超臨界CO2壓裂裂縫特征研究現(xiàn)狀與展望

李小剛，冉龍海，楊兆中，賀宇廷，廖梓佳，曹文艷

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163517)

0 引 言

水力壓裂技術(shù)自1947年在美國德克薩斯州應(yīng)用以來，已經(jīng)成為了油氣增產(chǎn)的主要措施之一，但水力壓裂技術(shù)存在耗水量大、返排率低、污染環(huán)境等問題,在水資源日益緊張以及環(huán)境問題被高度重視的今天，水力壓裂技術(shù)已不能滿足綠色環(huán)保的開采要求。使用超臨界CO2無水壓裂技術(shù)可以避免水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，同時(shí)可將CO2封存于地下，實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存與油氣開采的一體化利用。CO2在不同的溫度、壓力條件下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，當(dāng)壓力超過7.38 MPa、溫度超過31.04℃時(shí)，CO2將成為超臨界態(tài)。超臨界CO2壓裂技術(shù)主要適用于存在水敏、水鎖效應(yīng)和低產(chǎn)、低滲、低豐度等非常規(guī)油氣藏的儲層改造，因其自身的物理化學(xué)特性，在地層中可形成微酸性環(huán)境，抑制黏土礦物膨脹，從根本上解決水敏與水鎖效應(yīng)，提高儲層滲透性[1]，是現(xiàn)階段非常規(guī)油氣藏大規(guī)模高效開發(fā)的重要手段之一。此外，超臨界CO2自身具有氣體的低黏度、高擴(kuò)散性，也有液體高密度的特點(diǎn)[2]，其破裂壓力比水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂低，并且造縫能力更強(qiáng)，形成的縫網(wǎng)更復(fù)雜[3]。但超臨界CO2壓裂技術(shù)作為新興的壓裂技術(shù)，許多相關(guān)技術(shù)和理論仍不完善，學(xué)者對其裂縫起裂機(jī)理和裂縫擴(kuò)展形式意見不統(tǒng)一[4]，需深入研究超臨界CO2壓裂的裂縫特征。為此，總結(jié)了前人對超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展特征、裂縫形態(tài)、導(dǎo)流能力特征的研究。該研究對高效經(jīng)濟(jì)的超臨界CO2壓裂施工工藝研究有一定的指導(dǎo)意義。

1 超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展特征研究現(xiàn)狀

1.1 裂縫起裂特征

起裂模式和起裂壓力是裂縫起裂的兩大特征。裂縫的起裂模式一般分為線彈性狀態(tài)的拉張起裂、塑性狀態(tài)的拉張起裂和剪切起裂3種。拉張起裂是常見的起裂方式，當(dāng)井壁處最小有效周向應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生線彈性狀態(tài)的拉張起裂，清水壓裂多是如此；而井周巖石發(fā)生塑性屈服后，存在塑性拉張起裂和塑性剪切起裂2種起裂模式，井周張應(yīng)力較小或處于壓應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生塑性剪切破壞，反之越容易產(chǎn)生塑性拉張起裂[5]；超臨界CO2壓裂則使儲層發(fā)生塑性剪切破壞形成自支撐裂縫。探究起裂模式的影響因素發(fā)現(xiàn)，隨著地應(yīng)力增大，起裂模式由線彈性拉張向塑性拉張，再到塑性剪切起裂發(fā)展；而隨著屈服應(yīng)力增大，起裂模式由塑性剪切向塑性拉張起裂發(fā)展[6]；起裂模式只是描述裂縫起裂時(shí)的形態(tài)和擴(kuò)展方式，其決定因素不只是地應(yīng)力和屈服應(yīng)力等力學(xué)因素，還有其他因素的綜合影響，如地應(yīng)力和儲層溫度，其可使CO2密度和黏度發(fā)生變化，這對裂縫的起裂和擴(kuò)展也有重要影響。

