頁巖二氧化碳壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制及工藝研究

左 羅，韓華明，蔣廷學(xué)，王海濤

1頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室(北京) 2中國石化石油工程技術(shù)研究院 3中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦

0 引言

我國頁巖氣資源豐富，根據(jù)不同沉積環(huán)境一般分為海相頁巖氣、海陸過渡相頁巖氣及陸相頁巖氣[1-2]。開發(fā)實踐表明頁巖氣必須經(jīng)大規(guī)模壓裂才能實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，而采用水基壓裂液，水資源消耗巨大[3-5]。國內(nèi)海陸過渡相頁巖氣區(qū)塊，特別是陸相頁巖氣區(qū)塊大多處于水資源匱乏地區(qū)，不宜采用大規(guī)模水力壓裂，為確保開發(fā)效果，國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為以二氧化碳部分或完全替代水的壓裂方式可能具有較大潛力。目前關(guān)于二氧化碳壓裂的研究及應(yīng)用較多[6-8]，但針對頁巖二氧化碳壓裂最優(yōu)模式的研究較少，因此，本文旨在通過相關(guān)實驗及軟件模擬對頁巖二氧化碳壓裂模式進(jìn)行優(yōu)選，為形成頁巖二氧化碳壓裂主體技術(shù)提供理論參考。

1 二氧化碳壓裂模擬實驗

為研究二氧化碳在不同狀態(tài)下壓裂時對頁巖起裂及裂縫擴(kuò)展的影響，結(jié)合地層溫度、壓力條件設(shè)計了超臨界二氧化碳、液態(tài)二氧化碳、二氧化碳泡沫滑溜水及滑溜水壓裂物理模擬方案，以分析起裂、裂縫擴(kuò)展及形態(tài)特征等。

1.1 實驗方案

詳細(xì)的實驗方案見表1。樣品尺寸直徑100 mm,長度200 mm。二氧化碳作為壓裂介質(zhì)的實驗過程中的排量設(shè)置較高，主要是考慮到二氧化碳的壓縮性極強(qiáng)，根據(jù)研究經(jīng)驗在同為1.2 mL/min的恒定注入排量下，整個壓裂過程要?dú)v時幾個小時(同樣排量，滑溜水壓裂實驗一般約為20 min)，在形成宏觀壓裂縫之前，很可能已經(jīng)形成泄漏通道，與滑溜水壓裂實驗的對比性不強(qiáng)。因此，在二氧化碳壓裂實驗過程中，剛開始注入的排量設(shè)置較高，待積聚到一定壓力，然后以設(shè)計排量注入開始壓裂實驗。

表1 壓裂實驗參數(shù)表

1.2 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果如表2和圖1所示。純二氧化碳壓裂平均破裂壓力較滑溜水約低26%，壓裂縫主要由縱向主裂縫和水平層理主縫及其他復(fù)雜小微縫組成，主要原因很可能是二氧化碳流體黏度低，擴(kuò)散系數(shù)大，易增大孔隙壓力。從而降低破裂壓力。此外，頁巖含有多種熱差異性膨脹較大的礦物，溫度變化導(dǎo)致差異性膨脹，有助于裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展[9-10]。二氧化碳泡沫滑溜水壓裂平均破裂壓力較滑溜水約低10%，比純二氧化碳約高22%，壓裂后形成了多條縱向裂縫和2條水平層理縫，裂縫形態(tài)較為復(fù)雜。

表2 破裂壓力對比表

圖1 不同二氧化碳介質(zhì)壓后裂縫分布形態(tài)對比

總體上二氧化碳壓裂時會顯著降低破裂壓力，破裂壓力由小到大排序為：超臨界二氧化碳<液態(tài)二氧化碳<二氧化碳泡沫滑溜水<滑溜水；液態(tài)二氧化碳、超臨界二氧化碳及二氧化碳泡沫滑溜水壓裂產(chǎn)生的裂縫復(fù)雜度更高。

