低溫沖擊對(duì)干熱巖裂縫導(dǎo)流能力的影響

李 寧，趙夢(mèng)云，王海波，周 彤

(中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院 采油工程研究所，北京 102249)

引 言

干熱巖地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地下深部高溫巖體中的熱量，是一種分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、不受季節(jié)限制、清潔無(wú)污染的新型能源[1-3]。干熱巖的巖性以火山巖、變質(zhì)巖和結(jié)晶巖為主，埋深3.0～10.0 km，溫度可達(dá)150～650 ℃，儲(chǔ)層巖石致密、滲透性差，無(wú)水或極少含水[4-5]。干熱巖地?zé)崮艿拈_發(fā)需要借助水力壓裂等手段建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/人工熱儲(chǔ)(EGS)，即在注水井與采出井之間建立連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)注水井與采出井間的流體循環(huán)，利用高溫巖體與注入流體的熱量交換將能量采出。

國(guó)際上除明確了經(jīng)濟(jì)有效開采地?zé)崮艿娜斯醿?chǔ)改造面積(0.1 km2)、有效換熱面積(1×106m2)等參數(shù)界限以外，還指出采出井的產(chǎn)水速率達(dá)到80 kg/s(4.8 m3/min)且縫網(wǎng)的流動(dòng)阻抗要低[6]。因此，裂縫網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)流能力是必不可少的改造目標(biāo)之一，且對(duì)于整個(gè)人工熱儲(chǔ)的采熱效果和運(yùn)行壽命具有十分重要的影響[7]。盡管關(guān)于壓裂裂縫導(dǎo)流能力的研究屢見不鮮，但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究往往針對(duì)油氣儲(chǔ)層。而干熱巖儲(chǔ)層與油氣儲(chǔ)層相比，最顯著的區(qū)別之一在于地層溫度場(chǎng)的變化。在干熱巖地層的長(zhǎng)期注采過(guò)程中，由于注入冷水與高溫巖石之間的熱量交換，注水井井底巖石的溫度會(huì)顯著降低。大量的室內(nèi)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：溫度劇烈變化(低溫沖擊)產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使得巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，即形成大量的低溫沖擊誘導(dǎo)裂縫，降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量等[8-10]。巖石力學(xué)強(qiáng)度劣化將會(huì)加劇支撐劑的嵌入，從而進(jìn)一步影響人工裂縫的閉合行為。Luo等[11]研究了含有人工裂縫的花崗巖在熱-流-固耦合作用下的滲流特征，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度的升高有利于提高能量的交換率。趙強(qiáng)等[12]和Shu等[13]分別研究了溫度對(duì)花崗巖支撐裂縫以及粗糙自支撐裂縫滲流特性和換熱效果的影響。隨著溫度的升高，巖石的熱膨脹以及高溫條件下礦物顆粒的壓溶等作用會(huì)導(dǎo)致裂縫的等效水力開度降低。目前，關(guān)于低溫沖擊作用對(duì)干熱巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力影響的實(shí)驗(yàn)研究尚不多見。

本文通過(guò)對(duì)巖板進(jìn)行緩慢加熱后快速水冷卻的預(yù)熱處理方式模擬干熱巖注采循環(huán)過(guò)程中裂縫面所受的低溫沖擊作用。通過(guò)開展導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)測(cè)試，分析了不同熱處理溫度(即低溫沖擊強(qiáng)度)、支撐劑類型、支撐劑粒徑和鋪砂濃度等因素影響下的裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)干熱巖采熱過(guò)程中人工熱儲(chǔ)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化機(jī)理具有一定的借鑒意義。

1 導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 巖板制備與熱處理

實(shí)驗(yàn)所用花崗巖露頭取自福建省漳州市。該花崗巖的礦物組成以石英為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約60.1%；其余依次為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黏土礦物和方解石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20.1%、13.6%、3.6%和2.6%。室內(nèi)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，該花崗巖原始抗張強(qiáng)度為8.97 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為80.01 MPa，彈性模量為29.04 GPa，泊松比為0.16。

