超臨界CO2 壓裂誘導(dǎo)裂縫機(jī)理研究綜述

周大偉，張廣清

中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

0 前言

隨著世界范圍內(nèi)溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重，預(yù)計(jì)在2050至2055 年之間全球CO2總排放量會(huì)超過(guò)臨界值3.67萬(wàn)億噸，使全球平均溫度上升約2 ℃，嚴(yán)重威脅全球氣候[1]。目前，人類除了開發(fā)新能源(太陽(yáng)能、核能、生物能等)和清潔能源(天然氣、地?zé)岬?降低CO2排放量外，還采用CO2埋存(CCS)、CO2驅(qū)油(CO2-EOR)、CO2壓裂和CO2增強(qiáng)型地?zé)衢_采(CO2-EGS)等措施降低大氣中CO2含量?？紤]到水力壓裂技術(shù)存在產(chǎn)量遞減快和環(huán)境污染等問(wèn)題，CO2壓裂以其無(wú)水項(xiàng)、無(wú)殘留等特點(diǎn)，成為目前主要的商業(yè)化無(wú)水壓裂技術(shù)。CO2壓裂具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約水資源、提高油氣產(chǎn)量、埋存CO2的優(yōu)點(diǎn)，在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層(頁(yè)巖氣[2]、頁(yè)巖油[3]、煤層氣[4]等)增產(chǎn)開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

CO2壓裂技術(shù)是以CO2作為壓裂液添加劑或攜砂液的壓裂增產(chǎn)工藝，可分為CO2增能壓裂、CO2泡沫壓裂和液態(tài)(L-)或超臨界態(tài)CO2(SC-CO2)壓裂[2]。CO2干法壓裂技術(shù)是采用100%的低溫L-CO2(P=1.406 MPa，T=-34.4 ℃)混合支撐劑進(jìn)行壓裂的工藝方法，CO2以液態(tài)形式進(jìn)入儲(chǔ)層[5]。1981年L-CO2加砂壓裂概念首先被提出，并成功應(yīng)用于加拿大Glauconite砂巖油藏壓裂增產(chǎn)，儲(chǔ)層無(wú)傷害且明顯提高油氣產(chǎn)量[6]。從2005 年開始，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)慶油田、中原油田、吉林油田和延長(zhǎng)油田針對(duì)儲(chǔ)層的壓力低、水敏嚴(yán)重、用水量大、壓裂液返排慢等問(wèn)題，相繼開展液態(tài)CO2壓裂，取得良好增產(chǎn)效果[2,7-13]。相對(duì)于L-CO2，SC-CO2的密度接近液體、黏度接近氣體、擴(kuò)散系數(shù)比液體大、具有很強(qiáng)的溶劑化能力和良好的傳質(zhì)等物理特性。SC-CO2破巖最早應(yīng)用于鉆井提速，發(fā)現(xiàn)SC-CO2射流破巖的門限壓力比水射流低50%以上[14]。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)SC-CO2造縫能力要遠(yuǎn)大于L-CO2，具有很好的壓裂應(yīng)用前景[15]。L-CO2壓裂由于只有部分階段CO2轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展，沒(méi)有充分發(fā)揮SC-CO2的造縫能力。SC-CO2壓裂技術(shù)采用的CO2初始溫度較高，確保CO2在井筒內(nèi)完全轉(zhuǎn)化為超臨界狀態(tài)(例如：排量為2 m3/min，井口加熱CO2到-10 ℃，達(dá)到2000 m的井底時(shí)其溫度約為35 ℃[5])，最終CO2以超臨界狀態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)層。因此，SC-CO2壓裂的縫內(nèi)CO2始終以超臨界態(tài)形式驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展。

2010 年以后，隨著水平井體積壓裂技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)油氣(頁(yè)巖油氣、超低滲致密砂巖等)資源得到商業(yè)化開發(fā)，學(xué)者開始論證SC-CO2壓裂技術(shù)改造非常規(guī)油氣資源的可行性。2012 年以后，大量學(xué)者通過(guò)開展不同的巖性(頁(yè)巖、致密砂巖、人工試件)、儲(chǔ)層條件(應(yīng)力狀態(tài)、溫度)、施工條件(排量)下室內(nèi)SCCO2壓裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)比水基、油基及其它氣體(He,N2等)的壓裂效果，發(fā)現(xiàn)SC-CO2壓裂具有破裂壓力低、易于形成多裂縫且裂縫迂曲等特點(diǎn)[16-18]。基于室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)者分別采用有限元(FEM)[19-20]和離散元(UDEC)[21]等數(shù)值方法對(duì)比研究CO2與其它流體壓裂的異同。同時(shí)，學(xué)者建立相應(yīng)的計(jì)算模型研究表面張力[22]、流體壓縮性[23]、熱應(yīng)力[24]等對(duì)CO2誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的影響。目前，已有綜述類文章[2,5,8,15,25-32]分析CO2壓裂的優(yōu)缺點(diǎn)，論證其改造非常規(guī)儲(chǔ)層的可行性，并指出CO2壓裂適合改造滲透率低和地應(yīng)力差大的裂縫性非常規(guī)儲(chǔ)層。

