水力压裂技术作为一种能够有效改善储层渗流条件的关键手段,通过在地下储层中人为制造裂缝,极大地提高了油气的流通能力,成为实现非常规油气经济有效开采的核心技术
[1-3]。压裂裂缝的延伸行为,包括裂缝的扩展路径、形态和规模等,直接影响储层的改造效果,进而关系到油气的产量和采收率
[4]。
目前,研究压裂裂缝延伸行为主要采用物理模拟和数值模拟两种方法。数值模拟方法
[5-7]具有成本较低、可重复性高的优势,能够在短时间内获取大量的数据,为研究提供了便利。然而,由于实际地质条件和岩石力学特性极为复杂,数值模型很难完全准确地反映真实情况,可信度不足。与之相对,物理模拟则是一种通过模拟地下复杂应力环境来研究岩石破裂行为的关键技术手段
[8-10]。在实验室环境中构建与实际储层相似的模型,然后施加相应的载荷和流体压力,直接观察并记录裂缝的产生和扩展过程。这种方法能够更直观、真实地展现裂缝扩展的物理机制,弥补了数值模拟在反映实际物理过程方面的不足,为数值模型的验证和改进提供了关键依据
[11]。
自1983年首套真三轴试验装置问世以来
[12],中外研究学者开始重视真三轴压裂实验。1999年,中国搭建了首台室内真三轴水力压裂试验系统
[13]。室内真三轴水力压裂实验凭借高保真应力加载、多参数精确控制及高分辨率压力监测等优点,成为揭示裂缝扩展机理、优化压裂设计不可或缺的手段。尽管室内物理模拟研究已取得了一定的成果,但仍存在不少问题。例如,实验模型与实际储层的相似性难以精确把控,复杂地质和工程条件下的模拟装置尚不完善,实验结果的定量分析不够准确,以及如何将室内实验结果合理地应用到实际矿场等问题,都有待进一步解决。
因此,深入开展真三轴压裂室内模拟实验研究,对于推动压裂技术的发展和非常规油气资源的高效开发具有重要的现实意义。现对真三轴压裂室内模拟实验的研究进展进行全面梳理,分析当前面临的挑战,并对未来的发展方向进行展望。对于厘清当前技术瓶颈、凝练关键科学问题并指明未来攻关方向具有一定参考价值。旨在推动真三轴压裂室内模拟技术的发展,为非常规储层压裂机理的认识和现场施工参数的优化设计提供可靠的实验依据。
1 研究进展
1.1 相似准则
为了提高原型与模型之间的相似度,实验参数(压裂液排量、黏度等)往往需要根据现场参数通过相似准则进行转换。相似准则是室内物理模拟实验的基础,其核心作用是确保实验模型与实际原型在力学行为和物理过程上具有相似性。1994年,De Pater等
[14]率先推导了相似准则,首次将实验参数与实际参数联系起来。他通过将方程无量纲化,构建流体流动、岩石变形以及裂缝扩展控制方程的无因次形式,然后将单值条件代入无因次控制方程得到模型参数的相似指标。然而,该相似准则没有考虑水力裂缝在射孔孔眼内的起裂,仅适用于裸眼井水力压裂。柳贡慧等
[15]和郭天魁等
[16]先后对该准则进行改进修正,考虑了射孔对裂缝起裂的影响,并将其扩展到射孔井水力压裂。并且所涉及的模型参数更多,与原型相似度更高,成了目前中国最常用的真三轴压裂实验参数确定方法。
然而,以上相似准则仅适用于简单工况下的水力压裂,没有考虑支撑剂输运过程,更无法满足当下日益成熟的水平井多段压裂、CO
2压裂、脉冲压裂等技术的参数转换。基于此,更多学者基于已有的相似准则,通过耦合支撑剂输运模型、流量分配模型、CO
2破岩模型等,将相似准则扩展到更复杂的工况,大大提高了与原型的相似度。焦春艳等
[17]将低渗致密气储层的渗流问题简化为若干个一维直线渗流问题,并基于方程分析法推导了适用于低渗致密气储层动态开发的相似准则,然而,该准则没有考虑模型与原型间岩石力学参数的相似性,具有较大误差。严浩
[18]基于二维切比雪夫多项式缝宽模型,将柳贡慧等
[15]的相似准则扩展到深层页岩储层。孔祥伟等
