頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗研究

頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗研究

中國巖漿巖資源豐富，勘探和開發(fā)潛力巨大。然而，由于其基質(zhì)的低滲透特性，許多巖漿巖氣井必須通過壓力裂改造才能獲得理想的產(chǎn)量。彭水區(qū)塊地處重慶市東南部以及貴州省北部,鉆探實踐表明,彭水地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組地層發(fā)育有大段黑色頁巖,厚度達(dá)103m。巖石物性分析認(rèn)為,該套黑色頁巖富含有機(jī)質(zhì),勘探開發(fā)潛力巨大。但基質(zhì)滲透率極低,只有91.5nD,開發(fā)時必須進(jìn)行水力壓裂溝通天然裂縫,產(chǎn)生高滲透路徑,才能獲得工業(yè)氣流。裂縫發(fā)育程度是影響頁巖氣產(chǎn)量的重要因素,怎樣提高頁巖壓裂改造體積是頁巖壓裂設(shè)計首先要考慮的問題。目前認(rèn)識裂縫的手段只有數(shù)值模擬、裂縫監(jiān)測及壓后測井溫等間接手段,得到的裂縫參數(shù)與實際差別很大,而通過物理模擬方法能獲取更真實的裂縫參數(shù),可有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。水力壓裂物理模擬試驗采用一定尺寸的人工試樣或露頭巖樣,在三軸應(yīng)力、儲層溫度及壓力條件下,通過動態(tài)監(jiān)測直接觀測水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征。這對于正確認(rèn)識特定層位水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理,建立更實用的數(shù)學(xué)模型具有重要的意義。目前國外哈里伯頓研發(fā)中心、荷蘭Delft大學(xué)、澳大利亞西南威爾士大學(xué)、美國TerraTek公司及國內(nèi)中國石油大學(xué)陳勉等人都開展了深部地層水力壓裂物理模擬試驗研究,但這些試驗大多是針對砂泥巖等常規(guī)儲層開展的,頁巖儲層水力壓裂物理模擬試驗研究才剛剛起步。為了給彭水地區(qū)頁巖氣開發(fā)提供技術(shù)支持,筆者開展了該地區(qū)水力壓裂物理模擬試驗研究,建立了一套頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗方法,并探討了壓裂液黏度、地應(yīng)力差異系數(shù)等因素對水力裂縫形態(tài)及其擴(kuò)展的影響。1聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)頁巖儲層水力壓裂物理模擬試驗,主要是通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗了解頁巖基本力學(xué)性能,根據(jù)相似原理進(jìn)行室內(nèi)頁巖露頭巖心與人工制備巖心水力壓裂裂縫擴(kuò)展物理模擬試驗。試驗時應(yīng)先綜合考慮影響頁巖網(wǎng)絡(luò)裂縫形成與擴(kuò)展的主要因素,建立真三軸壓縮條件下水力壓裂網(wǎng)絡(luò)裂縫模型,以獲得形成網(wǎng)絡(luò)裂縫時的最優(yōu)參數(shù),為現(xiàn)場頁巖氣儲層水力壓裂提供技術(shù)支持。圖1為頁巖儲層水力壓裂大型真三軸物理模擬試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)。將現(xiàn)場采集的頁巖巖心加工成300mm×300mm×300mm標(biāo)準(zhǔn)試樣,在頁巖試樣內(nèi)部鉆出模擬井眼并下入割縫套管。為了解巖心內(nèi)部天然裂縫的發(fā)育狀況,壓裂前對試件進(jìn)行CT掃描后,將試件放入真三軸加載系統(tǒng)中心位置進(jìn)行加壓,同時啟動聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及泵壓系統(tǒng)。