天然裂缝性地层水力裂缝延伸物理模拟研究.doc

摘要：为了研究人然裂缝性地层中人然裂缝网络对水力裂缝延伸的影响规律，采用室内大型 试验模拟装置进行了物理模拟根据实际地层条件和施工参数确定试件参数和试验条件，并 采用高温加热自然空气冷却的方法使试件中产生随机裂缝研究发现，天然裂缝显着影响水 力裂缝的延伸，天然裂缝性地层中水力裂缝的延伸具有…定的随机性裂缝性地层中的水力 裂缝是由少数儿条尺寸较大的主裂缝和大量尺寸较小的次裂缝组成的系统压力曲线随时间 波动幅度大，在实际压裂施工中表现为压裂液的大量滤失，容易造成过早砂堵，推荐采用高 黏度压裂液关键词：天然裂缝性地层；裂缝网络;水力裂缝延伸；物理模拟裂缝性油藏中的天然裂缝对人工裂缝的延伸具有重要影响，不少学者开展了这方面的研 究Dalle.shy等？研究了单个天然裂缝对水力裂缝延伸的影响，认为天然裂缝的弱面强度、 弱面方位、远场地应力差是主要的影响因素小尺寸天然裂缝对水力裂缝整体方位影响很小， 而大尺寸天然裂缝对其影响也不大Beugelesdijk等H o通过物理模拟研究认为，天然裂缝 对水力裂缝儿何形态影响显着张开的天然裂缝对水力裂缝延伸具有阻碍作用，提高压裂液 黏度或泵人速率能减少水力裂缝的扭曲形态。

增加水平应力差使水力裂缝延伸方位与最大地 应力方位的偏差减小Britt等旧通过分析west Tex鹤碳酸岩地层实际水力压裂实例认为， 分析施工压力曲线和压降曲线可用于天然裂缝的识别，且通过降低泵入排量和压裂液黏度控 制净压力能够有效减少压裂液的滤失Vinod等Ho通过高温高压试验装置研究了低渗地层 的动态滤失现象，认为天然裂缝性低渗地层与高渗地层具有相似的滤失特性Mu卬hy等 口 1通过地面微震检测表明，在天然裂缝性地层中以低排量泵人低黏度压裂液可导致分支裂 缝目前的研究主要集中在单条裂缝对水力裂缝的影响，但是实际的天然裂缝为裂缝网络， 天然裂缝对水力裂缝的影响是通过裂缝网络表现出来的将裂缝性地层简化为单条裂缝的影 响，不能全面反映水力裂缝扩展问题的本质利用室内大型水力压裂模拟设备，根据实际地层条件和施工参数，进行了天然裂缝性地 层下水力裂缝延伸的物理模拟试验1、模拟试验 Simulation experiment1.1试验设备试验采用巾国石油大学（北京）设计组建的大尺寸真二轴模拟系统，该系统可以模拟真实 地层条件下水力裂缝的起裂和扩展机理模拟压裂试验系统由大尺寸真三轴试验架、MTs 伺服增压泵、数据采集系统、稳压源、油水隔离器及其他辅助装置组成，如图1所示。

采用三对扁千斤顶分别模拟3个方向的地应力，即2个水平地应力和垂直地应力由 多通道稳压源向扁千斤顶提供液压，各通道的压力大小可分别控制在模拟压裂试验过程中， 采用MTs伺服增压泵和油水分隔器向模拟井眼泵注高压液体M鸭增压泵由程序控制，泵 注排量町以恒定，也可按预先设定的泵注程序变化试验过程中MTS数据采集系统记录压 裂液压力、排量等参数MTs增压泵的工作介质是液压油，因此为使用水或其他介质作为 压裂液时，在管路上设置一个油水隔离器，将M码的工作介质与压裂液分隔开1.2试件制备室内水力压裂试验可采用天然岩样或人工岩样进行，鉴于天然岩样来源与加工条件所限， 本试验采用混凝土试样进行模拟压裂试验真三轴试验架采用刚性压力板向试样施加压力， 对试样端面的平行度要求较高，其不平行度…般不大于O.ol mm,因而采用专用模具来制作 试样试样分别用纯水泥和在水泥中加入不同比例的石英砂或泥土浇铸而成为模拟天然裂缝， 对试样进行高温处理旧J水泥试样放在加热炉中，在400-C加热3h,随后在空气中完全 自然冷却由于水泥的脱水作用，水泥试样的表面及内部会产生随机的多裂缝，用以模拟天 然裂缝在试样中钻出直径为10mm的模拟井眼，深度为140 mm,然后把模拟井筒放入其 中，采用高强度黏合剂与试样进行黏合。