[19-20]基于量纲分析法推导了适用于多簇压裂和暂堵压裂的相似准则,实现了非常规储层室内压裂模拟的突破。随后,Kong等
[21]以几何相似性为前提,以动态相似性为补充,以维度分析(π定理)为主要分析方法,建立了一套新的相似准则。该准则考虑了裂缝的动态扩展以及裂缝簇间的流量分配,适用于多簇压裂和脉冲压裂。
表1总结了几代重要的相似准则。现有的压裂实验相似准则的推导方法大部分为方程分析法,且随着水力裂缝扩展数学模型的发展,相似准则所涉及的模型参数数量越来越多,适用的场景越来越广。在所有相似准则中,均涉及的参数包括缝长、注入速率、井筒半径、时间、流体压力、杨氏模量、滤失系数,这些参数是弱化现场和室内实验规模差异的基本参数。
1.2 实验装置
真三轴实验装置是研究岩石水力压裂机理、优化压裂参数及预测裂缝扩展的关键设备,通过在实验室中高精度地复现深部地层的力学环境,解决了现场试验成本高、条件不可控、关键过程不可见的根本难题,它与单/三轴装置的主要区别是三向地应力的加载方式,能够独立加载水平最大地应力(σH)、水平最小地应力(σh)和垂向地应力(σv)。因此,常规单轴(σh=σH=0)或三轴(σh=σH≠0)实验装置无法真实反映地层应力各向异性,对裂缝起裂角度、扩展路径和分支行为存在系统性偏差,而真三轴压裂装置可独立加载三向地应力(σh≠σH≠σv),高度还原实际储层的应力状态。非常规储层的开发难度大,裂缝扩展机理不明确,目前常用数值模拟技术来研究这类储层的裂缝扩展规律,但数值模拟假设条件较多、参数获取困难、受理论框架约束,导致模拟结果可靠性不足。而真三轴压裂实验与现场现象的对应关系明确,实验结果直观,并且能够直接服务于压裂参数优选、施工方案设计和风险评估,减少现场试错成本。综上所述,真三轴压裂实验装置不仅是模拟真实地应力条件下水力裂缝扩展行为的关键实验平台,也是连接岩石力学基础理论、数值模拟方法与现场压裂工程实践的重要桥梁。
早期的真三轴装置结构较为简单,加载能力有限,难以模拟复杂多变的地应力条件。随着技术的不断进步,现代真三轴实验装置在加载能力、控制精度和多功能性等方面都取得了显著的提升。如今的装置能够实现3个方向独立的加载控制,加载范围基本可以满足大多数储层的地应力条件
[22]。此外,为了模拟不同类型的压裂液和流体流动过程,实验装置配备了多样化的流体注入系统,包括高压柱塞泵、恒流泵等,能够精确控制压裂液的注入速率和压力。
Deb等
[23]研制了一套小型真三轴实验系统,由加载系统、注入系统和数据采集系统组成,然而,该设备能够加载的围压和排量较低,无法满足深层储层的压裂模拟。新疆油田搭建一套超大尺寸真三轴水力压裂矿场实验平台
[24],实现了大排量和高围压加载条件,可以模拟真实工况条件下的水力裂缝扩展过程,是目前中国体型最大的实验装置。该装置使用TP125V钢级真实套管模拟实验井筒,并通过700型泵车将储液罐中压裂液以单孔折算排量注入井筒。为了研究超临界CO
2压裂的破岩机理,Memon等
[25]研制了一套高温高应力真三轴压裂试验系统,CO
2在注入泵中被加压加热至超临界态,还能够对裂缝扩展过程中泵压、排量、声发射信号等参数进行监测及处理,但此装置适用试件尺寸较小(50 mm×50 mm×50 mm),必然会造成裂缝扩展规律的认识不清,无法满足破岩机理的深入研究。杨兆中等
[26]成功研发出适用于高温高压、适配分层加压、支持超临界CO
2压裂以及支撑剂输送的实验装置,如
图1所示。该装置配备了压力传感器和声发射系统,能够实时监测压裂过程中的流体压力和破裂点变化。目前具备酸压功能的装置较少,Hou等
[27]采用耐酸的巴氏合金制作注入泵和管线,酸液的最大注入压力为140 MPa,最大注入量为800 mL。武汉岩土所自主研制了一套实时高温高应力真三轴压裂试验系统
