低滲透氣層巖心破裂裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)分析

牟善波，張士誠，韓秀玲

(1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國石油大學(xué)，北京 昌平 102249;2.中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

低滲透氣層巖心破裂裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)分析

牟善波1，張士誠1，韓秀玲2

(1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國石油大學(xué)，北京 昌平 102249;2.中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

為了加深對(duì)低滲透砂巖氣層壓裂過程中裂縫擴(kuò)展的認(rèn)識(shí)，同時(shí)便于科學(xué)指導(dǎo)施工，利用CT技術(shù)等方法，對(duì)含有天然裂縫低滲透砂巖氣層的裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，加壓及注液能夠造成巖心出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，主裂紋與微裂紋在成因上有一定的關(guān)系，在一定的應(yīng)力作用下，巖石在一些具有微裂紋的平面先破裂，隨著壓力的增加或持續(xù)壓力作用，微裂紋將會(huì)擴(kuò)展并相互連接，最終形成宏觀裂縫。

低滲透砂巖氣層;巖心;裂縫擴(kuò)展;力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

實(shí)驗(yàn)巖心取自鄂爾多斯氣田，選擇4塊有代表性的全直徑巖心，分別是巖心 A1、A2、A3、A4(表1)。對(duì)巖心A1、A2加入不同的載荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并測(cè)定每一種載荷下的滲透率;巖心A3只加入交變載荷，巖心A4只進(jìn)行雙軸加壓，采用CT觀察各個(gè)巖心在不同的受力狀態(tài)下的裂縫擴(kuò)展。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)溫度為95℃。對(duì)巖心進(jìn)行多種力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，基本方法如下:①標(biāo)準(zhǔn)巖心的烘干、清洗、飽和柴油;②飽和巖心側(cè)向密封，有利于軸向流動(dòng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)圍壓與巖樣隔開，裝入高壓室內(nèi);③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料確定實(shí)驗(yàn)圍壓，并保持圍壓不變;④在設(shè)定孔隙壓力條件下測(cè)量滲透率(空氣滲透率、液測(cè)滲透率);⑤不斷增大軸向壓力，測(cè)量加載過程中巖石應(yīng)變及滲透率;⑥CT掃描巖心裂縫［1－4］。

2 實(shí)驗(yàn)原理分析

采用CT掃描實(shí)驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)以BEER'S定理為基礎(chǔ)［5－10］，即用X － 射線穿透1個(gè)物體時(shí)，大部分光線能穿透物體，部分光束會(huì)被吸收或反射掉。透過物體后射線強(qiáng)度與物體的密度有一對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式如下:式中:I為穿透射線強(qiáng)度，Ci;I0為總射線強(qiáng)度，Ci;μ為射線衰竭系數(shù)，cm－1;d為巖心厚度，mm。

CT技術(shù)所測(cè)定的只是線性衰減系數(shù)μ，該系數(shù)為穿過巖心的射線的度量，基本公式如下:

式中:ρ為巖心體積密度，kg/m3;Z為有效原子序數(shù);E為射線能量，Ci;a、b為常數(shù)。

μ在低能量時(shí)主要作為Z的一個(gè)函數(shù)，高能量時(shí)主要作為ρ的1個(gè)函數(shù)。

在掃描過程中，掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，采用CT計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。數(shù)據(jù)單位采用CT數(shù)，為了使巖心中的液體相可視化，通過掃描儀，從連續(xù)的橫向斷面構(gòu)建3D映像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 巖樣A1裂縫實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

巖心A1首先在徑向受到40 MPa力的作用，軸向加入50 MPa壓力，注液后觀察到巖樣內(nèi)部出現(xiàn)1條裂紋，裂紋擴(kuò)展方向同受力方向基本一致。然后在徑向分別受到45、43 MPa的2個(gè)力作用，且在軸向加壓增至53 MPa，巖樣內(nèi)部裂紋繼續(xù)增加，并溝通天然裂縫，受到天然裂縫方位和最大應(yīng)力的影響，擴(kuò)展方向開始偏離軸向，出現(xiàn)了分別沿著靠近最大應(yīng)力方向擴(kuò)展的2個(gè)分支。再把施加在巖心徑向壓力除掉，且在軸向加壓增至56 MPa，觀察到巖樣裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，出現(xiàn)了1條跟受力方向有1個(gè)小夾角的裂紋。最后，使巖心在徑向受到60 MPa的作用力，且在軸向加壓增至55 MPa，觀察到巖樣裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，并出現(xiàn)了多裂紋狀態(tài)，裂紋的方向出現(xiàn)了多樣性。

3.2 巖心A1滲透率測(cè)定與分析

表2為巖心A1滲透率測(cè)量結(jié)果，從中可以看出，滲透率相對(duì)破裂前增大，主要原因就是巖心受力后內(nèi)部出現(xiàn)裂紋;隨著受力的增加，裂紋增多，巖心滲透率增大，增大倍數(shù)平均值在5倍以上。降低圍壓及軸向壓力，注液時(shí)間增加30 min，巖心滲透率同樣增大。該現(xiàn)象說明，軸向加壓不變的情況下，注液時(shí)間越長，主裂紋周圍裂紋擴(kuò)展越多;注液與不注液的巖心力學(xué)試驗(yàn)對(duì)比分析表明，注液巖心的微裂紋擴(kuò)展面積增加，不注液的巖心裂紋擴(kuò)展面積相對(duì)較小，并且擴(kuò)展方向上的裂縫面(由于受到其他因素的影響)出現(xiàn)多樣化。

表2 巖心A1受力前后液測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 巖心A2實(shí)驗(yàn)前后CT掃描圖對(duì)比