截止目前，水基壓裂液仍作為非常規(guī)儲(chǔ)層改造的主要壓裂液介質(zhì)，存在傷害儲(chǔ)層、污染地下水、返排液處理難度大、用水量巨大等缺點(diǎn)[33-35]。CO2壓裂由于施工工藝和成本原因，并未大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，尤其是SC-CO2壓裂對(duì)設(shè)備要求更為苛刻，其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用難度更大。SC-CO2壓裂研究主要集中于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論研究?jī)煞矫?，探究SC-CO2壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理。本文從SC-CO2壓裂機(jī)理研究角度出發(fā)開展4 方面的論述：(1)SC-CO2壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法；(2)SC-CO2壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展特征；(3)SC-CO2誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展機(jī)理；(4)SC-CO2壓裂機(jī)理研究存在的問(wèn)題及建議。

1 SC-CO2 壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法

如圖1 所示，非常規(guī)油氣儲(chǔ)層埋深一般為2000～7000 m[36]，其溫度、壓力均已超過(guò)CO2的臨界條件(P=7.38 MPa,T=31.1 ℃)，因此CO2壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M需達(dá)到超臨界狀態(tài)條件。

目前，室內(nèi)SC-CO2壓裂模擬一般采用常規(guī)水力壓裂加載裝置[38]，將水基壓裂液注入系統(tǒng)改為CO2注入系統(tǒng)，并在注入端位置增添加熱裝置(圖2)。CO2首先進(jìn)入冷卻裝置完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)，從而降低其壓縮系數(shù)，提高CO2泵增壓效率，增壓至臨界壓力(P=7.38 MPa)以上。然后L-CO2流經(jīng)加熱裝置，加熱到臨界溫度(T=31.1 ℃)以上，最終CO2以超臨界狀態(tài)進(jìn)入試件[39-40]。為了模擬儲(chǔ)層應(yīng)力和溫度條件，圍壓腔可提供孔壓和溫度，扁千斤可施加三向地應(yīng)力。

圖1 儲(chǔ)層條件下SC-CO2 相態(tài)分布圖(綠色部分)(取儲(chǔ)層深度為2～7 km[36],地表平均溫度為15 ℃，地溫梯度為15～30 ℃/km，地層壓力梯度為1 MPa/km[37])Fig. 1 The distribution of CO2 phase diagram under the reservoir conditions characterized with green part (the depth of reservoir is 2～7 km,the surface temperature is 15 ℃,the geothermal gradient is 15～30 ℃/km,and the formation pressure gradient is 1 MPa/km[37])

2 SC-CO2 誘導(dǎo)裂縫起裂與擴(kuò)展特征

為了增大儲(chǔ)層的改造體積(SRV)，人們不斷嘗試新的壓裂方法。常規(guī)水力壓裂往往形成單一裂縫(圖3(a))，其改造效果有限；爆炸壓裂產(chǎn)生的高應(yīng)力、高加載速率導(dǎo)致近井地帶形成塑性壓實(shí)區(qū)，裂縫擴(kuò)展距離有限，降低了巖石的滲透率(圖3(b))[41]；高能氣體壓裂利用推進(jìn)劑或火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體作用在井壁巖石上，進(jìn)而產(chǎn)生多裂縫，但是由于其現(xiàn)場(chǎng)可操作性和安全性問(wèn)題，并未得到推廣(圖3(c))[9,42])；氣體壓裂(CO2、N2等)容易溝通天然裂縫[31]，增大儲(chǔ)層的SRV[43](圖3(d))，其中CO2壓裂現(xiàn)場(chǎng)操作可行性高且增產(chǎn)效果明顯，因此得到了廣泛關(guān)注。

