致密砂岩Ⅰ型断裂行为的温度效应研究

陈立超吕帅锋张典坤

1.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048204;2.内蒙古工业大学矿业学院,内蒙古呼和浩特 100051;3.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074

致密砂岩气资源对于实现天然气资源增储上产具有战略意义[1-5]。致密砂岩储层低渗透、油气流体流动阻力大、资源丰度相对较低,如何提升储层体积压裂改造效率是致密气规模化开发的关键问题。长期以来,国内外学者围绕致密储层物性与力学性质评价[6-9]、砂岩压裂裂缝延展物模试验[10]、致密储层体积压裂改造可行性策略和方法[11]、储层缝网改造关键技术[12-13]开展了研究,然而由于致密砂岩通常脆性较弱,实现储层深度压裂改造目标难度较大,需要对致密砂岩进行改性,从而提升储层岩石的体积压裂改造效率,因此亟待开展致密砂岩气储层压裂裂缝营造基础理论与关键技术研究。

目前,利用液氮制冷实现储层岩石预裂、改善储层岩石脆性已成为致密油气储层压裂领域研究的热点。国内外学者围绕液氮制冷对致密砂岩孔隙结构及力学性质的改造[14-15]、液氮制冷对岩石的损伤效应[16]、低温对岩石表面裂缝发展的作用效应[17-20]等方面开展了一些研究工作。已有工作主要围绕砂岩结构和力学性质在液氮制冷下的变化规律和损伤机理,而针对岩石压裂改造中最为关键的力学指标——岩石断裂韧度KIC在低温下变化规律方面的研究较少,低温对致密砂岩成缝复杂程度尤其是对砂岩断裂韧度的影响机制等方面关注度不足,考虑不同层理方向致密砂岩在液氮制冷下的断裂行为和能量耗散规律变化尚未开展深入研究。

有鉴于此,本文利用半圆弯曲试样三点加载试验,研究液氮制冷作用对层理角分别为0°、30°、45°、60°及90°的致密砂岩试样断裂行为的影响,获取了室温、液氮低温下致密砂岩试样的断裂荷载、断裂韧度KIC及试样加载位移-荷载关系,并利用加载位移-荷载曲线计算了不同层理方向致密砂岩试样断裂能、弹性储备能、裂缝延展能参数,对比分析了室温、液氮低温下试样宏微观断裂特征及模式,进一步明晰了低温对致密砂岩断裂行为的影响机制,以期为致密砂岩油气储层体积压裂改造效率提升及复杂裂缝缝网营造提供试验尺度科学参考。

1 试样与试验

1.1 试样特征

本次研究致密砂岩样品取自鄂尔多斯。砂岩呈红褐色,具有层理构造(图1),层理间距在0.20 mm以下。致密砂岩矿物颗粒较细,粒径均在0.20 mm以下。矿相XRD 衍射结果显示,该致密砂岩主要由石英(含量约为58%)、钾长石(含量约为40%)及少量岩屑组成,属于长石石英砂岩。此外,利用扫描电镜SEM 观察发现,本区致密砂岩组成矿物颗粒空间排布具有方向,分选性较好,结构成熟度较高。矿物颗粒间发育粒间孔隙,孔径在10～100 μm之间。

1.2 液氮低温与三点弯曲加载

1.2.1 试样制备及液氮低温预处理

图1为按国际岩石力学学会ISRM 尺寸标准制备的不同层理方向半圆弯曲试样。程序为:①沿平行层理面钻取口径100 mm 岩芯;②按厚度间距20 mm 切割成圆盘状试件;③按层理面方向与圆盘直径方向分别呈0°、30°、45°、60°及90°切割成半圆盘;④垂直于半圆盘底边切直切口。本次研究共制备层理角分别为0°、30°、45°、60°及90°试样30 余组。试样加工精度符合标准,满足试验要求。

图1 致密砂岩半圆弯曲试样制备Fig.1 Preparation of tight sandstone SCB sample

室内对致密砂岩半圆弯曲试样采取常规液氮低温预处理。图2(a)为本次液氮低温预处理所用液氮罐,将罐中液氮缓慢导入隔热容器中,随即将砂岩试样浸泡[图2(b)],每组致密砂岩试样浸泡时间不少于1 min,待样品表面出现白色冰晶后取出,准备试验机加载。

图2 试样液氮低温预处理Fig.2 Low-temperature treatment of samples

1.2.2 三点弯加载试验

三点弯加载试验是在内蒙古工业大学力学实验中心万能试验机完成的。如图3所示,试验中试样下部支撑滚轴跨度2R设置为80 mm,加载全程位移速率控制在0.05 mm/min,以保证加载过程试样断裂过程平稳,降低惯性影响。加载中荷载随着位移增大而递增至断裂荷载,试样发生断裂破坏,待试样破坏至压头荷载降为100 N 以下时结束试验,试验中拍照记录断裂过程。