圖1為巖心A2在力學(xué)實(shí)驗(yàn)前的CT掃描圖，圖中的1、2、3分別代表巖心頂面、中間界面、底面的平面圖。從圖中可以看出，巖石基質(zhì)存在一些不等長的微裂紋，且裂紋之間橫向上互不溝通。

圖1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)前巖心A2內(nèi)部裂痕分布

圖2為巖心A2在力學(xué)實(shí)驗(yàn)后CT掃描圖，圖中的1、2、3分別代表巖心頂面、中間界面、底面的軸向圖。從圖中可以看出，當(dāng)注液巖心受雙軸壓縮力破壞后，存在不等長裂紋的巖心沿著受力方向溝通天然裂紋形成一條主要的破裂面，在橫向切面觀測(cè)到，微裂紋相互溝通并在主裂紋附近形成共軛的裂紋;徑向上觀察到，原來互不連通的裂紋溝通一起。

圖2 巖心A2受力后內(nèi)部裂痕分布

3.4 巖心A2受壓后的滲透率變化

巖心A2 初始滲透率為0.028 ×10－3μm2，對(duì)其施加50 MPa軸向壓力，15 MPa徑向壓力，測(cè)定其受壓后巖心滲透率為0.22×10－3μm2，相對(duì)破裂前增大。巖心破裂后的滲透率增大倍數(shù)為6.85倍。

3.5 其他巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖心A3在力學(xué)實(shí)驗(yàn)前存在多條與上下斷面近乎平行的不等長裂紋。在加入45～50 MPa的交變載荷后，多孔隙裂紋面擴(kuò)展成1個(gè)與巖心橫斷面近平行的曲面，且曲面端部上下延伸形成更多的裂紋。

巖心A4在力學(xué)實(shí)驗(yàn)前存在多條與上下斷面近乎斜交的不等長裂紋。加入雙向載荷后，出現(xiàn)1個(gè)斜交巖心軸線的環(huán)狀裂紋面，中間空白區(qū)為致密段。該現(xiàn)象說明，巖心裂紋的擴(kuò)展不但跟施加的外力有關(guān)，而且同巖心自身特性關(guān)系很大，巖心中不等長裂紋多的位置更容易先形成裂紋面，而裂紋不容易在巖性致密的位置擴(kuò)展。

3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與推斷

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知:加壓及注液能夠造成巖石出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展;主裂紋與微裂紋在成因上有一定的關(guān)系;在一定的應(yīng)力作用下，巖石在一些具有微裂紋的平面先破裂，隨著壓力的增加或有持續(xù)壓力作用時(shí)，微裂紋將會(huì)擴(kuò)展并相互連接，并受到最大主應(yīng)力影響，最終形成宏觀裂縫。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷:低滲透砂巖儲(chǔ)層壓裂過程中，儲(chǔ)層巖石在高壓作用下破裂，裂縫受到最大主應(yīng)力影響而延伸，儲(chǔ)層中的巖性變化及天然裂縫將會(huì)影響壓裂主裂縫的擴(kuò)展方向，并容易導(dǎo)致主裂縫轉(zhuǎn)向;壓裂液容易濾失到靠近主裂縫的天然裂縫中，持續(xù)的高壓更容易將主裂縫周圍的不等長的天然裂縫連通并增加了液體濾失，液體濾失的增多有助于天然裂縫在長度方向繼續(xù)擴(kuò)展并溝通更多不等長的天然裂縫，為油氣的通道提供基礎(chǔ)。而濾失小的位置往往也是天然裂縫不發(fā)育的地方，壓裂過程產(chǎn)生微裂縫的幾率也小，雖然有助于壓裂加砂，但是不能在垂直裂縫壁面的儲(chǔ)層深處溝通更多的微裂縫。

4 結(jié)論

(1)注液巖心在雙軸應(yīng)力作用下出現(xiàn)1條主裂紋，巖心主裂紋擴(kuò)展方向受天然裂紋的影響開始偏離軸向;由于天然裂紋的相互連接，巖心主裂紋周圍出現(xiàn)多裂紋狀態(tài)，巖心滲透率相對(duì)增加。

(2)巖心橫向切面觀測(cè)到，雙軸壓縮作用下的注液巖心的天然裂紋容易溝通形成破裂紋，在主裂紋附近可以形成共軛形狀的裂紋;巖心滲透率相對(duì)破裂前增大。

(3)交變載荷作用下，巖心裂紋面擴(kuò)展易成曲面。

(4)巖心裂紋的擴(kuò)展同自身特性關(guān)系很大，巖心中微裂紋多的位置更容易先溝通形成裂紋面。

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Experiment analysis of fracture propagation in core fracturing of low permeability gas reservoirs

MU Shan － bo1，ZHANG Shi － cheng1，HAN Xiu － ling2

(1．State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing102249，China;
2．Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing100083，China)

To better understand the fracture propagation during fracturing of low permeability sandstone gas reservoirs and facilitate field operations，the CT(computer tomography)and other technologies have been used to study the fracture propagation pattern in low permeability sandstone gas reservoirs with natural fractures．Study results indicate that pressurizing and fluid injection will result in fractures and their propagation in the core and the major fracture is，to some extent，related to the micro － fractures in terms of genesis．Under a certain stress，the rocks will first fracture on the plane with micro－cracks and the micro－cracks will propagate and connect with each other with the increase of pressure or under continuous pressure，resulting in a macro fracture．

low permeability sandstone gas reservoir;core;fracture propagation;mechanical experiment

TE312

A

1006－6535(2012)01－0092－03

20110525;改回日期20110920

國家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣”(2008ZX05024－03－003－004)

牟善波(1973－)，男，2000年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)地質(zhì)工程專業(yè)，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田增產(chǎn)開發(fā)方面的科研和應(yīng)用工作。

編輯 周丹妮