根據(jù)API導(dǎo)流能力測(cè)試規(guī)范，將巖樣加工成長(zhǎng)度為17.7 cm、寬度為3.8 cm、厚度為2 cm、兩端為半圓形的標(biāo)準(zhǔn)平面巖板[14-15]。目前導(dǎo)流能力測(cè)試儀的加熱最高溫度通常在200℃以內(nèi)，難以滿足干熱巖儲(chǔ)層的高溫特征模擬。為此，本實(shí)驗(yàn)采用預(yù)熱處理的方式模擬干熱巖人工熱儲(chǔ)采熱過(guò)程中注入水對(duì)高溫巖石的低溫沖擊作用。預(yù)熱處理的具體步驟如下：

(1)將導(dǎo)流巖板置于臺(tái)車烘箱，為了避免加熱過(guò)程中的熱沖擊作用，設(shè)置5 ℃/min的升溫速率將巖板緩慢加熱至不同的目標(biāo)溫度(200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃)；

(2)為了保證整個(gè)導(dǎo)流巖板達(dá)到熱平衡，在加熱溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，維持恒溫4 h；

(3)取出導(dǎo)流巖板，置于水槽中，利用恒速水流(水溫25 ℃)對(duì)導(dǎo)流巖板進(jìn)行快速降溫處理，處理時(shí)間為2 h。

該緩慢加熱-快速水冷卻的預(yù)熱處理方式可以保證巖石的損傷主要發(fā)生在降溫過(guò)程中，在低溫沖擊對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究中已得到廣泛采用[16-18]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

巖板預(yù)熱處理后，首先開展電鏡掃描測(cè)試對(duì)巖板表面的低溫沖擊損傷特征進(jìn)行觀測(cè)。之后，采用FCS-842導(dǎo)流儀開展室溫條件下的干熱巖裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)主要考慮不同熱處理溫度、支撐劑類型、支撐劑粒徑以及鋪砂濃度等因素對(duì)干熱巖裂縫導(dǎo)流能力的影響。根據(jù)干熱巖地層高應(yīng)力特征，閉合應(yīng)力加載范圍為10～70 MPa，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)閉合應(yīng)力70 MPa條件下的支撐劑充填層破碎情況進(jìn)行篩析測(cè)試，計(jì)算得到不同條件下的支撐劑破碎率。

表1 導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 低溫沖擊后的裂縫面微觀特征

干熱巖采熱過(guò)程中，高溫巖石與循環(huán)流體之間發(fā)生熱量交換，裂縫表面溫度變化劇烈，產(chǎn)生熱誘導(dǎo)應(yīng)力。當(dāng)熱誘導(dǎo)應(yīng)力超過(guò)巖石顆粒之間或顆粒自身的強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量誘導(dǎo)裂縫[19]。為了直觀觀測(cè)低溫沖擊對(duì)裂縫表面微觀特征的影響，對(duì)不同溫度預(yù)熱處理后的巖板表面進(jìn)行了取樣觀測(cè)，測(cè)試環(huán)境為常溫常壓條件。部分巖樣低溫沖擊作用后的裂縫面特征如圖1所示，經(jīng)歷400 ℃和500 ℃預(yù)熱處理的花崗巖表面可見多條開度明顯的誘導(dǎo)裂縫。這些裂縫一方面可以作為流體的流動(dòng)通道，另一方面也會(huì)影響支撐劑與裂縫面間的相互作用。

圖1 低溫沖擊作用后的裂縫面特征

3 導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低溫沖擊強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

通過(guò)將1#—5#巖板緩慢加熱到不同目標(biāo)溫度并進(jìn)行快速水冷卻處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同低溫沖擊強(qiáng)度的模擬。經(jīng)過(guò)不同預(yù)熱處理后的裂縫導(dǎo)流能力變化如圖2(a)所示。由圖可知，隨著預(yù)熱處理溫度的升高，相同閉合應(yīng)力下的裂縫導(dǎo)流能力逐漸降低。說(shuō)明低溫沖擊作用會(huì)加劇支撐裂縫的失效。當(dāng)預(yù)熱處理溫度為25 ℃和200 ℃時(shí)，1#、2#巖板在低閉合應(yīng)力條件下的裂縫導(dǎo)流能力下降相對(duì)較慢，當(dāng)閉合應(yīng)力達(dá)到50 MPa后，導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力升高而快速降低。而當(dāng)預(yù)熱處理溫度超過(guò)300 ℃后，3#—5#裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力增加快速降低的階段發(fā)生在低閉合應(yīng)力(≤30 MPa)階段。

