超臨界 CO2 對(duì)頁(yè)巖斷裂裂縫形態(tài)的影響

ExperimentalStudyon theInfluenceof Supercritical CO₂ on Shale Fracture Morphology

Wu Hua’Wang Xiaoqiong'Ge Hongkui1Wang Haige2He Jixiang3Zhang Yanlong1，2Wang Jianyong' （1.UncomventionalRetroleumResearchInstitute，ChinaUniersityofPetroleum（Beijing）；2.CNPCEngineeringTechnologyamp; DCompanyLimited;3.ExplorationandDevelopmentResearch Institute，PetroChina Xinjiang OilfieldCompany）

Abstract： In the ahead fracturing process of supercritical carbon dioxide （SC-CO ² ），the injected CO ² is easy to enterthe porous media ofshale，and combined with the formation water or water-based fracturing fluid to form a slightlyacidic fluid，thus stimulating the initiationand propagationof shale microfractures.Toclarifythe influence of CO₂ on the initiation and propagation of shale microfractures，a combined experiment of pressurized soaking and uniaxial compression was cariedout，and the influence offluid type，soak time and soak sequence on the initiation and propagation of shale microfractures was studied. The study results show that the ahead injection of CO₂ can promote the opening of bedding fractures，and the longer the CO₂ action time，the more bedding fractures are opened. When the pressure drops，the bedding fractures opened by SC-CO ² are prone to close. However，when the“SCCO2→water”composite action occurs，water easily enters the bedding fractures opened by CO to form effective support，reacts with CO ² to generate carbonic acid to dissolve carbonate minerals，weakens the mechanical strength of shale，promotes the propagation of microcracks，and forms a complex and stable fracture network.When the \"water + SC-CO ” composite action occurs，water infiltrates into the small pores of shale under the action of pres2 suredifferenceandcapillry force，formingalarge amountofwaterfilmon the porewall，seriouslyhindering thediffusion of CO ² into the shale，and making it difficult to effectively open the bedding fractures.Moreover，the fracture propagation of vertical bedding samples is mainly controled byloading stress，and the influence offluid is weak. Aftercracking，atilted fracture surfacethat penetrates the bedding is generall formed.The study results providea theoretical basis for optimizing the technological parameter design of CO₂ ahead fracturing of shale，and are of great significance for improving the development efciency of shale oil and promoting the geological storage of CO ² ：

Keywords： pre-fracturing;supercritical CO ² ; shale oil; CO₂ soak mode；soak sequence；uniaxial compression; fracture morphology

0 引言

中國(guó)頁(yè)巖油資源豐富，是重要的戰(zhàn)略接替資源[1]，但其開(kāi)發(fā)受限于水平井 + 體積壓裂技術(shù)的局限性，面臨壓力衰減快、穩(wěn)產(chǎn)期短、采收率低等問(wèn)題。礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明， CO₂ 前置壓裂技術(shù)結(jié)合了超臨界 CO₂ （ SC-CO₂ ）的物理化學(xué)作用與水力壓裂的機(jī)械作用，可顯著提高儲(chǔ)層裂縫復(fù)雜性和原油流動(dòng)性，從而提升采收率并實(shí)現(xiàn) CO₂ 地質(zhì)封存[2-5]。然而， SC-CO₂ 前置注人增強(qiáng)裂縫復(fù)雜性的機(jī)理尚不明確，亟需深入研究。

