清水和液態CO2壓裂對頁巖破裂影響實驗研究

穆景福高志亮張 力喬紅軍萬 鑫郭雨嘉

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,西安 710065)

0 引言

對于深部油氣儲層,普遍存在“低滲、低壓、低產”的特點[1-5],通常采用水力壓裂技術改造儲層,使之達到商業開發的目的,目前已經在石油、天然氣、頁巖氣和致密油氣等深部油氣儲層得到廣泛運用。但水力壓裂作業區域一般伴隨著水資源的短缺,給壓裂作業帶來很大困難。近些年無水壓裂工藝獲得了更多的關注,尤其是CO2壓裂具有低黏度、高擴散性和易獲取等優點,是一種具有很高經濟和技術潛質的壓裂液[6-9]。

在CO2壓裂室內實驗方面,王磊[10]進行了煤巖在超臨界CO2和清水壓裂下裂縫起裂和擴展特性實驗研究,發現超臨界CO2壓裂的破裂強度更低且更易產生分叉裂縫。蘇建政[11]結合室內實驗和數值模擬研究了層理對清水與超臨界CO2壓裂裂縫擴展形態的影響,發現CO2壓裂的破裂面復雜不平整,裂縫較粗糙。梁衛國[12]進行了煤L-CO2壓裂實驗,發現L-CO2壓裂具有很好的破裂效果。湯積仁[13]進行了頁巖-煤吸附CO2時間效應及變形各向異性實驗研究。沈新普[14]采用塑性損傷有限單元法,模擬水力壓裂裂紋擴展和分布,并優化壓裂工藝選擇。上述研究主要是針對具有良好滲透性的巖石,目前針對具有“低滲、低壓、低產”特點的頁巖L-CO2壓裂仍需進一步實驗研究。

該研究在室內實驗中進行不同圍壓下頁巖清水壓裂和L-CO2壓裂實驗,并借助CT 掃描和核磁共振(NMR),對比清水和L-CO2壓裂在破裂壓力、增壓速率和破裂裂縫分布上的差異,深入分析清水和L-CO2壓裂對頁巖破裂形態的影響。

1 實驗概況

1.1 實驗設備

該研究中清水和L-CO2壓裂實驗在多場耦合實驗機上進行,設備泵壓系統由3臺ISCO 260D計量泵組成。控制系統控制壓裂實驗時注入流量、體積和壓力等參數變化,并進行實時記錄,數據采集間隔為0.2 s。實驗裝置如圖1所示。該實驗方法參照“煤和巖石物理力學性質測定方法”(GB/T 23561—2010)和“油氣藏巖石力學性質測試技術規范”(SY/T 7491—2020)等標準。

1.2 試樣準備

頁巖巖芯取自銀—額盆地哈日凹陷中部洼陷帶,屬第四系巴音戈壁組,埋深在約3 520 m 位置。主要以鈣質膠結,部分含泥質,具有一定的層理方向,其礦物組成成分中石英含量為45.12%,長石含量為25.24%,黏土礦物含量為18.99%,其他礦物含量為10.64%。由于采用的是井底巖芯,鉆取試樣時應保持層理方向一致,并在實驗之前進行了波速測試,將波速實驗結果接近的實驗進行壓裂實驗,因此可以排除試樣中存在的天然裂縫的影響。

1.3 實驗步驟

為了研究清水壓裂和L-CO2壓裂對頁巖破裂形態的影響,實驗保持相同的圍壓和軸壓,其中軸壓比圍壓大5 MPa。實驗具體操作步驟如下:1)將試樣安裝在實驗設備底座上,采用熱縮套密封試樣,以達到隔絕液壓油的目的;2)以1 ml/min流量控制方式增加圍壓至設定值,該研究中實驗圍壓依次為10 MPa,20 MPa,30 MPa和40 MPa,之后以相同方式增加軸壓至設定值;3)清水壓裂和L-CO2壓裂實驗中以5 ml/min流量注入,破壞后繼續注入壓裂介質1 min,最后依次卸載壓裂壓力和圍壓。

