基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2陈建钢,刘汝明,许乃岑,等.基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):248-253.CHEN Jiangang,LIU Ruming,XU Naicen,et al.Research and application of mini-frac in-situ stress test based on flowback assistanceJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):248-253.基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用陈建钢1,刘汝明2,许乃岑3,徐 斌4,5,陈子扬6(1.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031;2.云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650011;3.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;4.University of Calgary,Calgary T4B 2Z8,Canada;5.Origin Geomechanics Inc.,Calgary T4B 2Z8,Canada;6.同济大学 地下建筑与工程系 上海 200092)收稿日期:2023-04-18基金项目:云南省交通运输厅科技创新及示范项目(云交科 2017(A)12);贵州省科技厅重大专项(黔科合重大专项字20183011);国家自然科学基金项目(41902275);四川乐汉高速公路有限责任公司科技项目(SRIG2019GG0004);中电建冀交高速公路投资发展有限公司科技项目(TH-201908);自然资源部中国地质调查局地质调查项目(DD20221662)作者简介:陈建钢(1977),男,高级工程师,硕士,从事工程地质勘察设计、地灾评估方面工作。E-mail:chenjiangang 通信作者:许乃岑(1985),女,高级工程师,硕士,从事地球化学和 X 射线衍射分析测试方面工作。E-mail:xncsynge 摘 要:首先介绍了两种测试对裂缝闭合压力的解释方法及测试流程,并进行了流固耦合有限元模拟研究。西部某交通隧道地质条件复杂,岩层致密、渗透性低,研究回流辅助测试方法来提高小型压裂测试效率和精度尤为必要。在每个测试段同时使用自然压降和回流压降两种方法来分析裂缝闭合。研究结果表明,每个回流周期都会产生一个独特且可重复的裂缝闭合现象,使得裂缝闭合压力的解释更为容易;两种测试方法所解释的裂缝闭合压力的结果是一致的,检验了回流辅助小型压裂地应力测试方法的合理性,为类似工程提供参考借鉴。关键词:小型压裂测试;回流辅助;裂缝闭合压力;瞬态压力分析DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.041中图分类号:P55文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0248-06Research and application of mini-frac in-situ stress test based on flowback assistanceCHEN Jiangang1,LIU Ruming2,XU Naicen3,XU Bin4,5,CHEN Ziyang6(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd.,Chengdu 610031,Sichuan,China;2.Broadvision Engineering Consultants Co.Ltd.,Kunming 650011,Yunnan,China;3.Nanjing Center of Geological Survey,Nanjing 210016,Jiangsu,China;4.University of Calgary,Calgary T4B 2Z8,Canada;5.Origin Geomechanics Inc.,Calgary T4B 2Z8,Canada;6.