近年來(lái)，隨著雙碳目標(biāo)的提出，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞非常規(guī)儲(chǔ)層 CO₂ 提采機(jī)理開(kāi)展了大量研究，包括 CO₂ 與原油相互作用、 CO₂- 水-巖相互作用以及CO₂ 壓裂造縫機(jī)理等。蘇玉亮等通過(guò)高壓PVT試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， CO₂ 注入可增加原油密度、降低原油黏度并提升地層壓縮性。宋兆杰等［7研究了頁(yè)巖油與 CO₂ 相間傳質(zhì)規(guī)律，揭示納米限域效應(yīng)對(duì) CO₂ 與原油混相行為的促進(jìn)作用。致密砂巖和頁(yè)巖儲(chǔ)層的 CO₂? -水-巖反應(yīng)試驗(yàn)表明， SC-CO₂ 作用下巖石力學(xué)性質(zhì)顯著劣化，其中碳酸鹽巖礦物（如方解石、白云石）的溶蝕是關(guān)鍵機(jī)制，溶蝕后孔隙度和滲透率增加，巖樣表面粗糙度增大，抗張強(qiáng)度降低［8-11]。LIL.等[12]的研究指出， SC-CO₂ 注入后可能因溶蝕作用增大孔滲，也可能因次生礦物沉淀堵塞孔喉而降低孔滲。易勇剛等[13]發(fā)現(xiàn)，瑪湖礫巖巖心的礦物溶蝕主要發(fā)生在前5天內(nèi)，之后溶蝕量顯著減少。葉亮等[14通過(guò)真三軸壓裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，致密砂巖 sc-CO₂ 壓裂的破裂壓力最低，其次為液態(tài) CO₂ ，分別比滑溜水壓裂降低28.2% 、 22.1% 。劉衛(wèi)彬等[15研究表明，SC-CO浸泡后頁(yè)巖的破裂壓力比未浸泡頁(yè)巖降低 45.7% 。SONGX.H.等[16的真三軸壓裂試驗(yàn)顯示，SC-CO₂ 壓裂產(chǎn)生了復(fù)雜的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)，剪切縫占主導(dǎo)，其裂縫表面積比滑溜水壓裂增加 81.9% 。ZANGY.X.等[通過(guò)圓柱形樣品壓裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水力壓裂主要產(chǎn)生沿最大主應(yīng)力方向的裂縫，而SC-CO₂ 壓裂則形成復(fù)雜的雙Y形裂縫，其裂縫體積比水力壓裂增大 150.3% 。WUH.等[8]通過(guò)三維重構(gòu)CT圖像分析得到，在高水平應(yīng)力差條件下，常規(guī)水力壓裂和 CO₂ 前置壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)分別為2.0和2.2，表明 CO₂ 前置壓裂改造縫網(wǎng)更加復(fù)雜。在礦場(chǎng)試驗(yàn)中，松遼盆地乾265井和吉頁(yè)油1HF井分別實(shí)施了常規(guī)大型水力壓裂和 CO₂ 前置壓裂，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明， CO₂ 前置壓裂的有效改造體積約為水力壓裂的2倍[15]。

盡管已有研究表明， CO₂ 壓裂或 CO₂ 前置壓裂能夠降低破裂壓力、增強(qiáng)裂縫復(fù)雜性，但對(duì) CO₂ 前置壓裂工藝中裂縫擴(kuò)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍不充分，特別是 CO₂ 對(duì)頁(yè)巖微裂紋萌生與擴(kuò)展的影響規(guī)律尚不明確，制約了技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，筆者通過(guò) SC-CO₂ 加壓浸泡、水加壓浸泡及單軸壓縮試驗(yàn)，模擬頁(yè)巖 CO₂ 前置壓裂過(guò)程，研究 SC-CO₂ 與水復(fù)合作用下的裂縫形態(tài)特征及其控制因素，明確 CO₂ 對(duì)頁(yè)巖微裂紋萌生與擴(kuò)展的影響。研究結(jié)果可為非常規(guī)油氣藏 CO₂ 前置壓裂技術(shù)的優(yōu)化提供理論支持，并促進(jìn)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

1試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品源自新疆準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖露頭。X射線衍射分析顯示，頁(yè)巖礦物組成為石英 21.6% 、鉀長(zhǎng)石 2.6% 、斜長(zhǎng)石19.15% 、白云石 37.15% 、菱鎂礦 16.05% 、黏土礦物 3.45% 。由于白云石等碳酸鹽巖礦物含量高，CO₂ -水-巖反應(yīng)可能引起顯著的溶蝕效應(yīng)。