實驗完成后,借助CT掃描和核磁共振(NMR),對比清水和L-CO2壓裂的破裂壓力、增壓速率和破裂裂縫分布特征,分析清水和L-CO2壓裂對頁巖破裂形態的影響。

2 實驗結果

2.1 壓裂實驗曲線及增壓速率特征

壓裂曲線不僅可以直觀反映壓裂實驗所需時間和破裂壓力,也可間接的表示壓裂實驗中破裂壓力隨圍壓的變化規律。圖2 所示為清水壓裂和L-CO2壓裂的實驗曲線,其中L-CO2壓裂實驗的起點壓力約為7.3 MPa,主要是CO2可壓縮性強,具有低壓氣態高壓液態的特征。L-CO2在壓裂實驗中溫度保持28℃,在約7.8 MPa時會發生氣態轉變為液態。

L-CO2壓裂的破裂壓力小于水力壓裂,與之前的研究結果相一致[12]。圖2中清水壓裂在破裂后壓裂曲線仍然存在波動,表明試樣破裂后產生分支裂縫,而L-CO2壓裂的表現貫穿整個試樣[15]。主要是圍壓壓密作用下,清水的擴散會受到抑制,而L-CO2具有黏度低、易擴散等特性,可擴散至微納米孔隙中。當發生破裂時,L-CO2壓裂中孔隙壓力場并未發生明顯變化,而水力壓裂中,發生破裂泵壓釋放,清水進入破裂裂縫中誘導產生微裂縫。因此,L-CO2壓裂與清水壓裂在頁巖破裂上存在很大差別,后續研究將深入分析破裂中形態的變化。

圖2 不同圍壓下的壓裂曲線Fig.2 Fracturing curve under different confining

在壓裂過程中,鉆孔中泵壓與鉆孔周圍存在壓力差,促進清水和L-CO2沿徑向方向擴散,從而影響泵壓的增壓速率。通過研究增壓速率可為分析清水壓裂和L-CO2壓裂的破裂機理提供方法,可將單位時間內注入鉆孔中的清水或L-CO2引起增壓變化速率(dP/dt)作為增壓速率的度量。圖3是清水壓裂和L-CO2壓裂在不同圍壓下增壓速率變化。

圖3 增壓速率曲線Fig.3 Pressurization rate curves

清水壓裂中,增壓速率經過初始壓力階段后迅速增加,之后幾乎維持恒值至破裂,且圍壓越大,增壓速率的恒值也越大,表明圍壓壓密作用可抑制清水的擴散,利于鉆孔中積蓄能量用于破裂[16]。在L-CO2壓裂中,增壓速率在初始壓力階段幾乎為零且時間更長,之后增壓速率快速增加,在接近破裂時增壓速率會發生明顯的下降。主要是L-CO2可擴散至微納米孔隙中產生孔隙壓力,擾動試樣巖石內部原始微裂紋并被激活,導致增壓速率出現降低,由此降低破裂壓力。

2.2 CT掃描實驗

為了能準確捕捉到在清水壓裂和L-CO2壓裂下試樣破裂后試樣內部的破裂形態,將破裂后試樣進行高精度CT掃描實驗。CT掃描技術和重構技術是近些年快速發展的一種無損掃描技術,已得到廣泛運用[17],其可為辨別巖石內部裂縫狀態和結構組成提供幫助。該研究中CT 掃描空間分辨率為16.84μm,每個試樣切片間隔0.017 mm。圖4是清水壓裂和L-CO2壓裂實驗后CT掃描結果。

圖4 CT切片示意圖Fig.4 CT slices after rupture

圖4給出了頁巖壓裂后破裂裂縫。對于L-CO2壓裂,破裂裂縫形態表現出交齒狀凹凸尖峰,裂縫開度較小,曲折度較高,可能由于孔隙壓力擾動試樣內部的微裂縫,誘導破裂裂縫沿黏土等弱膠結之間進行擴展,導致裂紋更加曲折。對于清水壓裂,其破裂裂縫形態表現為近似對稱分布且裂紋開度較大,且部分區域處微裂縫發育,可能是壓裂曲線后續波動產生的。將文中壓裂后CT 掃描后切片,識別圖像中的破裂裂縫形態,將沿一條壓裂裂縫總長度與破裂裂縫兩端的直接長度比值定義為壓裂裂縫曲折度,計算裂縫曲折度。對破裂裂縫曲折度計算發現L-CO2壓裂中裂紋曲折度為1.118,大于清水壓裂的1.102。因此,L-CO2壓裂中孔隙壓力更易形成曲折的裂縫,影響裂紋擴展路徑。

