水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计_刘俊新.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-06 基金项目:“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFC0804600）；中国石化石油勘探开发研究院委托科研项目（2019ZH00363）作者简介:刘俊新（1976），男，江西福安，博士后，教授，主要研究方向为岩土工程与防护工程研究，。通信作者:尹彬瑞（1998），男，云南保山，硕士，主要研究方向为岩土力学研究工作，。引文格式:刘俊新，邓智富，刘育田，等.水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计J.实验技术与管理,2023,40(2):187-193.Cite this article:LIU J X,DENG Z F,LIU Y T,et al.Design of hydraulic fracturing experimental apparatus and high-temperature and high-pressure hydraulic fracturing teaching experimentsJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):187-193.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.032 水力压裂实验装置及高温高压水力 压裂教学实验的设计 刘俊新1，邓智富1，刘育田1，李军润1,2，尹彬瑞1（1.西南科技大学 土木工程与建筑学院 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究所 总体工程研究所，四川 绵阳 621010）摘 要：提出一种实时高温高压条件下测定岩石断裂韧性的方法及水力压裂实验装置。利用该装置采用预制裂纹岩样进行了水力压裂实验，得到页岩泵压曲线，并基于断裂力学理论测定了页岩的断裂韧性。在以往水力压裂装置和测定方法基础上，揭示了不同埋深条件下页岩泵压曲线、破裂压力和破坏模式的演化规律，计算得到了页岩的断裂韧性。该装置操作简单，原理清晰，大大丰富了岩石力学实验教学内容。关键词：高温高压；岩石力学；断裂韧性；岩石破坏；试验教学 中图分类号：TU458+.3；G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0187-07 Design of hydraulic fracturing experimental apparatus and high-temperature and high-pressure hydraulic fracturing teaching experiments LIU Junxin1,DENG Zhifu1,LIU Yutian1,LI Junrun1,2,YIN Binrui1(1.Shock and Vibration of Engineering Materials and Structures Key Laboratory of Sichuan Province,School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.General Engineering Research Institute,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621010,China)Abstract:In this study,a method for measuring rock fracture toughness under real-time high-temperature and high-pressure conditions and a hydraulic fracturing experimental apparatus are proposed.By using this apparatus,the pre-cracked rock sample was used for hydraulic fracturing experiment to obtain the shale pumping pressure curve,and the fracture toughness of shale was measured based on the theory of fracture mechanics.On the basis of previous hydraulic fracturing