CO2前置注入對頁巖壓裂裂縫形態和巖石物性的影響

鄒雨時 李彥超 李四海

1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部

0 引言

頁巖油氣儲層只有通過大規?；锼畨毫迅脑煨纬梢欢ǖ摹案脑祗w積”才有可能實現經濟開發[1-3]，但在高水平應力差或天然裂縫強膠結儲層中不易形成復雜裂縫，導致儲層改造體積不足[4-9]?；锼ざ容^低，有利于激活頁巖儲層的天然裂縫和層理，礦場應用也取得了較好的增產效果，但對于水敏性強的地層，滑溜水則有可能對地層產生一定的傷害[10-12]。純CO2壓裂液（又稱干法壓裂）由于沒有水相，大大降低了對儲層的傷害，并且具有形成復雜裂縫的優勢。為了提高頁巖儲層的縫控改造體積[3]，近年提出和探索了超臨界CO2壓裂技術[13-14]、CO2復合壓裂技術[15-17]和CO2前置蓄能壓裂技術[18-19]。

大量室內實驗結果表明，較之于滑溜水，超臨界CO2具有超低黏度和高滲透的物理特性，更易滲入并開啟層理、天然裂縫等天然弱面，即使在高水平應力差條件下也可形成一定程度的復雜裂縫[16-17,20-21]，但CO2壓裂施工摩阻高、攜砂性能差、濾失快、形成的縫寬較小，大量分支裂縫中缺少支撐劑而逐漸閉合，有效改造體積受限[13,22]。鑒于滑溜水和超臨界CO2壓裂液各自的優點，Ribeiro等[15]提出了一種CO2混合壓裂設計方法，即先注入純CO2壓裂液在近井區域形成多條水力裂縫，然后注入攜帶支撐劑的高黏水基壓裂液將裂縫支撐，通過利用CO2的低/超低黏度產生復雜裂縫以及CO2的高壓縮性提高流體返排率和降低地層傷害。此外，CO2前置蓄能壓裂在頁巖油氣開發中應用逐漸增多，已有的研究成果表明，前置CO2可以大幅度提高后續注入滑溜水的增能效果及返排效率[18]。目前針對CO2前置蓄能壓裂的研究主要集中于CO2混相降低原油黏度、增能驅油等提高采收率方面問題，但對于CO2溶解于地層水或滑溜水后的化學溶蝕作用改變巖石性質及其對后續水力裂縫擴展的影響程度和規律認識尚不清楚。

為此，針對四川盆地志留系下統龍馬溪組頁巖露頭，首次開展了地層溫壓條件下壓裂模擬和水巖作用實驗，基于巖樣剖分、CT掃描和聲發射監測等方法，揭示了滑溜水、CO2水溶液（超臨界CO2＋滑溜水）兩種類型流體在不同壓裂方式（直接壓裂、蓄能壓裂）下的破裂壓力、裂縫擴展形態及聲發射響應特征的差異，明確了CO2前置蓄能過程中的CO2化學溶蝕作用對頁巖壓裂裂縫擴展形態及單段（2 h以內）、單井施工周期內（2～168 h）巖石物性（孔滲、力學強度）的影響程度，以期為CO2前置蓄能壓裂技術效果評價提供理論依據。

1 實驗方法

1.1 巖樣制備

實驗所用巖樣取自四川盆地志留系龍馬溪組頁巖露頭。X射線衍射分析表明該頁巖平均礦物組成為：43.3%的石英、8.6%的長石、15.5%的碳酸鹽（其中10.2%的方解石、5.3%的白云石）、30.0%的黏土和2.6%的黃鐵礦。巖樣孔隙度、滲透率（有效圍壓5 MPa）和巖石力學參數測試結果如表1所示。

