,使用水作为压裂液时,破裂压力更高。Cai等[24]研究煤岩水力压裂裂缝网络形态,讨论了主水力裂缝在应力扰动下水力裂缝网络生长的基本规律。王燚钊等[25]采用页岩油不同储集层的全直径岩心进行真三轴压裂物理模拟实验,研究水力裂缝在不同储集层中的纵向扩展形态;侯冰等[26]基于室内真三轴室内压裂物模试验,采用全直径致密砂岩和页岩全直径岩心,利用混凝土包裹全直径井下岩心测试真三轴环境下的水力裂缝起裂和垂向延伸形态;邹雨时等[27]采用页岩油储集层井下全直径岩心制备薄互层状页岩岩样,开展小尺度真三轴携砂压裂实验,研究了薄互层型页岩油储集层水力裂缝形态与支撑剂分布特征。焦子曦等[28]开展了不同压裂液黏度作用下砂岩室内水力压裂试验,揭示了压裂液黏度对水力压裂破裂压力、破坏形态的影响。

目前许多学者进行了不同储层水力裂缝扩展形态的室内实验研究,所采用的真三轴压裂岩心多为露头以及混凝土浇铸的立方岩样,而露头岩心和混凝土岩心与井下岩石弹性模量、内摩擦力等力学性质差异较大,压裂试验结果不能真实反映井下岩石的起裂和扩展特征。而全直径岩心与井下一致性较好,但是目前此类岩心的应力加载为单向轴加载和环面围压加载,非真实三向应力状态。因此,创新性地构建了井下全直径岩心真三轴压裂方法,试验结果能更好地指导水力压裂现场施工。选用八道湾组井下全直径岩心,开展大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验,同时探索滑溜水、瓜胶和超临界二氧化碳对井下全直径岩心裂缝延伸形态以及破裂压力的影响,为现场施工和压裂设计提供指导。

1 实验设计

1.1 样品制备

使用大尺寸试样可以保证裂缝的延伸过程控制在理想的时间范围内,且裂缝的延伸为准静态扩展或稳态扩展。基于野外露头采集的岩心试样由于具有形状不规则﹑难以加工、风化严重﹑存在原始裂缝﹑无法确定层内非均质性等缺点,同样不能满足本次实验要求,采用混凝土浇筑制作的大尺寸正方体试样,从本质上与储层的岩心结构性质存在差异。而井下岩心试样由于规格受限无法保证裂缝的稳定扩展;将井下全直径岩心中央钻孔形成井眼,黏结井筒后进一步浇铸水泥,形成300 mm的立方体试样,可以满足大尺寸的实验要求,保证裂缝的稳定扩展,实验结果可以进一步地观察到全直径岩心压裂裂缝扩展的情况。

岩样取自新疆焉耆盆地博湖坳陷,宝浪苏木构造带,下侏罗统八道湾组,岩心取自八道湾组的X井,取心深度为2 855.66～2 914.35 m,岩心直径为10 cm,长度为11～15 cm。关键岩石力学参数与地应力参数见表1和表2。根据岩心、录井、测井资料综合分析研究,主要岩相类型为中-细砾岩相,砾状-含砾砂岩相和泥岩相。岩石颗粒磨圆度较差,以次菱角状为主,颗粒分选为差-很差,长石颗粒表面风化程度以中等为主。孔喉特征为微细-细为主,且喉道半径分布集中在0.6～1.5 μm,分选性差,以不均质类型为主,弯曲程度较高。岩心的岩性为含砾砂岩,测井数据显示,平均渗透率为0.03 μm2,平均孔隙度为8.81%。

表1 主要岩石力学参数

表2 地应力参数

实验试样制备：将3块全直径岩心端面切割完整,长度均为11.0 cm,钻孔直径为12 mm,钻孔深度为全直径岩心一半深度5.5 cm,如图1所示;将预制的井筒与全直径岩心固结,如图2所示;以全直径岩心为中心,放入300 mm的立方体模具中,四周封注水泥,最后获得3个300 mm的立方体试样,如图3所示。

图1 X井全直径岩心

图2 试样制备及井筒固结

图3 水泥浇筑制备试样(顶面与侧面)

1.2 真三轴压裂实验系统

真三轴裂缝起裂扩展及渗流模拟系统包括大型真三轴伺服加载系统、水力压裂压力加载系统和声发射监测系统,采用了机械测试与仿真(mechanical testing &simulation,MTS)公司的伺服增压器、控制器和液压器,如图4、图5所示。该系统加载装置可提供三向压力,压力、流量等数据自动采集并记录,注入泵、三轴压力等可实现自动控制,可以有效监测破裂压力,该系统的具体实验系统参数见表3。