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Firstly,two kinds of interpretation method and testing processes for crack closure pressure are introduced,and fluid-structure coupling finite element simulation is carried out.A traffic tunnel in western China has complex geological conditions,large burial depth,dense rock strata and low permeability,so it is particularly necessary to study the backflow auxiliary test meth-od to improve the efficiency and accuracy of small fracturing test.Fracture closure was analyzed using both natural and return pressure drop method in each test section.The result show that each flowback period produces a unique and repeatable fracture closure phenomenon,which makes the interpretation of fracture closure pressure easier.The result of fracture closure pressure in-842陈建钢,等/基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期terpreted by the two testing method are consistent,which verifies the rationality of the in-situ stress testing method assisted by flowback in small fracturing,and can provide reference for similar projects.Keywords:mini-frac test;flowback assisted;fracture closure pressure;transient pressure analysis0 引 言0 引 言 原位地应力是隧道、采矿、油气开采工程的关键参数。小型压裂地应力测试(Mini-Frac)是国际岩石力学学会试验方法委员会(ISRM)1和美国标准测试委员会(ASTM)2推荐的确定岩石应力的方法之一,是目前最可靠有效的深层地应力测试方法3。目前小型压裂测试主要有两种实施方法:常规小型压裂地应力测试(注入/漏失,ILF)和回流辅助小型压裂地应力测试(注入/回流,IFB),其中 ILF 在注入流体后关井,流体通过裂缝两翼漏失到地层,导致裂缝内压力衰减,从而裂缝闭合;IFB 在注入停泵之后,从注入系统(井筒和裂缝)缓慢地回流出一定体积的流体,导致裂缝内部压力衰减和裂缝闭合。由于砂岩等致密岩层具有低孔隙度、低渗透率等特征,常规的小型压裂地应力测试(裂缝自然闭合测试)具有很大的局限性4-5,主要表现为:(1)裂缝自然闭合时间很长,裂缝需要一天甚至数天才能闭合(闭合时间取决于压裂注水体积);(2)由于受到井周污染区(比如高表皮因子)的影响,从自然裂缝闭合的压降曲线上分析裂缝闭合点具有很大的不确定性,如不容易区分井周次生裂缝的闭合和主裂缝的闭合,造成测试结果错误。使用回流辅助的小型压裂地应力测试可以克服常规小型压裂测试在致密低渗地层上的缺点6-9。在回流测试期间,注入流体在注入阶段后从注入系统(压裂管柱和水力裂缝)中以可控的速率/体积回流出,强制裂缝快速闭合,从而快速高效地获取地层的最小水平主应力值。通常来说,回流辅助的地应力测试可以以恒定速率或恒定节流阀开启宽度进行流体回收。在恒定回流速率的测试方法中,现场施工通常采用计算机控制的电磁阀来精确控制回流速率。在恒定节流阀开启宽度的回流中,回流阀开启到一定程度后保持不变,则回流率保持不变或随时间下降。