致密砂巖中液態CO2和水壓裂試驗*

高志亮，穆景福，馬東東，南蓓蓓，胡大偉

(1. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院 陜西省陸相頁巖氣成藏與開發重點實驗室，西安 710061； 2. 中國科學院 武漢巖土力學研究所，武漢 430071)

水力壓裂作為一種儲層增產工藝技術，自從1947年在美國Kansas水力壓裂成功運用，已得到廣泛使用，并在深部資源儲層改造中取得了非常好的成果.對石油鉆井中，特別是非常規能源在開采過程中遇到低滲等特點，采用水力壓裂方法改造儲層并不能達到理想效果，而近些年來，由于液態CO2因具有接近于液體，黏度接近于氣體，擴散系數遠大于液體，表面張力接近于零等特點而獲得研究學者的青睞[1]，可作為一種較理想的壓裂介質，同時在降低壓裂介質對儲層的傷害、提高原油采出率上，液態CO2具有很好的應用前景.

隨著國家資源結構的不斷優化，為非常規油氣資源開采帶來機遇，目前對于致密砂巖儲層中油氣資源開采的研究越來越多，主要集中在多分段及酸化處理研究[2-7].高杰等[3]對巖性差異及界面性質對裂縫起裂擴展的影響進行了研究；沈新普等[8]基于損傷力學方法，采用數值模擬對油層三維壓裂進行了模擬，并對現場壓裂效果進行了預測.同時，關于CO2壓裂的相關研究成果主要集中在花崗巖、煤巖和頁巖中[9-10]，對于致密砂巖的液態CO2研究成果較少，而目前對于致密砂巖的液態CO2壓裂的破裂機理并不清晰，有必要開展相應的研究.

本文采用壓裂鉆孔中采集的同區段巖芯，進行水和液態CO2壓裂試驗，并對破壞后試樣進行CT掃描試驗和核磁共振試驗，從破裂形態和破裂裂紋尺寸特征上分析壓裂介質對試驗破裂的影響.本文研究成果可為相關壓裂工藝優化和現場壓裂工藝提供技術指導.

1 試驗概況

1.1 工程地質概況

取鉆井巖芯，鑒別其礦物組成發現巖芯以細粒為主，少量中粒.成份以石英、長石為主，暗色礦物次之，顆粒呈次圓狀，泥質膠結.巖芯礦物成分中石英含量為52.79%，鈉長石含量為26.61%，黏土含量中伊利石含量最高，為16.03%，說明致密砂巖中以脆性礦物(石英和鈉長石)為主，含少量黏土礦物.表1為巖石礦物組成成分.在基礎力學測試中，發現致密砂巖的單軸抗壓強度為120.56 MPa，抗拉強度為10.26 MPa.

表1 巖石礦物組成成分Tab.1 Mineral composition of rock %

1.2 試驗儀器

水力壓裂試驗儀器采用巖石多場耦合試驗機，如圖1所示.試驗機由圍壓、軸壓和壓裂系統組成，可單獨對每項系統進行獨立控制，其中壓裂系統采用ISCO 260D計量泵，最大可達52 MPa.試驗中壓裂介質采用水和液態CO2，而CO2具有很好的可壓縮性，當溫度為31.7 ℃和壓力為7.4 MPa時達到臨界狀態，氣態CO2會轉換成液態CO2，故將壓力上升至8.5 MPa左右時可認為此時是純液態狀態.

圖1 試驗儀器和試樣安裝Fig.1 Test instruments and sample installation

1.3 試驗方法

為對現場壓裂提供技術保障，同時減小壓裂試樣中鉆孔對巖石均勻性的影響范圍，試驗模擬巖芯在地應力下壓裂效果，將現場巖芯制成25 mm×50 mm的圓柱體試樣，將平整度控制在±0.002 mm范圍內，對致密砂巖施加圍壓30 MPa.同時為模擬壓裂鉆孔，在試樣中心鉆孔深30 mm，直徑3 mm，通過鋼管將壓裂介質注入到試驗鉆孔中，并預留5 mm的裸眼段利于壓裂起裂，鋼管與試樣鉆孔用環氧樹脂膠粘黏，在保溫箱中(常溫)放置24 h.壓裂試驗大致分為3步驟：

1) 首先增加圍壓至指定值，通過圍壓/軸壓系統使圍壓恒定后，保持壓力10 min；

2) 試驗中壓裂介質注入方式采用恒流方式，其中，水注入速率為1 mL/min，液態CO2注入速率為5 mL/min，注入直至試樣發生破壞；

3) 試樣破壞之后依次卸載壓裂壓力和圍壓.

