工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1516-1522   (4817 KB)    
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  • 收稿日期:2017-01-25
  • 收到修改稿日期:2017-04-06
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    张搏, 李晓, 王宇. 2018. 排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究[J]. 工程地质学报, 26(6): 1516-1522. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-046.
    ZHANG Bo, LI Xiao, WANG Yu. 2018. Experimental study on effect of pump rate on fracture network propagation[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1516-1522. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-046.

    排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究
    张搏①②③, 李晓②③, 王宇    
    ① 贵州民族大学建筑工程学院 贵阳 550025;
    ② 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
    ③ 中国科学院大学 北京 100049;
    ④ 北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083
    摘要:在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P32作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:(1)在块体单元边长较小(即预制裂缝密度较大)的试样中,体积压裂的效果更加显著;(2)小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;(3)随着排量的增加,试样压裂后的P32值会升高;但排量增加到一定程度后,P32值不再增长,甚至略微下降。
    关键词水力压裂    预制裂缝    排量    体积压裂    页岩气    
    EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF PUMP RATE ON FRACTURE NETWORK PROPAGATION
    ZHANG Bo①②③, LI Xiao②③, WANG Yu    
    ① Architectural Engineering College, Guizhou Minzu University, Guiyang 550025;
    ② Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ③ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
    ④ School of Resources and Civil Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083
    Abstract: In the field of hydraulic fracturing for shale gas production, the pump rate has a significant effect on fracture network propagation. The random natural fractures in shale reservoir lead to confusion of parametric sensitivity analysis in hydraulic fracturing. Firstly, based on the fracture characteristic in shale reservoir, concrete specimens with three sets of orthogonal pre-existed fractures are prepared. Then, with true triaxial fracturing simulation experimental system, the fluid with constant pump rate is injected into the specimens under true triaxial loading. Finally, the area of fractures per unit volume(P32) is employed to analyse the effect of pump rate on fracture network propagation. The results show as follows. (1)In the specimens with small dimension of block element(high pre-existed fractures density), the phenomenon of stimulation reservoir volume is more significant. (2)The fluid with low pump rate can stimulate only pre-fractures in specimens. The fluid with medium and high pump rate can not only stimulate the pre-fractures, but also divert the direction of stimulated pre-fractures and open new hydraulic fractures in concrete, which increases the complexity of fracture network. (3)With the increase of injection rate, the P32 value of specimen after fracturing increases. However, when the injection rate increases to a certain value, the P32 value doesn't increase, or even decreases.
    Key words: Hydraulic fracturing    Pre-existed fracture    Pump rate    Stimulation reservoir volume    Shale gas    

    0 引言

    在页岩气储层的水力压裂过程中, 由高压流体所产生的张拉作用, 会使储层中产生主水力裂缝。在流体滤失的条件下, 受控于天然裂缝发育特征和地应力环境的影响, 天然裂缝发生张拉破坏或者剪切破坏, 并且发生一定程度的延伸。这个以主裂缝为主干的纵横交错的网状裂缝系统(张裂缝+剪裂缝), 称为裂缝网络。Mayerhofer et al.(2008)提出了体积压裂的概念(stimulation reservoir volume, SRV), 用一个量化的三维空间, 来描述水力压裂在长、宽、高3个维度对页岩储层进行“立体改造”; 并且根据现场实际, 选用微震信号的分布规模, 来表征体积压裂的复杂程度。不同于早已成熟的常规水力压裂, 人们对体积压裂认识还不够清晰。

