页岩储层天然裂缝剪切滑移特性实验研究

石朝龙，陈军斌，王晓明，孙 晨

(1.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065； 2.西安石油大学 陕西省油气井及储层渗流与岩石力学重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

我国页岩油气资源储量丰富，随着常规油气资源的开采消耗，页岩油气将是我国油气增储上产的重要接替领域[1]。然而，页岩是低孔、极低渗储层，尽管天然裂缝发育，但难以形成商业化开采的渗流通道，进而需要大规模的缝网压裂措施才能实现页岩油气开发[2]。而决定缝网压裂效果的关键在于水力裂缝是否尽可能多地沟通天然裂缝，水力裂缝与天然裂缝相互作用行为是能否形成复杂裂缝网络，这将关系到压裂改造的成败[3-4]。在裂缝相互作用过程中，流体的注入及水力裂缝的扩展改变了天然裂缝的受力状态，降低天然裂缝面上的有效正应力，导致储层中处于临界应力状态的天然裂缝发生剪切滑移[5-7]。同时，天然裂缝的剪切滑移会引起水力裂缝转向，这种复杂的相互作用促进了复杂裂缝网络的形成[8-9]。因此，有必要对水力压裂过程中天然裂缝的剪切滑移特性进行研究。

为揭示水力压裂过程中天然裂缝的剪切滑移机理，国内外学者开展了大量研究。Warpinski等[10]、Renshaw等[11]、Gu等[12]考虑天然裂缝在原地应力状态下的受力情况，建立天然裂缝剪切破坏准则，分析了天然裂缝界面滑移对水力裂缝扩展形态的影响。但这些准则均假定天然裂缝受力状态不变，而在实际压裂过程中天然裂缝受水力裂缝诱导应力的影响。赵金洲等[7]基于线弹性理论，建立了考虑天然裂缝应力状态变化下的裂缝相互作用模型，并得出水平应力差、逼近角以及净压力是影响天然裂缝发生剪切破坏的重要因素。然而，该模型假定水力裂缝中流体压力恒定，而实际压裂过程中注入压力并非定值。韩松财等[13]进一步考虑了人工裂缝缝内流体压力分布，建立了水力裂缝扩展过程中天然裂缝面诱导应力场解析模型，发现压裂过程中天然裂缝更易发生剪切破坏。为更加直观地研究天然裂缝剪切滑移现象，Almakari等[14]进行了一系列注入流体诱导天然裂缝剪切实验，发现流体的注入可以使天然裂缝发生剪切滑移而被激活，进而引起裂缝渗透率的增加；Ye等[15]进一步考虑了围压和注入压力对剪切滑移裂缝渗透率的影响，通过实验发现裂缝渗透率随有效应力的增加呈指数下降。除地层应力状态和注入条件外，天然裂缝性质也是影响其剪切滑移特性的重要因素。Bijay等[16]分别对粗糙和光滑的天然裂缝开展了剪切滑移实验，发现注入流体可以使粗糙裂缝产生永久剪切滑移，并提高裂缝渗透率。然而，此类实验仅仅考虑了注入流体对天然裂缝力学状态的影响，实际中水力裂缝扩展产生的诱导应力同样会影响天然裂缝受力状态。Hu等[17-19]开展了注入流体和水力裂缝共同作用下的天然裂缝剪切滑移实验，发现在与水力裂缝相交之前，天然裂缝就已经发生了剪切滑移，且剪切滑移程度受天然裂缝倾角和摩擦角的影响。

综上所述，目前对天然裂缝剪切滑移的研究集中在剪切滑移产生的条件及其对裂缝渗透率的影响方面，但并未对天然裂缝剪切滑移过程中的力学响应特性深入研究。基于此，本文充分考虑了地应力条件和注入流体影响，设计了更加真实的页岩储层天然裂缝剪切滑移实验，为改善缝网压裂效果提供了参考。

1 实验方法

1.1 实验原理

压裂过程中高压流体的注入促使水力裂缝起裂和扩展，而水力裂缝在扩展过程中会与页岩中的天然裂缝发生相互作用。水力裂缝与天然裂缝相交后，注入流体通过水力裂缝进入到天然裂缝，导致天然裂缝面受力状态发生变化。随着流体进一步注入，作用在天然裂缝面上的流体压力逐渐增大，天然裂缝面所受有效正应力进一步减小，莫尔应力圆不断左移，直至与天然裂缝剪切破坏包络线相交，此时天然裂缝发生剪切破坏，如图1所示。