apparatus and measuring methods,the evolution law of shale pumping pressure curve,fracture pressure and failure mode under different burial depths is revealed,and the fracture toughness of shale is calculated.The apparatus is simple to operate and clear in principle,which greatly enriches the experimental teaching content of rock mechanics.Key words:high temperature and high pressure;rock mechanics;fracture toughness;rock failure;experimental teaching 由于巨大的能源需求，我国的能源对外依存度持续上升，能源安全已成为影响我国安全而亟待解决的问题1。页岩气是一种清洁高效的非常规天然气资源，其开发和利用对于缓解我国的能源紧缺意义重大。但我国的页岩储层埋藏深度较大（3 500 m），构造条件复杂，有关浅部页岩气开采的相关理论和技术并不能188 实 验 技 术 与 管 理 直接应用2。因此，要想实现页岩气的商业化开采，就必须充分认识和了解深部页岩储层的水力压裂性能。断裂韧性是评价页岩储层水力压裂性能的重要指标3，在实际油田压裂工程中，反映的是油气储层有效开采的难易程度，以及水力裂缝形成后继续向前扩展的能力。页岩储层断裂韧性4越小，脆性越大，所形成的水力裂缝越容易向前延伸，从而有利于页岩储层的压裂改造，但同时又不利于页岩气的储存。储层韧性过大则易使高围压下的裂缝发生闭合，从而导致水力压裂时的可压裂性较差。因此，建立准确的断裂韧性计算方法，揭示页岩力学性质随地层的演化机制至关重要。目前，岩石断裂韧性的获取主要有两种方法，一是借助岩石力学实验（巴西圆盘实验或三点弯法），直接得到断裂韧性值5。其中，巴西圆盘实验测试数据离散性较大，难以保证理想的中心起裂，在加载过程中，应力集中点的首先破坏造成加载载荷降低，而只有试件中心首先起裂才符合巴西圆盘测试断裂韧性的弹性力学理论。对于三点弯法，在实验过程中施加很小的载荷试样就会断裂，需要大量完整的岩心制作试样，稳定裂纹扩展阶段短暂，且需要对测试结果做非线性校正，测试结果比实际断裂韧性偏高。另一种方法是建立断裂韧性值与其他力学指标之间的函数关系，再根据函数关系对岩石的断裂韧性进行预估6。Nasseri 等7统计分析了岩石断裂韧性与岩石基本物理力学指标的相关性，认为除泊松比外，岩石的断裂韧性与硬度指数及相关物理力学性质之间具有较好的相关性。陈勉等8建立了断裂韧性与围压的函数关系，金衍等9建立了利用测井资料预测断裂韧性的模型。这些研究大多是为了解决矿山工程中的挖掘及岩石破碎等问题对地表或近地表岩石的测试结果，并不适用于对石油工程深部地层断裂韧性的预测。此外本文作者认为，在深部地层条件下，高温对岩体力学性质的影响不容忽略，高地应力和高地温条件下深部岩体的塑性失稳与普通环境条件下的情况存在巨大差别，而目前少有关于岩石材料在高温条件下断裂韧性的研究报道。因此，亟需研究一种实时高温高压条件下页岩断裂韧性的测量装置10-11。为了实现对深部岩层断裂韧性的研究，本文自主设计改造了一种水力压裂实验装置。该装置能够很好地模拟深部地层环境，进而得到深部岩层的断裂韧性，同时能够揭示页岩的破坏模式以及裂缝的扩展分布规律12。本文还利用该装置设计了 6 组不同条件下的高温高压水力压裂实验。1 水力压裂实验装置 水力压裂实验装置如图 1 所示。主要由温度控制系统、伺服控制系统、岩石内部增压系统和压力室四部分组成。温度控制系统主要通过加热棒对压力室内部油源进行加热，通过液压油将热量传递给岩石，并通过温度传感器实时监测压力室的内部温度变化，以保证实验的准确性，温度误差为2.5%。伺服控制系统主要通过伺服仪为压力室内部增加径向围压，为页岩样品施加竖向荷载，并通过位移传感器进行调控。图 1 实验装置 岩石内部增压系统主要由超高压手动泵和应变采集系统阻成。通过超高压手动泵将液压油注入岩石内孔，在岩石内孔中憋起高压，以使试样从内部沿预制裂纹撑开。应变采集系统用来对岩石内部的孔压变化进行记录。压力室是水力压裂实验的核心部分，岩石样品、位移传感器、温度传感器、加热棒等均包含其中（见图 2）。通过在底座钻孔，将加热棒与温度传感器外接于温度 刘俊新，等：水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计 189 控制系统，并通过孔压输入端连接至岩石内部增压系统。导杆的作用是固定岩样，防止岩石在受压过程中发生偏移形成偏心受压，影响实验结果。