, 万志军3, 周长冰4 1. 中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院, 北京 100083;
2. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室, 安徽 淮南 232001;
3. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室, 江苏 徐州 221116;
4. 绍兴文理学院土木工程学院, 浙江 绍兴 312000
收稿日期：2020-02-26
基金项目：煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目(JYBSYS2020103)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2020XJNY03)；国家自然科学基金资助项目(51674242)。
作者简介：张洪伟(1990-)，男，山东邹城人，中国矿业大学(北京)讲师，博士;
万志军(1970-)，男，四川青神人，中国矿业大学教授，博士生导师。
摘要：为解决高温高压下水力压裂实验的封孔难题, 采用理论分析、数值模拟和物理实验的方法, 设计了基于楔形金属对扣结构的水力压裂实验新型密封件, 模拟分析了注水作用下的封隔效果, 最后采用该密封技术成功开展了大尺寸岩样在高温高压下的水力压裂实验.结果表明: 高温、高压和高注水压力均是该密封构件强化密封的有利条件; 增加注水压力可实现密封件越压越紧; 采用该密封技术成功实现了大尺寸花岗岩试样高温三轴应力下的水力压裂, 验证了新型封隔技术的密封效果, 同时掌握了高温高压下岩石水力压裂的多次开裂特征.
关键词：地热开采高温高压花岗岩水力压裂密封封隔技术
New Sealing Techniques for Hydraulic Fracturing Experiment of Rock Under High Temperature and High Pressure Conditions
ZHANG Hong-wei1, ZHANG Tong2
, WAN Zhi-jun3, ZHOU Chang-bing4 1. School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining, Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;
3. Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining, Ministry of Education, China Universityof Mining & Technology, Xuzhou 221116, China;
4. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, China
Corresponding author: ZHANG Tong, E-mail: zhang_t1990@sina.com.
Abstract: In order to solve the sealing problem in hydraulic fracturing experiments of rock sample under high temperature and high pressure (HTHP), theoretical analysis, numerical simulation and physical experiment were used to design a new type of sealing hydraulic fracturing experiment based on wedge-shaped metal buckled structure and its sealing effect under water injecting was analyzed by simulation. Furthermore, the HTHP hydraulic fracturing experiments were successfully conducted by using this proposed sealing technique. The results show that the high temperature, high pressure and high water-injecting pressure are all favorable conditions for the further sealing of the wedge-shaped buckled structure. Increasing the water-injecting pressure can realize the compressed sealing process. Finally, the hydraulic fracturing experiment of large-size rocks under HTHP is successfully conducted, which in turn verfies the sealing effect of this structure. The multiple hydraulic fracturing characteristics of rock is revealed by using this sealing technique.
Key words: geothermal energy developmenthigh temperature and high pressuregranitehydraulic fracturingsealingsealing technique
通过水力压裂技术构造人工储留层是高温岩体地热资源开发的关键步骤之一[1-4].在开展现场压裂前, 一般需要在室内进行模拟实验, 测取高温高压条件下水力压裂实验各项参数, 为现场压裂工艺设计和储层改造提供参数和技术支持.室内成功实施水力压裂实验的技术保障之一是压裂管与岩体之间的密封, 但是由于优质的高温地热岩体所处环境温度可达400 ℃以上[5], 导致室内实验在较高温度下的密封难度极大.因此, 研发适用于高温高压环境的新型封孔技术对于高温岩体水力压裂实验的成功开展和深部地热资源的顺利开发均具有重要意义.
目前, 实验室内水力压裂实验的封孔方式一般为橡胶、水泥砂浆或胶封、封孔器或裸眼压裂[6-9].但是, 在高温作用下, 水泥砂浆封孔后容易产生收缩和热开裂; 采用聚氨酯等材料进行胶封时, 容易出现软化现象, 且抗压性能较差; 对于封孔器, 分为摩擦式和水力膨胀式, 其中, 摩擦式封孔器通过橡胶的侧向膨胀与孔壁摩擦进行密封, 水力膨胀式封孔器中同样含有橡胶膨胀管, 两者均会由于橡胶的耐热温度和热老化导致封孔失效, 而且已有现场工程中的橡胶密封材料一般在150 ℃以内使用[10].因此, 常规密封材料及技术在高温高压条件下不再适用.
