二氧化碳壓后燜井過程中含弱面致密砂巖斷裂特征

唐梅榮，居迎軍，郭 超，李 磊

(1.中國石油長慶油田油氣工藝研究院，西安 710018；2.中國石油長慶油田第六采油廠，榆林 718606；3.中國石油長慶油田第二采油廠，慶陽 744100；4.中國石油長慶油田第七采油廠，西安 710200)

超臨界二氧化碳(SC-CO2)壓裂因其低儲層傷害、易返排、能產生復雜人工裂縫形態(tài)[1]的特征，特別適合低壓低滲、致密及水敏性較強的復雜巖層，廣泛應用在頁巖氣開發(fā)[2-3]、致密砂巖壓裂[4]、增強型地熱系統(tǒng)[5]等領域。在致密砂巖開發(fā)過程中，現場采用CO2壓后燜井[6]方式充分激發(fā)裂縫復雜度、增加地層能量[7]，但大部分致密砂巖儲層中具有明顯的弱面性層理，CO2壓后燜井過程中儲層穩(wěn)定性及裂縫擴展規(guī)律有待研究。

弱面性層理可影響水力壓裂時裂縫的擴展路徑[8-9]、井壁的穩(wěn)定性[10]及巷道的安全性[11-13]，存在弱面性層理的巖石在強度[2，14-15]、波速[16-18]、斷裂特性[19-22]和彈塑性特征[2，15，23-25]等方面存在各向異性，且其力學及物理特性容易受圍壓[26-27]、溫度[28-30]、孔隙流體[26，31-32]等影響。宏觀特征的差異源自巖石微結構的不同，弱面性層理巖石易受孔隙流體影響[33]，使得層理和基質的微結構等會呈現差異性變化[3]。壓后燜井時，CO2所處環(huán)境溫度超過31.26 ℃、壓力超過7.38 MPa，CO2處于超臨界態(tài)[34]。超臨界態(tài)是不同于氣態(tài)與液態(tài)的流體形態(tài)，該狀態(tài)下CO2表面張力為零，流動性極強，而密度較高，類似液體，使得CO2因其低黏度而快速滲透到基質孔隙中，尤其是孔隙度相對較大的弱面性層理中。雖然CO2干法壓裂[35-36]逐漸被應用于現場產生復雜裂縫體系，且采用壓后燜井的方式增加地層能量，但壓后燜井過程中SC-CO2對弱面性層理儲層穩(wěn)定性的研究較少。

以含3種角度弱面性層理(0°、45°、90°)的致密砂巖為實驗材料，將試件進行了SC-CO2處理和未處理，通過三點彎實驗測試得到了相應試件的斷裂韌性以反映裂縫擴展的難易程度，并結合聲發(fā)射技術監(jiān)測試件的斷裂過程；最后從細觀損傷力學的角度解釋了SC-CO2減弱含弱面性層理致密砂巖斷裂韌性的作用機理。以期對認識CO2影響含弱面性層理的致密砂巖儲層壓后燜井過程中的斷裂行為提供參考。

1 實驗材料與方法

實驗材料取自中國鄂爾多斯盆地長7層位，該層位弱面性層理分布廣泛，儲層平均單軸抗壓強度為92.35 MPa，平均抗拉強度為10.30 MPa，平均彈性模量為21 GPa，平均泊松比為0.20。以含3種角度弱面性層理(0°、45°、90°)的致密砂巖為實驗材料，按照國際巖石力學學會(International Society for Rock Mechanics，ISRM)測試標準[37]，試件被加工成如圖1所示的含中心預制裂縫的半圓盤，試件直徑均為 100 mm，所有三點彎實驗用致密砂巖試件的具體尺寸如表1所示。

表1 所有三點彎實驗致密砂巖試件的尺寸Table 1 Dimensions of alltight-sandstone samples for three-point bending

圖1 含弱面性層理試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen with a weak plane

為避免試件加工過程中殘余水分對斷裂韌性的影響，先將所有試件置于50 ℃的烘箱中干燥 48 h，然后將所有試件置于底部有水的飽和腔中，將飽和腔置于加熱箱(圖2)中，設置溫度為60 ℃加熱12 h。隨后，利用真空泵將飽和腔中快空氣抽凈，再通入CO2氣體，為模擬燜井過程中CO2所處的超臨界狀態(tài)，飽和壓力保持為8 MPa、溫度保持為60 ℃，飽和時間為30 d。

圖2 CO2飽和系統(tǒng)圖Fig.2 System used for CO2 saturation

根據ISRM推薦的斷裂韌性測試標準[37]，對飽和后的試件進行三點彎實驗，實驗加載速度為 0.02 mm/min，同時開啟聲發(fā)射裝置監(jiān)測試件的加載過程，直至試件破壞。

