随着全球能源需求的快速增长，高效开发致密砂岩气藏是解决目前能源短缺的有效手段之一。在实验室尺度下，针对致密砂岩在水力压裂条件下的破坏机制研究对于致密气藏的开发具有重要的意义。目前，国内外此类研究较少，仅有的几项研究也是基于其破坏准则的变化，对于裂纹扩展机制的研究尚未有系统的报道。中国科学院武汉岩土力学研究所利用多通道高速波形采集实验平台研究了不同水力条件下致密砂岩的破坏机制及裂纹扩展规律，首次在准确评估孔隙内流体分布特征的基础上，揭示了部分饱和及全饱和砂岩的破坏特征及裂纹扩展规律。
实验所用的波形采集系统具备超声波测速与声发射（AE）波形采集两种工作模式，实验过程中两种模式可以快速自由切换。因此，我们利用超声波测速及波速层析成像方法，对注水过程中流体的运移特征及破坏前的孔隙流体分布规律进行监测。结合裂纹扩展过程中的声发射定位结果，对不同水力条件下致密岩石的破坏机制及裂纹扩展规律进行了研究。实验样本为四川盆地下沙溪庙组的致密砂岩。
实验结果显示，水力条件对致密砂岩的力学性质、AE活动特征、破坏成核过程及剪切破坏面的几何形态均具有重要的控制作用。在部分饱和岩石中，大部分AE事件集中在水前缘的干燥及部分饱和区域，同时具有明显的膨胀变形现象（图1）。在破坏前第Ι阶段，部分饱和岩石的AE数及膨胀变形量随着注水量的增加而缓慢增加，并且增加速率一致，表现出明显的抽吸效应（pumpingeffect），说明裂纹的生长与流体流动具有一个相互促进的关系，即孔隙压力增加引起微破裂，裂纹的产生引起岩石膨胀，膨胀加速了流体流动。在第Π阶段，AE数快速增加，说明在该阶段岩石的破坏以剪切滑动为主（图2）。全饱和岩石在破坏阶段的声发射数较少，占部分饱和岩石的5%左右，并且主要发生在动态破坏阶段（图3）。由于该样本的低渗特征（渗透率约0.001mD），在加载及蠕变阶段中注入至全饱和岩石中的水非常有限，说明全饱和岩石的膨胀变形主要是由于应力加载导致的孔隙压力增加而引起，表现出膨胀硬化（dilatancyhardening）现象。此外，AE定位结果显示在部分饱和岩石中形成了不规则的剪切破坏面，而全饱和岩石的破坏面则较平缓。本文的实验结果对于解释四川盆地致密砂岩的水力压裂破坏行为以及致密气藏的开发均具有重要意义。
本研究相关成果发表于《环境地球科学》（Environmental Earth Sciences），第一作者为武汉岩土所博士生李霞颖，通讯作者为李琦研究员。
论文信息：Li et al., Injection-induced fracturing process in a tight sandstone under different saturation conditions. Environmental Earth Sciences, 75 (2016):1466.
图1 部分饱和砂岩在断层形成过程中的声发射定位结果。（a）Y-Z方向的声发射投影图；（b）X-Y方向的投影图。图中蓝色区域代表了水的分布特征。
图2在部分饱和砂岩破坏成核前，AE数、膨胀量随注入水量的关系。根据三者间的相互关系，将破坏前过程分为两个阶段。
图3全饱和砂岩断层成核过程实验结果。（a）应力σ、上下注水压力Pa和Pb；（b）上下端注水体积Va和Vb;（c）上下端注水流量Qa和Qb;（d）累计AE数和AE速率；（e）b值随时间的变化；（f）AE事件分别在X-Z和X-Y方向的投影图。
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