基于此, 本文提出一种新型的高温高压水力压裂实验密封方法, 模拟研究注水作用下该方法的密封效果, 并通过开展高温(400 ℃以上)高压大尺寸试样的水力压裂实验进行检验, 以期为开展同类高温高压水力压裂实验提供一定的借鉴, 以利于深部高温地热资源开发的研究工作.
1 耐高温高压封孔器结构设计1.1 结构状况耐高温高压封孔器的设计思想是变“害”为利.对于常规封孔器来说, 高温、高加载压力和高注水压力均是密封的不利因素, 其中, 高温因素最难克服.高温对常规密封材料具有劣化作用, 会降低材料性能, 导致密封失效, 如橡胶材料的高温软化及氧化.因此, 高温高压封孔器的设计中需要采用改变密封结构和密封材料的方法将这些不利条件有利化.
基于上述设计指导思想, 采用楔形金属对扣结构研发了耐高温高压的封孔器/密封件.该封孔器分为上下2个楔形金属扣(即外嵌套和内嵌套), 对扣合成一组密封件.如图 1所示, 2个楔形金属扣之间可以互相嵌套.其中, 内嵌套楔形金属扣内径与高压压裂管外径相同, 外嵌套外径与岩石钻孔相同; 上下金属扣的斜面可紧密配合.在使用时, 将一组密封件从外部套入压裂管, 通过在密封件端面上施加预紧力来实现初始密封.密封件的内外面均为竖直面, 内部紧贴压裂管, 外部紧贴岩石试样.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 基于楔形对扣结构的密封件Fig.1 The seal using wedge-shaped buckled structure |
在密封材料方面, 选用具有良好延展性的紫铜材料进行制造.该类材料可充填钻孔或压裂管表面的不平整; 具备良好的导热性, 可防止密封件热阻过大引起的钻孔受热不均; 具备高温密封性和热膨胀性, 能与被发热体紧密贴合, 且受热膨胀可增加密封效果.鉴于该类材料的上述特性且加工方便, 因此, 非常适合在高温或温度交变场合作密封之用.
1.2 工作原理以变“害”为利为设计指导原则, 以越压越紧、越热越胀、越胀越密为密封机理设计耐高温高压密封件.其中, 密封件的压力主要来源于三个方面, 一是初始密封的预紧力, 另一个是施加在试样上的压力, 第三个是高注水压力.在预装密封件时, 对密封件上段楔形金属扣施加压力, 使其与下段金属扣沿斜面滑动, 使得内嵌套向内收缩压紧高压水管, 外嵌套向外扩张压紧岩石钻孔孔壁, 达到初始密封效果.在高压条件下, 密封件受岩石挤压变形, 内外壁面进一步与试样和压裂管外表面紧密接触, 实现加载条件下的自密封.在水力压裂过程中, 注入的高压水从下方对密封件端面进行挤压, 使其上下段金属扣沿斜面进一步滑动, 实现了水压条件下的自密封.
高温条件下, 密封件、岩体和压裂管均受热膨胀, 由于紫铜的膨胀系数较大, 会产生较大的膨胀变形, 使得密封件内外表面分别压紧高压水管和岩石孔壁, 实现热膨胀密封.而且, 在高温下, 紫铜材料发生一定程度延展, 从而使密封件更容易填补不平整的岩石表面, 有助于密封效果的提升.因此, 高温、高压和高水压均是该密封件实现密封的有利条件, 克服了传统密封方式及材料在高温高压环境下容易失效的缺点.
1.3 装配方式封孔器的装配方式有单组密封和多组密封两种方式, 其中多组密封采用多个嵌套密封件, 目的是提供全长密封或部分密封, 保证压裂效果.
