超臨界二氧化碳對致密砂巖力學特性影響的實驗研究*

侯 冰 宋振云 賈建鵬 蘇偉東 王 迪

(1. 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249；2. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 陜西西安 710016；3. 中國石油天然氣集團有限公司油氣藏改造重點實驗室-二氧化碳壓裂增產研究室 陜西西安 710016；4. 中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心 陜西西安 710016； 5. 中國石化石油勘探開發研究院 北京 100083)

中國致密砂巖氣資源豐富，對其進行高效勘探開發有利于能源結構調整。致密砂巖氣藏具有低滲透率、低孔隙度的特點，常規開采效益較低[1-2]，但利用超臨界二氧化碳流體進行儲層壓裂改造有利于提高單井產量。為了深入探討超臨界二氧化碳相較于滑溜水、瓜膠等其他壓裂液在裂縫起裂和縫網形態上的優勢，就必須研究其對砂巖性質的改造。

國內外學者針對二氧化碳對巖石力學性質的影響進行了大量研究。宋土順 等[3]研究了水熱條件下二氧化碳流體與巖屑長石砂巖的相互作用，發現溶蝕主要發生在砂巖低能位和晶格缺陷位置，形成次生孔隙，同時產生水鋁礦和黏土礦物的次生沉淀物。Oikawa等[4]實驗測試發現在超臨界二氧化碳作用下Berea砂巖的抗壓強度、楊氏模量與泊松比降低；趙仁保 等[5]發現二氧化碳溶蝕導致原生孔隙擴大并產生次生孔隙，使得巖石抗拉及抗壓強度下降，滲透率增加，彈性模量的變化則較為復雜；朱子涵等[6]發現礦物溶蝕和沉淀作用是二氧化碳作用下儲層巖性改變的直接原因。在二氧化碳壓裂方面，Ishida[7]研究了超臨界及超臨界二氧化碳壓裂花崗石巖樣的聲發射響應情況，結果顯示超臨界二氧化碳更容易形成三維裂縫，而這兩種都比水基壓裂液效果更好。二氧化碳壓裂相較于水力壓裂起裂壓力更低,因此蘇偉東 等[8]將干法二氧化碳壓裂應用于蘇里格氣田取得了增產效果。

高溫高壓三軸實驗是研究地層條件下二氧化碳對致密砂巖巖石力學性質影響最有效、最直觀的方法之一，前人開展的擬三軸巖石力學實驗研究是將超臨界二氧化碳浸泡與巖石力學性質測試分離進行，難以避免溫壓變化會對巖石力學性質產生影響。筆者采用致密砂巖露頭開展高溫高壓真三軸巖石力學性質測試實驗，對比多種不同流體和溫壓條件下巖石力學參數變化，重點研究不同地層條件下超臨界二氧化碳對致密砂巖巖石力學參數的影響，以期為超臨界二氧化碳壓裂設計提供參考。

1 致密砂巖高溫高壓真三軸實驗

1.1 試樣制備及實驗裝置

試件由致密砂巖露頭加工而成。室內鉆取巖心柱試樣，在室溫、10 MPa圍壓及無孔隙流體注入條件下測得抗壓強度為160.0 MPa，楊氏模量為23.34 GPa，泊松比為0.32，脆性指數為0.52。

實驗裝置是采用RTR-1500高溫高壓巖石三軸儀，最高加載溫度200 ℃，最大加載圍壓140 MPa，最大孔隙壓力140 MPa，最大軸向靜態壓力1 000 kN，最大軸向動態壓力800 kN，最大試樣直徑54 mm，可滿足7 000 m以深高溫高壓地層巖石力學參數及特性評價要求，可以獲得彈性模量、泊松比、抗壓強度、體積模量、內聚力、內摩擦角、滲透率以及P波和S波的波速等各種實驗參數。超臨界CO2孔隙壓力加載原理如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳孔隙壓力加載原理示意圖