图3 三点弯加载试验Fig.3 Three-point bending loading test

试验过程中,随着加载位移增大,荷载p以恒定加载速率增加直至达到致密砂岩材料的断裂荷载pmax,依据式(1)和式(2)利用断裂荷载pmax可计算致密砂岩材料的Ⅰ型断裂韧度(KIC)[21]:

式中,R、B分别为试样半径和厚度,m;a为试样切口长度,m;S为加载过程中下部支撑滚轴的轴距,m;Y′为用有限元法导出的临界无量纲应力强度因子(SIF)[21]。

2 结果与分析

2.1 温度对致密砂岩加载位移-荷载关系的影响

室温和低温下不同层理角致密砂岩半圆弯曲试样荷载随加载位移变化规律如图4所示。由图可知,整体上随着加载位移增大致密砂岩试样轴向荷载随之增加,二者关系可划分为4 个阶段:

(1) 孔裂隙压实阶段。该阶段在压头荷载作用下砂岩试样压缩致密,随着位移增大,荷载增加较缓慢。

(2) 弹性变形阶段。该阶段试样加载位移与轴向荷载间呈线性正相关关系,上一阶段由于试样内部孔裂隙缺陷已经压缩闭合,砂岩试样在轴向荷载作用下发现典型的弹性变形作用,试样内储备了大量的弹性能。

(3) 破裂卸载阶段。该阶段试样切口端部产生应力集中效应,当应力强度因子高于砂岩起裂断裂韧度时,试样断裂破坏,轴向荷载迅速降低,卸载过程中试样断裂裂缝在残余轴向荷载作用下稳定向前延展。

(4) 荷载下降阶段。曲线斜率略有降低,表明砂岩试样在断裂破坏中阻力有所增加,试样断裂裂缝端部因为黏聚区存在,裂缝断裂中阻力有所增大。总体而言,液氮低温处理后砂岩试样在荷载下降阶段曲线斜率明显比室温状态下试样的更大。

如图4(a)所示,当层理角θ分别为0°、30 及45°时,致密砂岩试样荷载卸载阶段曲线斜率较大,卸载速率相对较为缓慢;而当层理角增加到60°、90°时,液氮制冷后试样在荷载下降阶段曲线斜率明显提升[4(b)],角度对致密砂岩轴向荷载-加载位移的关系影响较为显著。不同层理方向上致密砂岩试样在轴向压缩条件下,均显现出加载初期荷载与加载时间线性增大,到极限荷载后初期荷载快速卸载、后期缓慢卸载的总体规律,这表明致密砂岩的脆性均不甚显著,呈现出一定的塑性或黏滞性断裂特征,而与层理方向无关。而液氮低温后的致密砂岩试样,破裂后的荷载下降阶段曲线的斜率明显增大,表明液氮低温对致密砂岩起到了增脆促裂作用,对于提升致密砂岩储层体积压裂中岩石破裂复杂程度具有一定工程价值。

从图4中还发现,不同层理方向的试样断裂荷载有随着层理角增大而减小的趋势,室温状态下这一规律更为明显。

图4 不同层理方向致密砂岩半圆弯曲试样加载位移-荷载曲线Fig.4 Displacement-load curves of tight sandstone SCB samples with different bedding directions

2.2 温度对致密砂岩Ⅰ型断裂韧度的影响

图5为室温、液氮制冷处理后的不同层理方向致密砂岩半圆弯曲试样断裂韧度和断裂速率特征。由图5(a)所示,整体上随层理角θ增大致密砂岩试样的Ⅰ型断裂韧度KIC递减,表明层理方向对致密砂岩断裂力学性质具有关键性的影响,这对于致密砂岩储层压裂造缝设计及压裂裂缝延展规律分析具有参考价值。

图5 不同层理方向致密砂岩试样断裂韧度与断裂速率特征Fig.5 Characteristics of fracture toughness and fracture propagation rates of tight sandstone samples with different bedding orientation

三点弯加载下同一层理方向砂岩试样断裂韧度KIC低温状态下均低于室温状态,表明液氮制冷处理对致密砂岩岩石具有十分显著的预裂损伤效果,这对于目前致密砂岩储层大规模体积压裂改造中降低地层破裂压力及裂缝延展路径上的阻力具有实际意义。值得指出的是,层理角θ为90°的致密砂岩试样,室温状态下断裂韧度反而高于低温状态。据笔者前期研究[22],当加载方位与试样层理角平行时,试样断裂裂缝多沿层理与基质胶结界面部位开裂,推测为本次试验中液氮制冷导致致密砂岩层理与基质界面部位发生冻结反而增强了界面的强度,因而出现致密砂岩试样断裂韧度在低温下反而升高的现象,也提示当裂缝延展方向与砂岩层理面平行时采用液氮制冷弱化岩石要谨慎。