前人對超臨界CO2壓裂裂縫起裂壓力的研究較多。數(shù)值模擬方面，陳立強(qiáng)等[7]考慮超臨界CO2的增壓速率，建立了流體在井筒內(nèi)的增壓速率模型。模型計(jì)算結(jié)果顯示，超臨界CO2壓裂的起裂壓力比液態(tài)CO2壓裂低20.5%、比水力壓裂低75.5%，但研究中并未考慮溫度場和壓力場對超臨界CO2物理性質(zhì)的影響。仲冠宇等[8]對此進(jìn)行了研究，建立了套管-水泥環(huán)-地層的熱流固耦合力學(xué)模型。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，排量和注入溫度越大，裂縫起裂壓力越大。Yan等[9]則考慮了CO2相變的影響，將超臨界CO2壓裂過程分為超臨界CO2壓裂階段和CO2相變誘導(dǎo)壓裂階段，并基于擴(kuò)展有限元方法，建立了超臨界CO2壓裂階段的流固耦合模型。模擬結(jié)果顯示，煤層裂縫在超臨界CO2壓裂階段開始擴(kuò)展、變寬，在CO2相變誘導(dǎo)壓裂階段產(chǎn)生新的裂隙。相關(guān)研究考慮不同的影響因素建立了不同的數(shù)值模擬模型，但現(xiàn)階段還缺少能綜合考慮各類因素對裂縫起裂影響的模型，各因素對起裂方式的綜合影響不得而知。如楊氏模量、注入排量、泊松比、儲層溫度、水平應(yīng)力差等因素，何種因素是裂縫起裂的主導(dǎo)因素需細(xì)致研究，這也是超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展機(jī)理尚不明確的原因之一，需要建立一個(gè)既能進(jìn)行單因素分析也能綜合考慮多個(gè)影響因素的超臨界CO2壓裂裂縫起裂模型。

物理模擬方面，Ishida等[10]、Zhang等[11]分別進(jìn)行了超臨界CO2、液態(tài)CO2、清水壓裂花崗巖和頁巖的對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：超臨界CO2壓裂的起裂壓力比液態(tài)CO2壓裂和清水壓裂低。盧義玉等[12]不僅綜合對比了不同巖性，還考慮了溫度對起裂壓力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界CO2壓裂頁巖時(shí)較水力壓裂的起裂壓力低約50.9%，壓裂砂巖時(shí)低約57.1%，并且隨溫度升高，超臨界CO2壓裂的起裂壓力呈下降趨勢。這是由于溫度越高CO2黏度越低，擴(kuò)散性越強(qiáng)，濾失量越大，導(dǎo)致基質(zhì)的孔隙壓力增大，使得其起裂壓力降低。王海柱等[13]考慮了超臨界CO2的黏度影響，認(rèn)為受CO2自身黏度的影響，超臨界CO2的射流作用造成巖石拉伸破壞，與水射流的剪切破壞不同，這使得其起裂壓力比水力壓裂低18.0%左右。Chen等[14]則考慮了超臨界CO2射流時(shí)射孔角度對起裂壓力的影響，發(fā)現(xiàn)射孔角度越大起裂壓力越大。Yan等[15]探究了壓裂液溫度、壓裂液注入速率和地應(yīng)力對煤巖超臨界CO2壓裂裂縫起裂的影響，發(fā)現(xiàn)壓裂液溫度和壓裂液注入速率對裂縫起裂壓力的影響小于地應(yīng)力。上述研究表明，物理模擬受限于實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法等因素，要得到創(chuàng)新性的結(jié)論較難，需對實(shí)驗(yàn)裝置和方法不斷創(chuàng)新，并建立一套統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)值模擬研究能考慮到多個(gè)因素對超臨界CO2起裂壓力的影響，但卻沒有物理模擬直觀、準(zhǔn)確，物理模擬則受限于實(shí)驗(yàn)裝置，很多因素的影響現(xiàn)階段還無法探明；對于大多數(shù)類型的巖樣，超臨界CO2壓裂時(shí)的起裂壓力均比水力壓裂低，但是對于起裂壓力的降低幅度存在較大差異，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，建立一套起裂壓力評價(jià)體系是超臨界CO2壓裂技術(shù)未來的研究重點(diǎn)。

