泥岩隔层中水力裂缝扩展几何特征与压力响应：致密油垂向叠置储层真三轴实验研究

《Processes》：Hydraulic Fracture Geometry and Pressure Responses During Growth Across Mudstone Barriers in Vertically Stacked Tight-Oil Reservoirs

　　

： 在致密油垂向叠置储层压裂改造过程中，水力裂缝会依次穿越砂岩-泥岩界面。研究人员在由延长组长6段露头砂岩和泥岩组装的五层试件上开展了11组小尺度真三轴实验，并对裂缝重建结果、试验后观察记录及代表性注入压力曲线进行了分析。试件1-3采用X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, CT）进行重建；其余试件的重建则结合了流体示踪剂分布模式与表面及内部观察结果。试件1-3分别在10、20和30 mm隔层条件下表现出直接穿透、部分穿透和隔层内停滞三种模式，同时中心砂岩厚度由60 mm依次减小至40和20 mm，因此该对比属于层构型综合对比。在20 mm隔层构型下，2和4 MPa的应力差分别对应直接穿透和部分穿透。在1-3 MPa的抗拉强度差范围内，部分穿透模式持续存在；其中3 MPa情形下裂缝路径偏移量为5-11 mm。压力历史记录显示三种典型特征：快速降压、伴随波动的压力恢复，以及长时间高压平台。直接穿透记录中的快速降压与停泵时间大致重合，不能单独归因于隔层穿越。上述观察结果为裂缝在胶结砂岩-泥岩层间扩展提供了试件尺度上的实验证据。

论文解读

一、研究背景与问题

中国拥有丰富的陆相页岩油和致密油资源，主要分布于鄂尔多斯、准噶尔、松辽及渤海湾等盆地。水平井多级多簇压裂是改造这类低渗透储层的主要技术手段。陆相地层中普遍存在砂岩储层与泥岩隔层交互叠置的结构特征，使得裂缝高度增长成为多层系压裂改造的关键问题。在延长组地层中，砂岩与泥岩厚度的变化导致裂缝在相邻岩性界面之间的传播距离各不相同，裂缝可能穿越这些界面、在界面附近发生转向，或在泥岩隔层内停滞。实验室观察有助于区分上述几何模式，但需充分考虑试件边界条件和施加的泵注历史对解释结果的影响。

以往研究已从层间应力、材料性质及界面条件等方面区分了各因素对水力裂缝扩展的贡献。Daneshy及Teufel和Clark考察了层状地层中的裂缝扩展与围限作用；Anderson以及Renshaw和Pollard研究了裂缝与摩擦界面的相互作用；AlTammar等人证明了层性质与加载条件对裂缝轨迹的影响；Ouchi等人模拟了非均质储层中的垂向迁移。针对旬邑地区天然裂缝性油页岩的数值模拟还考察了基质刚度、应力条件及注入参数对裂缝几何形态的影响。煤系及互层地层的真三轴实验进一步记录了岩性组合与注入条件的作用。CT研究解析了最终裂缝路径与分支结构，结合离散元模拟的实验研究考察了层状岩石中的裂缝扩展。针对多储层段和薄互层的研究也表明，高度增长与局部裂缝几何形态需要分别考虑。此外，地热储层中裂缝控制流动与岩石变形的耦合效应也已通过水基热提取模型和热-水-力耦合模拟得到研究。上述工作为裂缝几何形态与耦合流动提供了互补视角，也促使本研究在不对压力波动作裂缝事件直接观测的前提下，对长6段砂岩-泥岩试件进行描述性对比。

二、研究内容与主要结论

本研究对比了11组组装式长6段砂岩-泥岩试件的裂缝几何形态。实验设计变化了层构型以及储层-隔层抗拉强度差和最小水平主应力差。试件1-3在压裂后采用CT检查，其余试件的重建结合了流体示踪剂观察、表面测量及劈裂后内部观察。研究将最终裂缝形态与泵注及停泵期间记录的压力历史相关联，通过区分匹配构型对比与几何和材料性质联合变化的案例，补充了此前的层状岩石研究。

三、关键技术方法

研究人员采用小尺度真三轴实验系统，由三轴加载单元、恒速注入泵和井口压力采集单元组成，压力传感器精度0.01 MPa，采样间隔1 ms。砂岩和泥岩均采自鄂尔多斯盆地延长组长6段天然露头，经力学筛选后切割成不同厚度岩板，用高强度环氧树脂按指定岩性顺序胶结，加工成80 mm×80 mm×100 mm长方体试件。试件中心钻取直径15 mm、深50 mm的井眼，保留5 mm裸眼段于中心砂岩层内。实验采用恒定的5 mL/min泵注速率和10 mPa·s流体黏度，垂向和最大水平主应力分别设为20和15 MPa，最小水平主应力在砂岩中为6 MPa，在泥岩中为8、9或10 MPa，对应2、3和4 MPa的储层-隔层应力差。试件1-3采用micro-CT扫描进行裂缝重建，其余试件结合流体示踪剂模式、表面裂缝迹线测量及劈裂后内部观察进行三维几何重建。

