張同景，鄭永香,3*，鄭超越，郭相瑞，馮 浩，梁 哲，張 脈

(1.河北省金屬礦山安全高效開采技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；4.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司 第五采油廠，河北 辛集 052300；5.河北省煤田地質局物測地質隊，河北 邢臺 054000)

水力壓裂是頁巖開發(fā)的關鍵技術，通過水力壓裂可以在儲層中形成有效的裂縫網(wǎng)絡，提高儲層的滲透率[1-3]。水力壓裂物理實驗常用的方式為真三軸水力壓裂實驗，國內外采用真三軸水力壓裂設備針對不同的儲層(如頁巖，煤巖，低滲砂巖等)開展了系列試驗[4-6]，對水力壓裂作用下的裂縫形成規(guī)律進行了深入探討。目前影響水力壓裂裂縫起裂和擴展的主要因素有地應力、孔隙壓力、層理及天然裂縫、射孔參數(shù)、施工排量[7-8]。趙熙等[9]采用數(shù)值模擬方法分析了不同水平應力比和孔射布置方式對水力壓裂起裂和擴展的影響；劉海龍等[10]研究了定向射孔對水力壓裂起裂的影響；陳燦等[11]研究了壓裂液的黏度對裂縫的起裂壓力和擴展半徑的影響。目前已有研究主要通過大型真三軸水力壓裂設備和數(shù)值模擬方法對裂縫的裂縫網(wǎng)絡形態(tài)進行研究，但是單獨針對井周裂縫起裂行為研究的實驗較少，因此開展近井筒裂縫起裂行為的研究對認識裂縫擴展具有重要意義。

注液速率是壓裂施工工藝的重要參數(shù)，厘清注液速率對裂縫起裂行為的影響規(guī)律對壓裂施工方案的設計具有重要的參考價值[12]。因此本文采用單軸水力壓裂設備，設計不同的注液速率，分析不同注液速率下水力裂縫的起裂特征。以期為壓裂施工工藝的設計過程提供參考。真三軸水力壓裂設備對試樣的要求較高，操作程序相對繁瑣，試驗成本相對較高。雖然真三軸試驗更能反映地下巖體的真實壓力狀態(tài)，但在研究水力裂縫的起裂行為時，重點關注于近井筒的裂縫擴展行為，單軸水力壓裂試驗需要的試樣小，主要針對裂縫的起裂行為和近井筒裂縫特征。因此單軸水力壓裂試驗在研究頁巖的起裂特征方面具有一定的優(yōu)勢。本文將采用單軸水力壓裂設備對近井筒范圍內的裂縫起裂行為進行探討。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

本試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所采用改造后的單軸水力壓裂設備完成。該設備可施加軸向壓力和側向圍壓，在試樣中部可注液壓裂。試驗設備簡圖如圖1(a)所示。試驗主要考慮軸向壓力。軸向壓力通過伺服加壓泵加載，且可以通過電腦系統(tǒng)維持壓力穩(wěn)定。進液系統(tǒng)通過流量控制完成，可實現(xiàn)流量范圍為0.1～10 mL/min的注液。具體設備如圖1(b)所示。主要包括加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測系統(tǒng)可記錄注入壓力。

圖1 單軸水力壓裂設備Fig.1 Equipment of hydraulic fracturing

1.2 樣品制備

本試驗采用圓柱標準試樣進行測試。試樣按照垂直于層理方向鉆取，尺寸為直徑25 mm，高50 mm。在試樣一端鉆孔，鉆孔深度為30 mm，孔徑為3 mm。鉆孔后安裝封頭。封頭埋入試樣中的深度為25 mm。封頭通過環(huán)氧樹脂固定，固定后養(yǎng)護時間應大于2 h。其內部形態(tài)如圖2(a)所示。巖樣可以分為固井段和裸眼段。由于封頭材料為鋼管，強度較高。故裂縫將首先從裸眼段起裂。固井完成后試樣如圖2(b)所示。

圖2 試樣固井方案Fig.2 Sample cementing scheme

1.3 試驗方案

本次試驗采用單軸加壓模式。軸向壓力為5 MPa，選擇不同的注液速率，研究注液速率對裂縫的起裂時間和起裂壓力的影響。注液速率分別為0.5～4 mL/min。本試驗中的壓裂液為清水。試驗的具體實施方案匯總見表1。

表1 試驗方案表Tab.1 Protocol table for the experiment

除上述試驗外，本試驗中曾嘗試增加圍壓和改變軸壓進行測試。但是在增加圍壓后，起裂壓力超過設備極限或注液壓力過高導致壓裂液從封頭處漏液，最終試驗失敗。但其結果對本文仍具有指導意義，因此本文中也將會針對失敗的試驗結果進行討論。此外，試驗中應注意軸壓的控制。當軸壓過大時，導致封頭處應力集中，巖樣受到應力的作用而劈裂，導致試驗失敗。

