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不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第31卷 中国石油大学学报(自然科学版) Vo1.31 No.3 第3期 Journal of China University of Petroleum Jun.2007 文章编号:1673—5005(2007)03-0063-04 不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验 赵益忠 ,曲连忠 ,王幸尊 ,程远方 ,沈海超 (1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.华北石理局井下作业公司,河北任丘062500) 摘要:利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验, 得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低, 抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起 裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂 压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相 当。 关键词:水力压裂;裂缝扩展;模拟实验;几何形态 中图分类号:TE 357.1 文献标识码:A Simulation expei'iment on prolongation law of hydraulic fracture for diferent lithologic formations ZHA0 Yi—zhong ,QU Lian—zhong ,WANG Xing—zun ,CHENG Yuan—fang ,SHEN Hai—chao f 1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying 257061,Shandong Prvoince,China; 2.Workover Company fo Huabei Petroleum Administration Bureau,Renqiu 062500,Hebei Province,Chian) Abstract:Simulation experiments on the initiation and prolongation mechanisms of hydraulic fractures were conducted by a true triaxial test system with basalt,boulderstone and muddy limestone,and the fracture geometry and the variation law of pressure with time were obtained.The results show that the basalt has few natural fractures and strong tensile strength,the initiation of fractures results in obvious pressure drop,and the desirable double wing fractures are finally formed.Boulder- stone is found to have lots of natural fractures and indistinct pressure drop originated from the fracture initiation.The fractures fracturing at high delivery rates are multiple sets of complex ones.The friction resistance of fractures prolongation is lrager, and the value of prolongation pressure is equal to the fracture pressure.Muddy limestone shows lower tensile strength and partilaly developed natural fractures.The fracture pressure