水力壓裂通常用于致密砂巖、頁(yè)巖和一些煤層等低孔低滲巖石，在巖石中形成新裂縫，起到油井上產(chǎn)增產(chǎn)作用，在非常規(guī)儲(chǔ)層油氣開(kāi)發(fā)中扮演了關(guān)鍵角色。本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了巖芯尺度上的水力壓裂在線CT掃描實(shí)驗(yàn)，研究巖石的水力壓裂特征。

實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)依托巖石水力壓裂在線CT掃描平臺(tái)，該平臺(tái)主要由高分辨率CT掃描系統(tǒng)、連續(xù)流體壓力供給系統(tǒng)、數(shù)字巖芯處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，具有原位掃描、立體成像、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖中巖芯樣品置于夾持器中，圍壓和軸壓分別由兩套泵組供給，模擬地層三軸應(yīng)力條件。水力壓裂的流體由獨(dú)立的注入泵提供最高20ml/min的恒定流速，流體壓力由壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以獲得試樣的最大破裂壓力。試樣裝在nanoVoxel-3502E型微米CT系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，X射線源和探測(cè)器分別置于轉(zhuǎn)臺(tái)（試樣）兩側(cè)，X射線穿透試樣后被探測(cè)器，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)試樣旋轉(zhuǎn)360度所得到的大量X射線衰減圖像重構(gòu)出三維的立體模型。

圖1 水力壓裂CT掃描系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)流程

（1）試樣制備：塊狀巖樣制備為直徑25mm，長(zhǎng)度30mm的圓柱試樣，頁(yè)巖或煤樣需要采用線切割方式，以保證試樣完整，端面平整度為±0.2mm；選擇任一端面中心鉆直徑4mm，深度10mm的盲孔，用以注入流體。盲孔方向與軸線平行，偏差小于2^o。

（2）試樣安裝及儀器條件準(zhǔn)備：壓裂堵頭安裝到試樣盲孔中，將試樣小心裝入水平夾持器中，連接好圍壓、軸壓和流壓管線，檢查各泵狀態(tài)后，啟動(dòng)圍壓和軸壓的動(dòng)力泵，給水平放置的試樣施加微小的壓力，保證試樣不發(fā)生錯(cuò)位即可。再將夾持器安裝到掃描平臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整射線源、試樣和探測(cè)器位置，保證有最佳的掃描效果。

（3）水力壓裂過(guò)程：首先將軸壓和圍壓增加到實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件；對(duì)試樣進(jìn)行初始CT掃描，根據(jù)掃描效果可進(jìn)一步調(diào)整射線源、試樣或探測(cè)器位置；打開(kāi)注入容器和夾持器注入管線的切換閥門(mén)，液體充滿管線，排出空氣；關(guān)閉注入管線的切換閥門(mén)使流體恒速注入巖芯盲孔，同時(shí)記錄流體壓力曲線。如果流體壓力能持續(xù)升高，則表明隨著注入泵的持續(xù)注入流體發(fā)生壓縮，壓裂實(shí)驗(yàn)可以繼續(xù)進(jìn)行，否則需要檢測(cè)是否漏液。

（4）壓裂后CT掃描：當(dāng)流體壓力瞬間出現(xiàn)下降，說(shuō)明流體壓力達(dá)到試樣破裂壓力產(chǎn)生新生裂縫，立即對(duì)試樣進(jìn)行原位CT掃描。掃描完成后，關(guān)閉注入泵并打開(kāi)真空泵，清洗管線和夾持器；卸載圍壓和軸壓，取下夾持器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

（5）數(shù)字巖芯處理：對(duì)壓裂前后CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行巖芯重構(gòu)、灰度校準(zhǔn)、閾值劃分和裂縫提取處理，詳細(xì)處理過(guò)程可按下圖操作。

圖2 數(shù)字巖芯處理流程

應(yīng)用案例

在此展示松遼盆地青山口組成熟頁(yè)巖水力壓裂CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)中恒速恒壓泵流速設(shè)定為2ml/min，圍壓和軸壓分別固定為3MPa和10MPa。在壓力加載完成后進(jìn)行第一次CT掃描，分辨率14.95um。掃描完成后打開(kāi)恒速恒壓泵，排出管線中空氣，并設(shè)定好目標(biāo)流速，記錄進(jìn)液端流體壓力變化情況，直至流體壓力短時(shí)間內(nèi)快速下降。圖3為2ml/min流速下樣品壓裂過(guò)程中，注入流體壓力隨時(shí)間變化的過(guò)程。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)340s時(shí)，注入流體壓力快速下降，此時(shí)壓力達(dá)到巖心破裂壓力，巖心從加載階段進(jìn)入破裂階段，關(guān)閉恒速恒壓泵，并進(jìn)行第二次CT掃描，記錄破裂后巖心狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖3 2ml/min流速下注入流體壓力隨時(shí)間變化圖

將壓裂前后CT掃描數(shù)據(jù)開(kāi)展巖心重構(gòu)，通過(guò)CT三維顯微重構(gòu)軟件將數(shù)據(jù)處理成可以導(dǎo)入Avizo的格式。通過(guò)Avizo首先對(duì)兩次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)保證灰度統(tǒng)一，而后采用交互式閾值分割劃分巖心中的裂縫、孔隙以及缺陷，并從壓裂后的CT數(shù)據(jù)中扣除原始數(shù)據(jù)中的裂縫、孔隙以及缺陷，處理后的兩次CT掃描結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 青山口組頁(yè)巖水力壓裂前后原位CT掃描處理結(jié)果圖

圖4左為頁(yè)巖樣品原始狀態(tài)，此樣品原始狀態(tài)未見(jiàn)裂縫；圖4中為壓裂后狀態(tài)，可見(jiàn)裂縫從盲孔向巖心表面延伸；圖4右為裂縫提取后效果圖，將組成巖石的礦物透明化后可以清晰的看到裂縫發(fā)育的位置及形態(tài)，并可以定量裂縫的開(kāi)度、傾角、裂縫率等參數(shù)。