图4 真三轴裂缝起裂扩展及渗流模拟系统实物图

图5 真三轴裂缝起裂扩展及渗流模拟系统

表3 真三轴裂缝起裂扩展及渗流模拟系统参数

1.3 实验方案

实验目的：研究不同类型压裂液对储层岩心的破裂压力和裂缝延伸形态的影响。

实验步骤：①将岩样置于岩心室内,根据已知的储层地应力,设定参数,通过MTS伺服增压器加载最小水平主应力49.8 MPa、最大水平主应力63.4 MPa和上覆垂向应力59.2 MPa,该条件能较为准确地代表储层的应力状态;②开启泵注系统,将压裂液注入井筒内,恒定排量压裂,按恒定的排量0.5 mL/s持续注入压裂液直至岩石破裂,通过监测系统实时记录井口压力,岩石破裂后记录破压力;③分别采用滑溜水压裂液、瓜胶压裂液和超临界二氧化碳进行实验。具体实验方案见表4。

表4 压裂实验方案

实验结果：分别记录滑溜水压裂液、瓜胶压裂液和超临界二氧化碳所对应的破裂压力以及裂缝延伸形态特征。

2 实验结果与分析

2.1 滑溜水压裂液压裂

采用低黏滑溜水压裂液压裂岩样表面裂缝沿竖直上与垂向应力夹角为45°左右,水平上与最大水平应力夹角为45°左右方向扩展,贯穿整个岩石面,形成了一条双翼缝,同时在侧面形成了分支缝,如图6(a)所示。全直径岩心裂缝面具有一定的凹凸不平特性,同时形成了转向裂缝,如图7所示。实验记录得到的破裂压力为74.6 MPa。

图6 滑溜水压裂液压后岩样表面

图7 滑溜水压裂液压后岩样剖面

2.2 瓜胶压裂液压裂

采用瓜胶压裂液压裂岩样表面裂缝沿最大水平主应力、垂直于水平最小主应力方向扩展,贯穿整个岩石面,形成了一条双翼缝,裂缝继续扩展至两侧面,形成了一条转向缝。全直径岩心内形成一条双翼缝,形成的裂缝较滑溜水更为平直和对称,如图8、图9所示。实验记录得到的破裂压力为82.7 MPa。

图8 瓜胶压裂液压后岩样表面

图9 瓜胶压裂液压后岩样剖面

2.3 超临界二氧化碳压裂

超临界二氧化碳压裂岩样表面裂缝形态复杂,裂缝易发生转向,迂曲度大,主缝为双翼非对称缝,超临界二氧化碳 可以诱导产生 2 个及以上的贯穿主裂缝,裂缝整体分布呈现“Y”形和“H”形的断裂形态,如图10所示;同时超临界二氧化碳有利于裂缝起裂,实验记录得到的破裂压力为55.2 MPa。全直径岩心内裂缝复杂程度高,可以形成缝网和转向裂缝,如图11所示,裂缝面具有凹凸不平特性,这对于压裂裂缝自支撑具有重要作用。

图10 超临界二氧化碳压后岩样表面

图11 超临界二氧化碳压后岩样剖面

对比3种压裂液压裂下的破裂压力,如图12所示,瓜胶压裂液下的破裂压力最高,滑溜水压裂液次之,超临界二氧化碳压裂液的破裂压力最小,超临界二氧化碳压裂致使压裂液溢出裂缝造成压力骤降,整个裂缝扩展过程几乎在瞬间完成,压裂时间大幅缩短,可以形成更加复杂的缝网,与滑溜水和瓜胶压裂液相比,破裂压力分别降低了26.0%和33.3%。

图12 不同压裂液下的破裂压力

3 结论

1)瓜胶压裂液压裂下的破裂压力最高,滑溜水压裂液次之,超临界二氧化碳的破裂压力最小,压裂时间最短,可以形成更加复杂的缝网,与滑溜水和瓜胶压裂液相比,破裂压力分别降低了26.0%和33.3%。

2)滑溜水压裂液压裂岩样表面可以形成分支缝,全直径岩心可以形成转向裂缝;瓜胶压裂液压裂岩样表面和全直径岩心均形成较为平直的双翼裂缝;超临界二氧化碳压裂岩样表面裂缝形态复杂,裂缝易发生转向,迂曲度大,主缝为双翼非对称缝,可以诱导产生多条贯穿主裂缝,裂缝整体分布呈现“Y”形和“H”形,全直径岩心内裂缝复杂程度高,可形成缝网和转向裂缝,裂缝面具有凹凸不平特性,这对于压裂裂缝自支撑具有重要作用。