不同相態(tài)二氧化碳前置酸壓碳酸鹽巖裂縫形成規(guī)律

郭建春，詹立，茍波，張然，劉超，李驍，任冀川

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610500；3.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710065；4.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），西安 710065）

0 引言

延安氣田下古生界奧陶系馬五1亞段是典型的致密碳酸鹽巖儲(chǔ)集層[1-2]，目前主要采用常規(guī)酸壓進(jìn)行增產(chǎn)改造。因儲(chǔ)集層溫度高，酸巖反應(yīng)速率過快，酸液有效作用距離十分有限[3-4]；同時(shí)因地層壓力系數(shù)低，返排十分困難。因此，采用常規(guī)酸壓改造，單井產(chǎn)量提高難度較大[5-7]。借鑒碳酸鹽巖儲(chǔ)集層 CO2拌注酸壓[8-10]以及頁巖儲(chǔ)集層前置超臨界CO2壓裂[11-12]取得的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)致密碳酸鹽巖儲(chǔ)集層常規(guī)酸壓改造效果不理想問題，本文提出前置CO2酸壓構(gòu)想，即首先采用液態(tài)或超臨界CO2代替壓裂液或酸液進(jìn)行前置造縫后，再注入酸液對(duì)裂縫進(jìn)行非均勻刻蝕，以求在單井產(chǎn)量上有所突破。

目前，前置CO2酸壓工藝的增產(chǎn)改造機(jī)理不明確，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的清水、液態(tài)CO2及超臨界CO2的致裂實(shí)驗(yàn)研究主要集中在花崗巖、煤、頁巖、致密砂巖等方面：ISHIDA等[13]開展的清水、油、液態(tài) CO2和超臨界 CO2致裂花崗巖的真三軸實(shí)驗(yàn)表明花崗巖在超臨界 CO2的作用下，更易產(chǎn)生微裂縫，破裂壓力也明顯降低；劉國(guó)軍等[14]開展了超臨界CO2作用下頁巖裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)頁巖因其弱面結(jié)構(gòu)發(fā)育，采用超臨界 CO2壓裂容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；眾多學(xué)者從破裂壓力、裂縫形態(tài)、裂縫表面粗糙度等 3個(gè)方面開展了煤、頁巖、砂巖在清水、液態(tài) CO2、超臨界 CO2壓裂后的差異研究[15-19]，對(duì)煤、頁巖、砂巖等的裂縫擴(kuò)展規(guī)律取得了較清晰的認(rèn)識(shí)。盡管也有為數(shù)不多的學(xué)者開展了碳酸鹽巖在不同酸液流體作用下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究[20-23]，但致密碳酸鹽巖在液態(tài)、超臨界CO2作用下裂縫擴(kuò)展方面的研究卻鮮有報(bào)道，裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律目前不明確。

本文以延安氣田下古生界馬五1亞段儲(chǔ)集層為研究對(duì)象，基于大尺寸真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，利用 100 mm×100 mm×100 mm的儲(chǔ)集層露頭，開展清水、液態(tài)CO2、超臨界CO2真三軸致密碳酸鹽巖壓裂實(shí)驗(yàn)，并采用工業(yè)CT獲取壓后三維壓裂裂縫形態(tài)，研究不同壓裂流體介質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律的影響，為致密碳酸鹽巖儲(chǔ)集層前置CO2酸壓設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)所需的巖石樣品體積大，井下巖心難以滿足要求，為此選用延安氣田下古生界馬五1亞段儲(chǔ)集層天然露頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[24]。

延安氣田馬五段儲(chǔ)集層厚度為80～120 m，馬五1亞段為主力產(chǎn)氣層，平均埋深3 470 m；儲(chǔ)集層以白云巖為主，較為致密，儲(chǔ)集空間以晶間溶孔為主，局部發(fā)育微裂縫；平均孔隙度 2.13%，平均滲透率 0.144×10-3μm2；儲(chǔ)集層溫度 100～120 ℃，壓力系數(shù) 0.7～0.9；儲(chǔ)集層最大水平主應(yīng)力近東西向，最大水平主應(yīng)力大于垂向主應(yīng)力，垂向主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.15～0.20。

為保證選取的天然露頭具有代表性，本文從礦物成分、孔滲結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)等 3個(gè)方面對(duì)天然露頭和井下巖心進(jìn)行了匹配性對(duì)比（見表1），可以看到天然露頭除孔隙度、滲透率比井下巖心高外，其他參數(shù)均比較接近，天然露頭與井下巖心具有較好匹配性，可以選用天然露頭開展實(shí)驗(yàn)。

