0 引言

干热岩地热资源的开发是“国家地热能开发利用‘十三五’规划”重点任务，也是国家能源战略体系建立的重要一环。干热岩地热能属于清洁能源，储量丰富，开发潜力巨大。因此，中国石化集团计划在青海共和盆地建立我国第一个干热岩地热资源开发示范基地。但是干热岩储层开发工程技术挑战性大，特别是开采过程中需要使用水力压裂方法增大注入井与生产井之间的流动能力，以达到提取地热能的目的，这是开发成功的难点技术之一。

水力压裂技术已在石油工程领域得到广泛应用，已成为储层改造的关键技术。但是在干热岩储层中的水力压裂施工还处于试验阶段，应用较少，认识不清。主要的工程技术挑战为干热岩储层的复杂性明显有别于油气储层，现有的水力压裂施工经验难以直接移植。因此，为了设计和优化干热岩储层的水力压裂施工，需要重点研究人工裂缝在干热岩储层起裂与扩展形态。

水力压裂裂缝起裂与扩展形态主要通过大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验的手段进行研究。在石油工程领域，国内外学者利用该实验方法研究了水力裂缝在不同储层起裂和扩展中的形态变化^[1-3], 以及遇到弱胶结面^[4-5]、随机天然裂缝等弱面^[6-7]影响下的扩展规律。但是国内外针对干热岩储层的物理模拟实验研究，特别是开展高温高压条件下大尺寸真三轴水力压裂物理模拟的实验研究才刚刚起步^[8-10]。

因此，本文利用油气资源与探测国家重点实验室岩石力学分室升级改造的高温水力压裂物理模拟实验系统，基于中国石化集团在青海省共和盆地干热岩储层现场的露头试样，开展了水力压裂物理模拟实验研究，揭示了水力裂缝在干热岩储层岩石中的起裂与扩展规律。

1 干热岩水力压裂实验装置

为了模拟高温下干热岩地热储层中水力裂缝的扩展形态，需要对现有的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统进行改造升级。现有实验设备是油气资源与探测国家重点实验室岩石力学分室的水力压裂物理模拟实验系统(图 1)，改造前已能提供140 MPa的注入压力，三向应力(垂向应力、最大水平主应力、最小水平主应力)可根据需要分别提供不同的加载压力，最高达到30 MPa。

对物理模拟实验系统进行改造升级，增加了温控与保温功能，在原有设备能实现高压的基础上，使实验温度能达到250 ℃，达到模拟干热岩储层高温高压环境的要求。

温控功能的实现是在4个围压板和顶板上新增加热板，通过每个加热板中2 000 W的加热棒来控制温度。分布在岩样表面和岩样中部井筒内的温度传感器与控温设备相连，根据岩样内部的温度来调节加热功率，从而达到模拟储层温度的目的。

保温功能是将利用特殊材料制成的隔热板安装在岩心夹持器四周，使岩心在加温和实验期间保持温度，提高热效率。图 2为实验装置图。

2 岩石试样

本论文中的干热岩试样为露头岩心(图 3)，取自青海省共和盆地干热岩储层。该储层已完成钻井，正在准备水力压裂施工。通过本文的实验研究，可以为水力压裂施工提供理论支持。

岩样主体部分为花岗岩，XRD(X-ray diffraction)矿物组分测试表明其花岗岩中石英和斜长石矿物组分质量分数占到50%以上。部分岩样中还发育大理石岩脉，其主要成分为方解石和白云石。同时，岩样中还有黏土矿物填充在天然裂缝中。

3 裂缝扩展形态

利用升级改造后的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统进行干热岩储层水力裂缝扩展形态和影响规律的研究。实验条件根据青海共和盆地干热岩储层的温度和地应力情况进行设定，压裂液采用清水压裂液，完全模拟了现场的地质条件和施工要求。

针对花岗岩基质型储层和裂缝型储层两种情况，实验选取了两块岩样，分别代表两种类型的储层。试样1#为花岗岩的试样，没有可见的裂缝，主要为岩石基质；试样2#为花岗岩包含大理石岩脉的试样，含有天然微裂缝和层间弱面，为裂缝型储层的反映。

实验参数设置见表 1。

试样1#的实验前图片、水力压裂模拟后的裂缝形态以及注入压力和时间的记录见图 4。试样1#的起裂压力为26.65 MPa(图 4c)。从图 4b压裂液中添加的绿色示踪剂在岩样中的展布可以发现，水力裂缝起裂朝最大主应力方向形成双翼缝；但是起裂后水力裂缝只朝一侧延伸，另一侧裂缝止裂，没有继续扩展。井口压力显示，裂缝延伸非常迅速，且水力裂缝在延伸时裂缝面不平整，压力波动较大(图 4c)。分析认为只有单侧水力裂缝延伸的原因是岩样脆性和硬度都较高，两侧裂缝起裂后，一侧裂缝快速延伸到岩样边界，导致缝内压力骤降，从而使另一侧没有足够压力向前延伸。因此对于纯基质花岗岩储层，水力裂缝扩展形态较为简单。