頁(yè)巖具有明顯的沉積層狀結(jié)構(gòu)，層理發(fā)育，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性。為研究層理對(duì)裂縫形態(tài)的影響，沿平行和垂直層理方向分別鉆取直徑25mm 、高度 50mm 的圓柱樣品各6塊（見(jiàn)圖1），編號(hào)P1＼～P6、V1＼～V6。

1.2試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要設(shè)備包括超聲波速測(cè)量系統(tǒng)、 CO₂ 加壓浸泡系統(tǒng)、水加壓浸泡系統(tǒng)和單軸壓縮加載系統(tǒng)。超聲波速測(cè)量系統(tǒng)由示波器、脈沖發(fā)生器及探頭組成，用于測(cè)量試驗(yàn)樣品的縱橫波速，評(píng)價(jià)頁(yè)巖各向異性特征。 CO₂ 加壓浸泡系統(tǒng)由316L不銹鋼反應(yīng)釜、高壓 CO₂ 氣瓶、空氣壓縮機(jī)、氣體增壓泵和電熱恒溫烘箱等組成（見(jiàn)圖2a）。水加壓浸泡系統(tǒng)由雙缸恒速恒壓泵和中間容器組成，提供恒定水壓條件。單軸壓縮加載系統(tǒng)采用展拓ZTR-1000型巖石多功能試驗(yàn)機(jī)，最大軸向壓力 1000kN ，配備應(yīng)變規(guī)測(cè)量軸向和徑向應(yīng)變（見(jiàn)圖2b）。

本研究探討不同浸泡條件（流體類(lèi)型、浸泡順序、時(shí)間、壓力）及層理方向?qū)?yè)巖裂縫形態(tài)與力學(xué)性能的影響，明確 CO₂ 對(duì)頁(yè)巖裂紋萌生擴(kuò)展的影響。試驗(yàn)中，為避免巖樣在地層高溫高壓條件下破裂，影響試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)溫度和壓力進(jìn)行了調(diào)整。研究表明， CO₂ -水-巖反應(yīng)導(dǎo)致的礦物溶蝕主要發(fā)生在前5天，之后孔隙結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)特性變化不大[12]。為了保證 CO₂ 與巖石或者水與巖石充分反應(yīng)，本試驗(yàn)浸泡時(shí)間設(shè)置為5天。

壓力主要影響流體進(jìn)入巖樣孔隙的程度。在儲(chǔ)層孔滲條件下， 15～20MPa 的壓力可使 CO₂ 和水進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙[19]。試驗(yàn)前5天浸泡壓力設(shè)置為 15MPa 為保證單軸壓縮試驗(yàn)中巖樣的完整性，后5天壓力降至 8MPa （略高于 CO₂ 的臨界壓力 7.38MPa ，以維持 CO₂ 的超臨界態(tài)，確保試驗(yàn)穩(wěn)定性和可靠性。

浸泡介質(zhì)包括水和 SC-CO₂ ，干燥巖樣作為對(duì)照組。浸泡順序設(shè)置為“水 SC-CO₂ ”和“SC-CO₂ 水”；浸泡時(shí)間為5和 10d ；浸泡壓力為15和8MPa ； SC-C0₂ 浸泡溫度為 40°C ，確保其處于超臨界狀態(tài)。樣品的詳細(xì)參數(shù)和浸泡條件見(jiàn)表1。

浸泡試驗(yàn)后，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)評(píng)估頁(yè)巖的力學(xué)性能和破裂形態(tài)。巖樣使用熱縮管固定于墊塊之間，安裝應(yīng)變規(guī)記錄加載過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變行為。采用 2×10^-6/s 的應(yīng)變速率加載至樣品破裂，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計(jì)算抗壓強(qiáng)度和彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 頁(yè)巖各向異性特征分析

