致密砂巖中液態(tài)CO2和水壓裂試驗*

高志亮，穆景福，馬東東，南蓓蓓，胡大偉

(1. 陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院 陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點實驗室，西安 710061； 2. 中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071)

水力壓裂作為一種儲層增產(chǎn)工藝技術(shù)，自從1947年在美國Kansas水力壓裂成功運(yùn)用，已得到廣泛使用，并在深部資源儲層改造中取得了非常好的成果.對石油鉆井中，特別是非常規(guī)能源在開采過程中遇到低滲等特點，采用水力壓裂方法改造儲層并不能達(dá)到理想效果，而近些年來，由于液態(tài)CO2因具有接近于液體，黏度接近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于液體，表面張力接近于零等特點而獲得研究學(xué)者的青睞[1]，可作為一種較理想的壓裂介質(zhì)，同時在降低壓裂介質(zhì)對儲層的傷害、提高原油采出率上，液態(tài)CO2具有很好的應(yīng)用前景.

隨著國家資源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，為非常規(guī)油氣資源開采帶來機(jī)遇，目前對于致密砂巖儲層中油氣資源開采的研究越來越多，主要集中在多分段及酸化處理研究[2-7].高杰等[3]對巖性差異及界面性質(zhì)對裂縫起裂擴(kuò)展的影響進(jìn)行了研究；沈新普等[8]基于損傷力學(xué)方法，采用數(shù)值模擬對油層三維壓裂進(jìn)行了模擬，并對現(xiàn)場壓裂效果進(jìn)行了預(yù)測.同時，關(guān)于CO2壓裂的相關(guān)研究成果主要集中在花崗巖、煤巖和頁巖中[9-10]，對于致密砂巖的液態(tài)CO2研究成果較少，而目前對于致密砂巖的液態(tài)CO2壓裂的破裂機(jī)理并不清晰，有必要開展相應(yīng)的研究.

本文采用壓裂鉆孔中采集的同區(qū)段巖芯，進(jìn)行水和液態(tài)CO2壓裂試驗，并對破壞后試樣進(jìn)行CT掃描試驗和核磁共振試驗，從破裂形態(tài)和破裂裂紋尺寸特征上分析壓裂介質(zhì)對試驗破裂的影響.本文研究成果可為相關(guān)壓裂工藝優(yōu)化和現(xiàn)場壓裂工藝提供技術(shù)指導(dǎo).

1 試驗概況

1.1 工程地質(zhì)概況

取鉆井巖芯，鑒別其礦物組成發(fā)現(xiàn)巖芯以細(xì)粒為主，少量中粒.成份以石英、長石為主，暗色礦物次之，顆粒呈次圓狀，泥質(zhì)膠結(jié).巖芯礦物成分中石英含量為52.79%，鈉長石含量為26.61%，黏土含量中伊利石含量最高，為16.03%，說明致密砂巖中以脆性礦物(石英和鈉長石)為主，含少量黏土礦物.表1為巖石礦物組成成分.在基礎(chǔ)力學(xué)測試中，發(fā)現(xiàn)致密砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為120.56 MPa，抗拉強(qiáng)度為10.26 MPa.

表1 巖石礦物組成成分Tab.1 Mineral composition of rock %

1.2 試驗儀器

水力壓裂試驗儀器采用巖石多場耦合試驗機(jī)，如圖1所示.試驗機(jī)由圍壓、軸壓和壓裂系統(tǒng)組成，可單獨對每項系統(tǒng)進(jìn)行獨立控制，其中壓裂系統(tǒng)采用ISCO 260D計量泵，最大可達(dá)52 MPa.試驗中壓裂介質(zhì)采用水和液態(tài)CO2，而CO2具有很好的可壓縮性，當(dāng)溫度為31.7 ℃和壓力為7.4 MPa時達(dá)到臨界狀態(tài)，氣態(tài)CO2會轉(zhuǎn)換成液態(tài)CO2，故將壓力上升至8.5 MPa左右時可認(rèn)為此時是純液態(tài)狀態(tài).

圖1 試驗儀器和試樣安裝Fig.1 Test instruments and sample installation

1.3 試驗方法

為對現(xiàn)場壓裂提供技術(shù)保障，同時減小壓裂試樣中鉆孔對巖石均勻性的影響范圍，試驗?zāi)M巖芯在地應(yīng)力下壓裂效果，將現(xiàn)場巖芯制成25 mm×50 mm的圓柱體試樣，將平整度控制在±0.002 mm范圍內(nèi)，對致密砂巖施加圍壓30 MPa.同時為模擬壓裂鉆孔，在試樣中心鉆孔深30 mm，直徑3 mm，通過鋼管將壓裂介質(zhì)注入到試驗鉆孔中，并預(yù)留5 mm的裸眼段利于壓裂起裂，鋼管與試樣鉆孔用環(huán)氧樹脂膠粘黏，在保溫箱中(常溫)放置24 h.壓裂試驗大致分為3步驟：

1) 首先增加圍壓至指定值，通過圍壓/軸壓系統(tǒng)使圍壓恒定后，保持壓力10 min；

2) 試驗中壓裂介質(zhì)注入方式采用恒流方式，其中，水注入速率為1 mL/min，液態(tài)CO2注入速率為5 mL/min，注入直至試樣發(fā)生破壞；

3) 試樣破壞之后依次卸載壓裂壓力和圍壓.