如图 2所示, 对于单组密封而言, 密封件上部被金属固定杆紧固, 并提供一定的预紧力.这种密封方式比较简单, 但是其缺陷在于基岩起裂后容易造成密封失效, 影响裂缝进一步扩展.对于多组密封, 每个密封件之间需要放置一定长度的金属分段管, 实现部分或全长密封, 最后在最上部密封件上方采用金属固定杆紧固, 为密封件提供预紧力, 使得压裂管、金属固定杆和密封件之间形成统一的整体.这种密封方式可以实现全长密封, 能够实现基岩的多次起裂, 获得良好的裂缝扩展实验效果, 因此, 建议大尺寸岩石高温高压水力压裂实验采用多组密封方式.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 密封件装配方式Fig.2 Assembling methods of seals (a)—单组密封；(b)—多组密封. |
2 封孔效果模拟研究2.1 模型的建立与解算方法采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行密封效果分析.如图 3所示, 针对单组密封模式的岩体, 选取右半部分建立二维轴对称模型.密封件之间采用接触对连接方式, 建立接触摩擦模型, 并给定摩擦系数.岩样采用固定边界, 下部空腔为注水处.采用稳态求解方法研究不同注水压力作用下, 压裂段的应力和变形特征, 揭示密封件作用机理和效果.研究中作如下假设: 视岩体为线弹性连续介质; 在较高压力下, 压裂液或循环液进入裂隙中不产生相变且被单一相水饱和; 高压作用下液体不产生汽化作用.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 数值计算模型的建立Fig.3 Numerical simulation model |
图 3中y轴点状线为监测线位置, 起始点为0, 终点为50 mm.其中, 0点为注水点, 0~20 mm空白空间为注水容腔, 20~25 mm为密封件位置, 25~50 mm为密封外部(无水压作用), 该位置放有金属固定杆.模拟中, 把注水过程简化成一个孔中的压力边界条件, 采用静态加载, 不考虑动态或脉冲式水压加载方式.从通水孔底部开始注水, 然后充满容腔, 求解水压增加过程中的容腔周围应力和位移分布.其中, 注水压力分别设置为10, 30, 50, 70 MPa.
密封件与岩石之间的接触关系采用COMSOL自带的接触对连接, 静摩擦系数和动摩擦系数均取0.5.岩石采用花岗岩材料, 弹性模量取60 GPa, 泊松比取0.25.密封件采用紫铜材料, 弹性模量取120 GPa, 泊松比取0.35.
2.2 模拟结果1) 注水作用下的钻孔应力分布特征.如图 4所示, 随着注水压力的增加, 注水容腔周围的应力逐渐增加.密封件由于受到挤压变形也出现了较大的应力, 但是比岩石表面应力小, 证明注水压力主要作用在岩石试样上, 对密封件整体的影响较小.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 应力分布云图Fig.4 Stress distribution cloud map |
图 5为沿着监测线(轴向位置)的Mises应力和剪切应力曲线图.从Mises应力图中可以看出, 随着监测点沿着监测线方向的变化(即由底部0位置增加到50 mm位置), 曲线整体呈现降低趋势, 在密封位置降低速度最快, 其主要原因是在密封作用下, 水压不能直接作用在岩体表面.而在25 mm以外为无水区域, 应力逐渐趋于0, 该区域应力变动的主要原因是水压和密封件共同作用下引起的应力扰动.随着注水压力的逐渐增加, 容腔周围岩体Mises应力呈现线性增加的趋势, 而密封件周围的应力增加较小, 密封区域外无应力增加, 说明注水压力的增加主要作用在容腔周围, 这对密封和岩体的起裂均为有利结果.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 钻孔轴向位置受力分析Fig.5 Force analysis of borehole axial position (a)—Mises应力变化曲线；(b)—剪切应力变化曲线. |
图 5b给出了沿着监测线的剪切应力分布图, 可以看出, 在0~20 mm容腔范围无剪切应力分布, 这是因为水压不产生剪切效果.剪切应力主要分布在20~25 mm密封件周围, 说明在水压的作用下, 岩石与密封件之间产生摩擦作用, 导致岩石表面的剪切应力较大.随着注水压力的增加, 密封件周围的剪切应力逐渐增加, 但是其他位置的剪切应力依然不发生变化.