試樣破裂之后保持試樣密封狀態進行CT掃描觀察內部形態，利用核磁共振技術研究破裂尺寸特征，分析水和液態CO2對致密砂巖破裂的影響.本文試驗過程中可精確控制和記錄壓力、流量數據，相關記錄壓裂數據時間間隔為0.2 s.

2 試驗結果分析

2.1 壓力曲線分析

圖2為水力壓裂和液態CO2壓裂曲線以及增壓速率曲線.圖2a為致密砂巖水和液態CO2壓裂曲線圖.其中，液態CO2開始壓力約為8.5 MPa，經過緩慢增加直至破壞，而水力壓裂中壓裂曲線首先經過初始壓力發展階段后迅速增加至破壞[11]，破裂壓力為85.8 MPa，大于液態CO2的41.8 MPa破裂壓力.

圖2 水力壓裂和液態CO2壓裂曲線以及增壓速率曲線Fig.2 Curves of hydraulic and liquid CO2 fracturing and curves of supercharging rate

對于完整性較好的致密砂巖，認為當鉆孔中環向有效應力達到抗拉強度時可發生破裂，即

pw→pb((σθ≥σt)r=rw)

(1)

式中：pw為鉆孔中注射壓力；pb為破裂壓力；σθ為鉆孔中環向應力；σt為巖石抗拉強度；rw為鉆孔半徑.

考慮到壓裂液的擴散產生孔隙壓力場分布，從而影響鉆孔中環向應力σθ大小，即

(2)

式中：α為有效應力系數；υ為泊松比；p(rw)為沿孔徑方向孔隙壓力分布，其表達式[12]為

(3)

其中，β為壓裂液的可壓縮性，p0為初始壓力，q為壓裂流體流量，t為注水周期時間，κ為巖石滲透率，μ為壓裂液的黏度，h為井眼高，Ei(x)的表達式為

(4)

因此，破裂壓力在考慮到孔隙壓力分布的影響時可推導為

(5)

式中，σ為試樣所承受的圍壓.

結合上述理論，壓裂過程中壓裂介質沿鉆孔徑向方向滲透，產生孔隙壓力，會對破裂壓力和破裂過程中裂紋擴展產生影響[13].圖2b為破裂前增壓速率變化曲線，可反映因壓裂介質的滲透對裂紋起裂和破裂壓力的影響，具體表現為水力壓裂中增壓速率為先平緩后逐漸增大，在破裂之前又出現降低，表明在發生破裂之前存在裂紋起裂；液態CO2中壓裂前期與水力壓裂類似，可說明此時CO2是液態狀態，隨后一直增加直至破壞，同時液態CO2壓裂中增壓速率總是小于水力壓裂.可知對于液態CO2，由于黏度低、易擴散等特點產生孔隙壓力場，可有效降低骨架顆粒有效應力；對于水力壓裂中壓裂介質的擴散產生的孔隙壓力影響較小，骨架顆粒主要受圍壓的影響.因此對于致密砂巖，液態CO2降低破裂壓力與壓裂介質擴散產生的孔隙壓力有關.

2.2 破裂形態

破裂形態不僅可直觀地反映破裂裂紋復雜度，而且還為分析裂紋擴展提供方法.隨著高精度掃描設備的發展，CT掃描技術可獲得巖石內部破裂形態[13].CT掃描試驗中保持破裂后試樣的未拆封狀態以避免后期人為擾動對破裂裂紋的影響，其空間分辨率為16.846 4 μm，每隔試樣切片間隔為0.017 mm.