1.2 實驗方案

實驗共設置4組，使用巖心9塊，重點研究不同飽和流體、地層溫度、圍壓、孔壓對致密砂巖巖石力學性質變化規律的影響。實驗采用應力加載模式，每次手動加載0.5 MPa，具體實驗參數見表1。

表1 實驗參數設置

注：括號代表使用前述巖心編號實驗數據。

2 實驗結果及影響因素分析

2.1 實驗結果

實驗前后巖心裂縫形態對比如圖2所示，可以看出：對于巖心1-1，實驗前巖心端面、巖體均沒有明顯裂紋，實驗后巖心呈現劈裂破壞，裂紋角度大約59.5°，端面裂紋不明顯；對于巖心1-2，實驗前巖心端面、巖體均沒有明顯裂紋，實驗后巖心呈現劈裂破壞，并且呈現兩條裂紋交錯的情況，裂紋角度分別為74.5°和76.0°，端面偏中心處有明顯裂紋；對于巖心1-3，實驗前巖心端面、巖體均沒有明顯裂紋，實驗后巖心呈現劈裂破壞，裂紋角度大約65.6°，端面裂紋不明顯；對于巖心2-2，實驗前巖心端面、巖體均沒有明顯裂紋，實驗后巖心呈現劈裂破壞，裂紋不太規則，裂紋角度大約74.1°，端面裂紋不明顯；對于巖心2-3，實驗前巖心端面、巖體均沒有明顯裂紋，實驗后巖心呈現劈裂破壞，裂紋角度大約66.5°，端面裂紋不明顯；巖心3-1實驗后從2個端面出現了1條貫穿的裂縫；巖心3-2實驗后出現了一條與端面呈大約60°角的破裂面；巖心3-3實驗后出現了一條與端面呈大約60°夾角的裂縫面。第4組巖心照片缺省，裂縫規律基本一致。

圖3展示了第1組實驗砂巖巖心的應力應變曲線，根據曲線可以求得巖心的強度參數(其余3組實驗有類似的曲線關系)。從圖3可以看出，所有巖樣的徑向變形速度都要大于軸向變形速度；全應變曲線變化趨勢表明，隨著載荷逐漸增加，巖樣經歷了硬化—線彈性形變—非線性形變—破壞的過程；由軸向應力與體積應變關系曲線可以看出，隨著載荷的繼續增加，巖樣體積開始增加，出現“容脹”現象。根據徑向應變與軸向應變的關系曲線可以求得該巖樣的泊松比，進而可以求得巖心剪切模量，即

G=E/[2(1+μ)]

(1)

式(1)中：G為剪切模量，GPa；E為彈性模量，GPa；μ為泊松比。

脆性指數計算公式為

IB=B1+B2

(2)

式(2)中：IB為脆性指數；B1為峰值應變指數；B2為峰后曲線應變指數[9]。

2.2 飽和流體對巖石力學性質的影響

基于本文實驗結果以及前人的實驗結果[4-6,10-14]可知，飽和流體的差異會對砂巖的力學性質產生一定的影響，主要表現在對砂巖中黏土的作用，超臨界二氧化碳飽和孔隙會在巖石內部產生一定量的微孔隙、微裂縫，破壞巖石結構，從而降低包括抗壓強度、楊氏模量在內的力學參數，而泊松比和脆性指數會增加。流體對巖樣巖石力學性質的影響結果見表2，可以看出：①水飽和時的巖樣楊氏模量得到提高，而超臨界二氧化碳飽和則會顯著降低巖樣的楊氏模量，降低近6%；②巖樣經過水飽和與超臨界二氧化碳飽和均可以提高泊松比，而且在超臨界二氧化碳環境下泊松比提高幅度要比水更大，增大近53%；③在水和超臨界二氧化碳環境下，巖樣抗壓強度都會降低，而且在超臨界二氧化碳環境下抗壓強度降低幅度要比水更大，降低近15%；④砂巖中飽和水和超臨界二氧化碳環境下，其脆性指數都會增加，而且在超臨界二氧化碳環境下脆性指數提升幅度要比水更為顯著，提升近53%。