2) 密封件及钻孔的变形规律分析.如图 6所示, 随着注水压力的增加, 注水容腔周围的变形程度逐渐增加.由于水压的作用主要用在了挤压周围岩石的变形上, 因此, 变形量最大的位置为岩石表面, 对密封件的影响较小.因此, 可实现密封作用下岩石的起裂.随着距注水点的位置逐渐增加, 岩石周围的变形逐渐减小, 最大值出现在0~10 mm左右.在密封件周围, 岩石试样的变形急剧减小, 主要原因是密封后岩层不直接受水压的作用, 而是通过密封件的变形, 间接地受到水的作用, 因此, 大幅度避免了因水压直接作用导致的变形, 也避免了该位置的起裂.在密封外部, 由于没有水压的作用, 变形最小.因此, 在密封件的作用下, 可以保证容腔内起裂.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同注水压力下的变形分布图Fig.6 Deformation distribution map under different water injection pressures |
3 高温高压水力压裂密封结构的应用3.1 实验材料与方法采用600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机[11], 对直径×高度为200 mm×400 mm的鲁灰花岗岩试样进行高温三轴应力下的水力压裂实验.试样制备过程中, 需在试样上端面预钻直径18 mm, 深250 mm的注水孔, 放入金属压裂管, 压裂管底端侧面预留出水口, 然后按照多组密封方式安装密封件.具体操作如下: 首先放入注水空腔金属支撑段, 然后安装上下嵌套密封圈, 每组密封件之间放置一定长度的金属分段管, 最后在最上部的密封件上放置金属密封杆件, 并紧固, 密封后如图 2所示.水力压裂试样制备后, 安装在高温压力室内, 施加轴向和侧向压力25 MPa并保持.在保压状态下对试样进行加热, 加热速率为5 ℃/h.目标温度分别为100, 200, 300, 400 ℃, 到达目标温度保温2 h后进行水力压裂实验.图 7为高温水力压裂试样和密封件的揭露情况.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 高温水力压裂试样和实验后揭露的密封件Fig.7 Rock sample and seals that revealed after HTHP hydraulic fracturing experiment (a)—高温水力压裂试样；(b)—密封件揭露情况. |
3.2 实验结果1) 水力压裂曲线.图 8给出了100~400 ℃下花岗岩试样水力压裂过程中注水时间和注水压力的曲线.其中, 图 8a为100 ℃和200 ℃的压裂曲线, 图 8b为300 ℃和400 ℃的压裂曲线.可以看出, 在起裂压力方面, 100 ℃和200 ℃的起裂压力相当, 分别为47.7 MPa和43.2 MPa, 说明该区域温度对花岗岩的起裂压力影响不大.但是, 随着温度的增加, 在300 ℃和400 ℃时, 起裂压力分别降到24.6 MPa和15.3 MP, 较100 ℃时的起裂压力降低了48%和68%, 说明同等应力水平条件下, 200 ℃以内的温度对花岗岩的起裂影响不太大, 超过200 ℃以后, 温度越高越有利于岩体的起裂, 而且在200 ℃和300 ℃度区间内, 温度对起裂的影响最大.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同温度下花岗岩水压加载曲线Fig.8 Curves of injection water pressure at different temperatures (a)—100 ℃和200 ℃；(b)—300 ℃和400 ℃. |
岩体起裂后, 随着注水时间的逐步增加, 出现了多次开裂现象, 说明初次开裂后, 裂缝向试样深处发展, 但没有完全开裂, 从而造成水压再次升高, 直至裂缝完全贯穿试样.这也说明采用多组密封方式安装密封件达到了密封效果, 完全能够实现高温高压下水力压裂的密封.
2) 压裂形态分析.图 9是各温度点试样断裂后的最终形态.100 ℃时, 试样出现两对对称主裂缝, 并将试样分为4块; 200 ℃时有一对对称主裂缝, 将试样分为2块; 100 ℃和200 ℃时, 裂缝面都为轴向, 但裂缝数量不等, 表现出高度的随机性; 300, 400 ℃时, 试样断裂模式极为相似, 试样沿轴向断裂, 使得试样分为大小相同的2块.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 不同温度下水压致裂裂缝的最终形态Fig.9 The final form of hydraulic fracturing at different temperatures |
从被染色范围可以看出注水时压裂液的渗透范围, 也是裂缝的扩展范围.试样上、下两端没有染色, 尤其是封孔的上端(200 ℃和300 ℃), 并未染色.在300 ℃时, 压裂后的试样揭露了密封构件, 如图 9右侧放大图显示, 密封件上端依然保持完好, 并未被染色, 说明该密封构件密封效果良好.
