在不同原位应力条件下，对水力压裂和压裂-注水过程中低渗透率油藏的裂缝特征进行研究

《Frontiers in Earth Science》：Fracture characterization of low-permeability oil reservoirs under hydrofracturing and fracturing-flooding processes under varying in-situ stress conditions

通过实验和PFC2D数值模拟，研究低渗透砂岩油藏中压裂-注水技术对裂缝扩展及微损伤的影响，发现高在位应力抑制裂缝扩展并降低渗透率，压裂-注水循环加剧微损伤形成，且应力场显著影响裂缝分布模式。

　　在新疆油田的开发过程中，低渗透性和超低渗透性的砂岩油藏的高效开发是维持和提升油田产量的关键支持因素。由于这些油藏具有较大的可采储量，但产油速度较低，因此，如何通过有效的技术手段提高其开发效率成为当前研究的重要方向。在这一背景下，压裂-注水技术作为一种创新方法，通过在高流速或接近压裂压力的条件下向油藏注入流体，形成短而宽的微裂缝网络，从而提高油藏的渗透性并补充其能量。这种技术具备能量补充、渗流吸收、注水和压裂等多重功能，为低渗透油藏的开发提供了新的思路。

压裂-注水技术相较于传统压裂技术，对油藏孔隙压力场的影响更为显著，并且在裂缝起裂与扩展过程中，流体-固体耦合效应更加突出。然而，尽管压裂技术已有较多研究，压裂-注水技术的相关研究仍相对有限。为了深入理解压裂-注水过程中裂缝的形态特征，本文采用真实三轴压裂实验与PFC^2D等效压裂模型相结合的方法进行研究。通过实验和模拟的对比分析，可以更全面地揭示裂缝的形成机制以及其对油藏开发的影响。

在实验设计方面，选用具有100 mm边长的天然砂岩作为实验样品。该砂岩的孔隙度为9.34%，属于低孔隙度砂岩，其渗透率为5.04 mD，也表现出较低的渗透性。通过核磁共振测试，可以分析岩石的孔隙结构，进而了解裂缝的分布情况。同时，通过三轴压缩实验获得岩石的应力-应变曲线，从而获取其强度和变形参数。实验结果显示，当岩石处于高应力状态时，裂缝主要出现在岩石的边缘区域，且裂缝扩展受到抑制，其长度和宽度均较小。而在低应力状态下，裂缝则呈现出更大的扩展范围，且在裂缝周围形成了更明显的微损伤区域。值得注意的是，在压裂-注水实验中，未观察到明显的裂缝，但通过声发射监测和CT扫描分析，可以发现微损伤的形成。

实验过程中，使用了自主研发的真三轴压裂设备，能够模拟不同介质（如水、气、超临界CO₂）在高温条件下的压裂过程。设备包括油泵、控制器、加载平台和孔隙压力加载模块，能够精确控制实验条件并实时监测压裂过程。实验中设置的应力条件包括高应力（σ_V = 95 MPa，σ_H = 80 MPa，σ_h = 50 MPa）和低应力（σ_V = 45 MPa，σ_H = 40 MPa，σ_h = 25 MPa）两种情况。同时，为了监测裂缝的形成过程，实验中还引入了16通道声发射监测仪，实现对裂缝扩展过程的三维定位。

在数值模拟方面，本文采用PFC^2D建立等效压裂模型，以模拟裂缝扩展的力学行为。在模型中，通过施加等效径向力模拟压裂孔周围的流体压力作用。流体压力与颗粒直径相乘，作为施加在颗粒上的力，从而模拟裂缝的扩展过程。此外，通过实时追踪新生成裂缝表面的流体压力，进一步细化裂缝的扩展机制。模拟结果显示，裂缝的扩展方向主要沿着垂直主应力方向，且在裂缝周围形成了微损伤区域。这些微损伤的分布与裂缝扩展过程密切相关，尤其在多次压裂-注水循环后，微损伤区域的扩展趋势更加明显。

为了验证模型的准确性，将实验结果与数值模拟结果进行对比分析。实验数据显示，随着注入速率的增加，液压压力呈现阶梯式上升，达到峰值后迅速下降，最终导致岩石破裂。而数值模拟则能够更直观地捕捉裂缝的扩展过程，特别是在裂缝形成初期和扩展阶段，其变化趋势与实验结果基本一致。此外，模拟结果显示，随着现场应力的增加，裂缝扩展受到抑制，裂缝的长度和宽度均有所减少，但裂缝周围的微损伤区域则逐渐扩大。这一现象表明，现场应力对裂缝扩展具有重要的调控作用，不仅影响裂缝的形成方式，还对裂缝网络的形态产生显著影响。

在压裂-注水过程中，声发射监测与CT扫描结果相结合，进一步揭示了裂缝的演化特征。声发射事件的频率随着压裂-注水循环次数的增加而显著上升，表明裂缝的扩展过程伴随着岩石内部的微损伤积累。CT扫描结果显示，裂缝的扩展不仅受现场应力的影响，还受到注入速率和流体性质的调控。在高现场应力条件下，裂缝的扩展受到明显抑制，而低现场应力条件下，裂缝则更容易形成并扩展。同时，压裂-注水过程相较于传统压裂技术，能够更有效地诱导微裂缝的形成，并在裂缝周围产生更广泛的微损伤区域。

研究还发现，现场应力对裂缝的形成和扩展具有双重作用。一方面，随着现场应力的增加，裂缝的扩展受到抑制，裂缝的长度和宽度均有所减少，但裂缝周围的微损伤区域则逐渐扩大，形成椭圆形裂缝区。另一方面，压裂-注水过程能够促进裂缝的形成，尤其是在多次循环后，裂缝的数量和分布范围均显著增加。这表明，压裂-注水不仅能够提高裂缝的形成效率，还能够通过多次循环进一步增强裂缝网络的扩展能力。

综上所述，本文通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究了低渗透砂岩在压裂和压裂-注水过程中的裂缝特征。研究结果表明，现场应力对裂缝的形成和扩展具有显著影响，而在压裂-注水过程中，裂缝的扩展更加复杂，不仅受到现场应力的调控，还受到注入速率、流体性质以及多次循环的共同作用。这些发现对于优化压裂-注水技术参数、提高低渗透砂岩油藏的开发效率具有重要的指导意义。未来的研究可以进一步探讨不同地质条件下压裂-注水技术的适用性，并结合现场实际数据，为油田开发提供更加精准的理论支持。