开展页岩动态冲击实验，明确压力加载速率、冲击方式、储层应力及页岩层理对页岩动态强度和破坏模式的影响规律，阐明页岩甲烷原位燃爆三种破坏模式，为甲烷燃爆压裂设计提供一定理论支撑。
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甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究
甲烷原位燃爆压裂是通过地面投放的助燃剂与地层产出的甲烷气，在页岩气井筒内目标层段原位燃爆，实现强化压裂储层的新技术。其中明确甲烷爆燃压裂中储层岩石动态破坏规律，是确保压裂效果和井身安全工艺设计的基础。基于此，为明确甲烷原位燃爆压裂过程中，聚能流体泄入性冲击破岩规律及其主控因素敏感性，借助岩石动态冲击损伤模拟实验装置，针对龙马溪组海相页岩露头，开展拟三轴、真三轴条件下的冲击压裂破岩实验共24组，通过对冲击破岩过程中模拟井眼压力的高频跟踪、压后岩样破裂形态及裂缝面特征观测，分别考察了120～285 MPa理论峰值压力、20.9～131.7 MPa/ms理论加载速率、储层应力与层理方位等对冲击破岩的影响，用铜箔对模拟井眼孔壁密封考察了应力冲击与泄入冲击对岩样破坏形态的影响。
结果显示：聚能流体泄入性冲击可形成楔裂效应，降低页岩动态破裂强度，页岩动态强度与升压速率的正相关性弱于纯应力冲击；平行层理页岩、较低的地应力水平，均可减小页岩动态破裂强度；纯应力冲击更易形成复杂缝网，裂缝表面凹凸性强；聚能流体泄入冲击致裂后的裂缝走向平直，且随着升压速率增大，其裂缝条数及复杂程度增加、裂缝面剥离碎裂现象增强；模拟井眼轴线与页岩层理面平行时，压后裂缝面平整、粗糙度小、起伏小；模拟井眼轴线与页岩层理面垂直时，压后裂缝走向曲折、表面起伏大、裂缝网更复杂；页岩水平挤压应力较小，压后裂缝面粗糙，伴随有大量脱落物；随着岩样挤压应力增大，流体楔入基质实现二次冲击的阈值升高，压后页岩脱落物粒径逐渐减小。基于不同参数组合下页岩冲击破坏模式的对比分析表明: 甲烷原位燃爆冲击过程是应力冲击与流体泄入性冲击的复合作用，随着冲击升压速率的提升，聚能流体泄入性冲击作用程度逐步加大，压后页岩逐步呈现出应力致裂−流体协同扩缝(27 MPa/ms)、应力致裂−流体冲刷破坏(52 MPa/ms)以及纯应力致裂−流体二次冲击破缝(116 MPa/ms) 三种破坏模式；基于实验结果建立的3种破坏模式与加载速率、储层应力的关系图版，用于不同应力条件下甲烷原位燃爆冲击参数的优化设计。
图 1 三轴动态冲击损伤模拟实验装置
图 2 圆形页岩试样示意
图 3 方形页岩试样示意
图 4 理论计算与实测模拟井眼 p-t 曲线对比
图 5 动态冲击过程中的模拟井眼压力−时间和
加载速率−时间曲线
图 6 不同冲击条件下峰值压力随加载速率的变化曲线
图 7 不同的冲击方式下页岩的压力−时间变化
图 8 不同层理页岩的压力−时间变化
图 9 页岩冲击断裂过程示意
图 10 裸露下条件下的页岩破坏形态
图 11 封隔条件下的页岩破坏模式
图 12 平行层理页岩在不同冲击能量下的破坏模式
图 14 2 MPa 围压下压后页岩示意
图 15 20 MPa 围压下压后页岩示意
图 16 19 号页岩压后裂缝示意
图 17 应力致裂−流体协同破缝微观示意
图 18 21 号页岩压后裂缝示意
图 19 应力致裂−流体二次冲刷破坏模式微观示意
图 20 24 号压后页岩示意
吴飞鹏，男，1983年10月26日生，山东临朐人，中国石油大学（华东）副教授，硕士生导师。主持国家自然科学基金项目3项，获省部级科技奖励4项，发表学术论文68篇，出版学术专著10部，授权国家发明专利34项，登记软件著作权8项。
研究方向
复杂油气藏物理-化学强化开采理论与技术
主要成果
致力于致力于复杂油气藏物理-生态化学强化开采领域的科研攻关，取得多项创新性成果，揭示饱和岩石冲击破坏演化机制，建立多级燃爆压裂优化方法，原创缝内充填燃爆、液体火药胶囊燃爆等新工艺，扩大裂缝规模3倍以上；同时开发了双幅双频协同脉动系统，实现储层“脉搏波”可控激发与远距离传输，大幅提高水驱采收率。基于特色创新性成果，出版国内外首套系统介绍“物理-化学强化开采技术丛书”12卷，获国家图书出版基金等资助，促进了物理法强化开采技术在油气资源开采中的应用。
来源：
吴飞鹏，赵志强，薛海洁，等. 甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究[J]. 煤炭学报，2023，48(12):4284−4296.