4 实验讨论高温高压下的钻孔密封是实验室内开展高温岩体水力压裂的基础工作之一, 密封好坏会影响水力起裂和裂缝扩展规律的研究.结合楔形金属对扣密封件密封机理、模拟结果和实验积累, 针对高温高压水力压裂实验密封技术的可操作性、可靠性和耐久性作如下探讨:
1) 可操作性.对于小尺寸试样(如?50 mm×100 mm, ?25 mm×50 mm), 可以采用裸眼压裂方式[12], 这种方式只需要在试样内部钻孔, 然后在端面进行压密封, 不需要在岩体内放置压裂管.但是, 对大尺寸试样, 如本实验的?200 mm×400 mm, 必须放置压裂管, 然后进行密封, 这样不但能研究岩石起裂特性, 还能持续研究裂缝扩展规律.常规的密封方式可操作性不强, 如采用浇/胶封时, 因孔壁和压裂管之间的缝隙很小, 密封效果不能完全保证, 以致于影响实验结果.所研制的高温高压密封件操作简便, 仅需要按照顺序放置并压紧即可, 可实现短时间快速密封, 具备可操作性.
2) 可靠性.密封的可靠性是保证实验成功的重要影响因素.高温高压实验由于需要很长的加热过程, 费时费力, 一旦在加热过程中出现密封件的失效, 则前功尽弃.高温岩体水力压裂实验实施的主要制约因素是高温, 但是对于本文所设计的密封件, 高温、高压和高水压恰是有利条件, 高温条件下, 密封件、岩体和压裂管均受热膨胀, 且紫铜材料会在高温作用下发生一定程度延展, 从而使密封件更容易填补不平整的岩石表面, 同时使楔形对扣结构互相挤紧, 有助于密封效果的强化.因此, 本文所设计的新型密封结构及材料克服了传统水密封材料在高温高压环境下容易失效的缺点, 具备可靠性.
3) 耐久性.类似于橡胶热老化等问题是影响高温水力压裂耐久性的突出问题, 高温岩石力学实验需要防止加热速率过快, 保证试样受热均匀, 不出现大范围热破裂现象, 另一方面, 达到目标温度后, 需要保温2 h以上, 保证样品受热均匀.因此, 开展高温水力压裂实验十分耗时, 这就需要密封材料在长久的加热过程中保证耐久性和可靠性.常规密封方法很难适用高温环境.然而, 对于本文研究的材料和密封方法, 高温有利于该方法的实施, 主要原因是高温引起密封件热膨胀会进一步强化密封效果.基于此, 该密封方式的耐久性较强, 可实现高温或者温度交变条件下的密封.
5 结论1) 所研究的封孔器采用楔形金属结构, 高温、高压和高水压均是该密封件实现密封的有利条件, 具备技术可行性.密封件加工需选用紫铜等具有良好的延展性、热膨胀性、导热性的金属材料.
2) 对于单组密封而言，缺陷在于基岩起裂后容易造成密封失效, 影响裂缝进一步扩展.多组密封装配方式采用多个嵌套密封件, 可以实现部分或全长密封, 能够实现基岩的多次起裂, 便于研究裂缝扩展规律.
3) 密封效果数值模拟显示, 注水压力主要作用在了钻孔孔壁周围, 剪应力主要分布在密封件周围, 因此, 增加注水压力可实现密封作用下岩石的起裂.
4) 采用所研究的密封技术成功开展了?200 mm×400 mm的花岗岩试样高温三轴应力下的水力压裂实验.岩体起裂后, 随着注水时间的逐步增加, 出现多次开裂现象, 说明采用多组密封方式安装密封件达到了密封效果.
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