此外，由于压力室内部为高温高压环境，为了保证实验的密封性，使用淬火后的铜环将加热棒和温度传感器底端与压力室底座之间进行密封，同时使用耐高温氟胶 O 型圈对注油孔和出油管道进行密封。图 2 压力室内部结构图 2 岩样制备 在实际开采过程中，水力压裂的原理为，通过在井底憋起高压，穿破地层，产生水力主缝，连接天然裂缝，沟通页岩气储层，从而实现对页岩气的开发。本实验的实验原理为，通过在岩样内孔中憋起高压，使预制裂纹在张拉力作用下不断向前延伸，最终导致岩样失效，这与实际的页岩气开采原理十分相似，因而具有很好的工程意义。这里对岩石样品的加工与常规的三轴压缩实验不同，尤其要注意对岩石两端的密封作用，以便保证岩石样品由内部沿预制裂纹发生破坏。实验所用的页岩样品取自绵阳市安县，属于志留系龙马溪组页岩。页岩样品的制作过程如下。（1）首先将页岩加工为直径为50 mm、高度为100 mm的标准岩样。（2）在岩样中心钻取直径 D 为 4 mm 的贯穿孔，并通过线割法沿贯穿孔两侧切割出两条对称的预制裂纹，裂纹长度 L 为 2 mm。（3）将环氧树脂与水泥砂浆按 11 比例配置成耐高温胶，并将上压片、下压头和页岩样品进行密封，防止页岩样品内孔中的页岩油从两端漏出，同时保证页岩样品上压片保持水平，防止页岩样品偏心受压而影响实验结果。岩样示意图如图 3 所示。（4）将用耐高温胶密封后的岩石样品放置在烘箱中，温度调至 30，烘制时间为 48 h，保证耐高温胶充分凝固。（5）将岩样取出，页岩样品制作完成。图 3 岩样示意图 3 实验操作步骤 页岩样品制作完成后即可进行水力压裂实验，实验操作步骤如下。（1）将制备好的页岩样品装入压力室内部，套上热缩管，使用热风枪使热缩管均匀收缩与岩样紧密贴合，并用耐高温氟胶 O 型圈进行固定。（2）打开伺服控制系统，将液压油注满压力室，打开加热装置，设置预加热温度，当温度达到预设温度时，继续保温 1 h，使岩样受热均匀。190 实 验 技 术 与 管 理 （3）关闭温度加热系统，再通过液压伺服仪施加围压，待达到预定围压后，施加一定的轴向压力，使轴压稳定在 15 MPa 左右，以防止内部孔中的液压油从端部露出。（4）通过操纵超高压手动泵将液压油注入岩样内部，逐渐增加泵压直至泵压突然降低，然后停止增加泵压，待泵压稳定至围压附近时，停止实验，第一次水力压裂实验结束。（5）打开超高压手动泵阀门，使泵压值降至 0，对应变采集系统进行调零，重复进行步骤（3）和步骤（4），进行第二次水力压裂实验和第三次水力压裂实验。待三次压裂实验完成后，将轴压降为 0，再将围压降为 0，关闭伺服仪，关闭应变采集系统，实验结束。4 实验方案和实验结果 4.1 实验方案 景锋13对我国不同埋藏深度下的岩层的应力水平进行了统计，包括自重应力V、最大水平应力H和最小水平应力h，其中埋藏深度 06 000 m 内的应力水平如下：V0.0271H=（1）H0.02166.7808H=+（2）h0.018 22.2328H=+（3）式中，H 为埋藏深度。谢和平等14指出，随着埋藏深度的增大，岩体所受围压越来越大，地温越来越高，地温梯度一般为 30 50/km，在一些断层发育或构造复杂的附近区域，其地温梯度可达 200/km15。岩体内温度变化 1 可产生 0.40.5 MPa 的地应力变化，高地应力和高地温条件下深部岩体的断裂韧性与普通环境条件下的情况差别巨大。根据 05 500 m 埋深下岩体地应力和地温分布规律，为了探究不同埋藏深度条件对岩石力学性质及破坏模式的影响规律，本文共设计了 6 组不同埋藏深度下的高温高压水力压裂实验，其中 6 种高温高压（围压）条件分别为：15 MPa-50、30 MPa-80、45 MPa-110、60 MPa-140、75 MPa-170 和90 MPa-200。实验采用轴向位移控制模式，加载速率为 0.06 mm/min，每个样品经历三次水力压裂实验。4.2 实验结果与分析 4.2.1 泵压曲线 从泵压曲线形状来看，三次泵压下页岩的 3 条泵压曲线类似，在峰前均有稳定的爬升阶段，峰后均降落至围压左右，此时岩石内部孔压与外界围压已经连通，岩石出现破裂。在低温低压条件下，岩石峰后应力降低速率明显大于高温高压情况。主要原因可能是，由于温度的膨胀作用和围压的压实作用，岩石内部孔隙闭合，内部颗粒排列紧密，加大了岩石裂缝沿预制裂纹向前扩展的阻力。从不同实验条件来看，在低温低压条件下，岩石经过第一次压裂实验后，即形成宏观的裂缝，而岩石无法进行“自愈”，导致其第二次压裂曲线与第三次压裂曲线相差不大，均稳定在围压值附近，表征出岩石较强的脆性特征。但在高温高压作用下，第一次压 图 4 不同条件下泵压曲线图 刘俊新，等：水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计 191 裂形成的裂纹、孔隙更容易闭合，“自愈”效果明显。因此，第二次压裂曲线峰值点大于围压值。