目前，室內(nèi)SC-CO2壓裂模擬試件類型包括兩類：圓柱和立方體。圓柱試件可施加兩向偏應(yīng)力(σ1＞ σ2= σ3)，往往以裸眼方式起裂；立方體試件可施加三向應(yīng)力(σ1＞ σ2＞ σ3)，以裸眼和射孔(割縫)方式起裂。壓裂模擬試件主要有天然露頭(花崗巖、頁(yè)巖、致密砂巖、煤巖等)和類巖石材料(人工水泥試件、有機(jī)玻璃(PMMA))。目前SC-CO2壓裂實(shí)驗(yàn)最高溫度達(dá)300 ℃[44]，最大施加應(yīng)力達(dá)52.5 MPa[45]。如表1 所示，本文總結(jié)了已有不同相態(tài)CO2壓裂實(shí)驗(yàn)的試件類型及尺寸、實(shí)驗(yàn)條件、研究方法和結(jié)論，通過(guò)分析注入壓力、宏觀/微觀裂縫形態(tài)、井底或縫內(nèi)溫度、聲發(fā)射及聲波特征等數(shù)據(jù)，研究CO2誘導(dǎo)裂縫起裂及擴(kuò)展特征，并分析其形成機(jī)理。

圖3 (a)水力壓裂;(b)爆炸壓裂;(c)高能氣體壓裂和(d)氣體壓裂形成的裂縫形態(tài)對(duì)比((a),(b),(c)修改自Safari et al.[41])Fig. 3 Comparison of fracture patterns form a variety of techniques (a) hydraulic (b) explosive (c) high energy and (d) gas fracturing ((a),(b),(c) modified from Safari et al.[41])

表1 目前CO2 壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)Table 1 A review of CO2 fracturing

壓裂改造效果受到地質(zhì)(地應(yīng)力狀態(tài)、儲(chǔ)層巖石性質(zhì)等)和工程(完井及射孔方式、壓裂液類型及排量)因素影響[59]，其中破裂壓力和裂縫形態(tài)可表征各因素的影響規(guī)律。隨著壓裂液黏度的降低(vH2O＞vL-CO2＞vSC-CO2)，破裂壓力急劇降低(圖4(a))，易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)(圖4 (b))。

續(xù)表

目前，學(xué)者主要從SC-CO2的黏度等物性特征研究裂縫擴(kuò)展特征與力學(xué)機(jī)理，主要認(rèn)識(shí)有：(1)SCCO2的破裂壓力均比水、L-CO2、油以及其它氣體(N2、He等)的低，最大降幅達(dá)50%以上；(2)SC-CO2容易形成分支裂縫、多裂縫以及迂曲裂縫，且裂縫面粗糙、縫寬?。?3)有效應(yīng)力、熱應(yīng)力、表面張力等是控制裂縫擴(kuò)展的主要力學(xué)因素。

圖4 (a) 頁(yè)巖SC-CO2，L-CO2 和水基壓裂液的破裂壓力比較[17]和 (b)人工水泥試件[39]、頁(yè)巖[17]裂縫形態(tài)Fig. 4 (a) The comparison of breakdown pressure using SC-CO2,L-CO2 and waterof shale[17] and (b) SC-CO2 induced fractures of cement specimen[39] and shale[17]

圖5 SC-CO2 壓裂中熱(T)-流(H)-力(M)-化(C)耦合過(guò)程(實(shí)線表示強(qiáng)耦合，虛線為弱耦合)Fig. 5 Coupled thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes in the SC-CO2 fracturing. The solid line is the strong coupling and the dashed line is the weak coupling

3 SC-CO2 誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展機(jī)理

SC-CO2的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，使其與儲(chǔ)層巖石—流體之間THMC耦合作用強(qiáng)烈，如圖5 所示。以下將分別敘述SC-CO2流體誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的4 個(gè)機(jī)理：(1)熱應(yīng)力和孔壓降低有效應(yīng)力及誘發(fā)剪切破壞(THM)；(2)零表面張力降低裂縫擴(kuò)展所需縫內(nèi)凈壓力(HM)；(3)吸附降低裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力(C-M)；(4)局部相變促進(jìn)裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展(HT-M)。其中(1)和(4)為SCCO2誘導(dǎo)應(yīng)力，(2)和(3)為SC-CO2弱化斷裂性質(zhì)。

3.1 熱應(yīng)力和孔壓降低有效應(yīng)力及誘發(fā)剪切破壞

裂縫內(nèi)低溫CO2和儲(chǔ)層巖石之間溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，降低了裂縫面上的有效正應(yīng)力，有助于裂縫起裂與擴(kuò)展，例如在CO2開采Salah頁(yè)巖氣時(shí)井底CO2與儲(chǔ)層溫差達(dá)40 ℃，使破裂壓力降低了1.5～5 MPa[60]。如圖6 所示，孔彈性條件下，孔隙壓力作用效果類似于熱應(yīng)力，裂縫周圍壓裂液濾失形成的孔隙壓力場(chǎng)大于熱應(yīng)力場(chǎng)，垂直和平行于裂縫方向的熱應(yīng)力ΔσhT，ΔσHT分別為[61]：

