砂砾岩储层水力压裂破裂压力实验研究杨西亚 1 ，杨永明 1 ，刘茹苹 1，付展鹏 1，郝文静 1

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程建学院，北京 100083）摘要：为了分析并阐述不同砾石粒径和不同布孔方式两者因素对砂砾岩储层水力压裂破裂压力的影响，进而为砂砾岩储层油气开采的布孔方式提供一定的理论依据，采用真三轴水力压裂实验系统，开展了不同粒径大小砂砾岩储层人工物理模型在不同布孔方式下的三轴水力压裂实验，研究结果表明：不同砾石粒径的大小会显著影响水力压裂的破裂压力，随着砾石粒径的增大，破裂压力的大小会存在一个极限值；螺旋布孔方式相对于线性布孔、对称布孔，破裂压力显著降低。关键词：水力压裂；破裂压力；粒径大小；布孔方式中图分类号：0346.1

Experimental study on fracture propagation law of

Glutenite Reservoir’s hydraulic fracturing

YANG Xiya1, YANG Yongming1, LIU Ruping1, FU Zhanpeng1, HAO Wenjing1

(1. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083 China)

Abstract: In order to describe and analyze the influences of size of gravel and way of perforating on glutenite reservoir’s fracturing pressure and to provide a theoretical basis for oil and gas exploitation of sand conglomerate reservoir. Hydraulic fracturing test were conducted on artificial physical model of glutenite reservoir with different particle sizes and different perforating methods by tri-axial test system. The results show that the size of different gravel sizes can significantly influence the fracture pressure of hydraulic fracturing. As the gravel size increases, the fracture pressure will have a limit value; compared with the linear perforation and symmetrical perforation, the fracturing pressure of spiral perforation decreases significantly.Key word: hydraulic pressure; fracturing pressure; particle size; perforating method

0 引言水力压裂技术是储层改造中常用的一种方法，如何最大程度的降低地层破裂压力、提

高压裂效率、降低水力压裂的失败率，一直是人们所关心的问题。在实际油气开采过程中，射孔完井是水力压裂施工中主要的完井方式，近年来，国内外许多研究者基于均匀储层对射孔完井方式下的地层破裂压力进行了大量的研究 [1-7]，对人们认识和理解射孔方式与破裂压力的关系具有重要的指导意义。然而常规的砂岩储层经常表现出明显的非均质性，颗粒

作者简介：杨西亚（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：储层水力压裂裂缝扩展通信联系人：杨永明（1979-），男，副教授，主要研究方向：矿山岩体力学与应用、孔裂隙岩石模型重构与裂缝扩展机理等方面的教学与研究工作.E-mail:yangym@cumtb.edu.com

分布明显形成典型的砂砾岩结构，在这种结构储层中开展水力压裂进行储层改造时，地层破裂压力必然和均匀储层有所差别，一些研究者对于影响砂砾岩储层破裂压力的因素也做了一些研究，罗攀等[8]基于断裂力学的数值模拟结果，指出砾石的粒径、含量以及界面的性质是形成不规则裂缝、导致压力波动的内在原因。鞠杨等[9]基于三维重构的非均质砂砾岩模型，采用离散元方法研究了不同水平应力差下水力裂缝的破裂和扩展过程，并与物理模拟结果进行了对比。孟庆民等[10]利用人造试样分析了砾石粒径和水平应力差等因素对裂缝扩展形态和压力曲线的影响。这些研究对于人们认识砂砾岩储层水力压裂破裂压力和裂缝展布具有重要的指导意义，然而，研究者们对于砂砾岩储层射孔完井的水力压裂研究不多，而不同的射孔完井方式对水力压裂效果具有较很大影响，加之这种非常规储层一般埋深较深，采用现有的监测手段难度大、成本高，且存在很多不确定性，难以对压裂的效果进行准确的评价。因此，深入研究此类储层水力压裂破裂压力的影响因素对指导水力压裂设计具有重要的意义。

本文依据实验室所测试的天然砂砾岩颗粒分布规律 [11]为基础，配制了包含不同粒径大小的混凝土人工物理模型来模拟包含不同粒径大小的天然砂砾岩储层，并通过改变布孔方式深入研究了不同布孔方式下不同粒径大小砂砾岩储层水力压裂破裂压力的规律，阐明了不同布孔方式下砂砾岩储层水力压裂破裂压力与粒径大小和布孔方式之间的规律。1 水力压裂实验模拟1.1 人工物理岩心制备

砂砾岩的非均质性很强，且水力压裂裂缝扩展的影响因素较多。为突出研究射孔方式、砾石颗粒及地应力等因素对压裂裂缝扩展规律的影响，而忽略天然储层岩石的其它因素（不同岩性、沉积作用、层理、夹杂等），避免多因素混合导致对压裂裂缝的破裂和扩展机理认识不清，本文采用相似材料制备砂砾岩人工物理岩心，以人工物理岩心为研究对象开展水力压裂裂缝扩展实验。根据课题组前期测得所选取的天然砂砾岩岩芯的基质、砾石颗粒成份结果得知：天然砂砾岩岩心砾石颗粒的主要成份为白云石，体积含量高达84.5%，而其他成分含量所占比例较小。考虑到主要影响因素和简化制作过程，在制备人工物理岩心中的砾石颗粒时统一采用白云石而忽略其它成份。因硅灰石的密度和硬度等力学性质与白云石及其相似，因此，在实验中利用硅灰石来模拟人工物理岩心的砾石颗粒。天然砂砾岩基质和砾石颗粒成分分析见表 1。