将试样加热后再钻出井眼可避免在加热过程中井眼 造成较大的应力集中1.3试验参数与条件模拟试样准备好后，取出圆柱状岩心进行岩石力学参数测试，测试结果：弹性模量9.97 GPa,泊松比0.23试验中压裂液的稠度系数为19.8 Pa-s\流态指数为0.37一共有3 组试验条件，应力差均为5 MPa,排量均为4.2 mm3/s,第1组和第3组的黏度为100 mPa-s, 第2组的黏度为10 llpa-so1.4试验过程将试样放人真三轴试验装置后，安装压力板和压机的其他部件为了保证压力板向试样 的表面均匀加载，在压力板与试样之间放置一橡胶垫片试样安装完毕后，由液压稳压源施 加二向围压;再根据选定的泵排量向模拟井筒泵注压裂液，直到试样破裂试样破裂后，观 察形成的裂缝形态即裂缝表面压裂液的痕迹通过M觸软件记录和显示裂缝扩展过程中泵 注压力和排量等参数2、结果与讨论 Results and mscussion为寻找天然裂缝条件下水力裂缝的延伸规律和控制因素，将各试件压裂后照片和相应的 压力曲线分别放置，进行裂缝形态及压力曲线描述和分析2.1 水力裂缝形态规律 Law of the shape ofhydmc tract试件I、试件2和试件3压裂后的裂缝形态，纸面向里作用垂向应力，纸面横向作用水 平最小地应力，纸而纵向作用水、｝，.最大地应力。

试件1在整体上形成了 3条较大的贯通 水力裂缝，两条裂缝大致沿最大应力方位，第3条裂缝与前两条裂缝近似垂直在天然裂缝 性条件下，水力裂缝的形态复杂，呈现多分支状成了沿最大地应力方位的2条主裂缝，裂缝形态不规则；由图5可见，除沿最大地应力 方位的2条主裂缝外，在井筒周围和两条主裂缝附近还存在多条小裂缝这些小裂缝呈网状 分布，迂回曲折，并且走向基本上是沿最大地应力的方位呈网状分布这说明，垂直于最小 地应力方向的天然裂缝容易张开或形成，而在垂直于最大地应力方向的天然裂缝不易张开裂缝性试件3中，两条主裂缝先沿最大地应力的方位产生，下侧主裂缝较为规则，上侧 主裂缝起裂后即发生转向，而后分成2条分支裂缝，其中一条转向到沿最大地应力的方位上; 而另一条转向到沿最小地应力的方位上与试件2类似，在井筒和主裂缝周围同样发育了一 定数量的次生小裂缝综合3个试件的水力裂缝形态可见，虽然试验参数和条件类似，但水力裂缝的形态具有 •定的随机性，如试件1和3产生了 3条水力裂缝，而试件2产生了 2条水力裂缝;试件丨 和3虽然都产生了3条水力裂缝，但具体形态有差别2.2压力曲线规律Law of pre豁ure curVe试件丨的泵注压力曲线，由图可知破裂压力为12.8 MPa。

随着泵人液体的持续，裂缝 延伸，压力曲线没有明显波动当泵注压力超过破裂压力后，泵人压力上升至15.2 MPa后， 虽然仍持续泵人液体但压力降至13.6 MPa在压力升高过程中，压力变化速率约为0.14 MPa/min „在破裂压力后有较长时间的压力曲线变化由于在压裂液泵入过程中没有加入支撑剂， 所以不考虑砂子聚集或砂堵现象引起的压力增加，则木试验中压力的持续升高可能是由3 条裂缝同时延伸引起的这是因为多条裂缝同时延伸会造成压力沿程损耗增加，且多分支裂 缝有可能同吋扩展图8为试件2的泵注压力曲线可以看出，达到破裂压力后，压力曲线呈现波动形式， 且波动的幅度为3.5 MPa压力曲线的波动反映了天然裂缝的张开过程，压力下降说明天然 裂缝张开，压裂液进入其内，当天然裂缝被压裂液充满后，压力回升，而后又沟通新的天然 裂缝，压力再下降，如此反复3、结论 Condllsions(1) 利用室内大型水力压裂模拟设备，根据实际地层条件和施工参数，进行了天然裂缝 地层下的水力裂缝延伸的物理模拟试验2) 岩石中的天然裂缝对水力裂缝延伸的影响显着，天然裂缝性地层中水力裂缝的延伸 具有一定的随机性，如水力主裂缝的条数不一定。

3) 裂缝性地层中水力裂缝是由少数尺寸较大的主裂缝和大量尺寸较小的次裂缝组成的 系统主裂缝具有沿最大地应力方位延伸的趋势，次裂缝的发育方向大多沿最大地应力的方 位呈网络状分布4) 压力曲线随时间波动幅度大，反映了人然裂缝开启对丁裂缝系统压力的影响在实 际压裂施工中表现为压裂液的大量滤失，容易造成过早砂堵，因此推荐采用高黏度压裂液5) 地层裂缝非常复杂，比如裂缝网络的分布主要地质成因控制，而裂缝网络的性质不 但受地质因素(岩性、构造运动、填充物)的影响，且与地应力、地层压力等因素有关本文 假定天然裂缝仅有张开和闭合2种状态，不考虑填充物等囚素的影响。