摘要

注入速率是決定水力壓裂有效性的關(guān)鍵因素，然而，注入速率對孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)（PFS）以及注水增壓過程中流體滲透的影響很少被探索。這項研究中，在自主研發(fā)的集成核磁共振（NMR）和水力壓裂實驗系統(tǒng)上，對不同注入速率的圓柱形砂巖樣品進(jìn)行了水力壓裂。結(jié)果表明，低注入速率主要導(dǎo)致宏觀孔尺度損傷；而高注入速率則促進(jìn)微觀孔尺度損傷，這可能是由于孔隙內(nèi)粘土礦物的吸附膨脹效應(yīng)。此外，低注入速率樣品的水分含量持續(xù)增加，而高注入速率樣品的水分含量先增加后穩(wěn)定。磁共振成像（MRI）表明，壓裂過程中的流體滲透由于井筒周圍固有的非均勻PFS分布而表現(xiàn)出高度各向異性。此外，存在一個主要的流體滲透路徑，它與水力裂隙的起始方向一致。然而，隨著注入速率的增加，沿水力裂隙方向的流體滲透損傷距離減小，而垂直于水力裂隙方向的流體滲透損傷距離大約等于特征長度，與注入速率無關(guān)。最后，我們建議使用注水增壓過程中的孔隙損傷作為選擇支撐劑粒徑的依據(jù)，并利用主要流體滲透路徑來預(yù)測水力裂隙的起始。這些發(fā)現(xiàn)為致密氣藏水力壓裂設(shè)計提供了寶貴的見解。

1.背景介紹

1.1研究背景

工程需求：全球頁巖氣開發(fā)中，水力壓裂效率受限于巖石損傷不可控性。

核心矛盾：傳統(tǒng)理論認(rèn)為注入速率升高恒降低破裂壓力，但現(xiàn)場數(shù)據(jù)頻現(xiàn)反常高壓現(xiàn)象。

1.2核磁共振（NMR）的核心作用  

技術(shù)優(yōu)勢：  

    能無損量化流體在巖石孔隙/裂隙中三維分布的技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)難以同步量化流體滲透過程與損傷演化結(jié)果；  

    通過弛豫時間（T?）區(qū)分微裂隙（T? > 10 ms）與基質(zhì)孔隙（T? < 10 ms）。  

解決痛點：傳統(tǒng)聲發(fā)射、應(yīng)變計無法捕捉滲透誘導(dǎo)的損傷累積過程。  

1.3 本文突破

多尺度觀測：集成NMR（孔隙尺度）與壓裂（宏觀尺度）實時數(shù)據(jù)流（圖2）。

機(jī)制創(chuàng)新：提出“ 滲透主導(dǎo)型損傷（PDD, Permeability-Driven Damage） ”模型，解釋破裂壓力的非線性響應(yīng)。

2. 實驗方案：NMR為核心的技術(shù)路線

2.1 NMR樣品制備與篩選  

巖樣加工：陜西砂巖（Φ5×50 mm）

均質(zhì)性控制：剔除分層T?譜標(biāo)準(zhǔn)差>5%的樣品。  

圖1.砂巖樣品的制備與均質(zhì)性評估

2.2 實驗流程  

1.初始狀態(tài)掃描：NMR獲取干燥樣品T?譜；  

2.水力壓裂同步：以設(shè)定注入速率注入去離子水，NMR每10秒采集一次T?譜；  

3.破裂后分析：CT掃描裂縫形態(tài)，對比NMR損傷模型。  

圖2：核磁共振測試系統(tǒng)

3.實驗結(jié)論與分析  

3.1破裂壓力（P_b）的雙峰效應(yīng)與流體滲透的調(diào)控作用

核心發(fā)現(xiàn)：

圖3水力壓裂結(jié)果

非線性關(guān)系驗證：  

P_b與注入速率（Q_inj）呈U型曲線：  

    低速區(qū)（Q_inj < 5 mL/min)：P_b從38.2 MPa降至27.3 MPa（降幅28.6%），因流體充分滲透弱化巖石（水化作用）。  

    高速區(qū)（Q_inj> 20mL/min)：P_b驟升至38.6MPa（升幅41.3%），因流體慣性積累導(dǎo)致能量局部釋放。  

滲透體積（V_inj）的核心地位：  

  P_b與V_inj呈強負(fù)相關(guān)（P_b = -1.05V_inj+ 42.3，R²=0.880），證明實際滲入流體量（非注入速率）主導(dǎo)破裂行為。  

3.2NMR揭示的流體滲透動力學(xué)機(jī)制  

關(guān)鍵證據(jù)：  

圖4水力壓裂過程中含水量的變化

時間-滲透線性定律：  

 V_inj = 0.86T_inj + 1.2（R²=0.972），表明壓裂時長是滲透量的直接控制變量。  

含水量演化規(guī)律：  

    隨井筒壓力P上升，水含量線性增長，但不同Q_inj下斜率差異顯著：  

低速（0.01 mL/min）：斜率平緩（充分滲透）  

高速（5 mL/min）：斜率陡峭（局部飽和）  

3.3 NMR揭示損傷空間分布特征

三維損傷模式證據(jù)：  

圖5在不同注入速率下，沿HF方向和垂直于HF的歸一化MRI信號強度的變化

機(jī)制解釋：  

低速損傷均勻化：流體通過微裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散（MRI顯示徑向滲透范圍＞4 mm），誘發(fā)多分支裂縫。  

高速損傷局部化：流體局限于主裂縫（MRI信號強度＞200 a.u.區(qū)域僅占樣品15%），抑制次級損傷。  

3.4 損傷空間分布（NMR三維成像）  

Fig 6 NMR損傷空間

圖6水力壓裂巖石損傷核磁圖

低速區(qū)：NMR顯示流體滲透至試樣邊緣（藍(lán)色區(qū)域＞80%），微CT證實多分支裂縫（分支數(shù)＞3）；  

高速區(qū)：NMR流體集中于中部（紅色高亮區(qū)），微CT顯示單一主裂縫（縫寬＞0.4 mm）。    

4.結(jié)論

NMR技術(shù)在本研究中實現(xiàn)了三大突破：  

1）量化滲透體積：建立V_inj–時間–破裂壓力的精確方程；  

2）解析損傷模式：T?譜峰形變化揭示“均勻損傷→局部破裂”的轉(zhuǎn)變；  

3）三維空間定位：流體分布圖直接預(yù)測裂縫形態(tài)。  

未來方向：將NMR損傷模型嵌入壓裂模擬軟件，實現(xiàn)“地質(zhì)–工程”智能閉環(huán)控制。

推薦設(shè)備：

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參考文獻(xiàn)：

[1] Long A, Zhang Y, Zhao Y, et al. Damage evolution characteristics caused by fluid infiltration across diverse injection rates: Insights from integrated NMR and hydraulic fracturing experiments[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering[2025-06-18].