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页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探-论文_图文

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页岩 气藏缝网压裂 物理 模拟 声发 监测 初探 论文 图文
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2015年第39卷 第1期 中国石油大学学报(自然科学版) 9 015 文章编号:1673—5005(2015)010.3969/j.673015.01.009 页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探 侯 冰 ,陈 勉 ,谭 鹏 ,李丹丹 (1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.中国石油大学石油工程学院,北京102249) 摘要:水力压裂模拟实验中,对水力裂缝的监测和识别是研究储层裂缝形态的基础。利用室内大尺寸真三轴水力压 裂物理模拟装置对300 立多通道声发射实验监测系统. 在试样两个对称侧面布置声发射探头.采集实验过程中裂缝破裂时的声波信号,对裂缝缝网形成过程进行三维动态 实时跟踪,可以明确水力裂缝起裂和裂缝扩展形态:再结合声发射计数曲线和泵压曲线可以实时监测水力裂缝不同 扩展阶段,判别水力裂缝与天然裂缝相互沟通过程。监测过程发现,声发射累积次数最高点先于破裂压力点出现, 水力裂缝扩展接收的声发射信号多于天然裂缝开启过程,地层破裂后泵压曲线的波动可以识别裂缝之间的沟通程 度,打开试样观察示踪剂的分布特征进一步验证了声发射监测结果。 关键词:页岩试样;声发射定位;水力压裂;裂缝扩展;泵压曲线 中图分类号:5 文献标志码:A 引用格式:侯冰,陈勉,谭鹏,等.页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探[J].中国石油大学学报:自然科学 版,2015,39(1):66.71. et of by in of ].2015,39(1):66.71. of by in of , (1.02249,2.02249,n to of to of an 00 mm in on of to up a 3 D he of on of of be in be of to to of of be to he 稿日期:2014—04—26 基金项目:国家自然科学基金项目(51204195,51234006);北京青年英才计划(中国石油大学(北京)科研基金项目 (246201 1 作者简介:侯冰(1979一),男,副研究员,博士,硕士生导师,从事石油工程岩石力学研究。63.通讯作者:陈勉(1962一),男,教授,博士,博士生导师,从事石油工程岩石力学研究。E—63.第39卷第1期 侯冰,等:页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探 ·67· of be by 性页岩储层采用水平井分段压裂会产生形态 复杂的裂缝网络,大量的实验和理论研究表明,储层 中发育的层理、断层和天然裂缝等非连续结构面对 水力裂缝扩展路径会产生显著的影响。水力裂缝遇 到天然裂缝后。其扩展模式常表现为停止扩展、沿着 天然裂缝扩展和穿透天然裂缝扩展,学者因此提出 了判别这些扩展模式的力学准则[1 准则的基础上。在预置裂缝网络的混凝土 试样中开展水力压裂实验,得到了张开天然裂缝、穿 透天然裂缝和沿着天然裂缝滑移的临界净液压力。 在大排量快速压裂过程中,页岩地层中的水力裂缝 极有可能在应力偏转或地层微观结构变化时发生分 叉扩展,分叉后的扩展裂缝因排量和天然裂缝特征 等因素的影响可能进一步加速扩展并再次分叉_6剖。 