表 1 天然岩芯颗粒成分分析Tab.1 Natural core particle composition analysis

类别 矿物种类和含量（%） 粘土矿物总量(%)石英 钾长石 钠长石 方解石 白云石颗粒 4.0 0.8 5.4 0.5 84.5 4.8

基质 30.2 15.1 37.3 4.5 - 12.9

利用 CT 扫描和电子探针实验可知，本文选取的砂砾岩岩心的砾石颗粒粒径大小的尺寸及分布特征如图 1所示，粒径大小在 5mm-13mm 范围内的颗粒体积含量占 90%左右。为考察不同砾石粒径对砂砾岩储层水力压裂破裂压力和裂缝扩展形态的影响，实验中设定了三种粒径范围，分别为 5-7mm、8-10mm和 11-13mm，分别字母 S、M、L表示，制作了三种不同粒径大小的砂砾岩人工物理岩心。

图 1 天然砂砾岩岩石粒径-数量分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of natural glutenite rock

人工物理岩心的基质部分根据对天然砂砾岩岩芯的强度、弹性模量、泊松比等参数的已实测结果，采用与天然岩芯基质部分力学性质类似的水泥砂浆制备。水泥沙浆配比: 水灰比(W/C)为 0.2，水泥 991.3 kg/m3，砂 111 kg/m3，减水剂 24.7 kg/m3。采用不同颗粒粒径作为砾石颗粒和以上配比水泥砂浆作为基质，制备尺寸为 100mm×100mm×100mm的立方体人工物理岩心，经过标准养护后，如图 2所示。

图 2 不同粒径大小砂砾岩人工物理模型Fig.2 Different particle size glutenite artificial physical core

1.2 井筒设计为了模拟实际油气开采过程完井方式中射孔完井的布孔方式，基于 3 组不同粒径范围

大小共 9个立方体试件，选取对称布孔（1号）、线性布孔（2号）、螺旋布孔（3号）三种射孔完井的布孔方式，在每一种布孔方式中，均保证射孔的个数一致，即均为 6个射孔数，三种布孔方式的井筒图如图 3所示，井筒由上部的连接口和下部的射孔段构成，射孔段高度 50mm，也即为埋入混凝土试件段的高度。射孔段的底部和顶部均有直径为 10mm

的筒帽，由于井筒是通过粘结胶与混凝土粘结在一起的，所以，筒帽的作用是增大井筒与混凝土的连接性。除筒帽外的射孔段内径为 4mm，外径为 7mm，射孔孔眼直径为 2mm。将人工物理模型进行钻孔，钻孔直径 12mm，利用超强粘结胶将井筒胶入立方体试件，一种布孔方式下对应三种粒径试件，制备完整立方体试件如图 4所示。

（a）对称布孔 （b）线性布孔 （c）螺旋布孔图 3 不同布孔方式下井筒图

Fig.3 Hole layout in different layouts

（a）对称布孔下不同粒径试件

（b）线性布孔下不同粒径试件

（c）螺旋布孔下不同粒径试件图 4 不同布孔方式下立方体试件

Fig.4 Cube specimens with different hole patterns

1.3 加载设备与地应力设计采用实验室真三轴水力压裂实验机模拟地应力状况，实现试件在 x、y、z三个方向的

加载，三向应力通常记做最大水平主应力（σH），最小水平主应力（σh），以及垂向应力（σz），本实验设定 x方向为最大水平地应力方向，也即对称布孔和线性布孔的射孔方向，y方向为最小水平地应力方向，z方向为垂向地应力方向，注水泵水压系统所加最高水压可

射孔 射孔射孔

筒帽 筒帽 筒帽

达 80MPa，利用此水力压裂系统开展 9 组水力压裂试验，水力压裂试验装置见图 5，加载地应力荷载与注水参数见表 2。

a）三轴水力压裂试验机 b）加载方向 c）水压系统图 5 三轴水力压裂实验系统

Fig.5 Triaxial hydraulic fracturing experimental system

表 2 试件加载条件和注水流量Tab.2 Sample loading conditions and water injection flow

水平最小地应力 σh/MPa 水平最大地应力 σH/MPa 垂向地应力 σV/MPa 注水流量ml/min

10 15 20 35

2 实验结果与分析不同粒径三轴水力压裂实验注水压力随时间变化的曲线图如图 6所示，试件破裂压力

表如表 3所示，不同粒径大小试件水力压裂曲线对比图如图 7所示，图 8为不同粒径范围下不同布孔方式注水压力图。

（a）从左至右依次为 S1、S2、S3 试件注水压力图

（b）从左至右依次为M1、M2、M3 试件注水压力图

x方向y方向

（c）从左至右依次为 L1、L2、L3 试件注水压力图图 6 不同粒径范围不同布孔方式下水力压裂注水压力图 （S1、S2、S3分别为 5-7mm粒径对称布孔、

线性布孔、螺旋布孔的布孔方式；M1、M2、M3分别为 8-10mm粒径对称布孔、线性布孔、螺旋布孔的布孔方式；L1、L2、L3分别为 11-13mm粒径对称布孔、线性布孔、螺旋布孔的布孔方式）