    国内外学者对进行了不同类型的水力压裂试验和数值模拟分析, 以分析各因素对压裂后缝网规模的影响。Blanton et al.(1982)通过室内压裂试验较早地发现了水力裂缝与天然裂缝的相互作用, 认为天然裂缝使水力裂缝变得更加复杂。张旭等(2013)对页岩试验进行真三轴水力压裂试验, 认为随着排量的增大, 试样破裂后的裂缝形态更加复杂。Guo et al.(2014)对页岩进行压裂试验, 并借助6 MeV的CT扫描系统, 分析了水平应力差、排量和压裂液黏度对裂缝扩展的影响。Wang et al.(2016)在夹层状混凝土模型中烧制随机天然裂缝, 以应力比和排量为变量, 并利用激光扫描仪对压裂后的裂缝表面进行扫描, 最终对裂缝网络做出定量评价。在这些试验中, 样品中的天然裂缝具有较强的随机性, 这种随机性会给水力压裂的参数敏感性分析, 如排量的影响, 带来不同程度的干扰。

    用含有确定密度和分布预制裂缝的样品进行水力压裂试验, 来定量地描述和研究排量对水力压裂的影响显得尤为重要。本文制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样, 然后以不同的恒定排量向试样内部注入流体。最后通过一个定量指标描述压裂后的裂缝网络规模, 来调查不同排量对水力压裂缝网形态的影响。

    1 试样制备和试验方案
    1.1 试样制备

    首先制备两组不同尺寸的混凝土块体单元, 其尺寸分别为4 cm×4 cm×4 cm和7 cm×7 cm×7 cm(图 1a)。制备过程中, 块体水泥与砂的重量比均为1 ︰ 2。经过28 d养护后, 混凝土块体达到试验所需强度, 测得黏聚力c=6.2 MPa, 内摩擦角φ=18°, 抗拉强度σt=2.1 MPa。用泥浆把混凝土块体逐层黏结(图 1b), 使最终的试样具有3组正交的预制裂缝, 以此来模拟由矿物胶结而成的天然裂缝(Bahorich et al., 2012; Gale et al., 2014)。然后利用泥浆涂抹试样表面使之平整, 由两种尺寸块体拼接的正方体试样边长分别为21 cm和21.5 cm(图 1c), 两个试样边长相差仅2.4%。因此, 这两种试样可视为具有相同尺寸, 且由边长4 cm块体单元组成的试样具有较高的预制裂缝密度。最后, 在试样顶部钻孔, 并用环氧树脂胶黏结注水钢管。其中, 钻孔深度为11 cm, 注水钢管埋入10 cm。

    图 1 混凝土试样的制作过程 Fig. 1 Process of concrete specimen making a.两种不同尺寸的混凝土块体单元(边长分别为4 cm和7 cm); b.块体单元逐层黏结成水力压裂试样; c.制作完成后的最终试样

    1.2 试验方案

    本文的主要试验目的是调查排量对水力压裂效果的影响, 因此试验方案中设置了3种排量。同时, 试样中分别包含两种边长的块体单元, 代表试样中不同的预制裂缝密度, 以便对试验结果进行验证和对比。由于混凝土的渗透率较高, 导致流体向基质中滤失较大, 为此压裂试验过程中采用较高的排量。每组试验注入流体的总体积相同, 为250 ml。由于混凝土试样强度较低, 为防止试样在加载边界应力时发生破坏, 因此试验时施加的边界应力较低。具体试验方案见表 1

    表 1 混凝土试样水力压裂方案 Table 1 Hydraulic fracturing scheme for concrete specimen

    1.3 试验步骤

    (1) 将制备后的混凝土试样放入加载室, 在试样的各表面放置5 mm厚的橡胶, 并用千斤顶完成三向应力加载(图 2)。

    图 2 真三轴压裂加载装置 Fig. 2 Experimental system of true triaxial fracturing simulation a.实物图; b.示意图