1.2 裂縫擴(kuò)展特征

裂縫起裂后壓力下降，瞬間會有大量能量釋放，超臨界CO2相態(tài)也發(fā)生變化，裂縫擴(kuò)展過程十分復(fù)雜。為探究超臨界CO2壓裂的裂縫擴(kuò)展特征，前人做了大量不同尺度、不同巖性的物理模型研究，但超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展特征的數(shù)值模擬研究卻極少，得出的研究結(jié)論也很少有較強(qiáng)的創(chuàng)新性。

Kizaki等[16]使用清水和超臨界CO2進(jìn)行了壓裂實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，清水壓裂會在樣品中產(chǎn)生沿井眼的垂直裂縫，而超臨界CO2壓裂則會形成沿裂谷或?qū)永砻娴牧芽p，并且超臨界CO2壓裂獲得的裂縫分支數(shù)目大于清水壓裂獲得的裂縫分支數(shù)目。這些結(jié)果表明，壓裂液黏度和巖石弱面結(jié)構(gòu)都會影響壓裂裂縫的形成。Hu等[17]利用頁巖和人造砂巖樣本進(jìn)行超臨界CO2壓裂和清水壓裂實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在均質(zhì)的人造砂巖中，無論是使用超臨界CO2還是清水作為壓裂液，主裂縫主要沿垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展，而在結(jié)構(gòu)面較弱的頁巖中，主裂縫的擴(kuò)展方向受弱結(jié)構(gòu)面和原位應(yīng)力的綜合控制。楊帆[18]在超臨界CO2壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展都受到頁巖天然層理結(jié)構(gòu)的影響。上述學(xué)者都考慮了天然層理結(jié)構(gòu)對超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展的影響，但未考慮超臨界CO2相態(tài)變化以及實(shí)驗(yàn)尺度對裂縫擴(kuò)展的影響。為此，Zhou等[19]實(shí)驗(yàn)研究了超臨界CO2相變引起的裂縫后失穩(wěn)對裂縫動態(tài)擴(kuò)展的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界CO2壓裂的裂縫擴(kuò)展速度比水力壓裂快2倍，并且超臨界CO2相態(tài)變化主導(dǎo)了壓裂過程中裂縫的擴(kuò)展。壓裂時(shí)，壓力和溫度都是動態(tài)變化的，這表明超臨界CO2的物理性質(zhì)也在隨時(shí)變化，尤其是地層破裂時(shí)，壓力直線降低，釋放大量能量并使得超臨界CO2的相態(tài)快速發(fā)生變化，這對整個(gè)壓裂過程中的裂縫擴(kuò)展是否會造成關(guān)鍵性影響還不得而知，對此可改進(jìn)真三軸壓裂裝置，將真三軸壓裂與CT掃描等技術(shù)結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控壓裂過程中的變化。趙志恒[20]則實(shí)驗(yàn)研究了大尺度和小尺度陸相和海相頁巖在超臨界CO2壓裂條件下的裂縫擴(kuò)展特征。研究表明，不同尺度不同巖性的裂縫擴(kuò)展方式存在差異(表1)，且實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與現(xiàn)場情況存在差異，如何將實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確應(yīng)用到現(xiàn)場也是未來的研究重點(diǎn)。

表1 不同尺度和巖性的裂縫擴(kuò)展特征比較Table 1 The comparison of characteristics of fracture propagation with different sizes and lithologies