表1 頁巖孔滲性和巖石力學參數表

利用巖石加工機床將含方解石充填天然裂縫的頁巖露頭切割成80 mm 80 mm 100 mm的長方體，其中層理面平行于80 mm 80 mm橫截面。所有實驗樣品均取自同一塊露頭巖石的鄰近位置，巖石的物性和力學參數相近。原始頁巖中所含天然裂縫主要呈膠結閉合狀態，充填礦物的寬度小于200 μm，抗拉強度介于4.2～6.4 MPa，略低于頁巖基質的抗拉強度。為了增大壓裂液與近井巖石的接觸面積，壓裂段采用直井裸眼完井方式：在垂直層理方向鉆取1個直徑為15 mm、深度為53 mm的孔眼[23]；應用高強度環氧樹脂膠將外徑13 mm、內徑6 mm、長度58 mm的鋼管（模擬井筒）下部固結于孔眼內，并在井底預留10 mm的裸眼段（圖1-a）。為明確實驗前巖樣內部天然裂縫的分布及狀態（開啟或閉合），對備選巖樣開展CT掃描成像，整體巖樣含多條平行的天然裂縫（圖1-b），個別巖樣含有多條相交的天然裂縫（圖1-c）。為消除天然裂縫性質差異對實驗結果的影響，選用的9塊巖樣所包含天然裂縫的寬度約為55 μm，天然裂縫面與井筒軸線的夾角大于70°（即高角度天然裂縫），其中5塊巖樣中天然裂縫與裸眼段連通。

圖1 壓裂巖樣及實驗前橫切裸眼段CT掃描圖像

1.2 實驗儀器及方法

實驗主要采用一套小尺寸真三軸水力壓裂模擬系統[23]，包括三軸巖心室、液壓加載系統、恒速恒壓泵、哈氏合金中間容器、溫度控制系統、數據采集系統及輔助配件等[22]。壓裂實驗過程中，通過DS-5型（最多32通道）聲發射監測系統采集試樣內部破裂信號和解釋水力裂縫形成機制。

實驗主要步驟如下：

1）巖樣放置與聲發射探頭安裝。將巖樣按照層理面垂直于X軸，即井筒軸線沿著X軸放置在巖心室內。在與巖樣3個面接觸的承壓板內均布置3個聲發射探頭[23]，并將數據采集線與聲發射數據采集箱連接。

2）應力加載與巖樣加熱。三向應力通過油壓泵組分別進行加載，沿X軸方向加載垂向應力（σv），分別沿Y、Z軸方向加載最大水平主應力（σH）、最小水平主應力（σh）。根據頁巖地層高角度天然裂縫與地應力方向的關系，設定最大水平主應力與天然裂縫走向的夾角（θ）大于60°（圖1-b）。應用溫度控制系統將巖樣加熱4 h，使巖樣的溫度達到并維持模擬的地層溫度80 ℃。

3）流體配制[18,20,23-24]。實驗過程中需要應用滑溜水和CO2水溶液兩種類型流體。滑溜水（黏度約為2.5 mPa s）采用清水加0.6%的減阻劑配制。為模擬儲層條件（溫度80 ℃，壓力20 MPa）下CO2前置注入后溶解于地層水或后續注入滑溜水的過程，從裝滿滑溜水的哈氏合金中間容器的底部注入超臨界CO2，中間容器入口處放置有密布細小孔眼的篩網，可以將超臨界CO2分散和促使其充分溶解于滑溜水中，即可形成CO2水溶液。在儲層溫度和壓力條件下超臨界CO2在滑溜水中溶解度約為1.0 mol/kg，CO2水溶液的pH值可達3.1[20,23-24]，表明其具有較強酸性，對頁巖中不穩定礦物（如方解石、白云石）具有一定溶蝕作用。

4）流體浸泡預處理與注入。為模擬地層條件下壓裂液對基質和天然裂縫之間的相互作用，部分巖樣在恒定5 MPa條件下（兼顧加載應力條件以防止巖樣破裂）預先應用壓裂液浸泡巖樣裸眼一段時間（模擬蓄能過程）。而后利用恒速恒壓泵以恒定排量將中間容器內混有熒光劑的滑溜水注入到井筒內以壓裂巖樣，同時應用井口壓力傳感器和聲發射監測系統分別記錄整個壓裂過程的壓力變化和聲發射信號。

