超臨界二氧化碳壓裂過程中注入壓力對致密砂巖力學特征的影響

張艷 樓一珊 牟春國 白建文, 賈建鵬

1.長江大學石油工程學院；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

0 引言

致密砂巖氣是重要的非常規能源資源之一，在世界各國已成為天然氣增儲的重要來源［1］。Dennis等［2］(1998)定義致密砂巖氣即賦存于低滲、特低滲和低含氣飽和度的致密砂巖儲層中的天然氣。對致密氣進行開發時出現單井產能低、氣井穩產時間短等問題，同時氣水矛盾十分突出，儲層極易受到地層水的影響，出現水鎖等現象，造成儲層傷害，不利于油田的經濟性運營［3-5］。

Alireza B［6］(2017)、辛俊和等［7］(2014)、Torsten L［8］(2013)等認為根據致密砂巖的儲層特征和開發特點，水平井壓裂技術、多分支井技術通常作為開發致密氣的有效手段。然而，Danny D等［9］(2016)發現對于常規的壓裂液壓裂技術而言，使用水作為壓裂和射流介質無法避免地給致密砂巖地層帶來“水鎖”等地層傷害，影響后期氣井的產能。葉亮等［10］(2018)認為超臨界二氧化碳作為壓裂介質則能減少常規水力壓裂帶來的儲層傷害，有利于后期的提產，實現致密氣的經濟開發。

泵注壓力又稱注入壓力，是進行二氧化碳壓裂施工時的重要可控參數之一，它在一定程度上決定了壓裂的效果以及后期的氣井產能。王海柱等［11］(2011)認為致密砂巖的超臨界二氧化碳壓裂過程實質上是壓裂流體在驅動壓力作用下與致密砂巖發生物理化學以及機械力學作用的過程；侯冰等［12］(2018)研究了超臨界二氧化碳對致密砂巖的巖石力學特征的影響，對于了解超臨界二氧化碳壓裂破巖機理和優化壓裂施工參數具有重要意義［13-15］。

通過自主研發的超臨界二氧化碳巖石力學參數測試系統，開展了圍壓38 MPa、溫度85 ℃條件下的室內模擬試驗，測試不同注入壓力下，致密砂巖柱塞的三軸應力應變曲線，并根據這些曲線計算了致密砂巖抗壓強度、彈性模量、泊松比和脆性指數等關鍵參數，得到了這些參數與注入壓力的關系，并解釋了背后的機理，為現場提高超臨界二氧化碳壓裂技術的應用效率提供一定的理論支撐。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗材料

實驗試樣為蘇里格氣田致密砂巖巖心，為盡量避免地層各向異性的存在，選取試樣為同一區塊相同層位致密砂巖。根據國際巖石力學試樣標準，現場巖心上套取一個?25 mm的圓柱形試樣，然后將圓柱形試樣的兩端車平、磨光，使巖樣的長徑比為2.0～2.5(制備標準試件如圖1所示)。為避免實驗過程中產生應力集中，要求試樣兩端面的不平整度誤差不得大于0.05 mm。

圖1 致密砂巖標準試樣Fig.1 The standard sample of tight sandstone

1.2 實驗裝置

實驗裝置由TAW2000巖石三軸測試系統和CO2增壓系統組成。CO2增壓系統是自主研發的一套可以實時控制CO2溫度和壓力并讓其改變相態的裝置，其核心是把CO2液體通過升溫加壓的方式轉化為超臨界狀態，然后以一定的壓力注入到試樣中進行力學參數的測試。整套實驗裝置能夠模擬超臨界二氧化碳壓裂液以一定的注入壓力進入地層后巖石受力情況。整個實驗裝置如圖2所示。

二氧化碳升溫增壓裝置由計算機控制，可以實時監測溫度和二氧化碳注入壓力的大小。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

1.3 實驗方法及步驟

(1)充液加圍壓：啟動加載控制裝置，對巖石試件通過液壓形式施加圍壓至設定值。

(2)加溫操作：啟動加載控制裝置，設置加熱圈和圍壓壓力室溫度值對壓力室進行加溫操作，對圍壓筒加溫到儲層溫度的設定值。

(3)抽真空操作：給巖心注入一定流體壓力之前必須要進行抽真空操作，確保二氧化碳飽和實驗試樣。

(4)超臨界二氧化碳注入壓力操作：抽真空結束后，從儲瓶中輸出液態二氧化碳經過增壓加溫裝置，使二氧化碳轉變為超臨界狀態(溫度大于31.1 ℃，壓力超過7.38 MPa)，從壓力室底座注入巖心到設定孔隙壓力值。