圖2 實驗前后巖心對比及裂縫示意圖

圖3 第1組實驗巖心應力應變曲線

巖心編號流體楊氏模量/GPa泊松比抗壓強度/MPa脆性指數1-1無23.340.32160.00.5169221-2H2O23.730.42153.30.6004031-3SC-CO222.040.49135.50.790147

2.3 溫度對巖石力學性質的影響

表3 受溫度影響的巖石力學參數

溫度對超臨界二氧化碳下巖樣巖石力學性質的影響結果見表3，可以看出：①溫度較低(50～70 ℃左右)時超臨界二氧化碳對巖樣的楊氏模量影響不大，而溫度較高(100 ℃左右)時超臨界二氧化碳會顯著提高巖樣的楊氏模量；②溫度升高會降低巖樣的泊松比；③溫度較低(50～70 ℃左右)時超臨界二氧化碳對巖樣的抗壓強度影響不大，而溫度較高(100 ℃左右)時超臨界二氧化碳會顯著提高巖樣的抗壓強度；④溫度升高會降低巖樣的脆性指數，但溫度繼續升高時脆性指數的降低幅度會變小。

2.4 圍壓對巖石力學性質的影響

圍壓對巖樣巖石力學性質的影響結果見表4,可以看出：在凈圍壓增大情況下，砂巖的楊氏模量先減小后增大，但整體波動較小,在22～25 MPa內；在凈圍壓增大情況下，砂巖的泊松比先稍有增大，然后明顯減小；在凈圍壓增大情況下，砂巖的抗壓強度先稍有減小，然后明顯增大；在凈圍壓增大情況下，砂巖的脆性指數先稍有減小，然后大幅降低。

表4 受圍壓影響的巖石力學參數

2.5 孔壓對巖石力學性質的影響

孔壓對巖樣巖石力學性質的影響結果見表5,可以看出,在孔壓增大情況下，砂巖的楊氏模量隨之減小，泊松比明顯增大，抗壓強度明顯減小，脆性指數隨之減小。

表5 受孔壓影響的巖石力學參數

3 現場驗證

圖4為蘇里格氣田致密砂巖氣井SL-1井實施超臨界二氧化碳壓裂的施工曲線。該井埋深3 540 m，二氧化碳注入排量4.0～4.5 m3/min，加入支撐劑25 m3，累計注入二氧化碳426 m3,根據地面瞬時停泵壓力(15.8 MPa)計算得到瞬時停泵壓力梯度0.014 46 MPa/m(該區地層閉合壓力梯度約為0.014 5 MPa/m)，比常規壓裂瞬時停泵壓力梯度0.017 8 MPa/m降低明顯。可見，采用超臨界二氧化碳壓裂時的瞬時停泵壓力遠小于常規壓裂，進而說明超臨界二氧化碳能夠降低致密砂巖抗壓強度，提高致密砂巖脆性，最終降低地層最小主應力值，這與本文實驗結果相吻合。

圖4 蘇里格氣田致密砂巖氣井SL-1井超臨界二氧化碳壓裂施工曲線

4 結論

基于高溫高壓三軸巖石力學測試系統，開展了超臨界二氧化碳對致密砂巖力學性質影響的實驗研究，得到以下認識：

1) 超臨界二氧化碳能夠降低致密砂巖的抗壓強度、顯著提高致密砂巖的脆性，與飽和水條件相比，致密砂巖在超臨界二氧化碳飽和條件下，其抗壓強度降低近15%，楊氏模量降低近6%，泊松比增大近53%，脆性指數增大近53%。

2) 致密砂巖在超臨界二氧化碳飽和條件下，溫度升高時致密砂巖巖樣的抗壓強度和楊氏模量增大，泊松比和脆性指數減小；圍壓增大時砂巖的抗壓強度和楊氏模量先減小后增大，泊松比先稍有增大后明顯減小，脆性指數先稍有減小后大幅降低；孔壓增大時砂巖的抗壓強度和楊氏模量、脆性指數減小，泊松比增大。