超臨界二氧化碳對致密砂巖力學(xué)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(xué)(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(shù)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(chǎn)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(fā)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(fā)有利于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。致密砂巖氣藏具有低滲透率、低孔隙度的特點，常規(guī)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(chǎn)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(wǎng)形態(tài)上的優(yōu)勢，就必須研究其對砂巖性質(zhì)的改造。

國內(nèi)外學(xué)者針對二氧化碳對巖石力學(xué)性質(zhì)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(fā)現(xiàn)溶蝕主要發(fā)生在砂巖低能位和晶格缺陷位置，形成次生孔隙，同時產(chǎn)生水鋁礦和黏土礦物的次生沉淀物。Oikawa等[4]實驗測試發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)二氧化碳溶蝕導(dǎo)致原生孔隙擴大并產(chǎn)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(fù)雜；朱子涵等[6]發(fā)現(xiàn)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(fā)射響應(yīng)情況，結(jié)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(yīng)用于蘇里格氣田取得了增產(chǎn)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(xué)性質(zhì)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(xué)實驗研究是將超臨界二氧化碳浸泡與巖石力學(xué)性質(zhì)測試分離進行，難以避免溫壓變化會對巖石力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)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(xué)性質(zhì)測試實驗，對比多種不同流體和溫壓條件下巖石力學(xué)參數(shù)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(xué)參數(shù)的影響，以期為超臨界二氧化碳壓裂設(shè)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(nèi)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(shù)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(tài)壓力1 000 kN，最大軸向動態(tài)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(xué)參數(shù)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(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、滲透率以及P波和S波的波速等各種實驗參數(shù)。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(shè)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(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的影響。實驗采用應(yīng)力加載模式，每次手動加載0.5 MPa，具體實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

注：括號代表使用前述巖心編號實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果及影響因素分析

2.1 實驗結(jié)果

實驗前后巖心裂縫形態(tài)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(xiàn)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(xiàn)劈裂破壞，并且呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)劈裂破壞，裂紋不太規(guī)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(xiàn)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(xiàn)了1條貫穿的裂縫；巖心3-2實驗后出現(xiàn)了一條與端面呈大約60°角的破裂面；巖心3-3實驗后出現(xiàn)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(guī)律基本一致。

圖3展示了第1組實驗砂巖巖心的應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線可以求得巖心的強度參數(shù)(其余3組實驗有類似的曲線關(guān)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(yīng)變曲線變化趨勢表明，隨著載荷逐漸增加，巖樣經(jīng)歷了硬化—線彈性形變—非線性形變—破壞的過程；由軸向應(yīng)力與體積應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，隨著載荷的繼續(xù)增加，巖樣體積開始增加，出現(xiàn)“容脹”現(xiàn)象。根據(jù)徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)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(shù)計算公式為

IB=B1+B2

(2)

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

2.2 飽和流體對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

基于本文實驗結(jié)果以及前人的實驗結(jié)果[4-6,10-14]可知，飽和流體的差異會對砂巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)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(nèi)部產(chǎn)生一定量的微孔隙、微裂縫，破壞巖石結(jié)構(gòu)，從而降低包括抗壓強度、楊氏模量在內(nèi)的力學(xué)參數(shù)，而泊松比和脆性指數(shù)會增加。流體對巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)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(jīng)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(huán)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(huán)境下，巖樣抗壓強度都會降低，而且在超臨界二氧化碳環(huán)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(huán)境下，其脆性指數(shù)都會增加，而且在超臨界二氧化碳環(huán)境下脆性指數(shù)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(yīng)力應(yīng)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(shù)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(xué)性質(zhì)的影響

表3 受溫度影響的巖石力學(xué)參數(shù)

溫度對超臨界二氧化碳下巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)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(shù)，但溫度繼續(xù)升高時脆性指數(shù)的降低幅度會變小。

2.4 圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

圍壓對巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)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(nèi)；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??；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(shù)先稍有減小，然后大幅降低。

表4 受圍壓影響的巖石力學(xué)參數(shù)

2.5 孔壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

孔壓對巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)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(shù)隨之減小。

表5 受孔壓影響的巖石力學(xué)參數(shù)

3 現(xiàn)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(jù)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(qū)地層閉合壓力梯度約為0.014 5 MPa/m)，比常規(guī)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(guī)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(yīng)力值，這與本文實驗結(jié)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(jié)論

基于高溫高壓三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)，開展了超臨界二氧化碳對致密砂巖力學(xué)性質(zhì)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(shù)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(shù)減??；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(shù)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(shù)減小，泊松比增大。