2 二氧化碳壓裂模式及工藝參數(shù)研究

2.1 二氧化碳復(fù)合壓裂優(yōu)勢分析

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，純二氧化碳壓裂具有降低起裂壓力及促進(jìn)裂縫復(fù)雜化的優(yōu)勢。但是施工過程中二氧化碳相態(tài)不可控(理論上井底壓力和溫度條件下應(yīng)主要以超臨界態(tài)為主)，憋壓時間長，而且純二氧化碳壓裂對施工設(shè)備(要求密閉)及工藝參數(shù)控制等要求高且攜砂能力弱；此外，實驗中發(fā)現(xiàn)二氧化碳泡沫滑溜水同樣表現(xiàn)出具有降低起裂壓力及提高裂縫復(fù)雜度的作用。通過比較發(fā)現(xiàn)二氧化碳泡沫壓裂更具優(yōu)勢(圖2)。

圖2 壓裂裂縫參數(shù)對比圖

綜上提出二氧化碳復(fù)合壓裂工藝思路：在不同施工時間段內(nèi)伴注一定量的液態(tài)二氧化碳，與常規(guī)水基壓裂液交替注入，一部分二氧化碳與液體混相形成泡沫，一部分則在地層條件下達(dá)到超臨界態(tài)，這樣可充分利用純二氧化碳深穿透、降破壓、利于擴(kuò)展小微縫及二氧化碳泡沫在擴(kuò)展縫高、縫寬上的優(yōu)勢。

基于上述思路，利用Eclipse分別模擬了純水基壓裂液壓裂(滑溜水)、純二氧化碳壓裂、二氧化碳復(fù)合壓裂下日產(chǎn)及累產(chǎn)的變化規(guī)律。具體裂縫參數(shù)：①水基壓裂：支撐縫導(dǎo)流能力2 D·cm，支撐縫長300 m，未支撐縫長60 m(0.01 D·cm)，帶寬60 m；②純二氧化碳壓裂：支撐縫導(dǎo)流能力0.5 D·cm，支撐縫長150 m，未支撐縫長300 m(0.001 D·cm)，帶寬180 m；③二氧化碳復(fù)合壓裂(前置液+ 二氧化碳泡沫)：支撐縫導(dǎo)流能力1 D·cm，支撐縫長250 m，未支撐縫長150 m(0.005 D·cm)，帶寬90 m。

圖3結(jié)果表明：生產(chǎn)初期水基壓裂初產(chǎn)高于純二氧化碳壓裂及二氧化碳復(fù)合壓裂，生產(chǎn)100 d后，二氧化碳復(fù)合壓裂日產(chǎn)反而高于水基壓裂，純二氧化碳壓裂日產(chǎn)仍然最低。原因在于，盡管初始水基壓裂支撐主裂縫及未支撐縫導(dǎo)流能力最高、裂縫半長最長，但因水力壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)連通性、帶寬及未支縫縫長不及二氧化碳復(fù)合壓裂，最終導(dǎo)致主縫導(dǎo)流能力遞減快，且波及支縫體積最小，從而產(chǎn)量遞減相對較快。另外，從累產(chǎn)曲線上看，生產(chǎn)不到兩年時間，二氧化碳復(fù)合壓裂累產(chǎn)超過水基壓裂，比水基壓裂高出8.6%，而比純二氧化碳壓裂高出26.1%。

圖3 水基壓裂、純二氧化碳壓裂及二氧化碳復(fù)合壓裂產(chǎn)量效果預(yù)測

生產(chǎn)5年后二氧化碳復(fù)合壓裂縫網(wǎng)壓力波及范圍最大，略高于水基壓裂，而水基壓裂表現(xiàn)出壓力波及最不均勻，尤其“核部”主裂縫區(qū)域壓降最快，相比較其他兩種工藝而言，穩(wěn)產(chǎn)效果最差。從日產(chǎn)曲線上也可以觀察到生產(chǎn)初期產(chǎn)量高但遞減速率最快的特征,由此可見二氧化碳復(fù)合壓裂方式有利于增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

2.2 二氧化碳復(fù)合壓裂優(yōu)勢工藝分析

模擬了6種工藝模式，各參數(shù)對比見圖4。

圖4 不同復(fù)合壓裂工藝模式下裂縫參數(shù)對比

6種工藝模式全程滑溜水(基準(zhǔn))、前置二氧化碳泡沫+滑溜水、前置滑溜水+二氧化碳泡沫、前置膠液+二氧化碳泡沫、前置膠液+滑溜水及全程二氧化碳泡沫中前置膠液或滑溜水+二氧化碳泡沫工藝模式優(yōu)勢明顯，在相對縫長、相對縫高及相對縫寬上均有較大優(yōu)勢。