[8,28],最大支持0.5 m×0.5 m×0.5 m的压裂试件,支持泵注最大压力为200 MPa的携砂液,缩小了室内压裂物模试验条件与真实深部储层环境之间的差距。为了模拟液氮压裂,洪纯阳
[29]所在团队研制了一套真三轴液氮/清水压裂实验装置,为避免液氮对装置零部件的损害,首次提出了采用高压氮气驱动液氮进行压裂的方法,该装置能够实时监测液氮压裂过程中的应力、温度和压力变化。中国部分团队的实验装置如
表2所示。
1.3 实验对象
传统真三轴压裂实验对象主要分为3类:岩石露头、水泥包裹岩心以及纯水泥。早期的真三轴压裂室内模拟实验主要针对简单的均质岩样,研究在低围压条件下的裂缝扩展规律,如
图2(a)所示,Zhou等
[30]利用水泥和细砂制备实验试件,开展了不同应力差条件下的裂缝扩展规律研究,虽然实验得到了部分新认识,但对实际储层的指导作用存疑,因为其使用的水泥与地层岩石在力学上存在不可忽视的差异,并且所加载的围压较低(<20 MPa)。
随着研究的逐步深入,模拟对象逐渐扩展到多层叠置岩样、裂缝性岩样、砂砾岩和层理页岩等非均质试样。但这些天然露头或井下岩心有时无法满足学者对岩体内非连续面和弱结构面的探索,为此,开发了一系列人造试件。例如,利用3D打印技术制作含有天然裂缝或孔洞等地质特征的岩石模型
[31],在水泥试件中加纸板或鹅卵石分别模拟断层和砂砾岩
[32],极大地提高了模型与实际储层的相似程度。贾文婷等
[33]将水泥和石英砂混合后随机加入不同粒径大小的鹅卵石,制备边长为300 mm的人造砂砾岩,经测试,所制备的试件与目标砂砾岩储层的岩石力学参数相似,极大限度地还原了储层条件,实验观察到了水力裂缝在砂砾岩中的绕砾、穿砾和止砾行为[
图2(b)],对砂砾岩储层的水力压裂施工具有指导意义。
为了模拟多岩性互层,可以将不同岩性的露头粘接一起制作人造互层试件,研究水力裂缝在岩性界面处的扩展机理。杨兆中等
[26]采集煤岩和页岩露头,利用线切割机将其切割成不同厚度组合下的页岩-煤岩-页岩互层试件,为了避免围压对人工界面和露头造成预应变,在人造多层叠置煤岩的外部浇筑水泥,并实现了对不同岩层分层加载围压的功能,实验中观察到了水力裂缝在界面处的转向现象[
图2(c)]。
1.4 裂缝监测与评价技术
为了对实验后的压裂裂缝进行精确、深入的定量分析,需要采用裂缝监测与评价技术,这类技术依托高精度传感器和智能化控制系统,能够实时、准确地监测和可视化压裂过程中的破裂点位置、应变以及流体压力等关键参数,为揭示裂缝扩展机理和评估压裂效果提供坚实的数据基础。目前常用的室内裂缝监测与评价技术主要有声发射监测、CT三维裂缝扫描、光纤监测、泵压监测等,如
图3所示。
声发射
[34]能通过水力裂缝扩展过程中所产生的破裂事件的三维空间位置,实时监测水力裂缝扩展路径,其对岩石尺寸的要求严格,并且容易受外界干扰。目前大部分实验系统配备的是8~16通道的声发射传感器,能够准确捕捉微裂缝的产生,误差小于1 mm,如
图3所示。CT扫描
[35]则是应用于压裂后,对岩石进行全方位扫描,获取裂缝面的位置信息,随后在计算机上显示裂缝图像。其优点是无须切割岩石,是一种无损检测手段,微CT还可以检测微米级裂缝;缺点是成本高,含重金属矿物的岩石可能产生射线硬化伪影,并且三维重建与裂缝分割需专业软件。还有一类现代化监测手段就是光纤监测,通过解析光在光纤中传播时因外界扰动而产生的信号变化,高精度、分布式地监测裂缝的起裂、扩展、转向乃至闭合的精确时机和位置,并能提供沿光纤路径的应变分布信息。但其成本较高,所以仅有少数实验装置配备了该仪器。泵压监测的实现相对简单,只需要在注入管线最前端加装一个压力传感器,但其采集到的数据最为重要,能够从中读取试件的破裂压力、延伸压力、闭合压力等信息。相较于其他监测技术,泵压监测以其低成本和高可靠性成为室内实验的标配技术,其监测的流体压力变化十分重要,不仅能反映岩石的破裂压力水平,还能判断试件是否被压破,从而停止实验。