从实际工程意义来看，第一次压裂实验所得到的破裂压力值和泵压速率，对页岩气生产中泵压值和速率的设计具有一定指导作用。近年来，随着油价不断波动以及压裂技术的进一步完善和提高，页岩气生产又将目光投向已经过压裂的老井上，通过重复压裂来降低页岩气开采成本，实现高效生产。本研究进行 3次重复压裂实验的目的，是为了获取页岩气储层裂缝向前延伸的破裂压力，以便实现页岩气的高效重复压裂。4.2.2 破裂压力 表 1 为不同实验条件下的页岩破裂压力。为了分析页岩破裂压力的变化规律，图 5 绘制了不同围压下第一次压裂时的破裂压力，并通过拟合得到了不同埋藏深度的页岩破裂压力变化规律：()414.229 101380.3828104.828 21eZP-=+（4）式中，Z为埋藏深度，单位 m。表 1 不同条件下的页岩破裂压力 温度/围压/MPa 第一次 破裂压力/MPa 第二次 破裂压力/MPa 第三次 破裂压力/MPa50 15 37.77 15.2 15.6 80 30 59.89 31.08 30.7 110 45 68.84 46.67 45.7 140 60 67.79 62.8 61.6 170 75 80.43 75.6 75 200 90 92.5 90.6 90.6 由表 1 和图 5 可知，从总体上看，页岩气的破裂压力随着埋藏条件的加深而逐渐提高。第一次压裂时（蓝色线）的破裂压力远高于围压值，而经过重复压裂后，第二次（黑色线）和第三次（红色线）破裂压力仅比围压值略高。主要原因是第一次压裂时，岩石无宏观的裂纹产生，岩石需要达到破裂的临界压力值较大。而第二次压裂和第三次压裂时，岩样已经出现宏观的贯穿裂缝，但由于围压的压密作用，裂缝面再次闭合，使得岩石内部孔压与外部围压再次形成两个独立空间。所以，在进行重复压裂时，岩样再次沿第一次压裂形成的裂纹撑开时，阻力减小，使得第二次破裂压力所产生的压力值远小于第一次破裂压力，而第三次破裂压力更小，更接近围压。不同实验条件下第二次和第三次压裂的破裂压力是重启“页岩气井”的关键参数，选取合适的泵压既能控制成本，又能提高开采效率，对于实际工程开发具有一定的指导作用。图 5 不同围压下的泵压曲线图 4.2.3 破坏模式分析 图 6 给出岩石室内实验中在不同埋藏深度（由压力和温度体现）页岩的破坏形态。(a)15 MPa-50 (b)30 MPa-80 (c)45 MPa-110 (d)60 MPa-140 (e)75 MPa-170 (f)90 MPa-200 图 6 岩样破坏图 从裂纹扩展规律来看，15 MPa-50、30 MPa-80 的岩样，其破坏是沿预制裂纹方向扩展的，由于孔压较低，小于层理弱面的强度，无法开启层理弱面。实验条件为45 MPa-110、60 MPa-140 和75 MPa-170 的岩样，其破坏沿预制裂纹扩展后，岩样内部孔压较192 实 验 技 术 与 管 理 高，超越了层理弱面的强度，起裂后沿层理方向继续延伸，形成复杂的裂缝网，而 90 MPa-200 的岩样在此基础上形成了宏观的贯穿裂纹。从压裂结果来看，低温低压条件下，岩样破坏面崎岖不平，较为粗糙，裂纹形状为锯齿状；高温高压条件下，岩样破坏面较光滑，粗糙度显著降低，即出现了摩阻降糙现象。所谓摩阻降糙现象是指高温高压增大了裂隙面的摩擦阻力，而裂缝在延伸过程中发生剪切滑移，裂隙粗糙表面被逐渐磨平，这也是导致岩石断裂韧性不一致的重要原因。4.3 断裂韧性计算原理 B.K.Atkinson16应用叠加原理，将页岩储层的应力状态进行了简化，使裂缝端部的应力强度因子由各种应力强度因子叠加而成，其表达式为：IHhLIHIhII(,)()()()()LKP PKKKPKP=+（5）式中，H为最大水平应力；h为最小水平应力；P为作用于井筒内部的压力，即泵压；LP为流体压力，即压裂液作用于裂隙表面的力。页岩的水力压裂实验中，液压油直接作用于页岩样品内部的铁氟龙热缩管，实验结束后热缩管仍然保持完整，此时内部孔压未直接作用于裂缝表面，而是通过铁氟龙热缩管的塑性特性，使裂缝撑开。所以，在计算断裂韧性时，LP近似等于裂缝表面所受张力。页岩的应力状态如图 7 所示。将页岩样品的应力状态进行分解，则页岩应力强度因子可以表示为：图 7 不同条件下页岩应力状态分析 3I3/3I3/I3II(,)()()()()LLKPPKKKPKP=+，（6）式中，3/为平行于预制裂纹方向的围压，3为垂直于预制裂纹方向的围压；P 为作用于井筒内部的压力，即泵压。当仅考虑平行于裂纹的应力时，即30=时，页岩的应力强度因子可以表示为：I3/3/()()KR f l=-（7）12271()2lf ll-|=-|（8）式中，=()/lLRR+，其中L为裂纹长度，R为圆孔半径，f(l)为受到平行于裂纹方向的无量纲应力强度函数。当仅仅考虑垂直于裂纹的应力时，即3/=0时，页岩的应力强度因子可以表示为：I33()()KRg l=-（9）()11221227211()()1sin21lg lllll-|=-+|（10）式中，g(l)为受到垂直于裂纹方向的无量纲应力强度函数。