圖6 流體誘導(dǎo)裂縫周圍熱應(yīng)力場(chǎng)和孔隙壓力場(chǎng)分布，r為裂縫半長(zhǎng)，m,n分別為冷卻區(qū)長(zhǎng)半軸和短半軸長(zhǎng)度(修改自Perkins和Gonzalez[61])Fig. 6 The distribution of thermal stress and pore pressure around the fluid-driven fracture,r is the half fracture length;m and n are major and minor semiaxis of the elliptical cool region (modified from Perkins and Gonzalez[61])

圖7 (a) SC-CO2 在主裂縫周圍產(chǎn)生分支裂縫[18]；(b)L-CO2 誘導(dǎo)剪切破壞溝通天然裂縫[54]Fig. 7 (a) Branching fractures are induced by SC-CO2 around main fracture[18] and (b) the natural fracture connection is created by the shear failure in L-CO2 fracturing[54]

式中：αT為熱膨脹系數(shù)，℃-1；E為彈性模量，MPa；ΔT為溫度變化量，℃；v為泊松比，無(wú)量綱。

由公式(1a)和(1b)可知，隨著裂縫的擴(kuò)展(即n/m減小)[62]，CO2引起儲(chǔ)層巖石的熱應(yīng)力ΔσHT遞減速度大于ΔσhT，導(dǎo)致水平有效應(yīng)力≥，即初始水平應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而形成垂直于初始裂縫的分支裂縫(圖7(a))，該分支裂縫主要以拉伸破壞為主。

SC-CO2的黏度遠(yuǎn)低于水(例如，當(dāng)P=30 MPa，T=60 ℃時(shí)，vSC-CO2=1/6vH2O)，使其易于進(jìn)入天然裂縫或巖石顆粒邊界，從而張開和錯(cuò)動(dòng)不連續(xù)面[29,47,54,63]。Chen[46]研究SC-CO2壓裂花崗巖微觀裂縫和AE震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)顆粒邊界處存在明顯剪切破壞。2017 年日本學(xué)者[48]開展現(xiàn)場(chǎng)SC-CO2壓裂花崗巖實(shí)驗(yàn)，AE監(jiān)測(cè)表明誘導(dǎo)裂縫易于沿著天然節(jié)理擴(kuò)展。Deng[54]通過(guò)頁(yè)巖和煤巖的L-CO2和水力壓裂實(shí)驗(yàn)，指出高應(yīng)力差條件下L-CO2容易激活天然裂縫發(fā)生剪切破壞，在天然裂縫尖端形成馬尾狀裂縫[64]，進(jìn)而貫通鄰近裂縫(圖7(b))。SC-CO2低黏度和初始應(yīng)力差是影響裂縫性儲(chǔ)層改造的關(guān)鍵因素，SC-CO2通過(guò)濾失作用改變天然裂縫內(nèi)部流體壓力分布，初始應(yīng)力差決定了天然裂縫發(fā)生剪切破壞的動(dòng)力大小，兩者共同作用激活天然裂縫。

剪切破壞不僅能增大非常規(guī)油氣[65]和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)[66]的儲(chǔ)層改造體積，而且還能大幅度提高裂縫的導(dǎo)流能力[67]。根據(jù)不同的地質(zhì)和工程條件，水力壓裂過(guò)程中存在拉伸(I型)、剪切(II型)以及拉伸—剪切(I-II型)混合破壞。對(duì)于均勻連續(xù)介質(zhì)儲(chǔ)層的水力壓裂來(lái)說(shuō)，人工裂縫以I型破壞為主，裂縫的張開位移Dn隨著油氣生產(chǎn)逐漸減小甚至完全閉合，導(dǎo)致裂縫的導(dǎo)流能力急劇降低(圖8(a))；對(duì)于裂縫性儲(chǔ)層的水力壓裂來(lái)說(shuō)，當(dāng)縫內(nèi)壓力不足以張開天然裂縫時(shí)，天然裂縫以II型破壞為主，形成剪切位移Ds(圖8(b))，當(dāng)縫內(nèi)壓力增大時(shí)，天然裂縫以I-II混合型破壞為主，產(chǎn)生張開位移Dn和剪切位移Ds(圖8(c))，導(dǎo)致裂縫自支撐且具有高導(dǎo)流能力[43,68]。