is relatively lower,and the prolongation pressure is almost equal to the minimal horizontal in-situ stress in muddy limestone. Key words:hydraulic fracturing;fracture prolongation;simulation experiment;geometyr 近年来在我国许多油田相继发现了一些特殊岩 压裂裂缝延伸的模拟实验,陈勉等 则进行了三轴 性油藏,大多为深层、低渗油藏,常通过压裂增产技 应力条件下砂岩压裂模拟实验,得到了一些有益的 术提高其单井产量 。J。由于这些特殊岩性地层的 结论。现场施工表明,玄武岩、凝灰岩等特殊岩性地 力学性质与砂岩油藏有很大差异,有必要对其压裂 层的压裂规律与常规砂岩地层有较大差异,有必要对 机理进行基础研究。水力压裂模拟实验是认识裂缝 这些特殊岩l生地层水力裂缝延伸规律进行深入研究。 扩展机理的重要手段,2O世纪9O年代以来,Zheng— wen Zeng等 进行了砂岩破裂压力与注入速率关 1 真三轴压裂模拟实验系统 系的模拟实验,刘迎香等 进行了混凝土试样重复 本研究所用模拟压裂实验系统是中国石油大学 收稿日期:2006—07—15 作者简介:赵益忠(1980一),男(汉族),山东潍坊人,博士研究生,从事深部岩石力学方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・64・ 中国石油大学学报(自然科学版) 2007年6月 (华东)岩石力学实验室人员自行建造的一套真三 眼井垂直井眼起裂模型 Pf=3o-h—o-H+S 一 轴模拟实验系统。利用该实验系统不仅能够进行压 计算得到的,其中,P 为井壁附近孑L隙压力,MPa。 裂机理研究,还可进行井眼失稳破坏机理及岩石破 从表2可以看出,相对于巨砾岩及泥灰岩而言,玄武 坏机理等方面的研究工作。实验系统整体结构如图 岩起裂压力实验值与计算值偏差较大,可能是因为 1所示。 测定的玄武岩Blot系数偏大的缘故。 表2水力压裂模拟实验参数 MPa 主 图1 真三轴压裂模拟实验系统示意图 前人压裂模拟实验过程中采用的地应力相对较 该实验系统的最大工作压力为40 MPa,可对立 低_2引,不能较好地模拟地层压力条件。本实验过程 方体试件的3组垂直表面单独施加压力以模拟地应 中采用的地应力水平较高,由表2可知,最小水平地 力状态,由伺服控制注入泵按预先设定的排量向模 应力也达到了12 MPa,在井眼起裂的瞬问及裂缝延 拟井眼中注入模拟压裂液,由数据采集系统采集实 伸过程中可以有效地钳制裂缝的惯性延伸。 验过程中不同时刻压裂液的压力数据。 2.3压裂模拟实验结果分析 2.3.1 玄武岩 2压裂模拟实验及其结果分析 用蒸馏水模拟压裂液,以0.5 mL/min的排量注 2.1试样制备 入井眼。实验过程中记录井眼压力随注入时间的变 华北油田在深层勘探开发过程中,钻遇玄武岩、 化规律,实验曲线如图2所示。裂缝传播一定距离 巨砾岩、泥灰岩3套典型的特殊岩性油藏。这些岩 后,进行了瞬时停泵、裂缝重张实验。压裂后试样几 石无论从组织结构还是力学性质上,都与传统砂岩 何形貌如图3所示。 25 油藏有巨大的差别,其中,玄武岩岩性致密;巨砾岩 20 胶结差,颗粒粒径相差较大,发育有微小裂缝;泥灰 坫 岩粒径均匀,胶结较松散。为了对这些特殊岩性油 藏进行压裂优化设计,先通过室内模拟实验研究这 奋10 些油藏裂缝起裂和传播规律。实验岩样尺寸为105 5 mm X 105 mm X 93 mm,中心孑L(井眼)直径为10 O 0 500 1000 1 500 2000 mmo 时问t/s 2.2实验参数 图2 4号玄武岩岩心压裂模拟实验压力曲线 模拟实验前对实验岩心基础力学参数进行了测 试,结果见表1。实验所用地应力参数根据华北油 田地应力特点确定,见表2。研究过程中对多块试 件进行了压裂模拟实验。本文中以4号玄武岩岩 心、8号巨砾岩岩心、9号泥灰岩岩心为例,分析这些 特殊岩性地层裂缝起裂及延伸规律。 表1实验岩心基础力学参数 图3 4号玄武岩岩心压裂后的形貌 通过图2可以看出,由于玄武岩渗透率较低,初 始压力上升较快,在达到20.7 MPa的峰值压力后压 表2中的裂缝起裂压力计算值是采用经典的裸 力有较小的回落,后重新上升至20.8 MPa,这反映 维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第3期 赵益忠,等:不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验 ‘65・ 出裂缝在井壁上的起裂过程,162 s时宏观裂缝形 条裂缝稳定的滤失,裂缝的延伸压力比最小水平地 应力大1 MPa左右。