与常规小型压裂测试相比,回流辅助的小型压裂地应力测试的优点是:(1)在回流阶段形成的井底压力具有明显且可重复的裂缝闭合特征,这使得裂缝闭合压力的判断相对容易;(2)在低渗透地层中,回流测试是快速且高效的。近年来,较新的回流方法以其高测试效率受到了广泛关注,但回流技术的引入对测试结果的影响少有专门研究,使得回流测试方法在理论和实践应用中还存在一些质疑。本文围绕回流辅助小型压裂地应力测试的理论和应用展开研究,首先介绍了常规与回流辅助两种测试对裂缝闭合压力的解释方法及测试流程,建立有限元模型进行流固耦合模拟研究。以我国西部某交通隧道为工程案例,在测试段同时使用自然压降和回流压降两种方法来分析裂缝闭合。研究结果表明,每个回流周期都会产生一个独特且可重复的裂缝闭合现象,使得裂缝闭合压力的解释更为容易;两种测试方法所解释的裂缝闭合压力的结果是一致的,检验了回流辅助小型压裂地应力测试方法的合理性。1 小型压裂地应力测试1 小型压裂地应力测试1.1 常规小型压裂地应力测试 小型压裂地应力测试是通过小体积、高压的流体注入,在测试层位产生一条张性裂缝并使裂缝扩展到远离井周应力集中影响的原始地层中。测试过程中的压降曲线是分析的重点。当泵入停止,流体不再注入,流体通过裂缝面进入地层,导致裂缝内压力下降。当裂缝内流体压力与地层最小水平主应力相等时,裂缝闭合。理论上,裂缝闭合压力等于地层最小水平主应力,其方向垂直于裂缝。小型压裂地应力测试主要通过压降曲线分析裂缝的闭合压力,从而得到地层的最小水平主应力。小型压裂地应力测试的典型曲线如图 1 所示,它包含 4 个主要的特征压力:裂缝破裂压力、裂缝扩展压力、瞬时关井压力和裂缝闭合压力。随着流体的注入,压力逐渐升高,到达岩石起裂压力值后形成裂缝,起裂压力的大小受很多因素影响,比如井周应力集中、岩石破坏程度、射孔、流体注入速率、流体黏度等。该值通常大于原位地应力,不能用来作工程设计的参考。随着裂缝的进一步扩展,压力进一步降低。停泵关井,此时的压力为瞬时关井压力,需要注意的是此时裂缝仍然张开,瞬时关井压力大于地层最小水平主应力。随着流体通过裂缝面向地层扩展,压力逐渐减小,裂缝逐渐闭合,此时,裂缝闭合压力等于地层的最小水平主应力。裂缝的闭合压力才可以作为各种工程设计的依据。在这个压力下,即使地层中存在天然裂缝或断层,也不会被激活。942陈建钢,等/基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 1 典型小型压裂测试曲线小型压裂测试通常依托裸眼井和套管井进行。裸眼井测试的主要优点是可以根据测试数据估计 3 个主要的原位地应力。HUDSON 等10详细阐述了小型压裂测试的背景信息。YUAN 等11总结了小型压裂测试中的各种质量控制问题。AHMED 等12介绍了在科威特松散砂岩地层中做裸眼小型压裂测试项目的技术操作细节。BARREE 等13总结了无回流小型压裂测试中裂缝闭合压力的瞬时压力分析。ZANG 等14研究了岩层中原位应力的信息。图 2 典型回流辅助测试曲线1.2 回流辅助小型压裂地应力测试 低渗地层的回流辅助小型压裂地应力测试中,测试曲线通常包含 4 个部分:(1)裂缝开启和扩展;(2)裂缝闭合前的压降;(3)裂缝闭合后的压降;(4)当回流停止后的压力回弹。图 2 是一个典型的回流辅助地应力测试曲线。当停泵回流开始后,压降曲线上能够看到两个明显的压降斜率。在裂缝闭合前,整个压裂系统包含井筒和裂缝;在裂缝闭合后,整个系统仅包含井筒。也就是说,裂缝闭合后,压裂系统的体积变小,相同体积的液体流出这个压裂系统会带来更大的压降。用专业术语来说,也就是裂缝闭合后,压裂系统的刚度变大了。PLAHN 等15利用有限差分模型模拟了回流辅助的地应力测试,他们的数值模拟结果表明,在回流辅助的地应力测试过程中,裂缝并不是整体闭合的,而只是在靠近井筒附近的部分闭合。回流停止后的压力回弹是在低渗地层回流测试中经常看到的现象。在低渗地层中,流体通过裂缝两翼的漏失量与回流量相比可以忽略不计。由于裂缝的部分闭合,裂缝在远离井筒的部分存在一个高压流体的“水泡”。当回流结束后,这个未闭合的高压“水泡”中的流体向着井筒回流而导致了压力回弹的现象。即压力回弹现象是裂缝未闭合部分和井筒的二次压力平衡现象,但其不能作为地层地应力的估计。本文的数值模拟结果显示,地层渗透率和回流速率对回弹压力影响很大。1.3 小型压裂测试分析方法 小型压裂地应力测试直接获取的是地层的最小水平主应力。理论上,地层最小水平主应力等于裂缝闭合压力。因此,获取裂缝的闭合压力是小型压裂地应力测试的重点。