2 面临的挑战
2.1 原型与模型的相似度
尽管在相似准则方面已经取得了一定的进展,但要实现实验模型与实际原型的完全相似仍然面临着巨大的挑战。实际储层岩石具有复杂的矿物组成、微观结构和漫长的地质历史,其力学性质在不同尺度上存在显著的非均质性。而实验模型往往难以精确复制这些复杂特性,这就不可避免地导致模型与原型之间存在一定的差异。例如,在模拟天然裂缝时,虽然可以通过人工预制
[36]或3D打印
[37]等方法在模型中引入裂缝,但这些裂缝的几何形状、分布规律以及与岩石基体的相互作用特性可能与实际天然裂缝存在偏差。并且应力施加的均匀性和边界效应对试件形状非常敏感,形状不规则的试件在施加围压时会产生切应变,从而影响对裂缝扩展行为的准确模拟。
此外,实际储层处于复杂的地应力场和温度场环境中,并且经历了长期的地质演化过程,岩石内部可能存在初始损伤或初始应变等现象
[38-39]。在实验模型中,很难完全还原这些复杂的初始条件,这使得模型与原型在裂缝扩展的早期阶段可能存在较大差异。
2.2 复杂条件下的模型搭建
随着对非常规油气资源开发的不断深入,压裂施工面临的工程和地质条件日益复杂
[40]。在工程方面,多段多簇压裂、水平井压裂、重复压裂等新型压裂工艺不断涌现,这些工艺涉及多个裂缝同时或先后扩展,试件尺寸有限,导致无法正确表现出应力干扰和应力遮挡现象。在地质方面,深层储层具有高温、高压、高地应力等特点,且储层岩石可能含有多种复杂的地质构造,如断层、天然裂缝等。目前的实验装置和模型搭建方法在模拟这些复杂条件时存在局限性,人为制造的地质构造规律性弱,很难禁得起重复实验。
在模拟多段压裂时,需要精确控制多个压裂液注入点的压力和流量,以模拟实际施工中的裂缝起裂和扩展顺序
[41]。然而,现有的实验装置在多通道控制精度和同步性方面还存在不足,难以准确模拟复杂的施工过程。对于深层储层的高温、高压模拟,虽然部分实验装置具备一定的温控和加载能力(
图4),但在长时间稳定运行以及模拟复杂温度-应力-流体耦合过程方面仍有待进一步改进
[42]。
2.3 实验结果的刻画
准确刻画实验结果是深入理解裂缝扩展机制和有效验证数值模型的关键所在。目前,在真三轴压裂室内模拟实验中,对于裂缝扩展形态和参数的测量方法还不够完善。传统的观察方法主要依靠肉眼观察或简单的图像采集设备,对于裂缝的细微特征和内部结构难以准确捕捉。虽然近年来发展了一些先进的测量技术,如X射线扫描
[43]、CT扫描
[44]和数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)
[45]等,但这些技术在实际应用中仍存在一些问题。
例如,X射线(
图5)和CT扫描虽然能够获取模型内部的三维裂缝信息,但扫描设备价格昂贵,操作复杂,且扫描时间较长,难以实时监测裂缝的动态扩展过程。DIC技术在测量模型表面位移和应变方面具有较高的精度,但对于模型内部的裂缝扩展情况无法直接测量,且在复杂变形条件下,测量精度会受到一定影响。此外,对于裂缝扩展过程中的一些关键参数,如裂缝宽度、裂缝扩展速度、储层改造体积、压裂液滤失量等,目前还没有成熟的测量方法,难以满足压后人工裂缝参数的定量刻画需求。
2.4 室内实验结果向矿场尺度的转化
室内实验结果最终需要应用到实际矿场压裂施工中,但由于室内实验模型与实际矿场尺度存在巨大差异,如何将室内实验结果合理地外推至矿场尺度是一个亟待解决的问题
[46]。在室内实验中,模型尺寸通常较小,加载条件和边界条件相对简单,而实际矿场压裂涉及大规模的储层,地应力场和地质条件在矿场尺度上存在变化
[47],最大的挑战仍是实际储层条件的非均质性和各向异性。
目前,缺乏有效的理论方法来建立室内实验与矿场尺度之间的定量联系。虽然一些研究尝试通过数值模拟进行尺度转换