试样2#的实验前图片、水力压裂模拟后的裂缝形态及注入压力和时间记录见图 5。实验前可以观察到试样2#内含有天然裂缝，且岩脉发育在试样中间部位(图 5a)。试样2#起裂压力约为26.49 MPa(图 5c)，与试样1#的起裂压力相近；说明裂缝于花岗岩基质开始起裂；起裂之后，井口压力先降低紧接着又升高(图 5c)，说明裂缝延伸遇到了岩脉，导致水力裂缝需要重新憋压再起裂。图 5b显示的实验后裂缝扩展形态表明，裂缝在一侧起裂后转向沿大理石岩脉和花岗岩之间的层间方向扩展，而另一侧穿过岩脉，沿最大主应力方向扩展。所以试样2#的裂缝延伸受到岩脉和天然裂缝的影响，水力裂缝出现较复杂的形态。

4 干热岩储层水力压裂起裂模型

干热岩地热储层水力压裂裂缝起裂模型根据金衍等^[11]提出的垂直井水力裂缝起裂压力模型进行研究。水力裂缝起裂分为从岩石基质起裂和沿天然裂缝起裂。水力裂缝从岩石基质起裂的起裂压力为

其中：

式中：p_f^b为岩石产生拉伸破坏时地层的起裂压力，MPa；σ_h为水平最小地应力，MPa；σ_H为水平最大地应力，MPa；p(r, t)为地层孔隙压力，MPa；S_t为岩石的抗拉强度，MPa；当井壁可渗透时δ=1，不可渗透时δ=0；α₁为有效应力系数；ν为泊松比；φ为孔隙度。

水力裂缝沿天然裂缝起裂又分为剪切破坏模型和张性破坏模型。基于剪切破坏模型的起裂压力计算公式为

其中：

式中：p_f^τ为岩石产生剪切破坏时地层的起裂压力，MPa；μ_w为弱面的内摩擦系数；β为弱面法向与最小水平地应力方向的夹角, (°)；θ为天然裂缝与井壁的夹角, (°)；σ_v为上覆应力，MPa。基于张性破坏模型的起裂压力计算公式为

式中：p_f^t为岩石产生张性破坏时地层的起裂压力，MPa；p_m为井内液柱压力，MPa；σ_n为裂缝面上的正应力，MPa。

对于天然裂缝影响较小的地层，起裂压力为p_f^b；对于裂缝性地层，起裂方式和起裂压力的判别模型为起裂压力p_f=min{p_f^b, p_f^τ, p_f^t}。即裂缝性地层的起裂压力应选取岩石基质起裂、沿天然裂缝张性破坏、剪性破坏3个起裂压力中最小的值，以满足安全需要。

利用该起裂模型对青海共和盆地干热岩储层露头岩心的水力压裂起裂行为进行了研究，计算结果如表 2所示。从表 2可以得到，试样1#的基质计算起裂压裂为25.5 MPa，实际实验起裂压力为26.65 MPa；试样2#的基质计算起裂压力为24.2 MPa，实际实验起裂压力为26.49 MPa。模型与实际测试的结果基本一致。因此干热岩试样起裂时符合水力裂缝起裂从岩石基质起裂的结果，即从岩石本体起裂。

该模型已经在油气领域水力压裂中得到了很好的验证和广泛适用^[3]。而现在通过模型计算结果和实验结果的相互验证，证明该起裂模型也能很好地适用于花岗岩储层的水力压裂计算。

5 结论

利用升级改造的高温高压大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统对储层露头岩心进行了水力压裂模拟实验，探究了干热岩储层中压裂裂缝起裂与扩展形态，结论如下：

1) 可以通过文中的起裂模型判断水力裂缝起裂的方式和起裂压力。实验中干热岩岩石水力裂缝起裂是从岩石本体起裂，且其储层岩石较均质，较符合起裂模型的预测。

2) 水力裂缝在储层岩石基质中的延伸形态简单，仅为沿着最大主应力方向延伸的裂缝，且扩展迅速，裂缝面不平整，井口压力波动较多。

3) 水力裂缝容易受到天然裂缝和交界面等弱面的影响，在延伸过程中易沿着弱面扩展，形成形态较复杂的裂缝。因此，为了在干热岩储层中建立复杂裂缝网络提取热量，建议水力压裂在储层天然裂缝和岩脉发育较多的层段开展。