試樣破裂之后保持試樣密封狀態(tài)進(jìn)行CT掃描觀察內(nèi)部形態(tài)，利用核磁共振技術(shù)研究破裂尺寸特征，分析水和液態(tài)CO2對致密砂巖破裂的影響.本文試驗過程中可精確控制和記錄壓力、流量數(shù)據(jù)，相關(guān)記錄壓裂數(shù)據(jù)時間間隔為0.2 s.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓力曲線分析

圖2為水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂曲線以及增壓速率曲線.圖2a為致密砂巖水和液態(tài)CO2壓裂曲線圖.其中，液態(tài)CO2開始壓力約為8.5 MPa，經(jīng)過緩慢增加直至破壞，而水力壓裂中壓裂曲線首先經(jīng)過初始壓力發(fā)展階段后迅速增加至破壞[11]，破裂壓力為85.8 MPa，大于液態(tài)CO2的41.8 MPa破裂壓力.

圖2 水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂曲線以及增壓速率曲線Fig.2 Curves of hydraulic and liquid CO2 fracturing and curves of supercharging rate

對于完整性較好的致密砂巖，認(rèn)為當(dāng)鉆孔中環(huán)向有效應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時可發(fā)生破裂，即

pw→pb((σθ≥σt)r=rw)

(1)

式中：pw為鉆孔中注射壓力；pb為破裂壓力；σθ為鉆孔中環(huán)向應(yīng)力；σt為巖石抗拉強(qiáng)度；rw為鉆孔半徑.

考慮到壓裂液的擴(kuò)散產(chǎn)生孔隙壓力場分布，從而影響鉆孔中環(huán)向應(yīng)力σθ大小，即

(2)

式中：α為有效應(yīng)力系數(shù)；υ為泊松比；p(rw)為沿孔徑方向孔隙壓力分布，其表達(dá)式[12]為

(3)

其中，β為壓裂液的可壓縮性，p0為初始壓力，q為壓裂流體流量，t為注水周期時間，κ為巖石滲透率，μ為壓裂液的黏度，h為井眼高，Ei(x)的表達(dá)式為

(4)

因此，破裂壓力在考慮到孔隙壓力分布的影響時可推導(dǎo)為

(5)

式中，σ為試樣所承受的圍壓.

結(jié)合上述理論，壓裂過程中壓裂介質(zhì)沿鉆孔徑向方向滲透，產(chǎn)生孔隙壓力，會對破裂壓力和破裂過程中裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響[13].圖2b為破裂前增壓速率變化曲線，可反映因壓裂介質(zhì)的滲透對裂紋起裂和破裂壓力的影響，具體表現(xiàn)為水力壓裂中增壓速率為先平緩后逐漸增大，在破裂之前又出現(xiàn)降低，表明在發(fā)生破裂之前存在裂紋起裂；液態(tài)CO2中壓裂前期與水力壓裂類似，可說明此時CO2是液態(tài)狀態(tài)，隨后一直增加直至破壞，同時液態(tài)CO2壓裂中增壓速率總是小于水力壓裂.可知對于液態(tài)CO2，由于黏度低、易擴(kuò)散等特點產(chǎn)生孔隙壓力場，可有效降低骨架顆粒有效應(yīng)力；對于水力壓裂中壓裂介質(zhì)的擴(kuò)散產(chǎn)生的孔隙壓力影響較小，骨架顆粒主要受圍壓的影響.因此對于致密砂巖，液態(tài)CO2降低破裂壓力與壓裂介質(zhì)擴(kuò)散產(chǎn)生的孔隙壓力有關(guān).

2.2 破裂形態(tài)

破裂形態(tài)不僅可直觀地反映破裂裂紋復(fù)雜度，而且還為分析裂紋擴(kuò)展提供方法.隨著高精度掃描設(shè)備的發(fā)展，CT掃描技術(shù)可獲得巖石內(nèi)部破裂形態(tài)[13].CT掃描試驗中保持破裂后試樣的未拆封狀態(tài)以避免后期人為擾動對破裂裂紋的影響，其空間分辨率為16.846 4 μm，每隔試樣切片間隔為0.017 mm.