程万等 总结了裂缝平面扩展准则的优缺点,提出 了三维空间下水力裂缝穿透天然裂缝的判别准则, 为页岩储层地层倾角和走向角对网络裂缝扩展的影 响提供指导。当水力裂缝沿着天然裂缝两端扩展 时。天然裂缝容易被激活.水力裂缝复杂程度大幅提 升,容易形成水力裂缝网络 】。。他]。低渗页岩储层对 滑溜水中的示踪剂不敏感.裂缝网络扩展形态很难 通过观察示踪剂分布进行描述,开展声发射定位技 术有助于无损监测网络裂缝扩展。利用声发射事件 定位可以确定岩石破裂的空间位置_1 ,声发射的室 内监测裂缝扩展方法相当于小尺度的微地震监测技 术在岩石力学领域。 利用声发射技 术对花岗岩的水力压裂实验过程进行监测,初步判 断了裂缝扩展形态和裂缝扩展速率。[用改进的真三轴加载系统能实现对岩石 破坏过程中的声发射事件的测量,分析拉伸和剪切 破坏分别在裂缝扩展中的主导性。有效识别声发射 监测信号是研究网络裂缝扩展的关键,笔者利用声 发射定位技术识别真三轴加载的页岩露头试样压裂 时产生的声发射信号,结合泵注压力曲线,实时判断 水力裂缝起裂、扩展过程中与天然裂缝的交互过程, 为优化缝网压裂中的施工参数提供参考。 1声发射定位方法 声发射定位监测技术的原理是根据不同位置的 探头接收到信号的时间差,结合声波在试样介质中 的传播速度。运用定位算法反演声发射事件的三维 空间位置,进而实现声发射定位。该技术可用于实 时监测水力裂缝扩展路径。压裂时岩石试样内部的 破裂位置与声发射事件的源定位密切相关,影响声 发射定位精度的主要因素包括硬件设备、信号预处 理和定位算法。 1.1声发射监测系统 本实验采用美国物理声学公司(产的 提供8个通道,自动进行实 时高效率高精度的声发射特征提取、波形采集及处 理。声发射探头型号为域为35~100 置放大器型号为/6,实验过程中增益选择40 合真三轴实验系统对页岩露头试样开展水力 压裂模拟实验,并利用配套的验过程中产生的声发射(E)事 件进行统计,并对其源参数进行计算,从而确定的空间位置。 为保证探头与页岩试样表面紧密接触,在页岩 试样与加载压力板之间放置预~在 钢板上开有引线槽,防止加压过程中损坏探头信号 线(图1)。 图1声发射探头的布置 E .2信号预处理 利用断铅实验测量页岩岩样波速。采用0.5 度为2 芯 伸出长度约为2.5 岩样表面夹角约为30。,在 离传感器中心100_+5 集声发射信号。 通过断铅点和两个探头距离差与两个探头接收到信 号的时问差值计算出4块岩样声波速度分别为 3 876、4 863和3 953 m/s,与页岩地层中声波 传播速度相近,表明信号可靠性强。将岩样放入实 验架后.为确认传感器的耦合质量和检测电路的连 续性,再次做断铅实验,确保探头与岩样表面耦合良 好,保证信号采集质量。 第39卷第1期 侯冰,等:页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探 ·69· 试样水力裂缝与多条天然裂缝沟通分叉后形成纺锤 形缝网体:4 试样水力裂缝沟通多条微裂缝弱面形 成径向网状裂缝。由此可见,页岩压裂后的裂缝形 态较复杂.某些条件下可形成非平面的、不规则的多 条裂缝组合在一起的复杂缝网体,这种三维空间的 裂缝缝网展布延伸是页岩储层改造的关键。 水力压裂泵压曲线如图3所示。观察泵压曲线 发现,页岩试样压裂过程中泵压在达到峰值压力前 后曲线均会出现波动.这与水力裂缝是先压裂岩石 本体还是压开天然裂缝等脆弱面相关。当压裂岩石 本体后水力裂缝再沟通天然裂缝,泵压曲线会在达 到峰值压力后出现压力波动现象,扩展过程中沟通 的天然裂缝越多,压降曲线波动形态越复杂,与1 压裂时间t/s (8)l。试样 压裂时间t/s 2 曲线趋势相同。当水力裂缝沟通井筒周围的 天然裂缝后.岩石本体再被压裂,泵压曲线会在峰值 压力前出现压力波动现象,由于试样尺寸影响,压裂 岩石本体后泵压迅速下降,与3 和4 曲线趋势相 同。由于天然裂缝等非连续复杂结构面的强度比岩 石本体低,水力裂缝扩展到这里所需要的能量更少。 水力裂缝扩展到不规则断续体处时增加了由于能量 过剩发生必然分叉和不规则影响发生偶然分叉的可 能性。