2 結果與分析

2.1 頁巖裂縫的起裂形態(tài)

隨著壓裂液注入，井筒內壓力升高。當注液壓力達到試樣的起裂壓力后，試樣開裂。試樣開裂后的形態(tài)如圖3所示。由圖可知，裂縫為豎向貫穿裂縫，裂縫穿過巖樣中心。在試樣1-5，1-6和1-7中，試樣中只含有一條豎向貫穿裂縫，裂縫沿層理面開裂。試樣1-8中，除沿層理面開裂外，在垂直于層理面方向有一條豎向貫穿裂縫。

圖3 試樣的破壞形態(tài)Fig.3 Failure state of samples

取含有單條裂縫和多條貫穿裂縫的試樣，如圖4所示。圖中左側為頂端的裂縫形態(tài)，中部為試樣實物照片，右側為試樣的側面展開圖。右側圖中只展示含裂縫部分，角度為從左側圖中心上方為0度起始點逆時針旋轉。由圖4(a)中只有一條垂向貫穿裂縫，并通過巖樣中心。圖4(b)為1-8的形態(tài)，該試樣注液速率為4 mL/min，注液速率大，裂縫除沿層理面的貫穿裂縫外，還有一條垂直于層理面的貫穿縫。1-8中共有4條裂縫。

綜上，裂縫起裂主要沿著層理面開裂。這是由于層理面的強度低于非層理面。在低注液速率下，試樣破壞后只含有一條豎向貫穿縫，裂縫形態(tài)單一。在高注液速率下，破壞后的試樣包含4條裂縫，裂縫形態(tài)變得更為復雜。因此可以得到注液速率對裂縫起裂形態(tài)的影響，即適當提高注液速度可以增加裂縫的起裂條數(shù)，增加裂縫網(wǎng)絡的復雜性。

圖4 外表面破壞特征Fig.4 Failure characteristics of outer surface

裂縫起裂后將繼續(xù)沿著起裂處繼續(xù)延伸，初始的裂縫起裂條數(shù)對后續(xù)形成的裂縫網(wǎng)絡具有關鍵作用。當只有一條貫穿裂縫時，隨后擴展過程中只能形成一條雙翼裂縫，不能形成有效裂縫網(wǎng)絡。當含有多條裂縫網(wǎng)絡時，隨后的擴展過程更容易形成復雜裂縫網(wǎng)絡。即使裂縫起裂方向與應力方向不一致，但這些裂縫會隨著擴展發(fā)生方向偏轉，其仍有機會保持多條裂縫擴展。并且，在多條裂縫擴展過程中，裂縫相互干擾，更有利于形成復雜裂縫網(wǎng)絡。因此，在生產過程中應合理控制注液速率，使裂縫起裂時產生更多初始裂縫，為形成裂縫網(wǎng)絡提供基礎。

2.2 頁巖壓裂起裂的影響因素

起裂壓力和起裂時間是頁巖起裂的主要特征。將四種不同注液速率下的注液圧力曲線繪于圖5所示。由圖可知起裂壓力約為30 MPa，且注液速率越大，起裂所需時間越短。將起裂時間與注液速率的關系繪于圖6(a)。由圖可知，隨注液速率增加，起裂時間縮短。在注液速率較低時，增大注液速率會明顯縮短起裂時間。當注液速率較大時，提高注液速率對縮短起裂時間的影響不大。由于注液總量與注入時間直接相關，因此將起裂時注入的壓裂液總量與注液速率繪于圖6(b)。由圖可知，起裂時的注液總量隨注液速率的增加略有增加，但是其差異極小?？紤]注液管線中的流體壓力傳遞等因素的影響，可以認為起裂時的注液總量總體持平，注液速率對起裂時的注液總量的影響有限。

圖5 不同注液速率下的圧力曲線Fig.5 Pressure with different injection rate

起裂壓力是壓裂施工中的重要參數(shù)。圖7中為起裂壓力與注液速率之間的關系。在4種不同注液速率下，起裂壓力分別為28.6、28.6、27.8和31.6 MPa，起裂壓力隨注液速率的變化不明顯。這說明注液速率的變化對起裂壓力的影響很小。綜合注液速率與注液總量的關系，可以推測，當井筒內的液體總量達到一定體積時，注液壓力達到頁巖起裂壓力，頁巖發(fā)生開裂。根據(jù)田小朋[13]對同批次頁巖進行巴西劈裂試驗測得的抗拉強度，該批次頁巖的抗拉強度約為10 MPa。本試驗的起裂壓力為27 MPa到31 MPa，頁巖的起裂壓力明顯高于頁巖的抗拉強度。