通过图5的照片也可看出,巨 成,压力大幅回落,随后裂缝压力基本维持在14 MPa左右,裂缝向前延伸。540 s时停泵,压力迅速 下降到11.5 MPa,而后稳定在10 MPa。660 s时重 新开泵,裂缝重张压力仍基本维持在14 MPa左右, 与延伸压力相当。900 s时停泵,停泵后期压力降落 砾岩岩心压裂后形成多条不规则裂缝,大大增加了 巨砾岩渗透率。 缓慢,再次说明了玄武岩试样渗透率较低。图3的 实验照片也清晰的显示,岩心表面沿最大水平地应 力方向发展了双翼对称裂缝。 从实验结果可看出,玄武岩岩性较致密,渗透率 较低,抗拉强度高,压裂曲线中存在明显的起裂现 象,起裂后压力降低明显。裂缝穿过井眼周围一定 距离后,压力基本保持稳定,裂缝继续向前延伸,延 伸压力大于最小水平地应力2 MPa左右,这说明玄 武岩断裂韧性较大,对裂缝延伸起到一定程度的阻 碍作用。模拟实验压力曲线趋势与现场压裂施工压 力曲线趋势具有相似性。 2.3.2 巨砾岩 考虑到巨砾岩裂缝比较发育,选用注入排量为 2 mL/min,大于玄武岩的注入排量,压力曲线如图4 所示。从压力曲线可以看出,在低排量下,裂缝起裂 后,压裂液沿微小裂缝渗滤,造成初始压力上升较缓 慢,达到某一值时,将微裂缝张开,压力下降,即裂缝 基本是沿着原有裂缝路径传播的。为探讨能否沿最 大主应力方向形成光滑裂缝,用煤油模拟压裂液,采 用21 mL/min的大排量进行了压裂实验。裂缝扩展 到一定距离后,进行裂缝重张实验。压后试样照片 如图5所示。 重 出 时间‘/s 图4 8号巨砾岩岩心压裂模拟实验压力曲线 通过8号岩心大排量压力曲线可以看出,26 S 时压力达到峰值14 MPa,后来压力基本维持在13 MPa左右进行延伸,222 s时停泵,244 s时以相同排 量重新开泵,缝中压力达到13 MPa左右时重新维持 在该压力水平,裂缝继续向前延伸,436 s时停泵。 分析压裂模拟曲线可看出,裂缝起裂不会导致明显 的压降,压裂液在较高压力下通过井壁上形成的多 图5 8号巨砾岩岩心压裂后的形貌 从巨砾岩实验结果可看出,巨砾岩岩心胶结差, 岩心非均质程度较高,天然裂缝较为发育,渗透率 高。采用小排量进行压裂时,压裂液主要沿天然裂 隙流动;采用大排量进行压裂时,能够形成宏观裂 缝,但易形成多裂缝,压裂裂缝延伸不规则,导致压 裂液流动阻力较大。 2.3.3泥灰岩 模拟压裂液介质为煤油,排量为3.6 mL/min, 实验曲线如图6所示。裂缝扩展到一定距离后,进 行裂缝重张实验。压后试样照片如图7所示。 图6 9号泥灰岩岩心压裂模拟实验压力曲线 图7 9号泥灰岩岩心压裂后的形貌 从图6可以看出,120 s左右压力达到峰值13.5 MPa,接着压力有1 MPa左右的回落,然后裂缝以12 维普资讯 http://www.cqvip.com ・66・ 中国石油大学学报(自然科学版) 2007年6月 MPa左右的压力向前延伸,712 s时停泵,752 s压力 降落到6 MPa时重新开泵,压力在短时间内重新上 升至13.3 MPa,然后裂缝以13 MPa左右的压力向 前延伸。通过图7也可看出,沿最大水平地应力方 向产生了一条较为明显的裂缝。 从泥灰岩实验结果可以看出,泥灰岩破裂压力 较低,由于井眼裂缝起裂而导致的压力陡降现象不 明显,一方面是因为泥灰岩抗拉强度较低,另一方面 是因为该块泥灰岩井眼周围发育有一定程度的天然 裂缝,导致破裂压力较低。 3 结论 (1)对于玄武岩,天然裂缝发育程度较低,岩石 抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压力降低,压 裂后能够形成比较理想的双翼缝。玄武岩断裂韧性 较高,会对裂缝延伸起到一定程度的阻碍作用,使得 裂缝延伸压力比最小水平地应力大1~2 MPa。 (2)对于巨砾岩,天然裂缝较为发育,裂缝起裂 不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为 多组复杂裂缝,导致裂缝扩展摩阻很大,使裂缝延伸 压力几乎与破裂压力相当。对于巨砾岩等天然裂缝 发育程度较高的地层,建议采用较高排量进行压裂 施工。 (3)对于泥灰岩,抗拉强度较低,部分发育有天 然裂缝,导致破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与 最小水平地应力相当。 参考文献: 刘一江,李相方.深层低渗储层压裂工艺优化技术 [J].天然气工业,2005,25(8):94-96. 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