在过去 40 年里,石油行业的研究人员推导了一系列瞬态流体数学模型来模拟裂缝的闭合过程,同时通过瞬态流体理论来捕捉裂缝的闭合事件。即采用裂缝瞬态压降分析(PTA)方法来分析小型压裂地应力测试中裂缝的闭合情况16-17。但所有这些裂缝闭合瞬态流体模型的基础都是一维渗流模型和 Carter 漏失模型。对于回流测试,通常采用系统刚度法18。如上节所述,该分析方法将整个压裂系统看为一个整体。裂缝闭合前后,压裂系统的刚度发生的变化可以从压降与回流体积的关系曲线上找到,而压降曲线上的斜率转弯点就是裂缝的闭合点。2 回流辅助小型压裂地应力测试研究2 回流辅助小型压裂地应力测试研究2.1 回流辅助地应力测试数值模拟 采用流固耦合的有限元模型19来模拟回流辅助的地应力测试过程。在水力压裂过程中,岩石基质的变形与破坏采用考虑张性裂缝和剪切裂缝共存的固体本构关系模型,而岩石基质中的流体流动采用非线性的渗透率模型20。该有限元模型可以用来模拟二维和三维应力条件下的复杂地层中的水力压裂裂缝开启、扩展和闭合。基于该有限元模型历史拟合了一个在浅层泥岩地层的回流辅助地应力测试,并取得了很好的历史拟合结果(见图 3)。图 4 为有限元模型模拟的裂缝闭合前后的形态。同时,基于该有限元模型对回流辅助的地应力测试开展了敏感性测试,获得如下主要认识:(1)回流辅助的地应力测试中,裂缝不是整体闭合,裂缝仅在靠近井筒附近部分闭合;(2)回052陈建钢,等/基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 3 有限元历史拟合回流辅助测试图 4 有限元模拟裂缝的形态流速率越低,裂缝闭合的比例越大,也就是说,为了克服井周应力集中对地应力测试的影响,需要采用较低的回流速率;(3)在注入流体体积较大时,回流测试的效果较好,但太多的流体注入体积容易出现裂缝窜层等现象,测试时需要考虑;(4)在高渗地层中使用回流辅助地应力测试,效果不明显。2.2 回流辅助测试现场实施 小型压裂地应力测试可以在套管井、裸眼井、竖直井等任何情况下进行。套管井中进行小型压裂测试时,需要在测试段间隔进行一定相位和密度的射孔;测试一般从最低测试层位开始,将流体从井口注入套管,两个相邻的射孔段之间放置桥塞。在裸眼井中进行小型压裂测试时,一般需要使用跨式封隔器,可以通过钻杆或者测井电缆运送封隔器到测试层位,若使用钻杆,则从地表注入流体,可以更灵活地控制注入速率和累积注入体积。而使用测井电缆运送封隔器,则需要配套使用井底泵,同时需要将一个小的储液装置和封隔器一起运送到测试段;这种情况下,能够注入的液体体积相当有限,仅仅相当于一个微型压裂测试。而微型压裂测试形成的裂缝扩展不够远,没有离开井眼影响的区域。因此,通过测井电缆作为运送工具时,测量的原位最小水平主应力不能反映远场的应力条件。通常的小型压裂地应力测试中,地表放置两个压力传感器监测注水压力,一个放置在井口,另一个放置在泵的注入端。当注入流体速率低、黏度低的时候,井中的摩擦力可以忽略,所以可以直接使用地表压力传感器的测试结果;并且关井时,与流体注入过程相比,系统中的流体处于静止状态,所以不存在摩擦力。因此,井底压力就等于静液柱压力和地表记录压力之和。但是如果液柱密度不确定,比如使用泥浆护壁,则推荐使用井下压力传感器,并且关井过程中的压降对于判断裂缝闭合压力至关重要。所以井下压力传感器的数据更为准确、可靠,地表压力传感器的数据可供现场工程师实时分析,使测试更加灵活。数值模拟及现场经验表明,回流速率越小,裂缝闭合的比例就越高。故在回流辅助的地应力测试中,建议使用较小而且稳定的回流速率。图 5 是在盐岩地层中进行的裸眼回流辅助小型压裂测试。该地层具有低孔隙度(3%)、低渗透率(0.01 mD)等致密低渗特征。该测试有 5 个注入/回流循环系统,共持续1.5 h。每个测试周期的压力衰减接近静压水平,远低于预期的理论裂缝闭合压力,压力衰减足够长以保证裂缝闭合。图 5 在盐岩地层中进行的裸眼回流辅助小型压裂测试2.3 回流辅助与自然压降测试一致性研究 回流辅助的地应力测试需要现场精细地控制注入和回流的平衡,注入/回流测试应与常规注入/漏失测试测得的裂缝闭合压力一致。本文介绍两种现场地应152陈建钢,等/基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期力测试来验证。每个测试都是常规测试和回流测试的组合(例如,根据常规测试完成前几个循环,并且根据回流测试完成最后几个循环)。第一个例子来自深层致密油藏地层(埋深约2 750 m)中的小型压裂测试,共涉及 6 个测试循环。