在數(shù)值模擬方面，王迪[21]以KGD裂縫模型為對象，考慮超臨界CO2的密度變化，研究了超臨界CO2壓縮性對裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律，并討論了超臨界CO2壓裂與水力壓裂裂縫擴(kuò)展的差異。結(jié)果表明：超臨界CO2壓裂的裂縫擴(kuò)展長度更長、寬度更窄，井底凈壓力更低；超臨界CO2具有很強(qiáng)的壓縮性，即有很大的膨脹率，進(jìn)入地層后其超音速膨脹，快速填充新裂縫，這也是影響裂縫擴(kuò)展的原因之一。于慧等[22]建立流-固耦合模型，通過將超臨界CO2注入砂巖透鏡體，觀察透鏡體內(nèi)部砂巖儲層裂縫破裂過程。研究表明，裂縫在擴(kuò)展過程中先橫向擴(kuò)展變寬提供導(dǎo)流通道，再向前擴(kuò)展變長，裂縫尖端應(yīng)力先增后減，最終裂縫停止擴(kuò)展。賀宇廷[23]建立了流-固耦合裂縫三維擴(kuò)展模型和流-固-熱耦合超臨界CO2壓裂裂縫三維擴(kuò)展模型，探究了儲層溫度、儲層原始地應(yīng)力、楊氏模量、泊松比等因素對CO2壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明：隨著儲層溫度和原始地應(yīng)力增加，裂縫寬度會減小，二者直接或間接影響超臨界CO2黏度和密度；巖石楊氏模量和泊松比越高，裂縫寬度越小，因?yàn)闂钍夏Ａ吭礁邘r石越不易被壓縮。該模型雖已考慮了許多因素，但如巖石弱面結(jié)構(gòu)等諸多因素還未考慮到，還需進(jìn)行完善。

綜上，對超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究，還需研發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置，以及建立能模擬多個(gè)影響因素的超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展三維模型，進(jìn)行更微觀細(xì)致的研究，從本質(zhì)上探究其擴(kuò)展機(jī)理和規(guī)律。

1.3 裂縫形態(tài)特征

超臨界CO2壓裂裂縫起裂擴(kuò)展后會形成復(fù)雜的縫網(wǎng)，對裂縫形態(tài)的研究有助于反向推理裂縫擴(kuò)展和起裂過程。下面從裂縫迂曲度、粗糙度、長度和寬度等形態(tài)以及CO2相態(tài)變化等影響因素入手，總結(jié)裂縫形態(tài)特征。研究顯示，超臨界CO2可以誘導(dǎo)產(chǎn)生2個(gè)及以上的貫穿主裂縫，裂縫整體分布呈現(xiàn)“X”形、“Y”形或“H”形的斷裂形態(tài)[11]，且在主裂縫擴(kuò)展的末端附近分布有大量次生裂縫。因此，在裂縫形態(tài)方面，超臨界CO2壓裂相比于傳統(tǒng)水力壓裂具有絕對優(yōu)勢。

賈云中[24]利用裂縫的宏觀迂曲度來表征超臨界CO2壓裂的裂縫形態(tài)。研究表明，超臨界CO2壓裂更容易形成高迂曲度的裂縫，形成的裂縫更長，水力壓裂形成的裂縫迂曲度較小。Zhang等[11]利用CT掃描發(fā)現(xiàn)，頁巖中迂曲度高的裂縫更有可能誘發(fā)二次裂縫，并與天然裂縫和層理連接形成復(fù)雜的自支撐裂縫網(wǎng)絡(luò)。自支撐裂縫為超臨界CO2壓裂提供了高導(dǎo)流能力，也可節(jié)省大量成本，但其形成機(jī)理和維持時(shí)間、維持壓力還需研究。Jia等[25]利用5個(gè)不同參數(shù)(裂縫迂曲度、分形維數(shù)和掃描區(qū)域的高程的算術(shù)平均數(shù)、高程均方根、最大高程差)表征龍馬溪組頁巖的裂縫表面粗糙度。結(jié)果表明，超臨界CO2壓裂的各參數(shù)值均比水力壓裂大，說明超臨界CO2壓裂裂縫面更粗糙。為表征清水和超臨界CO2壓裂裂縫形態(tài)的具體數(shù)值差異，Zhao等[26]對陸相頁巖巖心進(jìn)行了壓裂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2壓裂的實(shí)際接觸面積與投影面積之比為1.15，高于水壓裂的1.10，裂縫分支的迂曲度和數(shù)量也大于水力壓裂，表明超臨界CO2壓裂產(chǎn)生的裂縫表面粗糙度更高。王磊[27]研究發(fā)現(xiàn)，相同應(yīng)力條件下，水力壓裂的裂縫寬度是超臨界CO2壓裂裂縫寬度的3～6倍，部分分叉處的裂縫寬度相差2個(gè)數(shù)量級。