2.3 二氧化碳復(fù)合壓裂工藝參數(shù)研究

根據(jù)上述研究結(jié)果可知，所提出的復(fù)合壓裂工藝中與泡沫相關(guān)的工藝參數(shù)需要著重研究。為確定工藝優(yōu)化過程中二氧化碳泡沫質(zhì)量及其基液黏度的設(shè)定范圍，模擬了不同基液黏度、泡沫質(zhì)量下的壓裂效果如圖5所示。模擬結(jié)果表明：隨著二氧化碳泡沫質(zhì)量的增大,縫高、縫長、平均縫寬及改造體積都將逐漸增大，當(dāng)泡沫質(zhì)量大于75%時,縫長及改造體積都明顯增大，縫高及平均縫寬增大幅度也有提高，理論上說明泡沫質(zhì)量越大改造效果越顯著。在同一泡沫質(zhì)量下隨著基液黏度的增大，改造體積將減小，說明較低的基液黏度更利于提高壓裂改造效果。因此，在工藝優(yōu)化時二氧化碳泡沫壓裂液的泡沫質(zhì)量設(shè)定在75%及以上，基液黏度設(shè)定在3～6 mPa·s。

圖5 泡沫質(zhì)量及基液黏度對裂縫參數(shù)及改造體積的影響規(guī)律

在前置滑溜水+二氧化碳泡沫工藝下模擬了不同排量對壓裂效果的影響(以2 m3/min排量為基準(zhǔn))(圖6)，模擬結(jié)果顯示隨著排量的增大縫高逐漸增大，排量大于10 m3/min后縫高基本不變；縫長隨著排量增大逐漸降低，排量大于10 m3/min后縫長趨于穩(wěn)定；縫寬同樣隨著排量增大而增大，排量大于10 m3/min后縫寬輕微減小。因此，采用前置滑溜水+二氧化碳泡沫工藝時排量應(yīng)達(dá)到10 m3/min。

圖6 不同排量下相對裂縫參數(shù)

為研究最優(yōu)二氧化碳泡沫段塞數(shù)量及加入時機(jī)，以1個泡沫段塞為基準(zhǔn)，模擬了不同段塞數(shù)及加入時機(jī)下的裂縫參數(shù)并進(jìn)行了對比分析。模擬結(jié)果顯示：隨著泡沫段塞數(shù)的增加，相對裂縫參數(shù)均逐漸增大，而且相同段塞數(shù)下后半程加入段塞更利于促進(jìn)裂縫延伸及提高改造體積(圖7)，說明泡沫段塞的最佳泵注時機(jī)為壓裂施工中的中后半程。

圖7 泡沫段塞數(shù)及加入時機(jī)對裂縫參數(shù)的影響

以40 m3的二氧化碳泡沫段塞量為基準(zhǔn)研究了不同泡沫段塞長度對裂縫參數(shù)的影響，模擬發(fā)現(xiàn)隨著泡沫段塞量的增大裂縫參數(shù)基本不變(圖8)，說明段塞長度對裂縫參數(shù)基本沒影響，可以根據(jù)實際施工情況進(jìn)行合理調(diào)整。

圖8 泡沫段塞量對裂縫參數(shù)的影響

3 結(jié)論及建議

(1)二氧化碳作為壓裂介質(zhì)可降低破裂壓力，提高裂縫復(fù)雜度?？傮w上破裂壓力由小到大排序為：超臨界二氧化碳<液態(tài)二氧化碳<二氧化碳泡沫滑溜水<滑溜水。

(2)二氧化碳復(fù)合壓裂方式有利于增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，提出了前置液+后半程伴注液態(tài)二氧化碳/二氧化碳泡沫復(fù)合壓裂工藝。在二氧化碳復(fù)合壓裂工藝中二氧化碳起泡后泡沫質(zhì)量應(yīng)在75%及以上，對應(yīng)基液黏度應(yīng)控制在3～6 mPa·s，排量最好控制在10 m3/min及以上，而且壓裂后半程泵入泡沫段塞更為有利。

(3)針對頁巖氣建議采用前置滑溜水+后半程伴注液態(tài)二氧化碳工藝，充分利用超臨界二氧化碳深穿透，利于擴(kuò)展小微縫及在形成一定比例泡沫后利于縫高、縫寬擴(kuò)展的優(yōu)勢。針對頁巖油建議采用前置膠液+二氧化碳泡沫工藝，以滿足高導(dǎo)流能力的需求。