[48],但由于数值模型本身存在的不确定性以及对实际地质条件的简化,这种转换方法的可靠性仍有待验证。矿场压裂施工受到多种因素的综合影响,如施工设备、操作人员技能、地层原位流体等,这些因素在室内实验中难以完全还原,进一步增加了室内实验结果向矿场尺度转化的难度。
3 发展展望
3.1 建立完备的相似准则体系
相似准则是连接实验室小尺度实验与现场工程尺度现象的核心桥梁。当前真三轴实验的相似性理论主要基于经典力学相似(如几何相似、应力相似)
[49-50],但在多场耦合、非均质介质及动态断裂场景下存在显著局限性,无法推广至复杂地质条件与先进压裂工艺。未来需要进一步深入研究岩石力学、流体力学以及多物理场耦合等方面的基础理论,结合先进的实验技术和数值模拟方法,建立更加完备和精确的相似准则体系。
在充分考虑岩石非均质性、天然裂缝特性、复杂地应力场和温度场等因素的基础上,细化相似准则中的参数关系,提高实验模型与实际储层的相似程度。建立适用于加砂压裂以及超临界CO2压裂的相似准则,考虑砂比、粒径、超临界CO2摩阻等参数的室内转化,从单一力学场到全耦合多物理场相似准则的拓展。建立上述复杂压裂工艺的相似准则的难点在于,支撑剂输送的斯托克斯数的确定和克服小尺度物模中超临界CO2的显著降压相变效应。后续研究还需寻求面向关键科学问题和工程目标的主导机制相似,通过加强对相似准则验证和校准的研究,对比大量的室内实验结果和实际矿场数据,不断优化相似准则体系,确保其在不同地质和工程条件下的可靠性和适用性。
传统相似准则多关注应力-应变场,忽略流体渗流与损伤演化的动态耦合,后续研究需引入无量纲损伤参数表征裂缝扩展速率与流体压力的非线性关系。随着勘探开发深度的提高,温度场对水力裂缝扩展的影响也无法被忽略。以深层页岩压裂为例,在该过程中需要充分考虑温度变化对岩石力学性质和压裂液黏度的影响,进而建立包含传热方程的相似准则体系,以实现对实际压裂过程更全面、准确的模拟。针对高温储层、地热储层或超临界CO
2压裂时,重点在于考虑热力学参数的相似指标,确保实验与现场的热力学响应一致
[51-53]。然而,实验室中温度场的加载方式、边界条件和传热路径与现场存在本质差异,使得热-流固-耦合相似成为相似准则中最难实现的部分之一。
在实验室小尺度模型中,同步、精确且边界条件等效地复现现场的多场环境极其困难,温度场的加载速率、传热路径与边界条件难以与现场形成真实相似,超临界CO
2在接触试件瞬间易发生失压相变,支撑剂在狭小管道和实验室排量下易发生砂堵,这些均会使实验与现场实际形成差异,降低实验可信度。实验室岩样尺寸与现场储层存在量级差异,无法包含同等数量的缺陷与结构面,难以在几何和参数层面复现现场非均质结构。一种行之有效的解决方法是,通过保证裂缝网络的统计特征,而非单一裂缝形态的相似性,来制作实验试件。具体而言,通过分阶段相似准则(如微-介-宏观多级相似)修正尺度效应,基于Weibull统计理论的强度尺度规律用于预测大尺度裂缝网络的统计行为,实现实验试件的几何相似。使用该方法制作的实验试件在孔隙空间和渗流能力方面的一致性较高,但其力学强度与现场实际可能存在较大误差。如果此时仍加载实际大小的地应力,会导致裂缝形态和流体压力响应产生误差。该情况下需舍弃地应力的一致性,保证高保真的裂缝形态和缝内净压力响应,柳贡慧等
[15]和郭天魁等
[16]已针对该问题,建立了地应力与力学强度的相似准则。
总之,真三轴压裂相似准则的下一步发展,其核心在于实现理论上的多物理耦合、复杂地质条件的室内相似与实验试件的非均质性统计。这一进程不仅将提升物理模拟对复杂压裂过程的预测能力,更有望催生一种连接微观机理、实验室现象与现场宏观响应的新型相似准则。
3.2 研发多功能实验装置