5）裂縫形態與形成機制解釋[10]。實驗結束后，通過CT掃描成像和巖樣剖分識別巖樣內部裂縫形態，并根據熒光劑分布確定水力裂縫與天然裂縫、層理相交后的擴展行為。解釋聲發射監測數據，定位聲發射事件點的空間分布，并從震源機制上分析巖石破裂及裂縫形成機制（張性、剪切或壓縮等破壞機制）。

1.3 實驗參數設計

由于室內實驗條件的限制，模擬地應力、排量等參數設定主要依據實驗設備性能和相似準則。根據龍馬溪組頁巖儲層實際地應力狀態，模擬正斷層應力機制（σv≥σH＞σh），考慮地層水平應力差為8 MPa，設定三向應力分別為σv=25 MPa，σH=18 MPa和σh=10 MPa。恒定泵注排量為10 mL/min，最大累計泵注液量為100 mL。無因次斷裂韌性κ是衡量能量耗散形式的特征參數[26-27]，可根據κ來確定水力裂縫擴展機制，即

其中

式中Q表示排量，m3/min；KIC表示巖石斷裂韌性，MPa m0.5；μ表示壓裂液黏度，MPa min；E表示巖石楊氏模量（垂直、平行層理方向的均值），MPa；v表示泊松比。

當κ≥4，水力裂縫擴展模式為巖石韌性主導；當κ≤1，水力裂縫擴展模式為黏性主導；當1＜κ＜4，水力裂縫擴展模式屬于過渡模式。當KIC=1.5 MPa m0.5，巖石破裂后10 s內，對于滑溜水壓裂，κ介于1.3～2.1，水力裂縫擴展模式為過渡模式。本次共開展9塊巖樣壓裂模擬實驗，其中巖樣L1-1、L1-3、L2-1和L2-3采用直接壓裂方式，其余巖樣采用蓄能壓裂方式（裸眼段燜井浸泡一段時間后再壓裂）。具體巖樣壓前特征及實驗參數如表2所示。

表2 巖樣壓裂前特征及實驗參數表

2 實驗結果與分析

為明確CO2前置蓄能過程形成的CO2水溶液對后續水力裂縫擴展及巖石物性的影響程度和規律，對典型巖樣實驗結果從壓裂曲線、裂縫形態、聲發射響應特征及巖石孔滲特征和抗拉強度變化等5個方面開展了分析。

2.1 不同壓裂方式下巖石破裂壓力對比

破裂壓力主要與井壁附近巖石（或弱面）的強度、壓裂液性質和完井方式等有關。圖2為滑溜水和CO2水溶液的壓裂曲線和破裂壓力結果。由于天然裂縫的抗張強度低于巖石基質和層理的抗張強度（表1），相比于裸眼段無連通天然裂縫的巖樣，裸眼段與天然裂縫連通的巖樣破裂壓力更低，且巖樣L2-5在CO2水溶液壓裂的破裂壓力最低（圖2-a）。同時，巖樣在兩種類型流體浸泡不同時間（即前期注入流體作用時間）后再壓裂的破裂壓力具有顯著差異，圖2-b，即隨著流體浸泡作用時間增加，井壁巖石力學強度降低，導致破裂壓力逐漸降低。

圖2 滑溜水和CO2水溶液壓裂曲線和破裂壓力圖

2.1.1 裸眼段不與天然裂縫連通

當裸眼段不與天然裂縫連通時，前期注入流體僅與井壁附近巖石基質作用。由圖2-b可知，裸眼段不浸泡流體（作用時間為0 h），直接注入滑溜水（巖樣L1-1）和CO2水溶液（巖樣L2-1）壓裂巖樣的破裂壓力相近，分別為27.9 MPa、27.7 MPa。在裸眼段應用滑溜水（巖樣L1-2）、CO2水溶液（巖樣L2-2）浸泡2 h后，巖石的破裂壓力分別為27.2 MPa、26.8 MPa，略低于裸眼段不浸泡流體時的破裂壓力。巖樣L1-2裸眼段應用滑溜水浸泡后井壁出現了一定程度的“水化”現象[28]，即井壁巖石中的水敏性黏土礦物與水結合發生膨脹，使得井壁巖石（基質）的強度降低。通過對比發現，CO2水溶液在壓裂施工時間（考慮2 h）內對頁巖基質破裂壓力的影響較為微弱，即CO2作為前置液注入到儲層后的化學溶蝕作用對基質破裂的影響可以忽略不計。

