大尺寸花岗岩水力压裂试验

大尺寸花岗岩水力压裂试验

摘要：干热岩开发中储层改造是其中的关键一步，目前在开发利用过程中还有

许多温度亟待解决，本次研究通过真三轴水力压裂模拟试验，研究了水力压裂裂

缝的特征，分析了裂缝的发生发育规律，认识到模拟试验在干热岩开发研究中的

可操作性，并得出了围压对于裂缝发生发育有影响的结论。

关键词：水力压裂；花岗岩；裂隙发育特征

1.引言

目前水力压裂试验的研究成果已较为成熟，且多针对于油气增产方面，因此

在干热岩开发过程中可以借鉴水力压裂的方法对热储层进行改造，形成裂隙网络，提高储层渗透能力，提高储层内换热效率。国内外针对水力压裂试验的研究方向

主要为裂缝的观测评价、岩石内部性质结构对裂缝发生发育的影响和缝内流体的

研究。经过多个国家多次的增强型地热系统实验发现[1]，水力压裂的方法在花岗

岩储层的干热岩开采中最为成功。

压裂过程中，影响干热岩热储层压裂效果的因素主要在于两点：储层性质和

条件（岩石特征、场地应力状态、天然裂隙系统，储层结构温度等）和储层改造

技术（注入速率、注入方法、流速等），在研究过程中，使用试验的手段，可以

掌握花岗岩的裂隙形成特征，从而达到工程利用的目的[2]。

在以往的花岗岩水力压裂试验中，多数使用人工材料或小尺寸样品，其代表

性差，本次研究使用大尺寸花岗岩样品进行了水力压裂模拟试验，分析了大尺寸

花岗岩的水力压裂形成的裂隙特征[3]。

2.大尺寸花岗岩水力压裂试验

2.1 实验仪器

本次试验使用的真三轴模拟系统可以在不同轴向分别控制围压大小，同时利

用声发射系统监测岩石内部变化，该设备主要包括压裂液注入模块、压裂用试样、模型系统、三轴应力加载及控制系统、模型加温系统、测量系统、数据采集处理

系统、操作台、辅助系统等部分。

仪器以模型系统为中心展开运行，最大可对600mm×600mm×600mm的立方

体岩石样品进行水力压裂模拟试验，可以为样品的三轴应力加载提供高压腔体，

它主要由地下安全舱、上下承压钢板、内外承压腔体、连接螺杆及螺母、柔性加

压板、锲形板、筛板、网格式安全罩等部分组成，样品通过航吊车利用吊装版将

样品装入试验舱。试验时在样品端面加工模拟井孔，孔内放置钢制井筒，通过高

压恒流恒压泵向井筒内注压，形成裂缝。三轴应力加载及控制系统主要由加载液

压缸、液压站及链接管阀等组成，最大液压压力为70MPa。

2.2 样品制备

水力压裂模拟试验所用的岩石样品采集自青海共和盆地露头的印支期花岗岩，后加工为400mm×400mm×400mm的立方体试样，实验前仔细观察样品并记录样

品已经存在的裂缝情况，在样品的其中一个端面的正中央钻孔作为模拟井孔，直

径30mm，模拟井管用高强度钢管，并用高强度环氧树脂结构胶固定。最后根据

声发射软件预设探头安装位置将探头安装在样品上。

2.3 试验过程

试验中采用水加着色剂作为压裂液，以保证压裂稳定性，着色剂方便观察裂

缝是否贯穿样品。试验过程中，三轴应力加载控制系统、高压注入泵和声发射系

统同时工作，以确保数据的同步采集，具体的试验步骤为：

（1）详细记录样品实验前裂缝情况，安置声发射探头的位置，并将样品装入仪器的模型系统中；

（2）样品装载完毕后，先将三轴围压加载至目标值，并保持稳定，达到目标值后，同时打开高压注入系统和声发射监测系统，同步采集孔内压力和声发射数据；

（3）根据压力数据和声发射数据判断裂缝形成，关闭高压注入泵，关闭检测系统，卸压；

（4）拆卸样品，并记录压裂后样品情况。

压裂试验所采用的三轴围压大小为

3.裂隙特征分析

样品注压两分钟后压力开始上升，破裂压力为24.91MPa，继续注入压力，使

得裂缝延伸，开始后4分钟，泵内液体打尽，压力下降，压力泵自动重新充液，

充液时间5分钟，压力上升，裂缝继续扩展，后循环多次，开始后40分钟，仓

内发现有红色压裂液渗出。试验总时间75分钟。

由压裂曲线可知，当压裂液充满高压水管、压裂管后，水压曲线快速升高。

压力曲线达到一定峰值后，压力骤降后再次上升，说明在压裂液充满井孔后井口

压力迅速上升，达到岩石的破裂压力，压力下降时由于压裂液在逐渐充满压裂所

形成的裂缝，当裂缝充满后，压力上升，使得裂缝扩展，当泵内液体耗尽后，泵

体自动重新充液，第二泵第三泵的峰值不断上升，说明了形成裂缝的不断扩展。

在本次试验中的压力曲线中看出后几泵的压力峰值不断上升，原因在于在压

裂过程中围压系统虽然已经达到并维持在目标围压值，但还一直处于不断的加压

过程，此时应该将围压泵处于停止状态并保持，故在注压时产生峰值升高的现象，同时不排除裂缝延展的情况，从声发射数据来看，并未产生其他的明显的裂缝。

001样品压裂产生了一条基本垂直于最小主应力方向的裂缝，其存在一定角

度推测是因为岩样内部存在弱势层，其次是因为设备本身条件限制导致围压加载

不平衡所致。

裂缝的扩展一般受应力状态、预裂缝和岩石内部微裂隙结构特征的相互作用。通过声发射事件产生的时序发现，在主裂缝成型后，未出现其他相当规模的裂缝，仅有一条主裂缝贯穿样品。裂缝形成后压裂液积聚在主裂缝之中，注入压力被分

散到裂缝之中，促使裂缝的扩展，说明了主裂缝对后续裂缝有抑制作用。

从声发射事件的分布来看，对比压裂液渗出部位，裂点的分布基本代表了岩

样内部裂缝形态，声发射事件密集的分布在裂隙形成部位。结合压力曲线和声发

射事件分布，当压裂液注入泵中液体耗尽后，泵体充液过程中，泵内压力丢失，

压裂液沿裂缝渗出，缝内压力下降，由于围压的存在，裂缝闭合，但当压力重新

注入时，压力先上升到一定值再下降，继而趋于平稳，证明液体重新进入裂缝时

受到阻力，裂缝重新打开，当裂缝贯通样品时，压裂液渗出，压力因此平稳。由

此说明裂缝在压力下降后裂缝基本原样闭合，围压限制下岩样未产生错动。

4.结论

（1）水力压裂模拟试验模拟地下围压环境研究水力致裂裂缝是可行的，本次试验已经形成了具有导流能力的裂缝，能够让工质在裂缝中充分进行热交换，有

助于干热岩资源的开发利用；

（2）裂缝形成会受围压的控制，裂缝的扩展走向受围压的方向的影响，同时裂缝的发生会从井孔底部开始，在围压的控制下，沿岩石内部的弱势层开始扩展，