Deng等[17]研究發現巖石屬性特征將會影響到L-CO2壓裂破裂裂縫的復雜性,認為L-CO2壓裂裂紋擴展過程中會在裂紋尖端形成低孔隙壓力區域,會誘導裂紋沿膠結處擴展。因此,L-CO2壓裂實驗中破裂裂縫更加曲折,主要與壓裂液擴散產生孔隙壓力和頁巖中黏土礦物等有關。

2.3 核磁共振實驗

對于頁巖壓裂實驗,尤其L-CO2壓裂實驗,破裂時不僅會產生宏觀裂紋,也會形成許多微觀裂紋[18]。核磁共振測試是通過對試樣進行飽和水下測得核磁共振特征譜線來定量表征巖芯物性特征,通常采用自旋回波衰減信號測試的方法,即通過對核磁共振結果進行擬合分析,得到可以直接反映不同孔隙或裂縫內T2分布規律,確定飽和流體在孔隙或裂縫的分布狀態,因此核磁共振檢測結果與所處環境相關,即T2越大,對應的孔隙或裂縫尺寸越大[19-20]。圖5是L-CO2壓裂和清水壓裂后核磁共振T2曲線。

圖5說明水力壓裂和L-CO2壓裂下裂縫分布存在明顯的差異。L-CO2壓裂的第一個波峰明顯高于水力壓裂值,其代表微觀尺度,表明L-CO2壓裂可以激活形成更多微裂紋。T2分布中最后一個波峰代表宏觀尺度裂紋,可以看出清水壓裂中存在明顯的突出波峰,而L-CO2壓裂則出現兩處波峰且峰值較低。表明清水壓裂中宏觀破裂裂縫占主要部分,微裂紋較少,而L-CO2壓裂中微觀裂紋發育程度很高。

圖5 核磁共振T2分布圖Fig.5 NMRT2distribution map

結合CT掃描和核磁共振(NMR)結果可知,在L-CO2壓裂實驗中,L-CO2的擴散產生孔隙壓力,誘導頁巖內黏土等弱膠結礦物激活產生微裂紋,造成增壓速率出現下降,當微裂紋之間相互貫通產生宏觀破裂裂縫時發生破裂,這將有利于破裂壓力的降低,同時利于形成破裂微裂縫,共同構成裂縫網絡。

在現場運用L-CO2壓裂時應當考慮其擴散特性,此作用不利于鉆孔中快速積蓄泵壓破裂,同時更易激活已存在的天然裂縫,由此會導致裂紋的復雜程度較高。

3 結論

該研究進行不同圍壓下清水和L-CO2壓裂實驗,結合CT掃描和核磁共振(NMR)實驗,將不同壓裂方式下的破裂壓力、增壓速率和裂縫特征進行對比,分析頁巖L-CO2壓裂的破裂形態。研究結論如下:

1)采用現場巖芯進行不同圍壓下清水壓裂和L-CO2壓裂實驗研究,發現相同圍壓下,L-CO2破裂壓力小于清水壓裂,同時L-CO2壓裂曲線在破裂前增壓速率會發生降低現象,主要與L-CO2擴散產生孔隙壓力誘導頁巖內微裂紋激活有關。

2)對破裂后的試樣進行CT 掃描和核磁共振(NMR)實驗,發現L-CO2壓裂中裂縫更加曲折,主裂紋旁邊存在很多分支裂紋;核磁共振(NMR)實驗發現清水壓裂中破裂裂縫主要為宏觀裂紋,而L-CO2壓裂以微裂紋為主,分支裂縫與主裂縫共同形成破裂裂縫網絡。