当忽略裂纹内的流体压力时，应力强度因子I()KP为：I()()KPPRh l=（11）1.52.5(1)sin12()1.37.81+21.7llh lll-|-=+-（12）假设沿裂纹延伸的压力分布为LP，则作用在裂纹表面压力的应力强度因子可以表示为：I()()LLKPPR j l=（13）刘俊新，等：水力压裂实验装置及高温高压水力压裂教学实验的设计 193 11221()()1sinj lll-=-|（14）将上述应力强度因子进行叠加，则可得到断裂韧性IcK：Ic3/3()+()()()KPh lj lf lg lR=-（15）式中，IcK即为所求岩石的断裂韧性。在本研究中，裂缝长度L为2 mm，圆孔直径2R为4 mm，则：2RLlR+=（16）由设备测得泵压值，再通过断裂韧性计算原理计算出不同条件下岩石的断裂韧性值，如表2和图8所示。表 2 不同条件下页岩的断裂韧性 应力强度因子 温度/围压/MPa 破裂压力/MPa I3/()K I3()K I()K P I()LK PIcK50 15 37.77 0.115 1.700 1.230 2.8225.63780 30 59.89 0.231 3.400 1.951 4.4759.595110 45 68.84 0.347 5.100 2.242 5.14412.140140 60 67.79 0.463 6.801 2.208 5.06513.612170 75 80.43 0.579 8.501 2.620 6.01016.553200 90 92.5 0.695 10.201 3.013 6.91219.432 图8为通过拟合得到的不同埋藏深度条件下页岩的断裂韧性变化规律：IC0.002 65KZ=+（17）式中，Z为地层埋藏深度，单位m。图 8 不同条件下的页岩断裂韧性图 从整体上看，随着地层埋深的不断加大，岩石的断裂韧性逐渐增加。其主要原因可能是，在浅部地层中，页岩存在较多的天然裂缝，孔隙呈开放状态，压裂时只需较小的孔内压力就能使岩样破坏，并连通裂缝网络，表征出较明显的脆性特征。而深部底层中的页岩，内部孔隙、裂纹闭合，岩样力学性质由脆性转为延性，此时孔内需要升起较高的泵压才能使岩石达到破坏的效果。因此，在实际的页岩气开采过程中，埋藏越深所需要的泵压就越大。5 结语 在岩石力学实验基础上，自主研制了一种测量页岩断裂韧性的实验装置，该装置提供了进行实时高温高压条件下岩石断裂韧性测量的解决方案，解决了当前高温高压环境下岩石断裂韧性测量的难题。本文利用该装置对不同地层埋深的岩石进行了水力压裂实验，研究了不同埋藏条件对页岩泵压曲线、破裂压力以及破坏模式的演化规律，并建立了断裂韧性计算公式。由实验结果可知，随着地层埋藏深度的不断加大，岩石的断裂韧性随之提高；埋藏浅的岩石破坏面粗糙，较为完整，埋藏深的岩石破坏面光滑，沿层理面破坏并出现贯穿裂纹。该实验装置的温度和围压可实时调控，施加孔压时，自动采集、保存数据，原理易懂，操作简便，丰富了课本知识，补充了高温高压条件下岩石的力学性质，提高了学生理论学习水平和动手实践能力。通过改进实验方法，今后还将从断裂力学角度分析岩石失效特征，探究断裂韧性对岩石力学性质的影响，使理论与实际的结合更趋完善。参考文献(References)1 林蔚然，汤彬，目的探索J.实验技术与管理，2021,38(1):148152.2 张磊，王宝学，杨同.岩石三轴多级围压加载试验方法与数据统计分析的研究J.实验技术与管理，2008(2):4347.3 陈勉，金衍，袁长友.围压条件下岩石断裂韧性的实验研究J.力学与实践，2001,23(4):3235.4 刘俊新，李军润，尹彬瑞，等.基于能量平衡的新脆性指标与页岩失效机制分析J.岩石力学与工程学报，2022,41(4):734747.5 张广清，陈勉，金衍，等.围压下泥岩断裂韧性测试与解释方法J.工程地质学报，2004(4):431435.6 ATKINSON C,SMELSER R E,SANCHEZ J.Combined mode fracture via the cracked Brazilian disk testJ.International Journal of Fracture,1982,18(4):279291.7 NASSERI MHB,SCHUBNEL A,YOUNG RP.Coupled evolutions of fracture toughness and elastic wave velocities at high crack density in thermally treated Westerly graniteJ.International 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