上述物理模擬雖能得到超臨界CO2壓裂裂縫的某些基本特征，但無法考慮溫度場、滲流場、應(yīng)變等微觀因素對裂縫形態(tài)的影響。對此，He等[28]建立了研究超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展的三維動態(tài)模型。研究發(fā)現(xiàn)：儲層溫度越高，初始地應(yīng)力越低，裂縫越長越寬；井筒底部的CO2溫度對裂縫的長度、寬度和井底壓力沒有影響。Zhang等[29]為表征裂縫的流動特性，用清水和超臨界CO2對粉砂巖和頁巖樣品進(jìn)行了壓裂實(shí)驗(yàn)，并使用COMSOL軟件進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，CO2壓裂會產(chǎn)生粗糙度更高的壓裂表面，尤其是具有大量大孔隙的粉砂巖樣品。蘇建政等[30]結(jié)合物理模擬和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：超臨界CO2壓裂產(chǎn)生的體積應(yīng)變增量比清水壓裂更高，壓裂后裂縫的破壞程度也更大，這使得裂縫表面粗糙度更大，裂縫形態(tài)更復(fù)雜；并且由于高濾失性和壓裂前較長的增壓時(shí)間，超臨界CO2浸泡對巖石的楊氏模量、泊松比等物理性質(zhì)有較大影響，因此，長時(shí)間超臨界CO2浸泡對裂縫特征的影響需要進(jìn)一步研究。

超臨界CO2壓裂起裂壓力和裂縫形態(tài)的研究受限于實(shí)驗(yàn)裝置和觀測手段，數(shù)值模擬方面也沒有能考慮多個(gè)影響因素的模型，至今沒有完全探明超臨界CO2裂縫起裂特征和機(jī)理。通過上述對裂縫形態(tài)的研究可知：超臨界CO2壓裂在裂縫形態(tài)方面優(yōu)于清水壓裂，即裂縫形態(tài)更復(fù)雜、迂曲度更大，縫長更長，還能形成自支撐裂縫；不足之處是裂縫縫寬遠(yuǎn)小于清水壓裂。因此，超臨界CO2壓裂的裂縫有效性有待研究。

2 超臨界CO2壓裂裂縫導(dǎo)流能力特征研究

2.1 裂縫導(dǎo)流能力特征研究

超臨界CO2壓裂可溝通天然縫，通過剪切滑移作用和高壁面粗糙度形成自支撐。因此，將超臨界CO2壓裂裂縫導(dǎo)流能力分為多級裂縫導(dǎo)流能力和自支撐裂縫導(dǎo)流能力。多級裂縫是壓裂過程中形成的有主次之分、裂縫寬度逐級遞減的裂縫組合。超臨界CO2壓裂形成的多級裂縫比較復(fù)雜，并且能溝通天然裂縫提供導(dǎo)流能力[31]，但裂縫之間相互交叉，相交角越大支撐劑越難進(jìn)入[32]，加之其縫寬較小且自身攜砂能力較差，支撐劑不能充填至裂縫遠(yuǎn)端，多級裂縫導(dǎo)流能力主要由主裂縫提供。因此，多級裂縫導(dǎo)流能力較小，有效性也不足。