    (2) 将红色墨水导入压裂液中, 同时启动水力压裂泵压系统, 计算机实时同步采集各项试验数据。

    (3) 水力压裂试验结束后, 停止泵压系统并将加载室内的应力卸载至0。

    (4) 拆卸试样, 采用数码相机对试样各表面进行拍摄, 并在计算机上进行后期描画处理。

    (5) 对压裂后的混凝土试样剖切, 描述试样内部的裂缝空间分布。

    (6) 对泵压曲线和试验前后样品的裂缝形态进行综合分析。

    2 试验结果分析
    2.1 泵压-时间曲线分析

    图 3图 4, 排量对泵压曲线的形态有显著影响。对于压裂排量为150 ml·min-1的试样2和试样5, 在达到破裂压力后, 泵压曲线随时间的变化并不是单调递减, 而是呈较为明显的阶梯状。造成这一结果的原因可能是:试样在达到破裂压力时形成主裂缝, 流体迅速流入水力裂缝中, 造成泵压降低。而后, 由于样品中存在胶结、闭合的预制裂缝, 导致水力裂缝在扩展中受阻, 造成流体“憋压”, 泵压上升; 当预制裂缝被激活, 流体又进一步向天然裂缝中滤失, 造成泵压下降。随着泵入流体的增多, 水力裂缝与预制裂缝的相互作用逐渐增多, 导致泵压曲线发生阶梯式波动。这种典型的波动式泵压曲线与裂缝网络的形成有密切的关系, 是体积压裂的一个明显特征(郭印同等, 2014)。水力压裂过程包括一系列复杂的力学行为, 包括憋压, 水力裂缝产生, 水力裂缝扩展, 裂缝间的相互作用, 流体滤失等等。因此, 仅仅依靠泵压曲线难以对压裂效果做出准确的定性和定量评价, 还需要对压裂后试样的裂缝形态进行分析。

    图 3 试样1~3泵压-时间曲线 Fig. 3 Pumping-pressure curves for specimens 1~3

    图 4 试样4~6泵压-时间曲线 Fig. 4 Pumping-pressure curves for specimens 4~6

    2.2 试样破坏形态分析

    压裂试验结束后将试样取出, 沿试样表面裂缝剖切, 并在水力裂缝处用红色记号笔描画。需要说明的是, 图中没有用红笔描画的裂缝, 并不是水力裂缝, 而是剖切时的破坏导致, 因此不予以描画。对于块体单元边长为7 cm的试样(即预制裂缝密度低), 如图 5, 在低排量作用下, 试样1中的水力裂缝在表面扩展了一定距离后停止, 自身没有发生显著的转向, 只是在试样内部激活了少量预制裂缝; 如图 6, 在中等排量作用下, 试样2中的水力裂缝不但能够在面1的右侧和左侧激活预制裂缝, 而且面3'处已激活的预制裂缝在扩展时发生偏转, 重新在混凝土基质中产生一支新的水力裂缝; 如图 7, 在高排量作用下, 试样3中的水力裂缝在面1、面3'、面3和面2'处, 激活了较多的预制裂缝, 从而组成了一个纵横交错的裂缝网络。

    图 5 试样1表面裂缝素描 Fig. 5 Sketch of surface fractured in specimen 1 a.实物图; b.表面裂缝展开图

    图 6 试样2表面裂缝素描 Fig. 6 Sketch of surface fractured in specimen 2 a.实物图; b.表面裂缝展开图

    图 7 试样3表面裂缝素描 Fig. 7 Sketch of surface fractured in specimen 3 a.实物图; b.表面裂缝展开图

    对于块体单元边长为4 cm的试样(即预制裂缝密度高), 如图 8, 在小排量作用下, 试样4的主裂缝只是在内部产生, 并未扩展至试样表面, 而且激活的预制裂缝的形态也较为简单; 如图 9, 在中等排量作用下, 试样5中的预制裂缝已经被大量激活, 以至于在剖切时有大量块体脱落, 无法进行表面裂缝的素描; 如图 10, 而在高排量作用下, 试样6中形成了一条贯穿整个试样的宏观裂缝, 并且在面1'处已激活的预制裂缝发生偏转, 重新产生一支新的水力裂缝。这支新的水力裂缝在遇到预制裂缝时又将其激活。

    图 8 试样4表面裂缝素描 Fig. 8 Sketch of surface fractured in specimen 4 a.实物图; b.表面裂缝展开图

    图 9 试样5剖切后 Fig. 9 Specimen 5 after cutting

    图 10 试样6表面裂缝素描 Fig. 10 Sketch of surface fractureds in specimen 6 a.实物图; b.表面裂缝展开图