Fig.6 Hydraulic fracturing water injection pressure diagrams for different particle size ranges with different hole patterns (S1, S2, S3 are 5-7mm grain size symmetrical holes, linear holes, and spiral hole holes; M1, M2, and M3, respectively. 8-10mm particle size symmetrical hole, linear hole, spiral hole hole cloth hole pattern; L1, L2, L3,

respectively, 11-13mm diameter symmetrical hole, linear hole, spiral hole )

表 3 不同粒径试件注水压力表Tab.3 Different particle size injection water pressure gauge

编号S M L

S1 S2 S3 M1 M2 M3 L1 L2 L3

注水压力/MPa 54.31 60.37 20.94 65.74 70.13 34.56 45.22 49.8 16.37

1）5-7mm粒径水力压裂曲线 2）8-10mm粒径水力压裂曲线 3）11-13mm粒径水力压裂曲线图 7 不同粒径大小试件水力压裂曲线图

Fig.7 Hydraulic fracturing curves of different particle size specimens

在颗粒粒径 5-7mm 试件中，在试件起裂之前，三种布孔方式的注水压力增长速率差别不大，当注水压力达到试件所能承受的破裂压力时，试件开始起裂，但随后采用对称布孔和线性布孔方式下的试件注水压力下降缓慢，这段时间试件内部水压能持续较长时间，且水压曲线波动较小，水压裂缝扩展缓慢，而采用螺旋布孔的试件在试件起裂以后，水压急剧下降，裂缝扩展速度很快；颗粒粒径 8-10mm 试件与 11-13mm 试件中，采用三种布孔方式的水力压力起裂趋势与粒径 5-7mm 试件类似。

随着颗粒粒径的增加，采用对称布孔方式和线性布孔方式下的水力压力曲线从起裂点以后，水压降低速率有增大的趋势，采用螺旋布孔方式下的水力压力曲线随粒径增加，压力趋势基本不变化。

图 8 不同粒径范围下不同布孔方式注水压力图Fig.8 Different pore size water injection pressure diagram

同一粒径大小范围内，采用对称布孔（S1、M1、L1）和线性布孔（S2、M2、L2）方式的试 件破裂破坏 后，裂缝持 续扩展中注水压力缓 慢 减小，而采用螺旋布孔（S3、M3、L3）方式的试件破裂破坏后，注水压力曲线下降迅速。

同一粒径大小范围内，采用螺旋布孔方式试件压裂时起裂压力相对于对称布孔、线性布孔试件压裂时起裂压力要小，且采用线性布孔的试件起裂注水压力普遍高于对称布孔和螺旋布孔试件的起裂注水压力。

同一布孔方式中，采用M粒径的试件压裂时注水压力大于 S粒径和 L粒径试件压裂时注水压力。可见，粒径大小会影响试件压裂时起裂压力的大小，随着颗粒粒径的增大，试件的起裂压力先增大后减小，即在一定粒径大小范围中，存在起裂压力的临界值。3 结论

本文依托实际所取天然砂砾岩砾石颗粒粒径大小状况，配制了三种粒径范围大小的人工物理模型，并基于三种射孔完井的布孔方式，利用实验室真三轴水力压裂实验系统模拟开展了不同粒径大小砂砾岩储层人工物理模型在不同布孔方式下的三轴水力压裂实验。通过实验结果对比分析了不同射孔完井方式下不同粒径大小范围砂砾岩储层水力压裂破裂注水压力变化规律，结合本文可以得出以下结论：

（1）对于含有颗粒粒径相同的砂砾岩试件，采用螺旋布孔方式相对于对称布孔和线性布孔方式，试件压裂时所需要的水力压力大大降低，线性布孔试件压裂时破裂注水压力高于对称布孔和螺旋布孔试件破裂时注水压力，且采用螺旋布孔方式的试件，试件初始压裂后，注水压力曲线达到顶峰后下降迅速，裂缝扩展时间短，而采用对称布孔和线性布孔的试件注水压力曲线达到顶峰后下降缓慢，裂缝扩展时间稍长。

（2）当采用同一射孔完井布孔方式时，8-10mm粒径大小范围试件起裂压力高于 5-

7mm和 11-13mm粒径大小范围试件破裂注水压力，可见，粒径的大小范围影响砂砾岩模型

破裂注水压力的大小，且在粒径的大小增大过程中，起裂压力先增加后减小，即存在起裂压力的临界值。

（3）粒径的大小会不同程度的影响的水力压力曲线，但不同布孔方式同样会影响水力压力曲线，在采用螺旋布孔方式下，粒径大小对压裂曲线影响较弱，在采用线性布孔和对称布孔方式下，随着粒径大小的增大，水力压力降低的速率增加。

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