自支撐裂縫導(dǎo)流能力的研究一直是體積壓裂、超臨界CO2壓裂的重點(diǎn)，其提供的導(dǎo)流能力不可忽視。超臨界CO2壓裂裂縫自支撐機(jī)理包括儲層剪切滑移(類似于清水壓裂)，以及CO2與水混合的微酸溶液腐蝕(類似于酸蝕裂縫)等。因此，可借鑒清水壓裂與酸蝕裂縫導(dǎo)流能力研究方法對超臨界CO2自支撐裂縫的導(dǎo)流能力開展研究。Fredd等[33]、曹海濤等[34]通過室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)：無滑移的裂縫導(dǎo)流能力很低，裂縫發(fā)生相對滑移后可提供一定的導(dǎo)流能力，隨著滑移量的增大，自支撐裂縫的導(dǎo)流能力逐漸增大；但滑移錯(cuò)動過大可能會使壁面粗糙度降低，并且裂縫可能再次閉合。因此，需研究合適的滑移量使獲得的導(dǎo)流能力最大。Wu[35]等、Zhang等[36]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)觀察了不同因素對頁巖自支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響。研究表明，頁巖自支撐裂縫閉合應(yīng)力越大導(dǎo)流能力越小，表面粗糙度越大導(dǎo)流能力越大，而與滑移量沒有直接的線性關(guān)系。周雷力等[37]考慮了支撐裂縫及自支撐裂縫的共同影響，對比測試了頁巖支撐裂縫及自支撐裂縫的導(dǎo)流能力。結(jié)果表明，在低鋪砂濃度下，導(dǎo)流能力的主控因素為自支撐裂縫的裂縫面粗糙度；在高鋪砂濃度下，導(dǎo)流能力主控因素為自支撐裂縫的支撐劑鋪置方式。

數(shù)值模擬方面，張然[38]以孔二段儲層為基礎(chǔ)，建立天然裂縫剪切滑移模型并開展了自支撐裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，孔二段儲層能發(fā)生剪切滑移形成自支撐裂縫，自支撐裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力增大而減小，但減小過程分為3個(gè)階段，與支撐裂縫存在差異。超臨界CO2在地層中的流動情況很復(fù)雜，對導(dǎo)流能力也有較大影響，需考慮流動特征對自支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響。修乃嶺等[39]利用非線性Izbash定律描述氣體在自支撐裂縫中流動特征方程，并基于流動特征方法建立新的自支撐裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算公式，但是否適合在地層中易發(fā)生相態(tài)變化的超臨界CO2還未進(jìn)行研究。

上述研究說明，受剪切滑移和壁面粗糙度的影響，裂縫獲得自支撐導(dǎo)流能力，但氣體滑脫效應(yīng)、滲流阻力等微觀因素也會對導(dǎo)流能力造成影響。

超臨界CO2由于其自身的物理化學(xué)特性，壓裂時(shí)很容易形成自支撐裂縫，但具體的形成機(jī)理至今還沒有統(tǒng)一認(rèn)識，也導(dǎo)致許多工藝問題無法解決。現(xiàn)階段只能通過真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，利用各種觀測手段研究其形成機(jī)理，超臨界CO2壓裂自支撐裂縫的數(shù)值模擬研究目前也基本沒有。因此，可以在真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)后對裂縫形態(tài)進(jìn)行掃描，利用接觸力學(xué)的方法建模模擬加壓，反向探究其起裂和擴(kuò)展機(jī)理；同時(shí)，自支撐裂縫導(dǎo)流能力的維持也是未來研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.2 裂縫導(dǎo)流能力提高方法研究

受地層應(yīng)力影響，無論是多級裂縫還是自支撐裂縫都會閉合，造成導(dǎo)流能力減小甚至消失。因此，需對裂縫有效性進(jìn)行研究，尋找提高裂縫導(dǎo)流能力的方法。Wang等[40]基于擴(kuò)展有限元方法，建立了超臨界CO2壓裂階段的流-固耦合模型。模擬結(jié)果表明，超臨界CO2流體的注入速率越大，裂縫的長度和寬度越大。因此，在考慮地面加壓裝置承壓能力的同時(shí)可適當(dāng)加大排量，使裂縫更長更寬，有效導(dǎo)流能力更大。Li等[41]認(rèn)為先進(jìn)行超臨界CO2壓裂，然后再進(jìn)行增稠的CO2壓裂并攜帶支撐劑以保持水力裂縫開放，這樣在形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)還可以使超臨界CO2壓裂具有較好的滲透性，增強(qiáng)裂縫有效性。超臨界CO2黏度低，攜砂能力較差，因此，可研發(fā)合理的超臨界CO2增稠劑以及配伍的低密度支撐劑[42]。針對超臨界CO2壓裂過程中的支撐劑輸送問題，Zhou等[19]用數(shù)值方法結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，裂縫平衡高度與注入溫度和支撐劑的體積分?jǐn)?shù)、密度、直徑呈正相關(guān)，與注入壓力和排量呈負(fù)相關(guān)。因此，在前期可通過小粒徑大排量注入使支撐劑到達(dá)裂縫遠(yuǎn)端，后期通過尾追大粒徑支撐劑提高近井地帶支撐劑充填效果，從而提高裂縫整體充填效果，增強(qiáng)裂縫有效性。