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)聲源定位數(shù)學(xué)原理,采用非對稱方法,將探頭放置在與加載垂向應(yīng)力平行的方向上(見圖2),即1,2號探頭放置在試件下面;3,4號探頭放置在試件上面;6,7號探頭放置在試件左面;8,9號探頭放置在試件右面。水力壓裂裂縫擴(kuò)展時,產(chǎn)生彈性波信號,聲發(fā)射探頭接受到信號后記錄下相關(guān)數(shù)據(jù),利用聲發(fā)射處理軟件包進(jìn)行信號處理及震源定位,反推出震源空間位置,描述出水力裂縫的輪廓,進(jìn)一步推測出水力裂縫的方位、延伸范圍和裂縫發(fā)生順序。為了觀察試件的水力壓裂通道,在壓裂液中添加示蹤劑。試驗后對壓裂試件再次進(jìn)行CT掃描,并與壓裂前CT掃描進(jìn)行對比,了解壓裂后的裂縫分布規(guī)律,校驗聲發(fā)射探頭監(jiān)測裂縫的有效性,獲得聲發(fā)射監(jiān)測裂縫的最佳布置方式,實時監(jiān)測水力壓裂裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展演化過程,并對裂縫擴(kuò)展分布規(guī)律進(jìn)行精確描述,建立三維可視化裂縫分布圖。2試驗結(jié)果及分析2.1地應(yīng)力差異系數(shù)對非平面縫壓裂效果的影響進(jìn)行了9塊天然頁巖的水力壓裂模擬試驗,結(jié)果見表1。從表1可以看出,當(dāng)壓裂液黏度增高,地應(yīng)力差異系數(shù)變大時,最高破裂壓力明顯增大。圖3是地應(yīng)力差異系數(shù)為0.05時的壓裂效果。從圖3(a)可以看出,地應(yīng)力差異系數(shù)為0.05時,水力裂縫沿著天然裂縫方向延伸,將原有天然裂縫溝通并形成網(wǎng)絡(luò)裂縫;由巖樣剖開后的裂縫形態(tài)(圖3b)可知水力壓裂裂縫在延伸過程中受到抑制,發(fā)生轉(zhuǎn)向,突破層理面向前延伸,具有典型非平面縫特征。圖4是地應(yīng)力差異系數(shù)為0.25時的壓裂效果。從圖4可以看出,水力裂縫穿過天然裂縫向前延伸,遇到層理面時發(fā)生轉(zhuǎn)向,沿著層理面開裂。2.2裂縫方向拓展,微裂縫沿巖石層理面縱向生長圖5是壓裂液黏度為2mPa·s時的壓裂效果及泵壓曲線。從圖5(a)可以看出,裂縫形態(tài)復(fù)雜,表面粗糙,水力裂縫在延伸過程中不斷溝通周圍的天然裂縫并沿著天然裂縫方向擴(kuò)展。從圖5(b)可以看出,泵壓曲線波動劇烈,呈鋸齒狀發(fā)展,與圖5(a)對照,推測其原因是微裂縫不斷開啟造成的。圖6是壓裂液黏度為10mPa·s時的壓裂效果及泵壓曲線。從圖6(a)可以看出,裂縫形態(tài)簡單,呈雙翼縫,主裂縫垂直于最小主應(yīng)力方向。沿巖石層理面剖開未見示蹤劑,說明層理面未開裂。從圖6(b)可以看出,泵壓曲線波動較小,較為平緩,與其他試件相比破裂壓力明顯增高。2.3泵排放量分布圖7和圖8分別是泵排量分別為0.5和1.5mL/s時的壓裂效果及泵壓曲線。從圖7、圖8可以看出,隨著泵排量的增大,裂縫形態(tài)更為復(fù)雜,巖石破壞程度更高,泵壓曲線波動更為劇烈。分析認(rèn)為,這可能是因為隨著泵排量增大、凈壓力增高,巖石獲得了更多的能量,更多裂縫被開啟和貫通,使巖石更容易被破壞。3裂縫形態(tài)及特性1)建立了一套頁巖儲層水力壓裂大型物理模擬試驗方法。通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及壓裂前后的巖心CT掃描結(jié)果,實時監(jiān)測了水力裂縫擴(kuò)展的物理過程并對壓裂后的裂縫擴(kuò)展分布規(guī)律進(jìn)行了精確描述,建立了三維可視化裂縫分布圖。2)壓裂液黏度以及地應(yīng)力差異系數(shù)對水力裂縫形態(tài)和擴(kuò)展具有重要影響。隨著壓裂液黏度降低、地應(yīng)力差異系數(shù)減小,裂縫形態(tài)更加復(fù)雜,呈現(xiàn)出非平面縫特征,裂縫表面粗糙,而且水力裂縫容易沿著天然裂縫方向延伸。當(dāng)壓裂液黏度增高,地應(yīng)力差異系數(shù)變大,裂縫形態(tài)比較理想,裂縫表面比較光滑,水力裂縫容易穿過