3.2 零表面張力降低裂縫擴(kuò)展所需縫內(nèi)凈壓力

壓裂液類型及狀態(tài)是影響裂縫擴(kuò)展的重要因素，其中流體表面張力決定了壓裂液能否進(jìn)入微裂縫尖端，從而促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展。對(duì)于非常規(guī)致密儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，不可忽略毛管力對(duì)巖石基質(zhì)和裂縫中流體流動(dòng)的影響[69-70]。臨界侵入壓力Pc為流體克服毛管力進(jìn)入巖石孔隙所需的壓力[22,71]，可由半經(jīng)驗(yàn)Leveret方程J求解[72]：

式中：k為滲透率，μm2；?為孔隙度，無(wú)量綱；σs為壓裂液與儲(chǔ)層流體之間的表面張力，MPa；對(duì)于特定的巖石，J、k、?均為已知常數(shù)，Pc與流體表面張力σs呈正比關(guān)系。

如圖9 所示，壓裂液前緣與裂縫尖端之間存在干燥區(qū)域稱為壓裂液滯后(fluid lag)[73-74]。當(dāng)硬幣狀水力裂縫準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展時(shí)，考慮壓裂液滯后影響的裂縫起裂條件[75]：

圖8 水力壓裂形成的(a)拉伸破壞(I型)、(b)剪切破壞(II型)以及(c)拉伸-剪切混合破壞(I-II型)示意圖Fig. 8 The induced fracture in the form of (a) tensile failure (mode I),(b) shear failure (mode II) and (c) tensile-shear failure(mixed mode I-II)

式中：KIC為斷裂韌性，Pf為縫內(nèi)壓力，MPa；σn為裂縫面上的正應(yīng)力，MPa；r為裂縫半徑，m；λ為滯后區(qū)域長(zhǎng)度，m。

SC-CO2的表面張力為零，遠(yuǎn)小于水和L-CO2的表面張力(σs,H2O=50～70 mN/m，σs,L-CO2=40～72 mN/m[76])。由公式(2)，SC-CO2的臨界侵入壓力為0，因此SCCO2在泵壓的作用下能進(jìn)入任何大于CO2分子直徑的微裂縫尖端(圖10)。此時(shí)，SC-CO2縫內(nèi)壓力作用長(zhǎng)度為r(λ→0)，即KIC后一項(xiàng)等于零(公式(3))，因此裂縫僅需較小的SC-CO2縫內(nèi)壓力就能延伸。而水基壓裂液只能進(jìn)入大尺度裂縫(圖10)，其縫內(nèi)壓力作用長(zhǎng)度為r-λ，作用距離短，不利于激活微裂縫。另外，由于SC-CO2可與儲(chǔ)層中油水互溶，使得兩相界面消失，從而削弱了毛管力的影響，在裂縫尖端形成連續(xù)壓力降(DPD)[70]，同樣也可降低SC-CO2誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展所需的縫內(nèi)凈壓力，兩者共同作用有利于微裂紋的起裂。

3.3 吸附降低裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力

目前，學(xué)者研究主要集中于CO2提高油氣采收率(CO2-EOR)[3]、CO2提高煤層氣采收率(CO2-ECBM)[78]、CO2增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(CO2-EGS)[77,79]及CO2地質(zhì)埋存[80]過(guò)程中CO2對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響。CO2吸附降低煤巖微裂紋表面能，引起煤巖基質(zhì)膨脹，導(dǎo)致局部損傷[81]。SC-CO2作用下煤巖單軸強(qiáng)度和彈性模量要比氣態(tài)CO2作用下的小26%和38%，且其降低量與CO2吸附量之間存在Langmuir關(guān)系，即隨著CO2壓力的增大其降低速率逐漸減小[78,82]。SC-CO2作用可降低砂巖的摩擦系數(shù)、斷裂能和黏聚力，導(dǎo)致其壓縮強(qiáng)度和起裂應(yīng)力分別降低18.82%和21.21%[83]。因此，CO2與巖石之間的化學(xué)—力學(xué)耦合作用可弱化力學(xué)性質(zhì)。

水力裂縫擴(kuò)展是巖石斷裂力學(xué)問(wèn)題，裂縫擴(kuò)展的必要條件是縫內(nèi)壓力克服縫尖的斷裂韌性。Griffith[84]根據(jù)經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)平衡理論提出表面能γ概念，即裂縫在拉應(yīng)力作用下穩(wěn)定擴(kuò)展所需要的功U：