表1 露頭、巖心參數(shù)對(duì)比表

馬五1儲(chǔ)集層主要采用直井裸眼完井，因此本文實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)為直井裸眼完井（見圖1），采用天然露頭制作成邊長(zhǎng)為100 mm的立方體，在立方體樣品表面中心處鉆直徑6 mm、長(zhǎng)度50 mm的孔模擬井筒，井筒由長(zhǎng)40 mm的套管和長(zhǎng)10 mm的裸眼組成，套管為內(nèi)徑2 mm、外徑3 mm的不銹鋼管，實(shí)驗(yàn)前采用膠水將套管與井壁密封24 h[17-18]。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

液態(tài)CO2及超臨界CO2的黏度低、表面張力小[25]，實(shí)驗(yàn)過程中極易從井筒與井壁的結(jié)合處逸出導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；同時(shí)進(jìn)行超臨界CO2壓裂時(shí)，需將CO2和巖石同時(shí)加熱到31.1 ℃以上（見圖2，CO2超臨界態(tài)臨界點(diǎn)溫度為31.1 ℃，壓力為7.38 MPa），可見真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求非常高。TCHSFM-I型大尺寸真三軸壓裂滲流模擬裝置（見圖3）可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括泵注系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)。泵注系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)記錄壓裂過程中的排量和壓力變化，其中泵注水的最大排量可達(dá)1 000 mL/min，泵注CO2的最大排量為40 mL/min，最大泵注壓力為60 MPa；加熱系統(tǒng)主要包括 CO2加熱系統(tǒng)和巖石加熱系統(tǒng)，升溫可超過60 ℃；三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)的單軸最大加載應(yīng)力可超過100 MPa。設(shè)備參數(shù)完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 CO2相態(tài)變化圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：①考慮到露頭巖石樣品尺寸較大，本文根據(jù)馬五1儲(chǔ)集層實(shí)際地應(yīng)力梯度大?。ㄒ姳?），采用地應(yīng)力梯度比值法來計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需加載的三向應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果為實(shí)驗(yàn)最大水平主應(yīng)力 9 MPa，最小水平主應(yīng)力7 MPa，垂向應(yīng)力8 MPa，實(shí)驗(yàn)中沿井筒方向施加垂向應(yīng)力，平行于不連續(xù)面方向施加最大水平主應(yīng)力，垂直于不連續(xù)面方向施加最小水平主應(yīng)力；②液態(tài) CO2、超臨界 CO2的黏度低，壓裂過程中濾失速率快，排量過小導(dǎo)致井筒壓力建立困難，同時(shí)考慮泵注系統(tǒng)的最大泵注能力，排量設(shè)計(jì)為40 mL/min；③在常溫（25 ℃）下進(jìn)行清水和液態(tài)CO2壓裂實(shí)驗(yàn)，在溫度為60 ℃的條件下進(jìn)行超臨界CO2壓裂實(shí)驗(yàn)。

表2 馬五1儲(chǔ)集層地應(yīng)力大小特征

按此參數(shù)序列，根據(jù)樣品裂縫發(fā)育情況及壓裂流體類型，共設(shè)計(jì)8套方案（見表3）。

表3 實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破裂壓力及其影響因素分析

圖4為第2、3、6實(shí)驗(yàn)方案的泵注壓力曲線，分析可知，當(dāng)碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時(shí)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下：①采用清水進(jìn)行壓裂時(shí)（見圖4a），井底壓力上升非常快，壓裂進(jìn)行到第37 s時(shí)，井底壓力達(dá)到47 MPa，巖石破裂，該過程累計(jì)用液量為24.6 mL；②采用液態(tài)CO2進(jìn)行壓裂時(shí)（見圖4b），剛開始CO2在井筒中主要為氣態(tài)，氣態(tài)CO2黏度低、濾失速率快，故井底壓力上升速率較慢；當(dāng)壓裂進(jìn)行到280 s時(shí)，井底壓力大于7 MPa，此時(shí) CO2由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，密度、黏度大幅度增加[25-26]，井底壓力迅速上升；當(dāng)壓裂進(jìn)行到296 s時(shí)，井底壓力達(dá)到37 MPa，巖石破裂，該過程累計(jì)用液量為197.3 mL；③采用超臨界CO2進(jìn)行壓裂時(shí)（見圖4c），CO2直接以超臨界態(tài)注入井筒，超臨界CO2黏度低，表面張力小[25-26]，壓裂過程中 CO2濾失嚴(yán)重，井底壓力上升速度非常慢；當(dāng)壓裂進(jìn)行到590 s時(shí)，井底壓力達(dá)到27 MPa，巖石破裂，該過程累計(jì)用液量為393.3 mL。

