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(duì)孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)（PFS）以及注水增壓過(guò)程中流體滲透的影響很少被探索。這項(xiàng)研究中，在自主研發(fā)的集成核磁共振（NMR）和水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，對(duì)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(guò)程中的流體滲透由于井筒周?chē)逃械姆蔷鶆騊FS分布而表現(xiàn)出高度各向異性。此外，存在一個(gè)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(zhǎng)度，與注入速率無(wú)關(guān)。最后，我們建議使用注水增壓過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)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(jì)提供了寶貴的見(jiàn)解。

1.背景介紹

1.1研究背景

工程需求：全球頁(yè)巖氣開(kāi)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(chǎng)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(shì)：  

    能無(wú)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(guò)程與損傷演化結(jié)果；  

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

解決痛點(diǎn)：傳統(tǒng)聲發(fā)射、應(yīng)變計(jì)無(wú)法捕捉滲透誘導(dǎo)的損傷累積過(guò)程。  

1.3 本文突破

多尺度觀測(cè)：集成NMR（孔隙尺度）與壓裂（宏觀尺度）實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(píng)估

2.2 實(shí)驗(yàn)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(duì)比NMR損傷模型。  

圖2：核磁共振測(cè)試系統(tǒng)

3.實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)負(fù)相關(guān)（P_b = -1.05V_inj+ 42.3，R²=0.880），證明實(shí)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(dòng)力學(xué)機(jī)制  

關(guān)鍵證據(jù)：  

圖4水力壓裂過(guò)程中含水量的變化

時(shí)間-滲透線性定律：  

 V_inj = 0.86T_inj + 1.2（R²=0.972），表明壓裂時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)，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(hào)強(qiáng)度的變化

機(jī)制解釋：  

低速損傷均勻化：流體通過(guò)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(hào)強(qiáng)度＞200 a.u.區(qū)域僅占樣品15%），抑制次級(jí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了三大突破：  

1）量化滲透體積：建立V_inj–時(shí)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(cè)裂縫形態(tài)。  

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

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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].