實驗所取巖心為蘇里格油田所在地層深度為2 800 m 左右，按照儲層地溫梯度 3.03 ℃/100 m，設定巖心實驗測試溫度為85 ℃。根據測井數據得到地層密度為1.35 g/cm3，換算實驗巖心所處的圍壓為38 MPa。通過上述實驗裝置及實驗步驟對15枚巖樣施加軸向載荷，并通過監測軟件采集應力—應變數據，繪制相關曲線，直至巖石發生破壞，獲得試樣變形破壞全應力—應變曲線。

2 超臨界CO2影響的巖石力學實驗結果與討論

根據上述實驗方法和步驟獲得致密砂巖全應力-應變曲線，計算得到巖石的抗壓強度、彈性模量及泊松比等巖石力學參數［16］。致密砂巖脆性指數計算基于應力-應變特征來表征［17-18］，即用峰值應變反映脆性破壞的難易，峰值后曲線形態表示脆性強弱。計算得到巖石的三軸抗壓強度、彈性模量、泊松比及脆性指數等力學參數如表1所示。

根據表1的數據，分析致密砂巖三軸抗壓強度、彈性模量、泊松比和脆性指數等力學參數與超臨界二氧化碳注入壓力之間的關系。

圖3為致密砂巖試樣抗壓強度與CO2流體注入壓力的關系。

表1 超臨界CO2流體注入巖石后巖石力學參數實驗數據Table 1 Experimental data of rock mechanics parameters of supercritical CO2 fluid injected into tight sandstone

圖3 致密砂巖試樣抗壓強度與CO2流體注入壓力相關曲線Fig.3 Correlation curve of rock compressive strength and CO2 fluid injection pressure

由圖3看出：致密砂巖抗壓強度隨著超臨界二氧化碳流體注入壓力的增大而減小，這是因為孔隙沒有注入流體之前致巖石受到圍壓的作用能夠抑制豎向裂縫的擴展及多破裂面的發育，注入流體孔隙壓力增大后，抵消掉部分圍壓的作用，在致密砂巖內部微孔隙裂隙中產生應力集中現象，微裂紋開始擴展，此時對應的巖石抗壓強度隨著注入二氧化碳壓力的增大而降低，抗壓強度減小到一定值后趨于穩定。

利用最小二乘法擬合致密砂巖抗壓強度與超臨界二氧化碳注入壓力關系式呈指數關系，且相關性系數達0.9

其中，p為注入超臨界二氧化碳壓力，MPa；σc為巖石三軸抗壓強度值，MPa。

圖4為致密砂巖試樣彈性模量與CO2流體注入壓力的關系。

圖4 致密砂巖試樣彈性模量與CO2流體注入壓力相關曲線Fig.4 Correlation curve of rock Elastic modulus and CO2 fluid injection pressure

由圖4看出：致密砂巖彈性模量隨著超臨界二氧化碳流體注入壓力的增大而減小，這是因為注入孔隙流體壓力的增加使巖石的強度降低，徑向變形增大，軸向變形減小，彈性模量隨著減小。利用壓裂數值模擬分析彈性模量對裂縫形態特征的影響發現，隨著彈性模量的增加，主導裂縫的縫長、縫高、縫寬都是逐漸減小的，如圖5所示。

圖5 不同彈性模量下主導裂縫延伸狀態Fig.5 The dominant fracture elongation state under different Elastic modulus

利用最小二乘法擬合致密砂巖彈性模量與超臨界二氧化碳注入壓力關系式呈指數關系，且相關性系數達0.98。說明指數函數較好地表征了致密砂巖彈性模量與超臨界二氧化碳注入壓力的關系

其中，p為超臨界二氧化碳注入壓力，MPa；E為巖石彈性模量，GPa。

圖5說明隨著注入流體壓力的增大，彈性模量減小有利于裂縫體積改造。彈性模量對裂縫的擴展及延伸有顯著影響，彈性模量越大表明巖體越難被壓開，對人工裂縫產生較強的負面影響。

圖6為致密砂巖試樣泊松比與CO2流體注入壓力的關系。

圖6 致密砂巖試樣泊松比與CO2流體注入壓力相關曲線Fig.6 Correlation curve of rock Poisson ratio and CO2 fluid injection pressure

從圖6可以看出：致密砂巖泊松比隨著超臨界二氧化碳流體注入壓力的增大而增大，這是因為隨著注入流體壓力的增大，圍壓保持不變時，巖石基質應力降低，巖石在橫向變形比軸向變形要增加得多，從而造成致密砂巖泊松比的增加。利用壓裂數值模擬分析泊松比對裂縫形態特征的影響發現，隨著泊松比的增加，主導裂縫的縫長、縫高無顯著變化，主導裂縫的縫寬呈逐漸減小的趨勢，但變化幅度不大，如圖7所示。