2.1.2 裸眼段與天然裂縫連通

當巖樣中天然裂縫與裸眼段連通時，前期注入流體可以與天然裂縫直接作用。實驗結果表明，采用滑溜水（巖樣L1-3）、CO2水溶液（巖樣L2-3）直接壓裂巖樣的破裂壓力仍然接近，分別為26.0 MPa、26.1 MPa（圖2-b）。由于巖樣中所含天然裂縫呈膠結閉合狀態，抗拉強度高（表1），即使裸眼段與天然裂縫連通時水力裂縫也不能沿著天然裂縫起裂。當裸眼段預先浸泡后，與裸眼段連通的天然裂縫對巖石破裂壓力影響顯著，同時滑溜水壓裂與CO2水溶液浸泡后再滑溜水壓裂的破裂壓力差異較大。如巖樣L1-4在滑溜水浸泡2 h后壓裂的破裂壓力為22.3 MPa，明顯低于巖樣L1-3的破裂壓力（26.0 MPa），水力裂縫沿著天然裂縫起裂，說明滑溜水預先浸泡促進了天然裂縫的破裂；巖樣L2-4和L2-5應用CO2水溶液分別浸泡0.5 h、2 h后再滑溜水壓裂，破裂壓力分別為23.2 MPa、14.4 MPa，水力裂縫均沿著天然裂縫起裂，增加CO2水溶液浸泡裸眼段時間對降低破裂壓力效果顯著。因此實驗結果表明，CO2水溶液對頁巖內方解石充填天然裂縫的影響較為顯著，即CO2作為前置液注入到儲層后的化學溶蝕效應在較短時間內（0.5 h）即可促進天然裂縫的破裂。

2.2 典型壓力曲線與聲發射特征

圖3為滑溜水和CO2前置蓄能（CO2水溶液浸泡）兩種壓裂方式對應的典型壓力曲線及聲發射響應,圖中pb為破裂壓力。巖樣L1-3采用滑溜水直接壓裂時，注入壓力曲線具有明顯的破裂壓力特征（為一個26.0 MPa峰值點），對應最大聲發射率為67 s－1（圖3-a）。巖樣破裂前由于微裂隙開啟，注入壓力曲線局部有小幅波動，并伴隨少量聲發射事件（最大為5 s－1）。水力裂縫主要形成階段（約2 s）聲發射事件數量快速增加（圖3-b），有效累計聲發射事件數為97。由圖3-c可知，巖樣L2-5應用CO2水溶液浸泡2 h后壓裂，整體壓力波動幅度較大，巖樣破裂前局部壓力波動幅度達到3.5 MPa，對應較高聲發射率值（最大為16 s－1），說明天然裂縫或層理局部發生開啟。巖樣L2-5破裂時出現2個壓力峰值點（14.3 MPa、14.0 MPa），并對應2個較大聲發射率值，分別為34 s－1和53 s－1。由圖3-d可知，聲發射事件數量迅速增加的時間段約為6 s，對應水力裂縫主要形成階段，有效累計聲發射事件數為224。與巖樣L1-3直接滑溜水壓裂相比，巖樣L2-5壓裂過程中最大聲發射率值較小，但累計聲發射事件數量更多。上述結果表明，通過CO2水溶液浸泡后再滑溜水壓裂（CO2前置蓄能壓裂）有利于裂縫多點起裂，對形成多裂縫或溝通更多天然裂縫具有潛在促進作用。