圖4 不同壓裂流體介質(zhì)作用下的泵注壓力曲線

對(duì)比上述結(jié)果可以看到：①與清水、液態(tài) CO2相比，超臨界 CO2黏度和表面張力非常低，壓裂過程中的濾失量非常大，井筒壓力建立非常困難，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，致裂碳酸鹽巖所需的超臨界 CO2體積是清水體積的 16倍；②在相同實(shí)驗(yàn)條件下，超臨界 CO2能明顯降低碳酸鹽巖的破裂壓力，超臨界 CO2致裂碳酸鹽巖所需的壓力為清水的57.4%，液態(tài)CO2的72.9%。

陳立強(qiáng)等[27]的研究結(jié)果表明，在不考慮流體濾失的情況下，井筒周圍的孔隙壓力等于原始地層壓力；當(dāng)考慮流體濾失時(shí)，井筒周圍的孔隙壓力等于多孔介質(zhì)中的流體壓力；流體的濾失會(huì)明顯降低巖石的破裂壓力。依據(jù)Zeng等[28]建立的考慮滲濾效應(yīng)的巖石破裂壓力預(yù)測(cè)模型可知，隨著壓裂流體黏度的減小，井筒周圍巖石的孔隙壓力增加，因此巖石的破裂壓力減小。與清水、液態(tài)CO2相比，超臨界CO2的黏度最低，壓裂過程中對(duì)井筒周圍孔隙壓力提高的幅度最大，因此超臨界CO2能明顯降低巖石的破裂壓力。

2.2 壓裂流體對(duì)裂縫形態(tài)的影響

圖5為第2、3、6實(shí)驗(yàn)方案壓后裂縫形態(tài)的 CT掃描結(jié)果，當(dāng)碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下：①采用清水壓裂后，壓裂裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，形成了平行于井筒方向的對(duì)稱雙翼縫（見圖5a）；②采用液態(tài)CO2壓裂后，壓裂裂縫同樣沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，形成平行于井筒方向的對(duì)稱雙翼縫（見圖5b）；③超臨界 CO2黏度低，壓裂過程中較大幅度提高了井筒周圍巖石孔隙壓力，降低了巖石的抗剪強(qiáng)度，采用超臨界CO2壓裂，碳酸鹽巖易于發(fā)生剪性破壞[13]。由圖5c可見，近井筒處壓裂裂縫擴(kuò)展方向與最大水平主應(yīng)力呈45°夾角，隨擴(kuò)展延伸距離的增加，在離井筒較遠(yuǎn)處逐漸轉(zhuǎn)向最大水平主應(yīng)力方向（圖中藍(lán)色橢圓位置），最終形成平行于井筒方向的對(duì)稱雙翼縫，裂縫迂曲度有所增加。

圖5 方案2、3、6壓后裂縫形態(tài)CT掃描結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)天然裂縫等其他弱面結(jié)構(gòu)不發(fā)育的碳酸鹽巖，采用低黏流體壓裂依然難以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，這與Lu等[29]開展的均質(zhì)砂巖壓裂實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。而液態(tài) CO2、超臨界 CO2致裂煤和頁巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[14-19]，與清水相比，液態(tài) CO2和超臨界CO2黏度低、表面張力小、穿透性強(qiáng)，壓裂過程中煤和頁巖本身的層理、天然裂縫等不連續(xù)面容易被溝通，因此壓后易于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。說明存在天然裂縫等不連續(xù)面是巖石在液態(tài) CO2、超臨界 CO2作用下形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 水平應(yīng)力差對(duì)裂縫形態(tài)的影響

圖6為第7、8實(shí)驗(yàn)方案壓后裂縫形態(tài)的CT掃描結(jié)果，可以看到，當(dāng)碳酸鹽巖的天然裂縫不發(fā)育時(shí)，水平應(yīng)力差對(duì)超臨界 CO2壓后形成的壓裂裂縫形態(tài)影響較小，即使在較低的水平應(yīng)力差條件下，壓后也依然無法形成復(fù)雜裂縫（方案7水平應(yīng)力差為2 MPa，方案8水平應(yīng)力差為4 MPa）。結(jié)合圖5可以看出，碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時(shí)，與清水相比，超臨界 CO2壓裂可以改變巖石的起裂方式，巖石清水壓裂為張性破壞，而超臨界 CO2壓裂為剪性破壞，后者可增加壓后壓裂裂縫的迂曲度。

