层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析

第36卷第4期2014年7月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol.36No.4July2014文章编号：1000–7393（2014）04–0088–05　　　doi:10.13639/j.odpt.2014.04.022层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析刘玉章1，2　付海峰1，2　丁云宏1，2　卢拥军1，2　王　欣1，2　梁天成1，2（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊　065007；2.中国石油油气藏改造重点实验室，河北廊坊　065007）引用格式：刘玉章，付海峰，丁云宏，等.层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：88-92.摘要：储隔层水平地应力差是水力裂缝高度延伸的主控因素，采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件，对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验，并实现对大尺度岩样内部裂缝扩展的全三维实时声波监测。通过声波监测结果与实际裂缝形态对比，讨论了层间应力差、施工参数（排量、黏度）、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。结果表明：缝高受层间应力差控制明显；同时施工参数也会影响裂缝的垂向延伸，高黏流体压裂有利于缝高延伸；对于均质致密砂岩岩样，实时声波监测技术能够对裂缝扩展动态进行有效监测。本研究为缝高延伸机理研究提供了实验手段，也为现场微地震监测提供参考。关键词：大尺度物理模拟实验；水力压裂；垂向扩展；层间应力差；声波监测中图分类号：TE357.1　　　文献标识码：ALargescaleexperimentalsimulationandanalysisofinterlayerstressdifferenceeffectonhydraulicfractureextensionLIUYuzhang1,2,FUHaifeng1,2,DINGYunhong1,2,LUYongjun1,2,WANGXin1,2,LIANGTiancheng1,2（1.LangfangBranchofResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,CNPC,Langfang065007,China;2.KeyLaboratoryofReservoirStimulation,CNPC,Langfang065007,China）Abstract:Horizontalgeostressdifferencebetweenreservoirandcaprockisthemaincontrollingfactorforhydraulicfracturingheightgrowth.Alargescalefull3Dhydraulicfracturingexperimentsystemwasusedtosimulatethegeostressconditionsofreservoirandcaprock;simulationexperimentwasconductedtoverticalgrowthofhydraulicfracturingforChang-6sandstoneinChangqingOil-field, and full 3D real-time acoustic monitoring was accomplished to internal fracture growth in large-size rock samples. A discussion was made regarding the effect interlayer stress difference, job parameters (flow rate, viscosity) and job pressure on vertical growth of fracturesbycomparingtheresultsofacousticmonitoringandactualfracturegeometry.Theresultsshowthatfractureheightisevidentlycontrolledbyinterlayerstressdifference;meanwhile,thejobparameterswillalsoaffecttheverticalgrowthoffractures,andfractur-ing with high-viscosity fluid is favorable for extension of fracture height; for homogeneous tight sandstone samples, real-time acoustic monitoringtechniquecaneffectivelymonitorthefracturegrowthconditions.Thispaperprovidesanexperimentalapproachforthestudyon fracture height extension mechanism and also provides a reference for field micro-seismic monitoring.Keywords:largescalephysicalsimulationexperiment;hydraulicfracturing;verticalextension;interlayerstressdifference;acous-ticmonitoring基金项目：国家科技重大专项“低渗、特低渗油气储层高效改造关键技术”（编号：2011ZX05013-003）资助。