裂缝的分叉行为与天然裂缝发育程度和外部 加载排量有关,通过改变控制加载条件可以促使裂缝 不断分叉扩展。页岩试样室内压裂的压降曲线波动 特征为油田现场通过分析压裂施工曲线和评价储层 中近井筒附近的非连续面的特征提供一种新思路。 压裂时闯t/s (b) 试样 压裂时阊t/s (d)4.试样 图3水力压裂泵压曲线 in .2声发射监测特征 结合声发射三维定位信息与试样压裂后示踪剂 分布形态,深人分析水力裂缝起裂扩展特征。声发 射监测水力裂缝的结果如图4所示。 1 试样主裂缝左翼扩展时遇到天然裂缝后直接 沿着天然裂缝转向扩展。声发射事件点集中在主裂 缝延伸方向,并偏向于2号和3号传感器的一端,声 发射事件密集,呈现窄椭圆条形带.表明在水力裂缝 遭遇天然裂缝,发生转向扩展的过程中,存在比较显 著的摩擦、破坏和振动。能量释放强烈;2 试样在1 号和4号传感器的一端声发射信号较另一端密集。 与主裂缝中靠近1和4号传感器的一端荧光粉颜色 更深、波及面积更大的实际压裂效果相符,表明水力 压裂产生一条主裂缝。在岩样内部压开裸眼井段的 地方.主裂缝沟通旁边的一条天然裂缝,声发射事件 点沿主裂缝延伸方向分布范围扩宽,呈现宽椭圆条 形带:3 试样压裂效果最为复杂,在声发射定位图中 不能显示明显的水力裂缝走向,说明复杂网状裂缝 的定位更加困难。结合示踪剂分布特征发现,在压 裂后形成一条主裂缝.主裂缝右翼穿透天然裂缝后 与张开的另一条天然裂缝(右)沟通后发生转向,左 翼沟通多条天然裂缝。声发射事件点也主要集中在 基 蹬 量 量 幽 隧 是 出 聪 第39卷第1期 侯冰,等:页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探 ·71· in ]. 995,32(3):237— 249. [2] L.An of R].0847,1982. [3] ,.al at 4.S..S.一e— 7—30 010,].010. [4]et a in a ].013,10(2):219—225. [5] of of a on in ]. 014,47(2): 575—587. [6] D, E.of R].24884,2009. [7] D.of 5.S.6—29 01 1,].011. [8] 陈勉.页岩气储层水力裂缝转向扩展机制[J].中国石 油大学学报:自然科学版,2013,37(5):88—94. e—of in ].— 2013,37(5):88—94, [9] 程万,金衍,陈勉,等.三维空间中水力裂缝穿透天 然裂缝的判别准则[J].石油勘探与开发,2014,41 (2):1—6. et a a in a 3D ].014,41(2):1—6. [10] 赵海峰,陈勉,金衍,等.页岩气藏网状裂缝系统的岩 石断裂动力学[J].石油勘探与开发,2012,39(4): 465[11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] an,et of in ].012,39(4):465,,.in of 6.S.4012,1一 ].012. ,.of in ]. 63950,2013. 赵兴东,李元辉,袁瑞甫,等.基于声发射定位的岩石 裂纹动态演化过程研究[J].岩石力学与工程学报, 2007,26(5):945I et on of on ],007,26 (5):945—946. M,, G,et of ]. 008,322(5899):249. D.in at ]. 977,82 (14):2018 S. S.of of in f J]. 004,41:15 1— 156. S,PE S, R,et — of in J].012,60(1):93—102. R. J. C,et ].2009,48(10):39—51. (编辑李志芬)
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