图1 天然裂缝剪切滑移机理

1.2 实验系统

本实验采用GCTS TRR-1000岩石三轴力学测试系统，该系统主要由轴向压力加载系统、围压加载系统、注水系统和数据采集系统组成(图2)。其中轴压系统可提供压力0～1 000 kN，围压系统可提供压力0～140 MPa，注水系统可提供压力0～70 MPa。

图2 实验装置原理图

1.3 实验方案

实验样品取自于鄂尔多斯盆地延长组长7段页岩露头，为避免层理面对实验结果的影响，制样时均为平行层理面取芯。首先，使用内径为50 mm的深孔钻床和岩芯切割机将页岩露头加工为Φ50 mm×100 mm的标准岩芯(图3(a))；然后使用Φ8 mm的钻头在岩芯的一个端面上钻取深度为20 mm、直径为8 mm的注水孔(图3(b))，以提供流体注入通道；使用切割片沿着与岩芯轴线成60°的方向将其切割成两半(图3(c))，为保证切割面性质相同，采用标号为40、颗粒直径约为420 μm的金刚砂磨片打磨切割面；最后使用环氧树脂胶将两半岩芯粘在一起(图3(d))，并使用环氧树脂胶将注水压头粘在样品注水孔端面(图3(e))，为保证粘结强度，需将岩芯静置24 h以上。

图3 样品制备流程

本文共设计了3组实验，具体实验参数见表1。为减小黏土矿物对页岩性质的影响，实验注入流体采用7%KCl溶液。具体实验步骤如下：

表1 实验参数

(1)实验开始前先检查设备管路连通状况，并校正轴向和径向位移传感器；

(2)测量样品尺寸，并将其装入乳胶热缩管中，以保证样品与液压油的隔离；

(3)安装轴向和径向位移传感器，并向样品顶部注水孔中注入流体，以排除孔中空气对实验结果的影响；

(4)将注水装置安装在样品顶部，并用热缩管固定，使用轴向加压杆对试样提供预紧力，以使试件保持稳定，并再次调整轴向和径向位移传感器为初始值，完成装样；

(5)通过设备伺服系统逐级交替施加轴向压力和围压直至实验设定值，待轴向压力与围压稳定后，通过注入系统向注水孔中注入流体，实验过程中控制流体注入速率为0.20 mL/min。

1.4 天然裂缝受力和滑移量分析

实验过程中注入压力以及岩样的轴向变形和径向变形通过设备的数据采集系统实时记录。如图4所示，样品中的天然裂缝为斜切缝。因此，天然裂缝面所受正应力、切应力及沿天然裂缝面的滑移距离可以由下式计算：

图4 天然裂缝剪切滑移导致的样品变形

σ=σ3+(σ1-σ3)sin2θ；

(1)

τ=(σ1-σ3)sinθcosθ；

(2)

ds=Δxcosθ+Δysinθ。

(3)

式中：σ1、σ3分别为最大主应力和最小主应力，MPa；τ为裂缝面所受切应力，MPa；θ为水力裂缝逼近角，(°)；Δx、Δy分别为样品轴向和径向变形量，mm。

2 实验结果与分析

2.1 天然裂缝剪切滑移特性

根据图5中注入压力变化规律可以将实验过程划分为注入孔内压力上升、水力裂缝扩展、天然裂缝剪切滑移3个阶段。

图5 1#、2#、3#天然裂缝剪切滑移特性曲线

第Ⅰ阶段：注入孔内压力上升。此阶段1#、2#、3#中天然裂缝剪切滑移量分别为0.01 mm、0.01 mm、0.02 mm，但偏应力下降幅度较小，此阶段观察到的剪切滑移是由于裂缝在偏应力的作用下压实引起的，并非是实际天然裂缝产生的剪切滑移。

第Ⅱ阶段：水力裂缝扩展。由于岩样中没有原始裂缝，且注入的流体远大于滤失的流体，随着注入的流体不断增多，注入孔内压力逐渐升高，当注入压力上升至一定值时，水力裂缝沿注入孔底部起裂与扩展，直至与天然裂缝相交。此过程中注入压力出现波动，偏应力和剪切滑移量变化不大。