针对复杂工程和地质条件的模拟需求,研发新一代的真三轴实验装置,目标是从参数可控到过程再现转变,其难点不在于单项功能的突破,而在于让一个宏观、复杂、动态的地质力学过程,在一个尺度压缩、边界简化、时间加速的实验室物理模型中尽可能地复现。
现有真三轴装置虽能模拟基础应力-渗流耦合过程,但在极端环境模拟、多物理场耦合及智能化方面仍存在不足
[11,54]。未来需发展新一代多功能实验装置,集成多层加载、高精度监测与智能控制功能。在围压加载系统方面,目前绝大部分实验装置所采用的是液压伺服控制系统加载,但缺点十分明显,液压信号传递速度慢且不易校正,难以满足对加载精度要求较高的压裂实验。为提高加载精度和控制能力,应开发电液伺服系统,保证高载荷输出的同时,还能实现多通道、高精度、同步加载,更好地模拟多段多簇压裂等复杂施工过程
[55]。此外,为了模拟多岩性叠置储层中的分层地应力,可以参考杨兆中等
[26]的装置,将水平应力加载板切割成多块,各板块独立控制围压,实现不同岩性间的独立应力系统, 对于模拟压裂裂缝在岩性界面间的扩展行为意义重大。在温度和压力控制方面,初始孔隙压力难以在实验室内复现,因为真三轴压裂装置作为一个开放环境系统,试件无法饱和地层孔隙压力的流体,这导致超临界CO
2压裂时,CO
2在离开管道后快速气化。目前许多真三轴压裂装置均配备了加热功能,它们的加热方式可分为两类:一类是将加热模块集成在实验仓内,另一类是通过额外的加热仪器加热后转移回实验仓。后者的一次性加热方式无法维持实验过程中的温度,后续的研究需进一步提升装置的温控范围和稳定性,从而模拟深层储层的高温环境
[56-57]。同时,利用先进的材料制备技术和制造工艺,开发更加逼真的岩石模型制作方法,能够精确模拟天然裂缝、层理、断层等复杂地质构造,为研究复杂构造条件下的裂缝扩展行为提供更可靠的实验试件
[58]。在裂缝监测方面,现有的高精度监测技术,如CT扫描、示踪剂监测,往往是静态的、压后的,失去了动态数据;而动态监测手段,如声发射监测,又难以达到几何尺寸上的定量精度。因此,需要开发耐极端环境的微型化、嵌入式、多模态传感器阵列,实现数据的同步、无损采集与融合解释。现有的大部分声发射传感器在高温、高应力环境下的信号稳定性有待提高,须克服强酸环境中的腐蚀问题。并且目前最成熟的声发射技术也只能通过微破裂事件间接推断裂缝的宏观扩展,无法直接观察或测量裂缝的宽度。现有的监测和评价技术均不具备缝宽监测的能力,CT扫描虽然能重构压裂结束后的裂缝形态,无损高精度地获取裂缝三维几何信息,但压裂结束后大部分裂缝面会闭合,导致缝宽的测量会偏小。需开发在高压、密封的真三轴加载环境下,对毫米级以下缝宽进行持续、原位测量的传感器技术。
关于加砂压裂实验,试件破裂后支撑剂易随压裂液流出试件,导致支撑剂分布形态被破坏。针对该问题,经过多次尝试,发现了一种有效实现高保真加砂压裂的做法:在试件外部包裹一层树脂,开展水力加砂压裂时,能够保持人工裂缝缝内净压力,维持人工裂缝宽度,使得支撑剂能够在裂缝内有效运输与沉淀。实验结束后,由于树脂的存在,试件不会被压开,但裂缝也不会闭合,内部由支撑剂充填,割开树脂后即可获得裂缝内的支撑剂分布形态,如
图6所示。并且该方法还适用于酸压,在开展酸压实验时,能够防止酸液迸射,保护实验人员的安全和防止装置腐蚀。
3.3 建立跨尺度模拟耦合方法
跨尺度模拟结果耦合研究是未来真三轴压裂室内模拟实验的重要发展方向。不同尺度所观察到的裂缝扩展本质上是同一物理过程在不同分辨率与约束条件下的不同投影,它们遵循的控制方程在本质上是不变的。目前,在岩心尺度
[59](厘米尺度)、室内真三轴物理模拟尺度
[20](分米-米尺度)和矿场尺度
[47](千米尺度)上,对压裂裂缝延伸行为的研究都取得了一定成果,但如何将这些不同尺度的研究结果有效耦合起来,建立统一的压裂裂缝延伸行为跨尺度表征方法体系,仍然是一个亟待解决的问题。