式中：A為新裂縫單側(cè)面積，m2。

Gibbs吸附方程[85]描述了物質(zhì)表面由于吸附某一活性物質(zhì)而導(dǎo)致表面能的變化dγ：

式中：Гi為吸附質(zhì)i的吸附濃度，mg/g；dμi為吸附質(zhì)i的化學(xué)勢(shì)能變化量，J/mol。

圖10 巖體中SC-CO2 和水流動(dòng)示意圖[77]Fig. 10 The sketch of SC-CO2 and water flow in rock[77]

圖11 SC-CO2 飽和處理煤巖前后微裂紋分布[88]Fig. 11 The micro-fracture distribution before and after SC-CO2 saturation[88]

Griffith[84]給出了臨界應(yīng)力改變量Δσf和表面能變化量dγ之間的關(guān)系：

氣體吸附性能與其分子量、分子直徑、單層多層吸附形態(tài)等因素相關(guān)，且研究表明CO2的吸附能力大于CH4[86]。氣體吸附在巖石微裂隙表面，降低其表面能，此現(xiàn)象被稱為“Rehbindereffect”[87]。吸附導(dǎo)致巖石顆粒間作用力減小或位能降低(粒子間距增大)，隨著顆粒間距增大(位能減小到一定程度)裂縫無(wú)法愈合。CO2吸附在未完全斷裂的裂隙上，降低固體表面能dγ(公式(5))，從而降低巖石失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Δσf(公式(6))，進(jìn)而降低外力功(公式(4))。低有效應(yīng)力條件下，CO2吸附引起煤巖延伸已有微裂紋或產(chǎn)生平行于層理的新裂縫(圖11)，導(dǎo)致煤巖基質(zhì)不均勻膨脹[88]。由此可見，對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高和裂縫發(fā)育的油氣儲(chǔ)層，SC-CO2壓裂或悶井過(guò)程中儲(chǔ)層有效應(yīng)力減小，CO2吸附雖然不會(huì)直接誘導(dǎo)新裂縫，但是會(huì)促使新裂縫形成。

3.4 局部相變促進(jìn)裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展

目前非常規(guī)油氣的CO2壓裂技術(shù)和煤層氣CO2相變致裂增透技術(shù)逐漸得到工業(yè)界的關(guān)注。Zhou[40]通過(guò)PMMA的壓裂實(shí)驗(yàn)觀察到SC-CO2具有明顯的相變，且發(fā)生裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。CO2相態(tài)由溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)決定，井底破裂時(shí)溫度急劇降低，井底CO2發(fā)生超臨界態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的相態(tài)變化[18](圖12(a))。Yan[89]將SC-CO2壓裂淺層煤巖分為SC-CO2泵入造縫階段和停泵后相變?cè)炜p階段，停泵后井筒及裂縫內(nèi)壓力降低至臨界壓力以下，CO2發(fā)生超臨界到氣態(tài)的相變，此時(shí)CO2迅速膨脹形成沖擊載荷進(jìn)一步延伸裂縫(圖12(b))。

不同于淺層煤層氣的CO2相變致裂技術(shù)，對(duì)于油氣儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，地層壓力和溫度均已超過(guò)CO2的臨界條件，宏觀主裂縫內(nèi)SC-CO2很難產(chǎn)生大范圍的相變。由于SC-CO2壓裂動(dòng)態(tài)擴(kuò)展明顯，誘導(dǎo)裂縫的每次間歇式擴(kuò)展，可看作為縫尖處的一次破裂[90]。裂縫擴(kuò)展同時(shí)縫尖處產(chǎn)生低壓甚至真空裂隙，提供了局部CO2氣態(tài)條件。SC-CO2流體迅速膨脹進(jìn)入該裂隙，導(dǎo)致縫內(nèi)溫度急劇降低(例如初始狀態(tài)為P=20.69 MPa，T=50 ℃的水和CO2等焓膨脹到P=0.689 MPa時(shí)，水溫度未發(fā)生變化而CO2降低了約200 ℃[25])，該裂隙處發(fā)生局部的超臨界—液態(tài)—?dú)鈶B(tài)之間的相變。SC-CO2壓裂可誘導(dǎo)大量分支裂縫，即存在大量裂縫尖端，縫尖的形成往往伴隨著CO2相變。因此，SC-CO2壓裂裂縫每擴(kuò)展一步，縫尖端就會(huì)發(fā)生局部相變，所釋放的能量以沖擊載荷和熱應(yīng)力的形式促進(jìn)裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