不同层理方向致密砂岩试样的断裂速率特征如图5(b)所示。由图可知,当层理角分别为0°、30°、45°和60°时,致密砂岩试样的断裂速率低温状态较室温状态下更快,表明该层理方向上的致密砂岩试样受液氮制冷预裂后试样出现了脆性-韧性转换,试样脆性增强、断裂速率增大;而当层理角为90°时,致密砂岩试样在室温下的断裂速率比液氮低温状态下要快,液氮低温处理对致密砂岩试样断裂速率的影响不显著。这一规律导致致密储层压裂停泵阶段不同方向压裂裂缝扩展存在差异,因为裂缝扩展速度越快,相同时间内压裂裂缝扩展尺寸越长。裂缝延展方向与致密砂岩层理的空间关系的优化设计,可能有利于实现储层复杂缝网的营造。

2.3 温度对致密砂岩断裂特征与破坏模式的影响

不同层理方向致密砂岩半圆弯曲试样室温和低温下的断裂特征与破坏模式如图6所示。由图可知,总体上室温状态下砂岩试样断裂裂缝延展方位同时受加载方向与层理倾角控制,但主控因素是加载方向,层理倾角在45°～60°范围内层理方向对致密砂岩裂缝延展方位影响非常显著。低温处理后的致密砂岩试样断裂裂缝延展方向,则主要受加载方位控制。有必要指出的是,室温下致密砂岩试样以拉张断裂形式为主,断裂裂缝多为单一主干裂缝形式[19],对于储层改造而言,为形成复杂缝网需对致密砂岩进行增脆。

图6 不同层理方位致密砂岩试样断裂特征与破坏模式Fig.6 Fracture characteristics and failure modes of tight sandstone samples with different bedding orientation

本次试验发现,液氮制冷处理后致密砂岩试样断裂裂缝复杂程度显著提升。相比室温下致密砂岩试样断裂形式,液氮低温处理后的致密砂岩试样断裂过程也较为复杂,包括:①初期裂缝起裂,裂缝延展方位主要受加载方位制约,受层理角度影响较弱。②裂缝扩展中期形成分枝裂缝,提升了试样的断裂复杂程度。③裂缝扩展后期分叉裂缝又沿着加载方位发展,裂缝回归到主干裂缝。可见,液氮低温能够显著提升致密砂岩裂缝延展复杂程度,形成裂缝网络及新生缝面,从而实现储层深度改造和微观尺度上致密油气资源的动用。

2.4 温度对致密砂岩试样断裂能的影响

依据材料弹性能基本原理及假设[23-24],本文将试样加载位移-轴向荷载曲线包络面积定义为试样断裂耗散能E,其数学意义为加载位移-轴向荷载曲线在横轴上的积分(图7)。其中试样断裂耗散能由前期的压缩弹性储备能Eel和断裂后的裂缝延展能Efr两部分构成。本次研究中,笔者首先计算室温下和液氮低温处理后的层理角分别为0°、30°、45°、60°及90°的致密砂岩半圆弯曲试样的弹性储备能Eel、裂缝延展能Efr及断裂耗散能E;再确定每组试样裂缝扩展长度,利用裂缝长度与试样厚度的乘积确定裂缝表面积;最后将试样断裂耗散能E与2 倍裂缝表面积的商定义为试样断裂能(裂缝扩展单位面积所需要的能量)并进行计算。

图7 试样压缩过程断裂能计算原理Fig.7 Calculation principle of fracture energy during compression of sample

图8为不同层理方向致密砂岩试样弹性储备能、裂缝延展能及断裂能计算结果。从图8(a)看出,随着层理角的增大,致密砂岩试样断裂能耗散程度先增大向减小,在层理角为45°时达到最大,致密砂岩试样断裂耗散能与层理倾角关系密切。室温下致密砂岩试样断裂过程能耗主要消耗于断裂后期的裂缝延展阶段,裂缝延展能Efr占比较大。而液氮低温处理后的致密试样断裂耗散能,则主要消耗于前期的压缩阶段,因而压缩弹性储备能Eel占比较高,也表明液氮低温处理后致密砂岩裂缝延展难度明显降低,岩石脆性提升。但另一方面低温下可能会增高致密砂岩岩石的抗裂强度,减弱岩石断裂效率。

图8(b)所示为室温和低温下不同层理方向致密砂岩试样断裂能计算结果。由图可知,液氮低温处理后致密砂岩试样的断裂能均大幅降低,与层理倾角关系不大,证明液氮低温对致密砂岩材料具有显著的增脆促裂效应。当层理倾角为45°时,液氮低温处理后致密砂岩试样的断裂能相对室温状态降幅可达50% 以上。低温条件致使致密砂岩脆性增强,试样断裂过程中塑性形变能比例降低,弹性形变能比例提升。