在岩心尺度上,通过高精度的微观实验技术,如原子力显微镜、扫描电镜等,研究岩石微观结构和矿物组成对裂缝起裂和扩展的影响,建立微观尺度的裂缝扩展模型
[60]。该阶段的研究重点是建立微观结构-力学性质的定量关系,为宏观模型提供细观本构参数。然而,厘米级岩心样本的微观结构能否代表百米级储层的非均质性,如何将离散的微观机制,有效升级为用于预测宏观连续体行为的本构模型,这是未来的研究方向。在真三轴物理模拟尺度上,利用先进的实验装置和测量技术,深入研究裂缝在复杂地质和工程条件下的扩展规律,获取裂缝扩展的宏观参数和形态特征
[61]。室内压裂实验是连接微观与矿场尺度的桥梁,主要用于标定与验证数值模拟。在矿场尺度上,通过大规模的现场试验,如微注测试(diagnostic fracture injection test,DFIT)
[62]、水力压裂试验场(hydraulic fracturing test site,HFTS)
[63],收集实际压裂施工过程中的数据,包括地应力测量、流体压力响应特征、裂缝监测数据等,但现场试验成本极高,无法像实验室一样进行大量重复对比实验。建立矿场尺度的裂缝扩展模型,利用现场试验获取的地层破裂压力和流体压力响应来验证模型,最后,通过数值模拟研究,获取矿场尺度裂缝参数,从而指导压裂工艺参数优化。
通过建立多尺度耦合模型,将岩心尺度的微观力学机制、真三轴物理模拟尺度的宏观裂缝扩展规律以及矿场尺度的实际数据进行结合。利用数值模拟方法,将岩心尺度的微观参数作为输入,通过细观力学模型逐步放大到宏观尺度,与真三轴物理模拟结果进行对比和验证。然后将真三轴模拟结果与矿场尺度的模型进行耦合,实现从微观到宏观、从实验室到现场的跨尺度裂缝延伸行为的跨尺度表征,具体实现流程如
图7所示。通过这种跨尺度耦合研究,能够更全面、深入地理解压裂裂缝在不同尺度下的扩展行为,为实际压裂工程提供更科学、精准的指导。然而,该升尺度方法的重点在于确定宏观岩石的代表性体积元(representative volume element,RVE),而裂缝扩展本身是一个强烈局部化的非均匀过程,其路径恰好由介质中最薄弱的非代表性部分决定,这使得跨尺度理论中的参数传递方法面临根本性质疑。为了消除参数传递过程中的误差,可以借助内聚力模型中断裂过程区的定义,使用代表性断裂过程区单元来代替RVE,研究微裂纹汇聚成宏观裂缝的临界局部条件,并将这种局部失稳准则而非平均材料属性,作为跨尺度传递的关键参数。
4 结论与建议
4.1 结论
(1)真三轴压裂室内模拟实验在相似准则、实验装置、模拟对象及裂缝扩展共性认识等方面取得了显著进展,但在原型与模型相似性、复杂条件模拟、实验结果刻画及尺度转化等方面仍面临诸多挑战。
(2)建立更完备的相似准则体系、构建复杂环境模拟装置以及开展跨尺度耦合研究是未来该领域的重要发展方向。
(3)跨尺度模拟结果耦合研究有望通过整合岩心尺度、真三轴物理模拟尺度和矿场尺度的研究成果,建立统一的压裂裂缝延伸行为跨尺度表征方法体系,为压裂工程提供更精准的指导。
4.2 建议
(1)加强基础研究,深入探究岩石力学、流体力学等多学科交叉领域的基础理论,为完善相似准则体系提供理论支撑,基于统计理论来预测矿场尺度天然裂缝网络的统计行为,从而实现实验试件的几何相似。
(2)加大对实验装置研发的投入,鼓励科研机构和企业合作,共同开发先进的真三轴实验装置,提升模拟复杂条件的能力,建议从围压加载、温度和压力控制、裂缝监测三方面着手升级现有的系统。
(3)加强室内实验与现场试验的结合,通过现场试验验证室内实验结果,不断优化实验方法和模型,提高室内实验结果向矿场尺度转化的准确性。
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