利用最小二乘法擬合致密砂巖泊松比與超臨界二氧化碳注入壓力關系式呈多次二項式關系，且相關性系數達0.95。關系式如(3)所示。

其中，p為超臨界二氧化碳注入壓力，MPa；μ為巖石泊松比，無量綱。

圖7說明泊松比對裂縫參數影響不大，但是若致密砂巖的泊松比過大，表明巖體的塑性增強，不利于體積壓裂后形成復雜裂縫網絡。

圖8為致密砂巖試樣脆性指數與CO2流體注入壓力的關系。

從圖8可以看出：致密砂巖脆性指數隨著超臨界二氧化碳流體注入壓力的增大先略有增加然后呈減小的趨勢，這是因為超臨界二氧化碳流體前期小排量的注入致密砂巖地層，使超臨界二氧化碳流體與致密砂巖充分接觸，超臨界二氧化碳的強溶蝕和萃取作用使致密砂巖脆性變強，降低了巖石破裂的難度。隨著超臨界二氧化碳流體注入壓力的增大，巖石在橫向變形幅度比軸向變形幅度大，巖石塑性增強，脆性減弱。

圖7 不同泊松比下主導裂縫延伸狀態Fig.7 Dominant fracture elongation at different poisson's ratios

圖8 致密砂巖試樣脆性指數與CO2流體注入壓力相關曲線Fig.8 Correlation curve of rock brittleness index and CO2 fluid injection pressure

通過多項式擬合致密砂巖脆性指數與超臨界二氧化碳注入壓力成多次二項式關系，且相關性系數達0.9。說明該方程式較好地表征了超臨界二氧化碳注入壓力與致密砂巖脆性指數的變化趨勢

致密砂巖氣儲層壓裂時脆性越好的層段破碎越充分，裂縫網絡發育越好，能夠建立越多的人工裂縫作為流體滲流和運移的通道。脆性特征差的砂巖傾向于限制天然和人工裂縫的發育，但在烴類封存和控制裂縫高度方面起到有益作用。因此，判斷致密砂巖氣儲層的脆性特征對工程實踐意義重大，能夠在壓裂層位的選擇和壓后效果的評判上起到指導和參考作用。因此，通過改變超臨界CO2壓裂過程中注入壓力值，能夠使致密砂巖脆性指數發生變化，從而影響裂縫的形成。

綜上所述，致密砂巖抗壓強度、彈性模量減小，泊松比則增加，脆性指數先增大后減小，這是由超臨界二氧化碳的物理化學特性導致的。超臨界二氧化碳進入地層巖石后，超強的擴散和滲透能力，容易滲入較小的孔隙和微裂縫中，有利于微裂縫網絡的形成。加上二氧化碳的溶蝕作用，使得地層巖石的強度降低，從而致使壓裂過程中地層破裂壓力值減小，有利于壓裂地層，形成復雜縫網。隨著二氧化碳接觸致密砂巖時間的延長，超臨界CO2注入壓力的增大，致密砂巖中黏土礦物有可能脫出了結合水，顆粒變小，導致致密砂巖發生了溶蝕，其礦物成分有一定變化，且原生的孔隙結構表面被溶蝕增大，使砂巖的孔隙率、比表面積增加，同時在表面微觀結構上產生了新的孔隙、裂隙結構，結構連通性增加，有利于地層巖石的孔隙、滲透特性的改善。但使得致密砂巖強度降低，彈性模量減小，注入壓力增大，顆粒間壓應力降低，巖石橫向變形相應增加，巖石的泊松比增大。因此，在施工設備壓力條件允許的情況下，盡可能選擇較小排量的注入壓裂液而后采用大排量注入壓裂液有利于提高壓裂的效果。

3 結論

(1)超臨界 CO2注入壓力從3 MPa增加到35 MPa，致密砂巖抗壓強度、彈性模量均減小，其中抗壓強度減小60.3%，彈性模量減小55.7%，巖石的泊松比反而增加，增幅為52.2%。利用最小二乘法擬合注入壓力與巖石力學參數之間的關系，抗壓強度、彈性模量與注入CO2壓力呈指數關系，泊松比與注入CO2壓力呈多次二項式關系。相關性系數0.9以上。

(2)超臨界二氧化碳注入壓力的增大，脆性指數先稍微增加后減小的趨勢，脆性指數減小30.4%。通過擬合超臨界CO2流體注入壓力與致密砂巖脆性指數之間的關系式，脆性指數與超臨界二氧化碳注入壓力呈多項式關系，相關性系數在0.9以上。

(3)超臨界二氧化碳壓裂致密砂巖時，前期小排量注入增加巖石脆性，超臨界二氧化碳壓裂降低壓裂破巖難度，巖石脆性有利于致密砂巖微裂隙、微孔隙起裂與延伸。