第一个测试循环是常规裂缝自然压降测试,裂缝起裂并扩展,关井 14 h 后地表实时分析探测到了裂缝闭合。随后的 5 个循环是具有不同注入、回流速率的回流测试。图 6 给出了自然压降测试和回流辅助测试所得的最小水平主应力的对比,其中第一个循环是 ILF 测试,其余的是 IFB 测试。测试结果在 ILF和 IFB 循环之间具有很好的一致性。第二个例子来自浅层油砂地层(埋深约 450 m)的小型压裂测试,共完成了 6 个测试循环,1、2、3 和 6 是 ILF 测试,4 和 5 是 IFB 测试,两个方法之间有很好的一致性(见图 7)。图 6 深层致密油藏小型压裂测试图 7 浅层油砂地层小型压裂测试3 某交通隧道致密岩层小型压裂地应力测试3 某交通隧道致密岩层小型压裂地应力测试 某交通隧道位于西部地区,地质条件复杂,埋深约 200 m。勘察阶段拟在隧址区开展地应力测试,获取隧道地应力状态,服务于设计施工。隧道主要穿越岩层的岩性以片麻岩为主,岩层平均孔隙度为5.1%。通过 竖 直 勘 探 孔 完 成 测 试,测 试 深 度 为190 m。现场测试设备包含电机泵、压裂测试控制系统、压裂测试无线数据采集系统、井底管柱系统等(见图 8)。图 8 回流辅助小型压裂地应力测试现场施工布置示意在隧址区开展了一次小型压裂地应力测试,测试的目的是获取压裂层位的地层最小水平主应力,从而为隧道的设计施工服务。为了证明回流辅助的小型压裂地应力测试和常规小型压裂地应力测试能取得相同的地层最小水平主应力值,本测试在同一层位开展了两次测试。图 9 是现场测试曲线,它包含压力曲线(红色)和流量曲线(绿色)。第 12 次是常规测试,裂缝打开后,停泵关井等待裂缝中的流体漏失到地层中,从而裂缝闭合,如图 9 所示,单个测试循环耗时约 10 min,通过现场实时分析软件探测到了裂缝的闭合点;第 37 次采用回流辅助测试,单个测试循环用时仅 2 min。图 9 西部某隧道地应力测试曲线两次测试所得到的地层最小水平主应力大小如表1 所列。由此可见,两次测试得到了相同的地层最小水平主应力值,在保证测试精度的前提下,回流辅助方法的测试效率提升了 5 倍。252陈建钢,等/基于回流辅助的小型压裂地应力测试研究与应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 1 两次小型压裂测试的地层最小水平主应力比较测试次数测试方法压裂排量/Lmin-1回流流量/Lmin-1地层最小水平主应力/MPa1自然压降测试2002.072回流辅助测试2052.104 结 论4 结 论 基于回流辅助的小型压裂地应力测试能够提高测试效率,但在测试精度和效率方面缺乏专门研究。本文在介绍回流辅助和自然压降两种测试方法、数学模型以及分析方法基础上,进行了流固耦合有限元模拟研究,结合工程案例初步检验两种方法结果的一致性。针对西部某交通隧道所在的低渗透片麻岩岩层,在每个测试段同时使用自然压降和回流压降两种方法来分析裂缝闭合。研究结果表明,回流辅助法与自然压降法相比,所解释的裂缝闭合压力的结果基本一致,但测试效率提高了 5 倍。回流辅助测试方法在保证分析精度的基础上,能够有效地提高小型压裂测试的效率,研究成果可支撑回流辅助测试在低渗透地层中的推广应用。参考文献:1 HAIMSON B C,CORNET F H.ISRM suggested methods for rock stress estimation:Part 3:hydraulic fracturing(HF)and/or hydrau-lic testing of pre-existing fractures(HTPF)J.International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2003,40(7):1011-1020.2 ASTM International.Standard Test Method for Determination of In-si-tu Stress in Rock Using Hydraulic Fracturing Method:ASTM D4645-08S.West Conshohocken,2008.3 徐斌,刘汝明,陈子扬,等.瞬态压力分析方法在小型压裂地应力测试中的应用J.长江科学院院报,2020,37(2):81-86.4 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