图8 不同层理倾角致密砂岩试样断裂能量计算结果Fig.8 Fracture energy of tight sandstone samples with different bedding orientation

2.5 温度对致密砂岩微观断裂机制的影响

室温条件下致密砂岩试样断裂形式较为简单,断裂路径平直且主要沿加载方位延展,整体属拉张型断裂力学机制。断口形貌SEM 结果显示,室温下致密砂岩试样断口可见大量长石、石英矿物原生晶面,表明试样断裂以沿晶裂缝形式为主。据相关研究[25],通常沿晶断裂形式形成的裂缝曲折度更高。但由于致密砂岩矿物颗粒较细,尽管裂缝延展为沿晶断裂形式,但裂缝复杂程度不高,对于实现致密砂岩储层体积压裂改造较为不利。与此对应的是,液氮低温处理后致密砂岩试样断裂裂缝以簇状、瓣状形态为主,试样在主干断裂裂缝两侧发育若干条分枝裂缝,后期分枝裂缝又沿加载方位向主干裂缝汇聚形成主裂缝形式。

依据试样断口形貌SEM 表征(图9),总结出液氮低温处理后致密砂岩试样主要包括穿晶断裂、沿晶断裂和颗粒断裂3 种微观断裂机制,且以穿晶裂缝形式为主[图9(a)],后期易形成复杂裂缝缝网。此外,由于矿物热导率差异性,致密砂岩受冷过程中可形成矿物间、矿物和胶结物的界面开裂,后期试样断裂裂缝沿该矿物界面延展形成沿晶断裂形式[图9(b)],因此液氮低温下致密砂岩试样断裂既包括穿晶断裂形式,同时兼具因矿物热导率差异而形成的沿晶裂缝形式,导致液氮低温下的致密砂岩试样裂缝曲折度和复杂性更高。此外,低温条件下致密砂岩中硬质岩屑颗粒由于冻裂而形成颗粒断裂诱导型裂缝[图9(c)],裂缝后期遵循路径最短原则进行延展,一定程度上削弱了裂缝复杂程度。

图9 低温条件下致密砂岩微观断裂机制Fig.9 Microscopic fracture mechanism of tight sandstone under low temperature

3 致密砂岩断裂温度效应对压裂的讨论

针对致密砂岩储层改造难度大、裂缝缝网形成困难以及深度储层地层破裂压力高等问题,为提升致密气储层体积压裂裂缝缝网形成效率,笔者认为液氮低温预裂压裂可以实现以下两点积极效应:

(1) 降低地层破裂难度。本次试验发现,液氮低温预处理作用能够显著降低致密砂岩岩石断裂韧度以及断裂能,因此在致密砂岩储层压裂改造中能够在同等能量条件下营造更多的裂缝空间,提升储层改造规模。而且对于深部致密砂岩储层而言,可实现对储层岩石改性、降低岩石韧度,对于泵送压裂施工材料、保护压裂设备施工安全,也具有一定实际意义。

(2) 能够改变压裂裂缝端部裂缝(纹)分布及岩石应力状态。低温使得压裂裂缝端部岩石发生微破裂形成分叉裂缝,后期压裂液在分叉裂缝导向下形成大规模复杂裂缝网络,而非单一主干压裂裂缝形式,提升了裂缝复杂程度。同时,低温条件能够改变致密砂岩裂缝端部应力状态,通过储层岩石中流体的冻胀效应加速岩石断裂和实现整体劣化,有助于致密砂岩储层压裂裂缝缝网形成。

4 结 论

(1) 液氮制冷后的致密砂岩试样断裂荷载、断裂韧度相较室温状态下均有所降低,而层理平行加载方位试样上述参数反而略有增大,推测与低温岩石层理面的冻结增强有关。

(2) 液氮低温预裂后致密砂岩断裂裂缝条数增多并出现裂缝分叉汇聚现象;而室温状态下致密砂岩试样裂缝形态单一,低温条件对致密砂岩裂缝复杂程度的增强效应非常显著。

(3) 液氮低温处理后致密砂岩试样的断裂耗散能显著降低,最大降幅达到46.98%。室温状态致密砂岩试样断裂裂缝多沿矿物晶界延展,形成沿晶裂缝,裂缝形态单一;而低温下致密砂岩试样断裂涵盖穿晶断裂、沿晶断裂及颗粒断裂3 种微观断裂机制,以穿晶断裂形式为主,后期易和其他断裂形式组合形成复杂裂缝缝网。

(4) 利用液氮低温预裂方法可有效地降低致密砂岩断裂韧度及地层破裂压力。通过裂缝端部分叉裂缝导向作用以及低温冻胀效应提升压裂裂缝复杂程度,实现致密砂岩韧-脆断裂行为的转换,对于致密砂岩储层大规模体积压裂改造具有一定实际意义。