圖2 熱處理溫度對(duì)裂縫導(dǎo)流能力和支撐劑破碎的影響

LI等[4]關(guān)于低溫沖擊對(duì)花崗巖微觀力學(xué)性質(zhì)的影響研究表明：低溫沖擊造成的誘導(dǎo)應(yīng)力會(huì)在巖樣表面造成微裂縫并使得裂縫表面的巖石硬度降低。當(dāng)預(yù)熱處理溫度較低時(shí)，低溫沖擊作用較弱，裂縫面的軟化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。此時(shí)，裂縫的閉合主要是高閉合應(yīng)力條件下支撐劑的破碎。當(dāng)預(yù)熱處理溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)，低溫沖擊造成的裂縫面“軟化”程度加劇，誘導(dǎo)裂縫的數(shù)量增加。此時(shí)，在低閉合應(yīng)力條件下，支撐劑在裂縫表面的嵌入加劇，導(dǎo)流能力下降較快。隨著閉合應(yīng)力進(jìn)一步增大，由于支撐劑嵌入使得受力面積增加，支撐劑的破碎得到一定程度抑制，導(dǎo)流能力下降變慢[20-21]。支撐劑充填層的篩析結(jié)果也表明，隨著預(yù)熱處理溫度的升高，支撐劑的破碎率顯著降低。相比于未經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的情況(25 ℃)，預(yù)熱處理溫度為500 ℃過(guò)程中產(chǎn)生的低溫沖擊作用使得70 MPa下的支撐劑破碎率由30.87%下降到11.68%(圖2(b))。

3.2 支撐劑類型對(duì)導(dǎo)流能力的影響

在鋪砂濃度4 kg/m2、預(yù)熱處理溫度300 ℃條件下，分別對(duì)比了采用40/70目石英砂支撐劑(6#巖板)與40/70目陶粒支撐劑(3#巖板)時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力與支撐劑破碎情況，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，采用承壓能力相對(duì)較低的石英砂支撐劑時(shí)，導(dǎo)流能力隨著閉合應(yīng)力的升高迅速降低。當(dāng)閉合應(yīng)力增加到40 MPa時(shí)，導(dǎo)流能力由初始的23.8 μm2·cm下降到0.9 μm2·cm，已經(jīng)基本喪失導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)后的支撐劑破碎率分析結(jié)果表明，在70 MPa的閉合應(yīng)力條件下，石英砂支撐劑的破碎率高達(dá)47.74%。這說(shuō)明對(duì)于巖石硬度較大、應(yīng)力較高的干熱巖儲(chǔ)層而言，采用低強(qiáng)度的石英砂支撐劑并不能有效保持裂縫的高導(dǎo)流能力。

圖3 支撐劑類型對(duì)裂縫導(dǎo)流能力和支撐劑破碎的影響

3.3 支撐劑粒徑對(duì)導(dǎo)流能力的影響

為了對(duì)比支撐劑粒徑對(duì)于裂縫導(dǎo)流能力的影響，7#、8#巖板分別選用相同鋪砂濃度下的70/140目陶粒支撐劑和30/50目陶粒支撐劑開展測(cè)試并與3#巖板(40/70目陶粒支撐劑)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)前對(duì)3組巖板均進(jìn)行預(yù)熱處理模擬低溫沖擊作用，熱處理溫度為300 ℃。不同粒徑下的導(dǎo)流能力及支撐劑破碎情況如圖4所示。

圖4 支撐劑粒徑對(duì)裂縫導(dǎo)流能力和支撐劑破碎的影響

由圖4可知，選用大粒徑的支撐劑能夠獲得較高的導(dǎo)流能力。在10 MPa的閉合應(yīng)力下，30/50目陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力分別為40/70目和70/140目陶粒支撐劑導(dǎo)流能力的1.4倍和8.0倍。但是，隨著支撐劑粒徑的增大，支撐劑在裂縫中的運(yùn)移難度增加，且支撐劑更易發(fā)生破碎。如圖4(a)所示，隨著閉合應(yīng)力的逐漸增加，30/50目陶粒支撐劑與40/70目陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力差別逐漸減小。在閉合應(yīng)力70 MPa條件下，30/50目與40/70目陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力分別為15.1 μm2·cm和13.0 μm2·cm。實(shí)驗(yàn)后支撐劑充填層的篩析結(jié)果表明，70/140目、40/70目和30/50目陶粒支撐劑的破碎率分別為8.44%、13.53%和25.30%(圖4(b))。