圖3 壓力、聲發射事件數與時間關系曲線圖

2.3 天然裂縫開啟情況與水力裂縫擴展形態

圖4～6為滑溜水（巖樣L1-1和L1-3）、CO2前置蓄能（巖樣L2-2和L2-5）兩種壓裂的局部天然裂縫開啟情況及整體水力裂縫形態，圖中方解石充填天然裂縫呈白色線，水力裂縫呈黑色跡線。巖樣L1-1主要包含兩條平行的天然裂縫，且不與裸眼段連通，采用滑溜水直接壓裂形成的水力裂縫主要沿著最大水平主應力方向起裂，并直接穿過天然裂縫（圖4-a），裂縫整體形態簡單（巖樣表面裂縫形態見圖5-a，內部裂縫形態見圖6-a）。巖樣L1-3主要包含3條平行的天然裂縫，其中天然裂縫2與裸眼段連通，采用滑溜水壓裂形成的水力裂縫穿過近井的兩條天然裂縫（2和3），同時開啟了遠井的天然裂縫1（圖4-b、c）及巖樣內部的層理，局部裂縫形態復雜（巖樣表面裂縫形態見圖5-b，內部裂縫形態見圖6-b）。由巖樣L1-1和L1-3結果可知，在水平應力差8 MPa、天然裂縫與最大水平主應力方向夾角在60°以上時，滑溜水壓裂裂縫傾向于穿過天然裂縫，與先前學者研究結果一致，即高水平應力差和高逼近角條件下水力裂縫趨于穿過天然裂縫，形成簡單形態裂縫[4?10]。巖樣L2-2和L2-5應用CO2前置蓄能壓裂可以起裂多條水力裂縫和開啟多條天然裂縫和層理，水力裂縫沿天然裂縫擴展、轉向形成復雜裂縫網絡（巖樣表面裂縫形態見圖5-c、d，內部裂縫形態見圖6-c、d）。實驗結果表明，相比于滑溜水，CO2前置蓄能壓裂可以有效提高壓裂裂縫的復雜程度。

圖4 水力裂縫與天然裂縫相交后擴展行為圖

圖5 巖樣表面水力裂縫形態展布圖

圖6 巖樣壓裂后橫切裸眼段CT掃描圖

2.4 裂縫擴展的聲發射特征

為了明確滑溜水直接壓裂和CO2前置蓄能壓裂裂縫擴展機制的差異，對壓裂過程中的聲發射監測結果進行了分析，并將裸眼段附近的聲發射事件與CT掃描成像結果進行對比[10]。室內聲發射監測可以根據接收到破裂信號的探頭中膨脹型初動所占的比例（λ）來判斷巖石破裂的機制[29]：λ＜0.3為張性破裂；0.3≤λ≤0.7為剪切破裂；λ＞0.7為壓縮破裂。圖7和圖8分別為滑溜水、CO2前置蓄能壓裂考慮震源機制的聲發射定位結果。在壓裂實驗過程中，發現不同試樣采用滑溜水和CO2前置蓄能壓裂的均具有較為相近的聲發射特征，為了避免重復論述，本文以巖樣L1-3滑溜水壓裂和巖樣L2-5滑溜水壓裂為例說明不同壓裂方式形成裂縫的聲發射特征。巖樣L1-3在滑溜水直接壓裂時的聲發射事件點主要集中在水力裂縫起裂點附近，沿著最大水平主應力方向有一定程度的離散，整體與水力裂縫擴展路徑一致（圖7），累計聲發射事件數量為97，其中張性破裂、剪切破裂和壓縮破裂聲發射事件數量與總聲發射事件數量的比值分別為53.4%、44.5%和2.1%，以張性破裂為主，對應簡單裂縫形態（圖5-b）。巖樣L2-5應用CO2前置蓄能壓裂產生的聲發射事件點呈彌散分布，沒有明顯的分布走向，這主要是由于裸眼段天然裂縫及基質同時破裂，形成多裂縫并溝通遠井多條天然裂縫和多個層理面（圖5-d），累計聲發射事件數量為224，其中張性破裂、剪切破裂和壓縮破裂聲發射事件數量與總聲發射事件數量的比值分別為33.0%、62.1%和4.9%，以剪切破裂為主，明顯以剪切破裂為主（圖8）。通過對比可知，巖石張性破裂機制主導時對應于簡單水力裂縫擴展形態，而巖石剪切破裂機制主導時水力裂縫擴展形態較為復雜，剪切事件主要產生在開啟的天然裂縫、層理或分支縫附近。