作者简介：刘玉章，1955年生。中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事油气田开发领域的理论研究及管理工作。通讯作者：付海峰，电话：[phone]。E-mail：[e-mail]。水力压裂裂缝高度延伸控制技术一直是储层改造设计、施工、评估过程中的重要环节，一方面施工89刘玉章等：层间应力差对水力裂缝扩展影响的大尺度实验模拟与分析过程中如果缝高控制不当，进入甚至突破隔层，沟通上下气层或水层，造成压裂施工失败；另一方面对于页岩气，致密砂岩气等非常规储层而言，水力压裂工艺技术向着体积改造的方向发展，施工规模越来越大，施工成本越来越高，为了实现该类储层经济有效地开发，将裂缝控制在储层内部扩展就显得尤为重要。因此无论是对于常规还是非常规储层而言，对水力裂缝缝高延伸机理及控缝高技术的研究一直是水力压裂领域研究的热点。前人对缝高延伸机理的研究已经开展了深入的理论研究、数值模拟、矿场试验及大量室内实验工作。首先对于缝高延伸的理论认识是基于经典的岩石断裂力学理论［1］，Simonson、Hanson、Cleary、Biot［2-5］等人又对该理论进一步完善，考虑垂向应力差，界面物性差异等多因素对裂缝垂向延伸的影响；Gu［6］、王翰［7］等开展数值模拟研究，对影响裂缝垂向扩展的多因素进行敏感性分析。由于实际地层条件的异常复杂性，理论研究及数值模拟研究认识的合理性还需要矿场试验及室内实验的验证。上世纪80年代Warpinski［8］等学者通过开展矿场试验，来直观观察水力裂缝扩展并验证理论认识，但由于开展矿场试验成本较高，技术难度大等问题，该研究手段无法进行推广。基于上述认识，利用室内物模实验技术来对水力裂缝延伸扩展机理进行研究就显得尤为重要。围绕裂缝垂向延伸机理，国内外学者开展了大量物模实验研究，主要集中在对垂向应力、储隔层物性、界面物性等因素的考察。Warpinski利用圆柱形天然岩样（直径20cm，高度20cm）进行水力压裂实验，考察2层水平应力差，垂向应力以及层间弹性模量差对水力裂缝垂向扩展的影响［9］。Teufel利用垂向叠置的3块立方体天然岩样（20cm×20cm×8cm）开展物模实验，定性考察界面剪切强度、层间弹性模量差及诱导水平应力对缝高延伸的影响［10］。陈勉等人利用立方体水泥人工样品（30cm×30cm×10cm）模拟储隔层物性条件，考察垂向应力，垂向岩石物性差异对缝高延伸的影响［11］。Casas通过大尺寸天然岩样（762cm×762cm×914cm）的物模实验考察了界面胶结强度对裂缝延伸的影响。另一方面层间水平应力差是裂缝垂向延伸的主控因素［8-10］，对其控制机理的认识以断裂力学理论和数值模拟为研究手段，受实验设备及岩样尺寸限制，一直无法开展有效地物模实验。笔者采用大尺寸全三维水力压裂实验系统模拟储隔层地应力条件，对长庆长6砂岩进行水力压裂裂缝垂向扩展模拟实验，首次应用层间应力差模拟实验技术，并结合实时声波监测结果，讨论了层间应力差、施工参数（排量、黏度）、施工压力对裂缝垂向延伸的影响。1　实验1.1　大型水力压裂物模实验系统本实验采用中石油油气藏改造重点实验室的标志性设备—大型全三维水力压裂物理模拟实验系统，该系统由岩样加载框架、压力系统、数据采集自动控制系统及声波监测系统4大部分组成。实验岩样尺寸为762mm×762mm×914mm，大尺寸岩样可以有效地降低岩样边界效应［9］，裂缝稳定扩展更充分，实验结果更具研究价值。实验系统中水平地应力加载方式为加压板柔性加压，加压板放置在岩样与加载框架之间，通过向加压板中注水，水压增大致加压板膨胀，然后将水压传递至岩样表面，达到模拟水平地应力的目的，工作原理如图1（a）所示。加压板柔性加压与传统的扁千斤顶刚性加载相比，具有应力加载均匀的优点，但由于加压板材料的膨胀不可回缩特性，属于耗材性产品，因此重复使用次数有限。水力压裂物模实验需要模拟实际地层条件特别是地应力场分布，一般而言，地层三向主应力大小不同，且垂向上储隔层水平应力也会不同。因此本实验系统在具备三向应力模拟的同时，还需具备垂向3层应力的独立加载的功能，具体实现方法是在岩样的每个水平主应力方向上采用3套独立的加压板系统予以控制，分为上中下3层，达到真实模拟储层及上下隔层的目的，加载示意如图1（b）所示，其中单块加压板尺寸（长×高）为750mm×280mm。图1　水平应力加载示意图1.2　实验基本参数本实验所用岩样为长庆油田长6储层天然砂岩露头，加工尺寸为762mm×762mm×914mm，岩石力学基本参数如表1所示。参考长6地质条件，考察层间应力差为7MPa下裂缝垂向扩展形态，具体石油钻采工艺　2014年7月（第36卷）第4期90各向地应力参数如表2所示。为了考察不同液体体系对裂缝垂向扩展的影响，依次采用滑溜水和线性胶2种液体体系进行压裂，并分别混入2种染色涂料，便于观察各自造缝形态。本实验采用裸眼压裂，井筒参数及裸眼段长度如图2所示。考虑到水力裂缝在储层内部扩展，24路声波传感器集中不均匀布置在中间储层。表1　岩石力学基本参数岩性弹性模量/MPa泊松比断裂韧性/MPa·m1/2孔隙度/%渗透率/mD长庆砂岩155000.19314.7471.036表2　地应力场设计垂向应力/MPa南北向应力/MPa东西向应力/MPa上、下中上、下中20158125图2　物理模型1.3　实验结果实验共分为2个阶段进行，第1阶段采用红色滑溜水进行压裂，注入量为3152mL；第2阶段改注蓝色线性胶压裂液，注入量为3375mL。实验结束后对岩样进行切片，测量实际裂缝形态，并绘制实际裂缝形态效果图（图3），红色滑溜水压裂裂缝形态成径向形态，造缝高度控制在中间储层范围以内，受层间地应力场控制明显；蓝色线性胶造缝形态为椭圆形，高度延伸进上下隔层，但仍受地应力场影响进入深度有限。从实验结果可以虽然高黏流体压裂产生的缝高更大，但缝长方向的延伸距离大于缝高方向，这与Smith［15］数值模拟结果是一致的，即随着流体黏度的增大，裂缝长度与高度的比值2Xf/H增大。2　结果分析2.1　应力场分析在室内物模实验中，岩样尺寸有限且受边界条件的限制，加载到岩样表面上的