    因此, 对照试样1~3和试样4~6压裂后的表面裂缝分布, 低排量只能较少激活的预制裂缝, 而激活的预制裂缝不会在混凝土基质开启新的水力裂缝; 而中等排量和高排量, 不但可以大量激活预制裂缝, 还具有足够的能量使激活的预制裂缝发生偏转, 重新在混凝土基质中产生水力裂缝, 使裂缝扩展至更远处, 增加裂缝网络的复杂性, 最终达到较为理想的压裂效果。

    由于试样5在剖切后过于破碎(图 9), 故无法进行表面裂缝的素描。

    2.3 试样内部裂缝面积计算

    对于进行水力压裂的立方体试样, 仅靠试样表面的裂缝分布分析并不能完全反映真实的压裂效果。郭天魁等(2013)采用压后裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度对裂缝进行定量表征, 并对压后崩落碎块进行对比分析。郭小哲等(2015)提出了6个缝网沟通效果评价指标, 用以更深入研究压裂过程中的参数影响程度。由于水力压裂的主要目的是增渗, 即通过增加裂缝与基质的接触面积来达到提高渗透率的效果。考虑到水力裂缝与天然裂缝相互作用时, 发生在三维空间, 为此本文采用了一个较为简单实用计算公式:

    $ {P_{32}} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^n {A_i}/{V_{{\rm{block}}}} $ (1)

    式中, P32为单位体积的裂缝面积之和; Ai为各裂缝的表面积; Vblock为试样的总体积。公式的物理意义是所有激活裂缝的接触总面积与试样体积之比。

    经过测量剖切后统计各个染色块体的长度、高度和宽度, 并将其代入式(1)中, 计算结果(图 11)。

    图 11 排量与P32的关系 Fig. 11 The relation between injection rate and P32

    图 11可知, 对于块体单元边长为7 cm的试样(低预制裂缝密度), 随着排量的增加, P32数值会从0.061 cm-1显著增大至0.079 cm-1, 而后不再有显著增长; 对于块体单元边长为4 cm的试样(高预制裂缝密度), 随着排量的增加, P32值先增大到最大值0.084 cm-1, 而后又略微下降到0.082 cm-1

    通过进行两组含有不同块体单元边长的试样的水力压裂试验, 发现在该试验尺度下, 随着排量的增加, 压裂后的P32值并不一定是单调增加, 而是有可能不再增长, 甚至有所下降。这可能是因为虽然大排量的流体可以在混凝土基质中重新开启水力裂缝, 从而增加裂缝网络的复杂性, 但其迅速注入试样内部也会产生快速“憋压”现象, 水力裂缝之间的能量损耗也随之增大, 尤其在相同的注入体积下, 压裂液没有足够的时间发生滤失而激活预制裂缝。

    同时, 由图 11可知, 在试验条件下, 块体单元边长4 cm的试样所产生的P32值整体略高。这是因为较小的块体单元边长, 在相同体积的试样中形成较多的预制裂缝。那么在注入流体总体积相同的情况下, 该试样中激活的预制裂缝也较多, 从而提升裂缝网络的总体规模。

    3 结论

    在本文中, 对含有预制裂缝的混凝土试样, 进行不同排量的真三轴水力压裂试验, 在试验条件下, 得到如下结论:

    (1) 在相同试样条件下, 块体单元边长较小(即预制裂缝密度较大)的混凝土试样, 所产生的体积压裂效果较显著。

    (2) 在压裂试验中, 小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝, 而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转, 在混凝土基质中重新开启水力裂缝, 从而增加裂缝网络的复杂性。

    (3) 在本试验条件下, 随着排量的增加, 试样中激活裂缝的总面积会升高; 但排量增加到一定程度后, 可压裂体积会停止增长, 甚至是略微下降。

    参考文献
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