圖7 滑溜水壓裂聲發射監測定位結果圖（巖樣L1-3）

圖8 CO2前置蓄能壓裂聲發射監測定位結果圖（巖樣L2-5）

2.5 巖石物性變化

目前頁巖油氣儲層應用水平井分段多簇壓裂的單井施工時間一般介于10～15天，同時通過較長時間“燜井”方式來達到壓裂前蓄能的目的，因此，前置注入的CO2溶于地層水或滑溜水壓裂液后與頁巖有充足的作用時間。通過在壓后巖樣中鉆取不同類型巖心（包括沿水力裂縫面、開啟天然裂縫面、完整基質及含閉合天然裂縫）開展地層溫度/壓力條件下CO2水溶液—頁巖作用實驗分析[18,20,23-24]，明確在單段（短期2 h以內）、單井（長期2～168 h）施工周期內CO2水溶液接觸巖石的孔滲性和力學強度變化特征。

2.5.1 孔滲變化

圖9為龍馬溪組頁巖在模擬儲層溫度/壓力條件下（80 ℃，20 MPa）應用CO2水溶液浸泡24 h前后孔隙結構的變化情況。浸泡后巖石基質表面出現大量的溶蝕孔隙，最大半徑約20 μm，而天然裂縫的膠結物方解石受到的溶蝕更為明顯，基質與天然裂縫填隙物的邊界輪廓變得更為清晰。浸泡后頁巖基質礦物成分占比發生明顯變化，碳酸鹽巖、長石和黃鐵礦的占比分別降低5.5%、1.6%和0.2%；由于浸泡后樣品總質量降低，石英和黏土礦物的相對含量分別增加0.9%、6.4%。黏土礦物中高嶺石含量增加明顯（由2%增加到7%），其主要原因為長石被CO2水溶液溶蝕生成高嶺石。整體上，實驗所用的龍馬溪組頁巖中易被溶蝕的碳酸鹽礦物含量較高，有利于改善基質孔隙結構，提升孔隙度和滲透率，并且隨著作用時間和溫度的增加，孔滲增大效果更為顯著（圖10）。原始頁巖孔隙度為4.4%，浸泡0.5 h后增加至6.0%，浸泡24 h和168 h后分別增加至6.9%、9.9%；相應地，沿層理方向鉆取頁巖的滲透率為0.23 μD，浸泡0.5 h后增加至0.98 μD，浸泡24 h和168 h后分別增加至 2.98 μD、4.92 μD（圖 10-a）。而含有方解石充填天然裂縫的巖樣滲透率為15.42 μD（溫度80 ℃），浸泡0.5 h后增加至17.2 μD，浸泡24 h和168 h后分別增加至29.7 μD、92.67 μD（圖10-b）。隨著地層溫度的升高，CO2水溶液對方解石充填天然裂縫的溶蝕程度大幅增強，促使天然裂縫的滲透率顯著增大。實驗結果表明，CO2水溶液浸泡較短時間（2 h以內）巖石孔滲性質變化幅度較小，且主要溶蝕裂縫面附近較小范圍的巖石和天然裂縫中充填的鈣質膠結礦物，因而對壓裂效果的影響較小。然而，CO2水溶液浸泡較長時間（168 h）后巖石的孔滲特征增幅較大，且CO2化學溶蝕范圍隨著時間的增加而增大，有利于壓裂后產量的提高。