4 SC-CO2 壓裂機(jī)理研究存在的問(wèn)題及建議

4.1 SC-CO2 誘導(dǎo)裂縫動(dòng)態(tài)起裂

部分SC-CO2壓裂模擬實(shí)驗(yàn)由于存在地應(yīng)力小、排量高、井筒直徑大和試件過(guò)小等問(wèn)題，導(dǎo)致SCCO2存在明顯的動(dòng)態(tài)起裂現(xiàn)象，即試件破裂后注入壓力迅速降低，裂縫瞬間擴(kuò)展到邊界。此時(shí)，CO2提供的能量遠(yuǎn)大于巖體所能吸收的能量，在近井地帶產(chǎn)生多裂縫和迂曲裂縫等。因此，實(shí)驗(yàn)所得到復(fù)雜裂縫并不是裂縫擴(kuò)展階段產(chǎn)生，而是動(dòng)態(tài)起裂導(dǎo)致近井地帶裂縫迂曲[59]。

為了模擬儲(chǔ)層SC-CO2壓裂裂縫的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展過(guò)程，建議SC-CO2壓裂實(shí)驗(yàn)采用高圍壓、低斷裂韌性、小直徑井筒和割縫(射孔)起裂的條件，從而降低CO2的能量釋放率[91-92]。另外，在試件表面涂抹潤(rùn)滑劑(如凡士林)[18,93]來(lái)減輕邊界摩擦導(dǎo)致的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，并盡量增大試件尺寸，從而確保裂縫有效擴(kuò)展范圍。以上措施可以增大裂縫擴(kuò)展的時(shí)間和空間尺度，滿足水力壓裂相似理論，即物理參數(shù)對(duì)應(yīng)和裂縫的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展。

圖12 (a) SC-CO2 壓裂注入壓力和井底溫度變化[18]；(b)CO2 相變導(dǎo)致的壓力-時(shí)間關(guān)系圖[89]Fig. 12 (a) The injection pressure and bottomhole temperature during SC-CO2 fracturing[18]and (b) the injection pressure versus time during the CO2 phase change[89]

4.2 SC-CO2 相變促進(jìn)裂縫擴(kuò)展

傳統(tǒng)水力壓裂一般假設(shè)巖石線彈性和流體不可壓縮，裂縫擴(kuò)展呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。SC-CO2特殊的物性，如低黏度、高濾失、高膨脹性等，導(dǎo)致誘導(dǎo)裂縫特征與擴(kuò)展機(jī)理與常規(guī)水力壓裂差別較大，因此傳統(tǒng)的水力裂縫穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展理論已不再完全適用于SC-CO2壓裂，難以解釋縫內(nèi)CO2相態(tài)變化。

針對(duì)油氣儲(chǔ)層條件下的CO2相變問(wèn)題研究，可從多場(chǎng)耦合和微尺度限域效應(yīng)兩方面尋找突破口。多場(chǎng)耦合是針對(duì)宏觀層面研究，深層油氣儲(chǔ)層CO2壓裂由于人工裂縫復(fù)雜、CO2物性隨溫壓的變化、CO2高濾失以及CO2與儲(chǔ)層巖石之間的化學(xué)作用，導(dǎo)致其與儲(chǔ)層巖石的多場(chǎng)耦合作用強(qiáng)烈。只有掌握SC-CO2誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的耦合規(guī)律，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中的CO2流體溫壓的變化。微尺度限域效應(yīng)是針對(duì)微觀層面研究，除了溫度和壓力影響外，微尺度裂紋或孔隙也會(huì)影響流體相態(tài)變化規(guī)律，即流體臨界溫度和壓力隨空間尺度發(fā)生變化[94]。微尺度限域效應(yīng)會(huì)影響流體結(jié)構(gòu)形態(tài)、熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)行為，傳統(tǒng)的PVT靜態(tài)分析方法已經(jīng)無(wú)法解釋微納米尺度孔隙巖石中的流體相態(tài)行為[95]。相對(duì)于單一的水力裂縫，SC-CO2壓裂產(chǎn)生大量微尺度裂紋，此時(shí)微尺度限域使裂紋內(nèi)CO2相態(tài)變化更為復(fù)雜。因此，今后應(yīng)采用新實(shí)驗(yàn)方法、分子模擬等手段，從宏微觀方面研究SC-CO2壓裂裂縫的多場(chǎng)耦合及相態(tài)變化規(guī)律。