自支撐裂縫能有效解決支撐劑不能到達(dá)裂縫尖端的問題，為裂縫提供導(dǎo)流能力。因此，可重點(diǎn)研究超臨界CO2壓裂自支撐裂縫形成機(jī)理，找到相應(yīng)的方法，使裂縫沿最大水平地應(yīng)力方向延伸更遠(yuǎn)，溝通更多天然裂縫發(fā)生剪切滑移，形成自支撐裂縫，增強(qiáng)裂縫有效性。

前人對超臨界CO2裂縫導(dǎo)流能力的研究較少，這是由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)值模擬方法都不能滿足超臨界CO2裂縫導(dǎo)流能力測試的要求，在對技術(shù)、裝置提出新要求的同時(shí)，也應(yīng)該多方面考慮裂縫導(dǎo)流能力的影響因素。導(dǎo)流能力的大小還取決于裂縫的滲透率，Isaka等[43]的研究顯示，超臨界CO2的良好傳熱特性可以在增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)中代替水作為工作流體，該方法能有效增強(qiáng)裂縫的滲透率提高導(dǎo)流能力，但是溫度對超臨界CO2的物理性質(zhì)具有較大影響，是否會對裂縫擴(kuò)展和裂縫形態(tài)造成影響還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

(1)通過對比實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2壓裂裂縫起裂壓力比液態(tài)CO2和清水壓裂低，并且對不同的巖石以及在不同的應(yīng)力條件下起裂壓力下降幅度不同，其主導(dǎo)原因是超臨界CO2的低黏度和高擴(kuò)散性。

(2)影響超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展效果的因素較多，主要受CO2相變主導(dǎo)以及巖石弱面結(jié)構(gòu)的影響。

(3)超臨界CO2壓裂形成的裂縫壁面粗糙度大，裂縫迂曲度比清水壓裂更大，縫長也更長，裂縫網(wǎng)絡(luò)也更復(fù)雜，但裂縫寬度較小，其自身攜砂能力也不足，有效導(dǎo)流能力可能不足。

(4)增加超臨界CO2的注入速率會增加壓裂裂縫的長度和寬度，可增加裂縫的有效性，但對地面裝置要求較高。超臨界CO2攜砂能力不足，前期可通過小粒徑大排量注入使支撐劑到達(dá)裂縫遠(yuǎn)端，后期通過尾追大粒徑支撐劑提高近井地帶支撐劑充填效果，從而增強(qiáng)裂縫的有效性。

3.2 展 望

(1)對超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展形式的研究，物理模擬方面可通過研發(fā)和改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和觀測裝置，數(shù)值模擬方面可建立考慮多因素的三維動態(tài)起裂模型[44]，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)探索其裂縫擴(kuò)展形式。

(2)超臨界CO2壓裂過程中，由CO2注入引起的溫度變化及其影響尚不清楚[45-46]，而溫度對超臨界CO2的相態(tài)、黏度等物理性質(zhì)有重要影響，溫度的變化可能會引起應(yīng)力場的變化，從而影響裂縫的擴(kuò)展形式，可利用離散元方法建立模擬溫度場分布的模型。

(3)超臨界CO2壓裂的長期、短期導(dǎo)流能力目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)測試方法和設(shè)備，并且自支撐裂縫的形成機(jī)理也不清楚。要提高超臨界CO2壓裂的有效性，在研究實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)，也可通過數(shù)值模擬建立能模擬支撐裂縫和自支撐裂縫流體通過能力的模型。