圖9 CO2水溶液對頁巖基質（巖樣1）和天然裂縫方解石填隙物（巖樣2）溶蝕效果圖

圖10 CO2水溶液對頁巖孔隙度、滲透率的影響圖（有效圍壓5.0 MPa）

2.5.2 巖石力學強度變化

在CO2水溶液的化學溶蝕作用下頁巖抗拉強度將降低（圖11），尤其對層理、天然裂縫等弱面的影響更為明顯。沿平行層理方向加載應力（平行層理方向取心），原始頁巖樣品抗拉強度為6.9 MPa（可視為層理的抗張強度），浸泡0.5 h后抗拉強度降低為6.6 MPa，浸泡24 h和168 h后抗拉強度分別降低至5.8 MPa、3.1 MPa；而含方解石充填天然裂縫的原始巖樣抗拉強度為4.8 MPa（可視為天然裂縫的強度），在浸泡0.5 h和24 h后抗拉強度分別降低至4.2 MPa、3.0 MPa，而浸泡168 h后方解石膠結縫面幾乎斷裂。實驗結果表明，在儲層溫度/壓力條件下，方解石充填的天然裂縫在CO2水溶液浸泡短時間內（0.5 h）即可受到強烈溶蝕，滲透率大幅度提高、力學強度顯著降低，更容易被后續注入滑溜水激活（圖4-d）。相比于中淺層的頁巖油氣儲層，深層頁巖油氣儲層的溫度更高，更有利于CO2水溶液對層理、天然裂縫的激活和縫面不均勻溶蝕。

圖11 CO2水溶液對頁巖抗拉強度的影響

CO2水溶液浸泡后，頁巖中層理和天然裂縫的抗張強度也顯著降低，導致起裂壓力降低（圖2-b）?，F場單井壓裂施工持續時間較短，壓裂過程中頁巖層理和天然裂縫的抗張強度降低幅度較小，CO2水溶液降低巖石強度的幅度和范圍有限，因而對壓裂效果的影響較小。然而，燜井較長時間（如一周）后，頁巖中層理和天然裂縫的抗張強度降低幅度和CO2化學溶蝕范圍增大，層理和天然裂縫等弱面強度降低對后續（重復）壓裂效果的影響較大。

通過開展儲層溫度/壓力條件下的CO2水溶液—頁巖作用實驗可知，在單段壓裂時間（約2 h）內CO2水溶液對頁巖基質、天然裂縫中充填的鈣質膠結物即可產生強烈溶蝕，使得巖石滲透率增大和巖石力學強度降低。這是CO2水溶液浸泡裸眼段后再注入滑溜水易促使閉合的天然裂縫開啟的主要原因，進而提升了水力裂縫的復雜性。而在壓裂液返排之前的長時間內（實驗考慮時間2～168 h），巖石基質、天然裂縫中的鈣質充填礦物被更充分地溶蝕，對于提升與CO2水溶液接觸巖石的孔滲有重要意義。