圖3為巖石破裂后CT掃描切片圖.發現液態CO2壓裂試驗中，其破裂裂縫約為0.015 mm，小于水力壓裂中1.1 mm的寬度，這與文獻[13]中試驗結果相一致，同時液態CO2壓裂中裂紋彎曲度更高，發育著更多分支裂縫，表明液態CO2壓裂中裂紋擴展時更易形成復雜交叉裂縫.通過對CT切片進行三維重構后，發現液態CO2壓裂中鉆孔周邊存在未相互貫通的裂紋，而水力壓裂中裂紋為對稱分布，分支微裂紋極少，如圖4所示.應當注意的是，液態CO2壓裂中存在許多并未貫穿的裂紋，說明液態CO2壓裂中壓裂介質的擴散可影響整個鉆孔周圍；而水力壓裂中裸眼段也存在微裂紋發育區域，與破裂面間相互貫通，可知孔隙壓力的影響較小，主要集中在鉆孔周邊有效區域處.因此，巖石內部的孔隙壓力場分布將影響著裂紋擴展及形態分布，對于液態CO2壓裂中孔隙壓力場分布相對均勻，裂紋擴展時其尖端易形成低孔隙壓力區，促使裂紋沿孔隙壓力高處擴展，導致裂紋間相互貫通性差和裂紋彎曲度高.對于水力壓裂，壓裂介質的擴散而產生的孔隙壓力差的影響相對較小，裂紋擴展時表現為直接拉伸破壞，破裂面較平整.總之，對于采用水和液態CO2作為壓裂介質的壓裂試驗，破裂形態與壓裂介質滲透產生的孔隙壓力有著很大關系.

圖3 CT切片示意圖Fig.3 Schematic diagram of CT slices

2.3 破裂裂紋分布特征

壓裂破裂過程不僅形成宏觀的破裂形態，而且會誘發微觀結構，其與裂縫網絡密切相關，核磁共振技術可為研究巖石內孔/裂隙分布規律提供方法，通過核磁共振譜線及其特征參數，擬合得到核磁共振T2分布譜，計算出T2分布譜巖石內孔/裂隙分布的關系，最后求解出不同區間內孔/裂隙分布.本文將壓裂后巖樣進行流體飽和，在相同狀態下進行核磁共振掃描試驗，得到核磁共振特征譜線，計算不同區間內裂紋分布，定量分析水和液態CO2對破裂裂紋尺寸分布特征的影響.圖5為水和液態CO2壓裂后核磁共振試驗測量裂紋分布.曲線呈多峰分布，其中，0.01～0.11 μm尺寸間對應的波峰峰值點占比最大，兩者在0.01～0.11 μm波峰上部是相等的，說明巖石間的均質性良好，而液態CO2壓裂明顯向右擴展，說明液態CO2壓裂更易誘導微小裂紋的萌生.其他兩個波峰分別對應1～2 μm和10～11 μm，其中1～2 μm波峰中水和液態CO2壓裂具有相似性，而10～11 μm波峰處水力壓裂峰值更明顯，這與圖3中CT切片結果一致，表明水力壓裂和液態CO2壓裂在宏觀破裂裂紋尺度特征上具有相似性，而在微小結構尺度特征上，由于CO2擴散產生可滲入到非常微小的孔/裂隙，更易誘導產生微裂紋，使裂紋分布區間移動.

圖4 水力壓裂和液態CO2壓裂后破壞形態Fig.4 Failure morphologies after hydraulic and liquid CO2 fracturing

圖5 核磁共振孔徑分布Fig.5 Pore size distribution measured by nuclear magnetic resonance

3 結 論

采用壓裂鉆孔中采集的致密砂巖巖芯，進行水和液態CO2壓裂試驗，并通過CT掃描技術和核磁共振技術分別對破裂形態和破裂裂紋尺寸特征進行研究，分析水和液態CO2壓裂中對致密砂巖破裂的影響，得到的結論如下：

1) 相對水力壓裂，液態CO2壓裂可顯著降低巖石破裂壓力，主要與壓裂介質擴散產生的孔隙壓力相關.

2) 液態CO2壓裂中破裂裂紋具有裂紋彎曲度高和寬度低的特點，主要是液態CO2壓裂中孔隙壓力場較均勻分布，導致裂紋尖端存在低孔隙壓力區域，使裂紋沿較高孔隙壓力擴展，造成裂紋間貫通性差；而水力壓裂中壓裂介質擴散的影響僅在鉆孔周邊區域，孔隙壓力場影響較小，破裂面較平整.

3) 水力壓裂和液態CO2壓裂在破裂裂紋尺度上存在一定差異，在0.01～0.11 μm波峰中液態CO2壓裂向右移動，更易誘導微小裂紋的萌生，在1～2 μm和10～11 μm中具有相似性，表明水和液態CO2壓裂在宏觀破裂裂紋尺度特征上具有相似性.