3.4 鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響

9#和10#巖板分別設(shè)計(jì)1 kg/m2、2 kg/m2的鋪砂濃度開展導(dǎo)流能力測(cè)試，并與3#巖板(鋪砂濃度4 kg/m2)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同樣，實(shí)驗(yàn)前對(duì)巖板進(jìn)行300 ℃的預(yù)熱處理。導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化情況及支撐劑充填層的最終破碎率對(duì)比如圖5所示。

圖5 鋪砂濃度對(duì)裂縫導(dǎo)流能力和支撐劑破碎的影響

由圖5(a)可知，在1 kg/m2的低鋪砂濃度下，40/70陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的升高迅速降低。當(dāng)閉合應(yīng)力達(dá)到30 MPa時(shí)，基本喪失導(dǎo)流能力。這主要是因?yàn)椋阂环矫?，低溫沖擊促進(jìn)了支撐劑在裂縫表面的嵌入，使得低鋪砂濃度下的縫寬損失更加明顯；另一方面，裂縫表面軟化后，支撐劑對(duì)裂縫面的擠壓也會(huì)造成裂縫表面部分礦物顆粒的破碎和脫落，碎屑堵塞支撐劑充填層孔隙，加劇導(dǎo)流能力的損失。上述機(jī)理，即使在2 kg/m2的鋪砂濃度下，對(duì)導(dǎo)流能力仍有顯著的影響。閉合應(yīng)力達(dá)到70 MPa時(shí)，2 kg/m2鋪砂濃度的陶粒導(dǎo)流能力由初始的24.9 μm2·cm下降至0.7 μm2·cm。而當(dāng)鋪砂濃度提高到4 kg/m2時(shí)，在70 MPa的閉合應(yīng)力條件下仍能保持13.0 μm2·cm的導(dǎo)流能力，分別為鋪砂濃度1 kg/m2和2 kg/m2時(shí)的162.5倍和19.1倍。這說(shuō)明提高支撐劑鋪砂濃度能夠有效降低低溫沖擊作用對(duì)導(dǎo)流能力的傷害，使干熱巖儲(chǔ)層壓裂裂縫系統(tǒng)維持高導(dǎo)流能力需求，從而保證熱儲(chǔ)長(zhǎng)期具有良好的注采循環(huán)效果。

支撐劑破碎率分析結(jié)果表明，鋪砂濃度對(duì)于支撐劑破碎率的影響相對(duì)較弱(圖5(b))。鋪砂濃度由1 kg/m2升高到4 kg/m2，支撐劑充填層的破碎率僅由15.38%下降至13.53%。這說(shuō)明支撐劑破碎并不是不同鋪砂濃度下導(dǎo)流能力變化差異的主要原因。鋪砂濃度越低，支撐劑充填層的厚度越小。因此，支撐劑嵌入對(duì)裂縫寬度的影響越顯著。

4 結(jié) 論

(1)隨著裂縫面經(jīng)歷的低溫沖擊作用增強(qiáng)，相同閉合應(yīng)力下的裂縫導(dǎo)流能力逐漸降低，支撐劑破碎率降低。低溫沖擊作用較弱(<300 ℃)時(shí)，導(dǎo)流能力在高閉合應(yīng)力下降低明顯，與支撐劑的破碎有關(guān)；低溫沖擊作用較強(qiáng)(≥300 ℃)時(shí)，導(dǎo)流能力在低閉合應(yīng)力下發(fā)生明顯降低，與支撐劑的嵌入加劇有關(guān)。

(2)鋪砂濃度4 kg/m2條件下，支撐劑粒徑越大，裂縫導(dǎo)流能力越高，但支撐劑破碎率越高。在高閉合應(yīng)力(70 MPa)下，30/50目與40/70目陶粒的導(dǎo)流能力相當(dāng)且明顯高于70/140目陶粒的導(dǎo)流能力。

(3)采用高強(qiáng)度陶粒、提高支撐劑鋪砂濃度能夠有效降低低溫沖擊作用對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害。70 MPa閉合應(yīng)力條件下，鋪砂濃度為4 kg/m2的導(dǎo)流能力可以達(dá)到鋪砂濃度1 kg/m2和2 kg/m2時(shí)導(dǎo)流能力的162.5倍和19.1倍。