四、研究结果

1. 3.
   水力裂缝跨层扩展几何形态

研究区分了三种描述性最终几何模式：直接穿透指垂向裂缝完整穿越整个泥岩厚度并进入外层砂岩；部分穿透指裂缝进入泥岩并到达其外界面附近但未记录到进入外层砂岩；隔层内停滞指裂缝终止于泥岩内部、未到达外界面。

3.1 层厚构型的影响

试件1-3在ΔT=2 MPa和Δσ_h=3 MPa条件下对比了三种层厚构型。泥岩隔层从10 mm增至20和30 mm时，中心砂岩厚度相应从60 mm减至40和20 mm，对应几何模式分别为直接穿透、部分穿透和隔层内停滞。该对比描述的是层构型的综合响应，并未在固定储层厚度条件下单独分离隔层厚度效应。

3.2 储层-隔层力学性质差的影响

3.2.1 抗拉强度差

试件4、2和5在相同20 mm隔层和40 mm中心砂岩构型下，抗拉强度差分别为1、2和3 MPa。试件4显示裂缝进入隔层后停滞于储层-隔层界面，对应部分穿透；试件2同样显示部分穿透；试件5中裂缝进入隔层后发生转向，偏离原路径5-11 mm。因此在该强度差范围内部分穿透持续存在，差异体现在裂缝轨迹而非三种描述模式之间的转变。试件6和7补充了隔层厚度与材料强度联合变化的情形：10 mm隔层且ΔT=3 MPa时裂缝穿越两个隔层并扩展至试件边界；30 mm隔层且ΔT=1 MPa时裂缝进入下隔层8.2 mm后停滞。

3.2.2 最小水平主应力差

试件8、2和9在相同20 mm隔层、40 mm中心砂岩和2 MPa抗拉强度差条件下，最小水平主应力差分别为2、3和4 MPa。2 MPa时裂缝穿越隔层进入外层砂岩；3和4 MPa时记录到裂缝进入泥岩后部分穿透。匹配构型观察结果与更高隔层应力产生更强高度围限的规律一致。在Δσ_h=4 MPa条件下，试件10和9分别在10和20 mm隔层下均显示部分穿透；在30 mm隔层且Δσ_h=2 MPa条件下，试件11显示裂缝进入下隔层。

1. 4.
   注入压力响应

图10展示了三条代表性注入压力记录及5 mL/min泵注制度，从原始速率图中读出的近似停泵时间分别为340、515和1165 s。记录的最大压力分别约为12.6、15.8和21.7 MPa。面板(a)中主要压力下降与停泵大致重合，停泵和可能的外部泄流共同影响所观察到的降压过程；面板(b)在最终停泵下降前出现压力降低、恢复和波动；面板(c)在泵注期间出现长时间高压平台，随后在停泵时急剧下降。这些压力曲线与最终几何形态结合讨论，而非作为逐事件或现场尺度的诊断依据。

五、讨论与结论

讨论部分指出，最终几何形态反映了泥岩中垂向扩展与岩性界面附近变形之间的竞争。经典围限实验强调层间应力差的作用，摩擦界面研究则表明对接触条件的敏感性。本研究中较高应力差案例与更强围限定性一致，但并未定义普适的穿越判据。环氧树脂胶结提供了受控的层组装方式，但不同于砂岩-泥岩接触处的天然成岩胶结，胶结强度、法向和剪切刚度及摩擦均可能改变穿越接触面与沿接触面张开之间的竞争。一致的制备流程限制了试验间的程序性差异，但并未建立相同的界面性质。

注入压力同时响应裂缝系统和泵注装置。隔层穿越改变内部扩展路径，而表面突破将流体连接至外部边界，两者不等价，后者可导致快速压力损失而无论内部隔层如何被穿越。停泵、管柱和泵的柔度及试件泄漏均构成压力变化的额外原因。停泵与降压在图10a中的大致重合对解读该记录至关重要。

本研究的解释受限于小尺寸试件、人工接触面及每种条件仅一个试件。露头材料性质支持材料筛选，但天然非均质性和暴露历史仍是潜在变异来源。CT体积与基于观察的重建在空间覆盖和分辨率上不同，且均无法提供注入期间的事件时序。不均匀的几何比例和未经验证的能量耗散相似性也限制了向现场条件的定量转换。因此结果用作试件尺度对比，而非现场压力阈值或统计确定的转变判据。

研究结论如下：(1) 长6段砂岩-泥岩试件表现出直接穿透、部分穿透和隔层内停滞三种模式，这些术语描述垂向裂缝与泥岩和外层砂岩的最终关系，而非时间分辨的扩展序列。(2) 10、20和30 mm隔层分别对应直接穿透、部分穿透和隔层内停滞，中心砂岩厚度同时从60 mm减至40和20 mm。在匹配的20 mm隔层构型下，2和4 MPa应力差分别对应直接穿透和部分穿透；1-3 MPa抗拉强度差范围内部分穿透持续存在，其中3 MPa情形出现5-11 mm路径偏移。(3) 代表性压力记录显示快速降压、伴随波动的恢复和长时间高压三种特征。泵注速率为5 mL/min，必须将停泵与裂缝相关压力变化区分开。在直接穿透示例中，快速降压与停泵大致重合。综合观察提供了定性试件尺度认识，而非经验证的从施工压力诊断现场裂缝几何的方法。