3 討論與建議

當前頁巖油氣儲層壓裂主要應用滑溜水壓裂液體系，期望溝通更多天然裂縫，形成具有充足導流能力的復雜裂縫網絡，但通常高強度閉合天然裂縫不易被開啟，同時由于支撐劑運移能力有限，致使水力裂縫復雜性和導流能力不足，整體經濟產能和采收率較低。為此，超臨界CO2輔助壓裂技術在非常規油氣開發中應用逐漸增多，其中超臨界CO2混相降黏、驅替效率和控壓返排效果成為關注的熱點問題，而筆者聚焦的問題是超臨界CO2前置蓄能壓裂過程中的化學效應，即超臨界CO2溶于地層水或滑溜水壓裂液形成CO2水溶液對后續壓裂裂縫擴展、縫面附近巖石物性的潛在影響，創新性地在儲層溫壓條件下開展了頁巖真三軸壓裂物理模擬實驗。但由于巖樣尺寸等實驗條件的限制，完全真實地模擬超臨界CO2前置蓄能壓裂的物理過程難以實現。因此，實驗過程中CO2水溶液與巖石充分接觸僅在裸眼段起裂階段，以說明現場開始注入超臨界CO2到注入滑溜水前這一段時間內的問題。筆者前期研究發現，在壓力和CO2濃度較高的區域，可以生成大量的溶蝕孔隙（1～50 μm），甚至開啟一些層理面，從而顯著增大了致密巖石的孔隙度和滲透率；然而，距離裂縫較遠區域的流體壓力和CO2濃度較低，CO2水溶液對巖石的化學溶蝕程度有限，孔隙增大的幅度有限[20]?；锼?、超臨界CO2的注入順序、排量以及CO2與滑溜水比例對水力裂縫起裂、延伸形態的影響尚不清楚，即“超臨界CO2＋滑溜水”“滑溜水（或其他高黏壓裂液）＋超臨界CO2＋滑溜水”的注入模式和施工參數有待優化。為了全面評價超臨界CO2前置蓄能壓裂效果，除了要考慮上述問題，還需要考慮決定CO2水溶液對巖石破裂和物性作用程度的諸多因素[18,20,23-24]，包括儲層溫度、壓力、巖性、孔滲特征及地層水礦化度等。整體上，筆者從室內實驗角度探索研究了超臨界CO2前置蓄能壓裂技術的一個潛在問題，并未涉及CO2氣源、成本、設備、管柱腐蝕、返排環保等現場實際問題。

目前，礦場普遍應用井工廠開發頁巖氣，甚至采用大型叢式井組（一個平臺多達20口井）開發，達到降低鉆井和壓裂成本的目的。在這些井工廠或者大型叢式井組壓裂時，建議先采用高黏度壓裂液促進人工裂縫穿層擴展[30]，再用液態CO2依次在每一口井近井區域產生復雜裂縫，然后燜井一段時間，利用CO2的化學溶蝕作用降低地層中原始層理和天然裂縫的強度；當所有井均采用CO2壓裂后，依次向每一口井大排量泵注滑溜水，以擴充和延伸CO2壓裂形成的裂縫、激活強度降低的層理和天然裂縫，并攜帶支撐劑將裂縫支撐。在同一個平臺上采用以上方法依次壓裂多口井可以節省大量的時間、人力和設備成本，并充分利用CO2的化學和物理作用形成復雜裂縫。盡管在現場應用前置CO2蓄能壓裂之前仍有許多挑戰需要克服，但它為提高致密油氣資源的采收率提供了一種潛在且有效的方法。

4 結論

1）由于天然裂縫的抗張強度低于巖石基質和層理的抗張強度，相比于裸眼段無連通天然裂縫的巖樣，裸眼段與天然裂縫連通的巖樣破裂壓力更低。CO2水溶液浸泡后，裸眼段頁巖基質力學強度降低，導致破裂壓力降低。當裸眼段連通方解石充填的天然裂縫時，CO2水溶液浸泡后，破裂壓力降低幅度更顯著。

2）超臨界CO2前置蓄能壓裂過程中超臨界CO2溶于地層水或滑溜水后直接壓裂（施工前期）同單純滑溜水直接壓裂效果相近。隨著施工時間和地層溫度的增加，CO2前置蓄能壓裂過程中形成的CO2水溶液對頁巖中的方解石礦物溶蝕作用逐漸增強，且在較短時間內（0.5 h）即可發生顯著溶蝕。在CO2水溶液作用一段時間后，滑溜水壓裂更易促進天然裂縫開啟，縫面的剪切錯位和不均衡溶蝕，對于提高水力裂縫的滲透率或導流能力有重要意義。

3）CO2前置蓄能壓裂前期形成的CO2水溶液既有助于提高水力壓裂裂縫的復雜程度，又可改善儲層物性，即超臨界CO2前置蓄能壓裂的化學效應不容忽視。結合非常規油氣壓裂—增能—提高采收率的一體化發展趨勢，超臨界CO2前置蓄能壓裂技術具有較廣闊的應用前景。