2 實驗結果

2.1 SC-CO2降低砂巖的斷裂韌性

含弱面性層理致密砂巖試件的斷裂韌性測試結果如圖3所示，SC-CO2分別使0°、45°、90°致密砂巖試件的平均斷裂韌性降低22.45%、45.26%、67.61%。由圖3可知，隨弱面性層理角度α的增加，試件的斷裂韌性呈下降趨勢，說明SC-CO2作用下弱面性層理角度影響巖石試件的斷裂行為。

圖3 不同角度弱面性層理試件的斷裂韌性Fig.3 Fracture toughness with different weak planes angles

2.2 SC-CO2影響砂巖的聲發(fā)射斷裂特征

圖4為代表性試件斷裂過程中聲發(fā)射特征，為方便描述，將所有試件的加載時間進行了歸一化處理。由圖4可知：①CO2未作用試件，隨著角度增加，試件發(fā)生損傷的歸一化時間提前；②相對于CO2未作用試件，CO2作用試件的損傷起始階段提前、損傷擴展階段持續(xù)時間長；③對比CO2作用后代表性試件斷裂過程中聲發(fā)射特征可知，隨著層理角度的增加，試件的初始損傷點提前，90°試件在加載開始即有損傷出現，而0°試件在加載進行到總時長的70%才出現初始損傷信號。

圖4 代表性試件斷裂過程中的聲發(fā)射特征Fig.4 Typical acoustic emission characteristics for the samples

3 討論

SC-CO2處理后試件的斷裂韌性明顯低于未處理試件的斷裂韌性，初始損傷階段提前，斷裂特征的差異主要原因是SC-CO2對弱面性層理和基質微結構的改變程度不同。

3.1 SC-CO2更易進入弱面性層理處

弱面性層理處的滲透率受沉積環(huán)境等因素影響顯著，對于致密砂巖而言，弱面性層理處的滲透率略高于基質中的滲透率[38]。由于SC-CO2表面張力為零，超臨界態(tài)的特性使得SC-CO2更易進入弱面性層理中的微結構，如微孔隙和微裂縫，如圖5所示。

圖5 二氧化碳分子在弱面性層理和基質中的分布Fig.5 Distribution of CO2 molecules in weak plane and matrix

SC-CO2進入致密砂巖微結構后，將首先吸附于礦物顆粒表面[38-39]，發(fā)生物理吸附和化學吸附。物理吸附可減低巖石的表面能[32]，使得致密砂巖抵抗破壞的能力減弱，即在較低載荷作用下可發(fā)生斷裂。而弱面性層理處礦物含量較基質中復雜，礦物顆粒及膠結物電性的多樣性強于基質，更易發(fā)生物理吸附，所以弱面性層理處的表面能更易被影響，外部載荷作用下弱面性層理處巖石礦物更易發(fā)生破壞?；瘜W吸附是SC-CO2與致密砂巖中的礦物發(fā)生化學反應，發(fā)生化學反應程度影響含弱面性層理試件的斷裂行為，且壓后燜井及CO2地質埋存時化學吸附占主要地位。

3.2 弱面性層理處SC-CO2化學反應更明顯

SC-CO2溶于孔隙水后產生H+，弱面性層理處白云石、方解石等碳酸鹽礦物含量和長石、伊利石等硅酸鹽礦物含量均高于基質(圖6)，該類礦物易與CO2溶于水電離出的H+發(fā)生化學反應，而基質中以石英為主要成分。硅鋁酸鹽礦物和碳酸鹽礦物在H+作用下易發(fā)生如式(1)～式(4)所示的化學反應；而基質中的石英與H+反應程度較小，所以弱面性層理處化學反應更為明顯。

圖6 含弱面性層理試件中弱面性層理及基質中巖石的礦物含量對比Fig.6 Mineral content in the weak plane and matrix

2K++Al2Si2O5(OH)4+4SiO2

(2)

Ca2++Al2Si2O5(OH)4

(3)

(4)

由于弱面性層理處微結構受改變程度最大，顆粒間強度降低最明顯。外部載荷作用下，90°試件多從弱面性層理處發(fā)生斷裂，試件破壞僅需克服層理的黏聚力；而0°試件斷裂除了要克服的層理處顆粒間的黏聚力，還要克服大部分基質中石英顆粒的黏聚力，所以SC-CO2作用后的90°試件的斷裂韌性降低最明顯。

CO2壓后燜井過程是SC-CO2長時間與巖石的作用過程，此過程中SC-CO2與巖石中各種礦物的化學反應將改變巖石的力學性質[40]，同時可引起局部地應力變化，影響儲層的穩(wěn)定性，導致原儲層中的CO2發(fā)生運移，新作用區(qū)域可能會隨之變化。如圖7所示，由SC-CO2破壞的微結構促進SC-CO2轉移到新區(qū)域，在新區(qū)域SC-CO2發(fā)生溶蝕又促進了微結構的破壞，這種反饋-互促式的作用模式使得微結構破壞與化學溶蝕相互促進，結果表現為沿弱面性層理處的損傷比基質中的損傷明顯。