根據(jù)12組巖樣波速測(cè)試結(jié)果，采用Thomsen公式計(jì)算得到頁(yè)巖的平均縱波和橫波波速各向異性系數(shù)分別為0.41和0.32，表明該頁(yè)巖具有較強(qiáng)的各向異性特征，反映出其層理結(jié)構(gòu)發(fā)育較為顯著。

頁(yè)巖的層理結(jié)構(gòu)影響其在不同方向上的力學(xué)行為，在單軸壓縮時(shí)，其變形和破裂模式與層理角度密切相關(guān)。為簡(jiǎn)化研究，這里僅鉆取了平行和垂直于層理方向的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，旨在探究流體作用對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性和破裂形態(tài)的影響，以降低層理角度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

2.2流體作用對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性的影響

在開(kāi)展的12組頁(yè)巖浸泡-單軸壓縮聯(lián)合試驗(yàn)中，樣品P-5因流體浸泡導(dǎo)致開(kāi)裂，雖經(jīng)修復(fù)，但未能獲得有效測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，僅對(duì)其壓縮后的裂縫形態(tài)進(jìn)行研究，其余11組試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到了11組巖樣在不同流體浸泡條件下的抗壓強(qiáng)度和彈性模量（見(jiàn)圖4a和圖4b）以及相較于干燥巖樣的變化率（見(jiàn)圖4c和圖4d）。

由圖4可知，平行層理巖樣在 SC-CO₂ 作用下抗壓強(qiáng)度下降最顯著，水的影響最弱，而兩者對(duì)彈性模量的影響相近。隨著 SC-C0₂ 作用時(shí)間延長(zhǎng)，力學(xué)性能弱化加劇，作用 10d 時(shí)抗壓強(qiáng)度和彈性模量的降幅分別為5d的1.6倍和2.2倍?！八?$$ SC-CO₂ ”作用后，巖樣P-4抗壓強(qiáng)度僅下降 2.6% ，而彈性模量增加 20% 。主要是各向異性弱、層理不發(fā)育所致?！癝C- ?CO₂? 水”作用后，巖樣P-5開(kāi)裂，表明其力學(xué)性能弱化較為明顯。

垂直層理巖樣在復(fù)合作用下力學(xué)性能顯著變化?！癝C- CO₂ 水”作用后，抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別下降 44.2% 和 61.9% ；“水 ?SC-CO₂^， ’作用后，分別下降 35.1% 和 57.4% 。水對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較顯著， SC-CO₂ 相對(duì)較??；兩者對(duì)彈性模量的影響相近。

綜上所述，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量受層理方向與流體作用共同影響。平行層理巖樣力學(xué)性能受 SC-CO₂ 影響最大，垂直層理巖樣則受流體復(fù)合作用影響最顯著?？傮w而言，頁(yè)巖經(jīng)流體浸泡后，抗壓強(qiáng)度和彈性模量均出現(xiàn)不同程度的下降。這種變化使頁(yè)巖在較低應(yīng)力條件下更容易發(fā)生塑性破壞，進(jìn)而促進(jìn)微裂紋的萌生與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂縫數(shù)量的增加。

2.3流體作用下頁(yè)巖層理縫開(kāi)啟與壓縮破裂特性

本研究對(duì)10塊頁(yè)巖樣品開(kāi)展了加壓浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)后平行和垂直層理巖樣表面裂縫形態(tài)分別見(jiàn)圖5和圖6。不同流體作用下層理裂縫的開(kāi)啟情況總結(jié)如下： ① 水浸泡 5d ，平行和垂直層理樣品表面均未出現(xiàn)明顯裂縫； ②SC-CO₂ 浸泡5d，巖樣產(chǎn)生3＼～11條層理縫； ③SC-CO₂ 浸泡 10d ，由于后5天浸泡壓力降低，部分層理縫重新閉合； ④ “水?SC-CO₂ ”復(fù)合浸泡未顯著開(kāi)啟層理縫，而“SC-CO₂ 水”復(fù)合浸泡10d后，裂縫保持開(kāi)啟且未明顯閉合。