上述提到，本次試驗也嘗試通過增加圍壓測試頁巖的起裂壓力，壓力曲線如圖8。該方案中對樣品施加5 MPa圍壓，不施加軸壓。當注入壓力達到35.89 MPa時，壓裂液從壓頭處漏出，頁巖未發(fā)生起裂。該試驗未能測得頁巖在圍壓作用下的起裂壓力，由于試樣未起裂，所以試樣的起裂壓力大于35.89 MPa。

圖6 注液速率對起裂時間的影響Fig.6 Influence of injection rate on initial time

圖7 起裂壓力與注液速率之間的關系Fig.7 Relationship between initial pressure and injection rate

圖8 注液壓力曲線Fig.8 Injection Pressure Curve

雖然在圍壓條件下巖樣未能起裂，但是該結果仍能夠證明樣品的起裂壓力大于最小主應力與抗拉強度之和。因注液后試樣內外壁均受到流體壓力作用，該問題可近似認為是厚壁筒問題。根據(jù)厚壁筒問題[14]，外部圍壓作用在厚壁筒上的環(huán)向應力為：

(1)

式中，σθ為環(huán)向應力，MPa；b為外圍半徑，m；a為內壁半徑，m；r為計算點處距中心點距離，m；p2為作用于外筒壁的壓力，MPa。

本文中，試樣外壁(圍)半徑為12.5 mm，內徑(壁)半徑為1.5 mm。計算內壁的應力，因此r取1.5 mm，施加的圍壓為5 MPa。將相關參數(shù)代入公式(1)，內壁處的環(huán)向壓力σθ=2.03p2≈10 MPa。環(huán)向壓力與抗拉強度(約10 MPa)之和為20 MPa。試驗中測得的35.89 MPa大于環(huán)向壓力與抗拉強度之和。環(huán)向壓力可視為起裂面上的法向應力，而地層中裂縫起裂面垂直于最小主應力。因此，樣品的起裂壓力大于最小主應力與抗拉強度之和，這與無圍壓條件下的結論類似。

基于上述討論，認為可能的原因有軸向壓力、裸眼井段長度和試樣尺寸三個原因。由于本次試驗設備及試樣數(shù)量的限制，未能夠對該問題進行深入探討。但該問題對于研究水力壓裂的起裂壓力具有重要意義，可作為未來的研究方向。

2.3 起裂后的裂縫表面形態(tài)

試驗中頁巖多沿著層理面破壞，但同時也有沿著非層理面破壞的試樣。結果發(fā)現(xiàn)不同起裂面的粗糙程度不同。圖9展示了不同破裂形式下的裂縫表面形態(tài)。首先分析左側兩圖，這兩個試樣均沿著層理豎向貫穿。可看出，沿層理面破壞的裂縫表面更為粗糙，表面起伏特征更加突出。右側兩圖為同一巖樣中沿不同面的破壞特征?？梢钥闯?，沿非層理面破壞的表面較沿層理面破壞的表面光滑，粗糙度低。

圖9 裂縫表面形態(tài)Fig.9 Morphology of fracture surfaces

將破壞表面進行局部放大，放大后的表面如圖10所示。由圖可知，沿非層理面破壞面光整均勻，破壞顆粒較小。而沿層理面破壞的表面起伏不平，破壞顆粒較大，有明顯的突出特征。

綜上，在近井筒范圍內，頁巖起裂時沿不同表面破壞的表面粗糙度不同。當沿著層理面破壞時，破壞面粗糙。當沿著非層理面破壞時，破壞面的表面較為光整。裂縫表面的粗糙度對自支撐裂縫的滲透率有顯著的影響。因此，不同破壞形式下的滲透率也將會有較大差異。

3 結論

本文通過單軸水力壓裂試驗測定了頁巖的起裂行為特征。試驗中考慮了不同注液速率對起裂壓力和起裂時間等因素的影響，結果表明：

1)注液速率對起裂時間的影響較大。注液速率較低時，增大注液速率會明顯縮短起裂時間。當注液速率較大時，提高注液速率對縮短起裂時間的影響較??；注液速率對起裂壓力和起裂時的注液總量的影響程度有限，頁巖的起裂主要受頁巖自身的起裂壓力的影響。

2)單軸水力壓裂試驗的頁巖起裂壓力大于巴西劈裂試驗測得的起裂表面的抗拉強度。其原因或與軸向壓力、裸眼井段長度和試樣尺寸等因素有關。

3)在近井筒范圍內，頁巖破壞時不同起裂面的粗糙程度不同。沿層理面破壞的裂縫表面更為粗糙，沿非層理面破壞的表面較為光滑，粗糙度低。