圖6 方案7、8壓后裂縫形態(tài)CT掃描結(jié)果

2.4 天然裂縫的逼近角對(duì)裂縫形態(tài)的影響

方案1巖樣表面共發(fā)育 6條天然裂縫，其中包括低逼近角天然裂縫 NF1、NF2、NF3和高逼近角天然裂縫 NF4，遠(yuǎn)離井筒的天然裂縫 NF5、NF6（見圖7a）。采用清水壓裂后，形成了平行于井筒方向的對(duì)稱雙翼縫（見圖7b，斷面見圖7c），壓裂裂縫從裸眼處起裂后，左翼壓裂裂縫HF1沿低逼近角天然裂縫NF3擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中直接穿過了高逼近角的天然裂縫NF4；HF1繼續(xù)擴(kuò)展，另一條低逼近角天然裂縫NF2被溝通，HF1沿 NF2擴(kuò)展。右翼壓裂裂縫 HF2先沿低逼近角天然裂縫 NF1擴(kuò)展，然后轉(zhuǎn)向沿最大水平主應(yīng)力擴(kuò)展?？梢姴捎们逅畨毫?，壓裂裂縫容易溝通近井筒附近的低逼近角天然裂縫，但高逼近角天然裂縫難以被溝通，壓后形成“階梯狀”裂縫。

圖7 方案1壓裂前后裂縫形態(tài)

方案 4巖樣表面近井筒處發(fā)育一條高逼近角天然裂縫NF1（見圖8a），采用液態(tài)CO2壓裂后，壓裂裂縫HF2從裸眼處起裂后沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中溝通了近井筒處的高逼近角天然裂縫 NF1，此時(shí)壓裂裂縫同時(shí)沿最大水平主力應(yīng)力方向和 NF1擴(kuò)展，形成裂縫形態(tài)較復(fù)雜的多方向縫（見圖8b，斷面見圖8c）。結(jié)合方案1巖樣的壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，溝通高逼近角天然裂縫才是碳酸鹽巖壓后形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵。

圖8 方案4壓裂前后裂縫形態(tài)

方案5巖樣表面總共發(fā)育3條天然裂縫，其中NF1離井筒較近，呈高逼近角；NF2、NF3離井筒較遠(yuǎn)（見圖9a），采用液態(tài)CO2壓裂后，天然裂縫NF1被溝通，左翼壓裂裂縫 HF1沿 NF1擴(kuò)展；右翼壓裂裂縫 HF2沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，形成“L形”裂縫（見圖9b，斷面見圖9c）。對(duì)比方案1（清水壓裂）與方案4（液態(tài)CO2壓裂）、方案5（液態(tài)CO2壓裂）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，液態(tài) CO2黏度低，穿透性強(qiáng)，更易于溝通近井筒附近的高逼近角天然裂縫。

圖9 方案5壓裂前后裂縫形態(tài)

3 結(jié)論

超臨界 CO2黏度低，擴(kuò)散性強(qiáng)，壓裂過程中濾失量大，有利于提高井筒周圍巖石孔隙壓力，明顯降低碳酸鹽巖的破裂壓力，但壓裂過程中井筒壓力上升緩慢，致裂巖石所消耗的超臨界CO2體積遠(yuǎn)大于清水。

天然裂縫不發(fā)育的碳酸鹽巖，采用清水、液態(tài)CO2壓裂易發(fā)生張性破壞，壓裂裂縫主要沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展；采用超臨界 CO2壓裂易發(fā)生剪性破壞且水平應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫形態(tài)影響較小，近井筒處壓裂裂縫擴(kuò)展方向與最大水平主應(yīng)力呈45°夾角，隨擴(kuò)展延伸距離的增加，在離井筒較遠(yuǎn)處逐漸轉(zhuǎn)向最大水平主應(yīng)力方向，裂縫迂曲度與前者相比有所增加。

天然裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖，清水易溝通低逼近角天然裂縫，壓裂后易形成“階梯狀”裂縫，裂縫形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單；液態(tài) CO2黏度低，易溝通高逼近角天然裂縫，壓裂后易形成多方向縫，裂縫形態(tài)相對(duì)復(fù)雜。溝通高逼近角天然裂縫是碳酸鹽巖壓后形成復(fù)雜裂縫的關(guān)鍵。

符號(hào)注釋：

σH——最大水平主應(yīng)力，MPa；σh——最小水平主應(yīng)力，MPa；σv——垂向主應(yīng)力，MPa。