水力压裂过程中小循环对逐步连续注入的影响

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Effect of small cycles on stepwise continuous injection during hydrofracturing

　　

本研究在真三轴水力压裂实验条件下，对边长为100 mm的立方体花岗岩试样开展了系列实验，评估了一种基于疲劳破坏机理的压裂策略——带循环的逐步连续注入(stepwise continuous injection with cycles)，旨在减少注入流体体积的同时维持或提升储层改造效果。该方法在每个逐步增量阶段中融合低速率与高速率注入阶段，并保持各试验总注入体积一致。研究重点分析了循环次数与幅值对裂缝起裂、破裂压力(breakdown pressure)、注入能力(injectivity)及声发射(acoustic emission, AE)活动的影响，并与无循环的逐步注入及恒速注入方案进行了比较。结果表明，在相同注水量条件下，引入循环可稳定降低破裂压力、峰值AE率、AE振幅及累积AE能量。随着每步循环次数及循环幅值的增加，疲劳效应增强，裂缝起裂更早、扩展更慢，且由AE活动表征的致裂岩石体积增大。然而，无论循环配置如何，注入能力提升均有限。此外，注入循环还降低了压力上升速率并引起瞬时波动，其幅度随循环幅值变化。在破裂前阶段评估时，带循环的逐步注入相比无循环方案可在诱导更少AE能量的前提下实现最多45%的更多注水体积。这表明更多循环及更高幅值的方案可降低破裂压力、减弱AE强度、减缓裂缝扩展并扩大致裂体积，为完整岩体段的现场应用提供了管理破裂与降低地震风险的潜在技术路径。

研究背景方面，水力压裂技术是油气与地热开发的重要手段，但其在现场应用中因诱发地震活动而受到关注。为此，软刺激处理技术被提出，其中循环注入作为一种疲劳压裂方案，已在数值模拟与现场试验中显示出降低辐射能量与破裂压力的潜力。然而，传统循环注入常伴随较大注入体积与较长施工时间，且在控制诱发地震风险方面仍面临挑战。为此，本研究提出了将小循环嵌入逐步注入的方案，期望在保持较小注入量的同时利用疲劳效应改善压裂性能。

研究人员采用真三轴压裂实验系统，对韩国浦川(Pocheon)花岗岩立方体试样开展实验，试样尺寸为100 mm边长，应力条件模拟走滑型应力场，注入流体为自来水，通过顶部中心钻孔注入。实验中设置了恒速连续注入(CCI)、无循环逐步连续注入(SCI)及带循环逐步连续注入(SCIC)三种方案，并在不同步长持续时间与循环幅值条件下进行对比。监测手段包括八通道声发射(AE)系统，记录AE振幅、累计能量及事件数，并结合压力曲线分析破裂压力、压力降及注入能力变化。

研究结果显示，在逐步注入中引入小循环显著降低了破裂压力与压力降，且总体压力水平低于无循环方案。SCIC方案的井筒压力上升速率更低，破裂发生时间推迟，破裂后压力降减小。AE活动方面，SCIC降低了峰值AE率、峰值振幅及累计能量，但AE事件总数与累计能量随循环次数与幅值的增加而上升，表明致裂体积增大。裂缝起裂分析显示，SCIC方案中从起裂到破裂的时间延长，裂缝扩展更缓慢，且AE平均能量保持在较低水平。基于破裂前注入体积的比较发现，SCIC可在比SCI多注入最高45%的水量时仍保持较低的AE能量，体现了在控制地震风险与提升改造效果之间的平衡。

讨论部分指出，虽然SCIC在实验室条件下未能显著提升注入能力，但在控制破裂压力与AE强度方面表现出明显优势，尤其在完整岩体段的应用中具有降低诱发地震风险的潜力。作者认为，循环幅值与频率的优化可在不增加注水量的前提下扩大致裂体积，但需结合现场地震响应进行自适应调整。

结论部分总结认为，带循环的逐步连续注入是一种可行、高效且安全的疲劳压裂方法，能够在保持相同注水体积的条件下降低破裂压力与AE活动强度，延缓裂缝扩展速度并扩大致裂体积。该技术特别适用于完整岩体段的储层改造，并为现场水力压裂设计与地震风险管理提供了新的思路。