第Ⅲ阶段：天然裂缝剪切滑移。流体通过水力裂缝进入天然裂缝后，对天然裂缝壁面产生流体压力，降低了天然裂缝面的有效正应力，促使裂缝发生剪切滑移。同时由于样品变形，轴向压力突降，此阶段的剪切滑移量最大，约为前2个阶段的2～10倍。当滑移距离大于某一临界值时，胶粘天然裂缝被完全破坏而使注入流体与三轴压力腔室沟通，缝内流体压力下降，裂缝所受有效正应力上升，裂缝滑动阻力增大，直至裂缝滑移量保持不变时实验结束。

此外，3组实验各阶段中力学参数和位移参数随时间变化特性还存在着显著差异，2.2～2.4将围绕此方面展开讨论。

2.2 偏应力对裂缝剪切滑移特性影响

1#和2#研究的是偏应力对天然裂缝剪切滑移特性的影响。第Ⅰ阶段曲线变化特征基本相同，第Ⅱ阶段差异主要表现在水力裂缝起裂压力和起裂时间上。由图5可知1#中水力裂缝在338 s起裂，起裂压力为7.70 MPa；2#中水力裂缝在354 s起裂，起裂压力为8.27 MPa。偏应力模拟了地层中的应力差，在相同的条件下，地应力差越大，水力裂缝越容易发生破坏且起裂压力越低[20]。而本实验结果并不符合此规律，是因为实验中水力裂缝为平行层理面扩展，而各组样品层理面发育特征存在差异。

由图5可知，1#和2#在天然裂缝剪切滑移阶段注入压力和剪切滑移量变化特征存在显著差异。1#注入压力逐渐上升至最大值10.83 MPa后稳定一段时间，直至天然裂缝发生剪切滑移时注入压力突降至围压附近；2#注入压力上升至最大值11.15 MPa后天然裂缝瞬间发生剪切滑移，同时注入压力突降至围压附近。1#注入压力出现稳定段主要是由于天然裂缝粘结状况的差异所导致。裂缝面所受正应力与偏应力正相关，因此天然裂缝破坏时的注入压力随围压增大而增大。

从图6可知，天然裂缝发生剪切破坏瞬间，滑移距离大幅增加，1#和2#中天然裂缝最大剪切滑移距离分别为0.04 mm和0.06 mm，2#中裂缝剪切滑移持续时间比1#中的较长。天然裂缝剪切滑移速率和滑移距离随时间变化关系如图6所示，可知在天然裂缝发生剪切滑移前，裂缝剪切滑移速率较低(<0.5 μm/s)，1#和2#中裂缝滑移速率均在裂缝起裂瞬间达到峰值，分别为4.8 μm/s和5.3 μm/s，此后迅速衰减直至裂缝停止滑移。偏应力在裂缝剪切滑移过程中为动力，偏应力越大，裂缝起裂后释放的能量越高，因此较大的偏应力有利于裂缝产生更大的峰值滑移速率和更大的剪切滑移。

图6 1#和2#样天然裂缝剪切滑移速率和滑移距离随时间变化

2.3 围压对裂缝剪切滑移特性的影响

2#和3#研究的是围压对天然裂缝剪切滑移特性的影响。第Ⅰ阶段曲线变化特征基本相同，第Ⅱ阶段差异同样表现在水力裂缝起裂压力和起裂时间上。图5表明3#中水力裂缝在391 s发生起裂，其对应压力为7.06 MPa。3#中水力裂缝起裂时间较2#有所延后，这说明3#中流体的滤失量较大，3#的渗透性更好。围压对样品侧向提供了支撑力，围压越大，沿样品轴向的裂缝起裂难度越大。而本实验结果并不符合此规律，同样是沿岩样轴向发育的层理性质差异所致。

在天然裂缝破坏阶段，由图5可知3#注入压力上升到最大值10.12 MPa后一直保持稳定，直至实验结束，这显然与2#注入压力变化特征存在差异。在三轴压缩实验中，随着围压的上升，岩样破坏形式由张性向剪切过渡[21-22]。参考三轴压缩实验结果，可以通过比较裂缝破坏时的注入压力与裂缝面正应力的大小将天然裂缝起裂模式划分为张性起裂和剪切起裂。注入压力和正应力随时间变化关系如图7所示，可知2#中天然裂缝破坏时注入压力大于裂缝正应力，天然裂缝为张性起裂；而3#中天然裂缝破坏时注入压力小于裂缝正应力，天然裂缝为剪切起裂。