4.3 SC-CO2 壓裂空間裂縫特征定量評(píng)價(jià)研究

SRV是評(píng)價(jià)水力壓裂改造成功的重要指標(biāo)，三維(3D)裂縫形態(tài)是分析體積裂縫形成機(jī)理的重要依據(jù)。部分學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析3D裂縫之間的多裂縫干擾機(jī)制，指出誘導(dǎo)孔隙壓力場(chǎng)分布是其主要影響因素[96-97]。Aimene[98]采用三維各向異性損傷力學(xué)模型(ADaM)研究裂縫性儲(chǔ)層水力裂縫縫高和井間干擾問(wèn)題。Daneshy[99]通過(guò)解析模型研究三維水力裂縫與天然裂縫之間的相互干擾，分析了天然裂縫空間傾角對(duì)剪切破壞的影響。Kizaki[15]研究表明SC-CO2壓裂易于形成復(fù)雜三維裂縫，但沒(méi)有對(duì)裂縫進(jìn)行量化研究。美國(guó)能源局(DOE)于2015—2018 年開展Wolfcamp頁(yè)巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂試驗(yàn)(HFTS)[100-101]，發(fā)現(xiàn)人工裂縫擴(kuò)展高度有限、支撐劑分布極為不均勻且破碎嚴(yán)重和裂縫復(fù)雜且裂縫面形態(tài)多樣化等現(xiàn)象，認(rèn)為目前研究完全低估了水力裂縫的復(fù)雜程度。相對(duì)于常規(guī)水力壓裂，SC-CO2壓裂裂縫的復(fù)雜程度更高，其中3D裂縫特征的定量評(píng)價(jià)是開展研究的基礎(chǔ)。

SC-CO2的高擴(kuò)散性導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展以濾失耗散為主，其誘導(dǎo)主裂縫擴(kuò)展距離短，裂縫寬度小。同時(shí)，SC-CO2高擴(kuò)散性導(dǎo)致孔壓影響范圍大，容易激活主裂縫周圍的天然裂縫發(fā)生剪切破壞，可以彌補(bǔ)主裂縫擴(kuò)展距離短的缺點(diǎn)。針對(duì)目前非常規(guī)儲(chǔ)層的開發(fā)難點(diǎn)，結(jié)合SC-CO2壓裂裂縫擴(kuò)展的已有認(rèn)識(shí)，今后應(yīng)加強(qiáng)含天然裂縫、分層儲(chǔ)層及應(yīng)力等非均質(zhì)條件下的SCCO2誘導(dǎo)3D裂縫擴(kuò)展研究，對(duì)裂縫特征進(jìn)行重構(gòu)和定量評(píng)價(jià)，采用擴(kuò)展有限元、離散元等數(shù)值模擬方法量化分析多場(chǎng)耦合影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)研究尺度的升級(jí)。

5 結(jié)論

本文綜述了目前室內(nèi)SC-CO2壓裂實(shí)驗(yàn)方法、裂縫起裂擴(kuò)展特征與機(jī)理以及存在的問(wèn)題，并給出相關(guān)建議。本文著重從SC-CO2與儲(chǔ)層巖石的“熱(T)—流(H)—力(M)—化(C)”耦合作用分析SC-CO2誘導(dǎo)裂縫破壞機(jī)理，主要體現(xiàn)在誘導(dǎo)應(yīng)力和弱化斷裂性質(zhì)兩方面。誘導(dǎo)應(yīng)力方面包括：SC-CO2誘導(dǎo)孔壓和熱應(yīng)力(HTM耦合)降低有效應(yīng)力及誘發(fā)剪切破壞，促進(jìn)I型和I-II混合型裂縫擴(kuò)展；SC-CO2相變(HTM耦合)以沖擊載荷和熱應(yīng)力的形式促進(jìn)裂縫的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。弱化斷裂性質(zhì)方面包括：零表面張力作用(HM耦合)降低微裂縫擴(kuò)展的縫內(nèi)凈壓力，易于在主裂縫周圍形成分支裂縫；SC-CO2吸附(CM耦合)降低裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力，減低裂縫形成所需的能量，形成更多的裂縫面積。SC-CO2低黏度和高擴(kuò)散性，導(dǎo)致其與儲(chǔ)層巖石之間HTC-M耦合作用強(qiáng)烈，這是SC-CO2壓裂形成多裂縫的主要原因。

目前，關(guān)于SC-CO2壓裂機(jī)理研究，首先要解決壓裂模擬的動(dòng)態(tài)起裂問(wèn)題，增大裂縫擴(kuò)展時(shí)間和空間尺度，確保裂縫擴(kuò)展的有效性。然后，開展SC-CO2三維裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)三維裂縫特征進(jìn)行重構(gòu)和定量評(píng)價(jià)?；趯?shí)驗(yàn)研究，加強(qiáng)理論模型和數(shù)值模擬研究，采用擴(kuò)展有限元、離散元等數(shù)值模擬方法量化分析多場(chǎng)耦合影響，刻畫裂縫的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，掌握CO2相態(tài)分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)研究尺度的升級(jí)。