圖7 SC-CO2的反饋作用模式Fig.7 Feedback mode of SC-CO2

3.3 SC-CO2作用試件的微結構特征描述

如圖8所示，由于CO2溶于水對特征性硅酸鹽礦物的溶蝕作用使得顆粒間或顆粒內部產生微裂縫[41]，同時SC-CO2的溶蝕作用使膠結物流失、部分礦物產生碎片，同時吸附膨脹等可在顆粒間產生微裂紋，進而弱化顆粒間的膠結強度，導致顆粒間膠結物在較小的外載作用下即發(fā)生斷裂及分離，所以SC-CO2作用試件發(fā)生損傷、顯著斷裂的階段提前。

圖8 CO2作用試件的微結構特征Fig.8 Changes of the micro-structure affected by CO2

對于含弱面性層理試件，加載初期膠結強度較低的位置先發(fā)生斷裂，由于弱面性層理處微結構破壞程度比基質的破壞程度高，所以在拉伸載荷作用下弱面性層理呈90°形態(tài)試件的微結構最先發(fā)生斷裂，出現初始損傷的階段最早，其次是45°試件、0°試件。

從損傷階段開始，整個斷裂過程中均伴隨聲發(fā)射信號。降低的黏聚強度使得試件更易產生裂縫，進而減小了試件的整體剛度，使得發(fā)生顆粒斷裂的過程一直持續(xù)，所以相對于未作用SC-CO2試件損傷擴展階段持續(xù)的時間增長。

3.4 CO2壓裂及壓后燜井工藝優(yōu)化建議

致密砂巖儲層中弱面性層理等地質特征廣泛存在，填充較多的碎屑礦物，以方解石、長石和黏土礦物為主，在砂巖儲層中含有水等孔隙流體，為SC-CO2溶蝕特征礦物提供條件。為使得CO2在儲層中形成復雜縫網，需綜合考慮CO2壓裂過程及壓后燜井過程。

壓裂時建議采用大注液速率，以形成復雜縫網。SC-CO2因其表面張力為零，擴散性較強，容易進入人工裂縫周圍孔隙，比水力裂縫的影響區(qū)域廣；在進行SC-CO2壓裂時，高速率可提供高壓進而促進SC-CO2的擴散，增加SC-CO2影響區(qū)域，增大激活天然裂縫概率。而且，在壓裂時人工裂縫尖端區(qū)域可發(fā)生相變[42]，CO2由超臨界態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)或由液態(tài)轉化為氣態(tài)，使得壓裂介質體積迅速增加，為形成復雜裂縫提供動力，大速率可提高相變發(fā)生頻率。

壓后燜井技術可提高地層能量，增加地層孔隙壓力；同時燜井技術為人工裂縫的進一步擴展提供條件，使形成的裂縫成為復雜的裂縫體系，進而增大人工裂縫接觸儲藏的面積。燜井時長和燜井壓力是燜井過程中兩個重要參數，燜井時長因儲層差異而不同，對于天然裂縫發(fā)育、層理較多(如薄互層)為典型地質特征的儲層，可適當減小燜井時長；而對于天然裂縫、層理較少的儲層，礦物含量中石英含量較高，SC-CO2與特征礦物發(fā)生化學反應的程度較小，對儲層影響較小，所以進行SC-CO2燜井的意義較小。關于燜井壓力，在考慮設備安全性的基礎上，如圖9所示，適當提高燜井壓力可增加CO2在孔隙水中的溶解度，同時降低地層孔隙流體的pH[43]，為CO2的與儲層巖石發(fā)生化學反應提供條件，為CO2滲透提供足夠壓力差。

圖9 不同溫度、壓力條件下CO2的溶解度及pH[43]Fig.9 CO2 solubility and pH under different temperature and pressure condition[43]

4 結論

提出了壓后燜井過程中SC-CO2的反饋-互促作用模式，通過三點彎實驗測試并總結了SC-CO2對含弱面砂巖試件的斷裂韌性的影響規(guī)律，基于SEM掃描結果和聲發(fā)射數據分析了SC-CO2作用后不同層理角度試件斷裂特征差異，對認識含弱面性層理的致密砂巖儲層在CO2壓后燜井過程中巖石的斷裂行為具有一定的借鑒意義。得到以下結論。

(1)SC-CO2對含弱面層理致密砂巖的斷裂韌性降低程度具有差異性，層理與人工裂縫夾角越大，降低程度越大。

(2)SC-CO2弱化巖石顆粒間的膠結強度，可使得試件損傷起始階段提前、損傷擴展階段持續(xù)時間增長。

(3)結合反饋互促模式，解釋了弱面性層理處的損傷比基質中損傷程度高的現象，并針對不同特征儲層提出了壓后燜井建議。