图7 注入压力和裂缝面正应力随时间变化曲线

由图5可知，3#中天然裂缝剪切滑移距离为0.22 mm，且其裂缝剪切滑移持续过程最长。如图8所示，天然裂缝发生剪切滑移前，3#裂缝滑移速率同样低于0.5 μm/s；当裂缝剪切滑移瞬间，滑移速率达到峰值2.8 μm/s，然后滑移速率呈现降低-增高-降低的震荡模式，持续约240 s之后移速率再次低于0.5 μm/s。相较于2#，3#中裂缝剪切滑移距离较大，剪切滑移过程持续时间较长，峰值剪切滑移速率较低。这是因为随围压增大，天然裂缝起裂模式由张性过渡到剪切，而裂缝发生剪切起裂瞬间所释放的弹性应变能相比于张性起裂的较小。

图8 3#中天然裂缝剪切滑移速率和滑移距离随时间变化曲线

2.4 天然裂缝力学响应特征

图9表明在三组实验天然裂缝剪切滑移瞬间，裂缝面正应力及剪应力同步出现突降，而当剪切滑移终止时，裂缝面正应力和剪应力同时趋于稳定值。这是因为裂缝的剪切滑移使样品长度变短，进而会使样品轴向压力卸载，最终降低裂缝面正应力和剪应力。另外，由于裂缝所受正应力和剪应力都受偏应力和围压的影响。因此，天然裂缝破坏过程中正应力和剪应力变化趋势相同。

图9 裂缝面正应力和剪应力随时间变化曲线

由图9可得1#、2#、3#中天然裂缝破坏前后裂缝面正应力差分别为0.96 MPa、1.36 MPa、1.83 MPa，剪应力差分别为0.56 MPa、0.78 MPa、0.92 MPa，破坏前后裂缝面正应力和剪应力差随偏应力和围压的增大而增大。裂缝破坏前后所受正应力和剪应力差与最大剪切滑移距离关系如图10所示，可知天然裂缝剪切滑移过程中正应力及剪应力变化与最大滑移距离呈正相关关系。岩样破坏过程中应力变化越大，则破坏过程中释放的能量越多，这反过来又使岩样产生更大的变形，这也是导致3#最大剪切滑移距离大于其他两组的原因。

图10 正应力及剪应力与最大滑移距离关系曲线

实验结束后，3块样品破坏情况如图11所示，可以观察到水力裂缝沿注入孔底部扩展，直到与天然裂缝相交。样品破坏过程中，在微小的外力作用下样品就会沿胶粘天然裂缝处断裂成两半，这可能是由于胶粘天然裂缝被破坏而强度降低引起，具体原因需要进一步实验验证。

图11 3块样品破坏后照片

3 结 论

(1)天然裂缝剪切滑移过程可以划分为注入孔内压力上升、水力裂缝扩展和天然裂缝剪切滑移3个阶段。在注入孔内压力上升和水力裂缝扩展阶段就可以观察到微小的剪切滑移量(<0.02 mm)，但此过程的剪切滑移是由于天然裂缝压实引起。天然裂缝剪切滑移阶段剪切滑移量最大，约为前2个阶段的2～10倍。

(2)偏应力模拟了地层中的地应力差，天然裂缝的最大剪切滑移距离和峰值滑移速率随偏应力的增大而增大，高应力差易于使天然裂缝产生剪切滑移。

(3)天然裂缝起裂形式随围压的增大由张性向剪切过渡，两种起裂形式下裂缝均会发生剪切滑移。张性起裂下裂缝峰值滑移速率高、最大滑移距离较小，剪切起裂方式下裂缝峰值滑移速率低、最大滑移距离较大，高围压下裂缝的剪切起裂更有利于裂缝的剪切滑移。

(4)天然裂缝剪切滑移前后裂缝所受正应力和剪应力差随偏应力和围压的增大而增大，此外，天然裂缝最大滑移距离又与裂缝面正应力和剪应力差呈正相关关系。