圖3為巖石破裂后CT掃描切片圖.發(fā)現(xiàn)液態(tài)CO2壓裂試驗中，其破裂裂縫約為0.015 mm，小于水力壓裂中1.1 mm的寬度，這與文獻(xiàn)[13]中試驗結(jié)果相一致，同時液態(tài)CO2壓裂中裂紋彎曲度更高，發(fā)育著更多分支裂縫，表明液態(tài)CO2壓裂中裂紋擴(kuò)展時更易形成復(fù)雜交叉裂縫.通過對CT切片進(jìn)行三維重構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)液態(tài)CO2壓裂中鉆孔周邊存在未相互貫通的裂紋，而水力壓裂中裂紋為對稱分布，分支微裂紋極少，如圖4所示.應(yīng)當(dāng)注意的是，液態(tài)CO2壓裂中存在許多并未貫穿的裂紋，說明液態(tài)CO2壓裂中壓裂介質(zhì)的擴(kuò)散可影響整個鉆孔周圍；而水力壓裂中裸眼段也存在微裂紋發(fā)育區(qū)域，與破裂面間相互貫通，可知孔隙壓力的影響較小，主要集中在鉆孔周邊有效區(qū)域處.因此，巖石內(nèi)部的孔隙壓力場分布將影響著裂紋擴(kuò)展及形態(tài)分布，對于液態(tài)CO2壓裂中孔隙壓力場分布相對均勻，裂紋擴(kuò)展時其尖端易形成低孔隙壓力區(qū)，促使裂紋沿孔隙壓力高處擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋間相互貫通性差和裂紋彎曲度高.對于水力壓裂，壓裂介質(zhì)的擴(kuò)散而產(chǎn)生的孔隙壓力差的影響相對較小，裂紋擴(kuò)展時表現(xiàn)為直接拉伸破壞，破裂面較平整.總之，對于采用水和液態(tài)CO2作為壓裂介質(zhì)的壓裂試驗，破裂形態(tài)與壓裂介質(zhì)滲透產(chǎn)生的孔隙壓力有著很大關(guān)系.

圖3 CT切片示意圖Fig.3 Schematic diagram of CT slices

2.3 破裂裂紋分布特征

壓裂破裂過程不僅形成宏觀的破裂形態(tài)，而且會誘發(fā)微觀結(jié)構(gòu)，其與裂縫網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，核磁共振技術(shù)可為研究巖石內(nèi)孔/裂隙分布規(guī)律提供方法，通過核磁共振譜線及其特征參數(shù)，擬合得到核磁共振T2分布譜，計算出T2分布譜巖石內(nèi)孔/裂隙分布的關(guān)系，最后求解出不同區(qū)間內(nèi)孔/裂隙分布.本文將壓裂后巖樣進(jìn)行流體飽和，在相同狀態(tài)下進(jìn)行核磁共振掃描試驗，得到核磁共振特征譜線，計算不同區(qū)間內(nèi)裂紋分布，定量分析水和液態(tài)CO2對破裂裂紋尺寸分布特征的影響.圖5為水和液態(tài)CO2壓裂后核磁共振試驗測量裂紋分布.曲線呈多峰分布，其中，0.01～0.11 μm尺寸間對應(yīng)的波峰峰值點占比最大，兩者在0.01～0.11 μm波峰上部是相等的，說明巖石間的均質(zhì)性良好，而液態(tài)CO2壓裂明顯向右擴(kuò)展，說明液態(tài)CO2壓裂更易誘導(dǎo)微小裂紋的萌生.其他兩個波峰分別對應(yīng)1～2 μm和10～11 μm，其中1～2 μm波峰中水和液態(tài)CO2壓裂具有相似性，而10～11 μm波峰處水力壓裂峰值更明顯，這與圖3中CT切片結(jié)果一致，表明水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂在宏觀破裂裂紋尺度特征上具有相似性，而在微小結(jié)構(gòu)尺度特征上，由于CO2擴(kuò)散產(chǎn)生可滲入到非常微小的孔/裂隙，更易誘導(dǎo)產(chǎn)生微裂紋，使裂紋分布區(qū)間移動.

圖4 水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂后破壞形態(tài)Fig.4 Failure morphologies after hydraulic and liquid CO2 fracturing

圖5 核磁共振孔徑分布Fig.5 Pore size distribution measured by nuclear magnetic resonance

3 結(jié) 論

采用壓裂鉆孔中采集的致密砂巖巖芯，進(jìn)行水和液態(tài)CO2壓裂試驗，并通過CT掃描技術(shù)和核磁共振技術(shù)分別對破裂形態(tài)和破裂裂紋尺寸特征進(jìn)行研究，分析水和液態(tài)CO2壓裂中對致密砂巖破裂的影響，得到的結(jié)論如下：

1) 相對水力壓裂，液態(tài)CO2壓裂可顯著降低巖石破裂壓力，主要與壓裂介質(zhì)擴(kuò)散產(chǎn)生的孔隙壓力相關(guān).

2) 液態(tài)CO2壓裂中破裂裂紋具有裂紋彎曲度高和寬度低的特點，主要是液態(tài)CO2壓裂中孔隙壓力場較均勻分布，導(dǎo)致裂紋尖端存在低孔隙壓力區(qū)域，使裂紋沿較高孔隙壓力擴(kuò)展，造成裂紋間貫通性差；而水力壓裂中壓裂介質(zhì)擴(kuò)散的影響僅在鉆孔周邊區(qū)域，孔隙壓力場影響較小，破裂面較平整.

3) 水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂在破裂裂紋尺度上存在一定差異，在0.01～0.11 μm波峰中液態(tài)CO2壓裂向右移動，更易誘導(dǎo)微小裂紋的萌生，在1～2 μm和10～11 μm中具有相似性，表明水和液態(tài)CO2壓裂在宏觀破裂裂紋尺度特征上具有相似性.