隨后對(duì)干燥及不同流體處理的樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：平行層理樣品在單軸壓縮后普遍形成多條復(fù)雜裂縫，裂縫復(fù)雜性隨浸泡條件增加：干燥狀態(tài) lt; 水浸泡 5d2 浸泡5dlt; “水 ?SC-CO₂^′ ”復(fù)合浸泡 10dlt; \"SC- CO₂ 水”復(fù)合浸泡 10d2 浸泡 10d ，如圖7所示。垂直層理樣品則以縱向傾斜貫穿裂縫為主，受流體浸泡影響較小，如圖8所示。

綜上所述，流體作用顯著影響平行層理樣品的裂縫形態(tài)，而對(duì)垂直層理樣品影響較小。試驗(yàn)結(jié)果可為頁(yè)巖裂縫形態(tài)研究提供重要參考。

破壞模式具有明顯的各向異性，進(jìn)而影響裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

3.1.1頁(yè)巖力學(xué)性能的各向異性特征

在相同流體作用下，垂直于層理方向的巖石抗壓強(qiáng)度高于平行方向，而彈性模量則相對(duì)較低，如圖4a和圖4b所示。根據(jù)Jaeger單結(jié)構(gòu)面理論，巖石抗壓強(qiáng)度與加載方向和結(jié)構(gòu)面夾角相關(guān)。研究[20]表明，抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力成正比，并受內(nèi)摩擦角的影響：

3討論

3.1層理方向?qū)?yè)巖力學(xué)特性和破壞模式的影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的顯著層理特性導(dǎo)致其力學(xué)性能和

式中： σ_c 為巖石的抗壓強(qiáng)度， MPa ； C 為巖石的內(nèi)聚力， MPa . φ 為巖石的內(nèi)摩擦角，。

在單軸壓縮過(guò)程中，平行層理巖樣主要依靠層理間的黏聚力抵抗外力，由于膠結(jié)強(qiáng)度較弱，抗壓強(qiáng)度較低，且軸向變形小，彈性模量較大；垂直層理巖樣則依靠晶體礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠在較高壓力下保持完整，所以抗壓強(qiáng)度較高，而壓縮變形疊加效應(yīng)使其彈性模量較低。R.GHOLAMI等[2的單軸壓縮試驗(yàn)也表明，含層理板巖的力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)各向異性，隨層理傾角變化呈U形分布，最大值出現(xiàn)在層理傾角為 0^° 時(shí)， 90^° 時(shí)次之。

流體作用對(duì)頁(yè)巖各向異性特征的影響如圖9所示。干燥、水、 CO₂/5c 1、 CO₂/10d 條件下，頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度各向異性系數(shù)分別為0.31、0.02、0.77、1.08，表明 CO₂ 顯著增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度的各向異性，并且存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，促使微裂紋沿平行層理方向萌生、擴(kuò)展。而彈性模量各向異性系數(shù)在對(duì)應(yīng)條件下分別為0.11、0.54、0.39、0.33，顯示水和 CO₂ 均增強(qiáng)了彈性模量的各向異性，主要體現(xiàn)在垂直層理方向的塑性增大， CO₂ 的時(shí)間效應(yīng)不明顯。

3.1.2頁(yè)巖破壞模式的各向異性特征

平行層理和垂直層理頁(yè)巖在單軸壓縮后的破裂形態(tài)差異顯著，其破裂后的巖樣側(cè)面展開(kāi)示意圖分別展示于圖10a和圖 10b 。

如圖10a所示，平行層理頁(yè)巖的破壞模式主要表現(xiàn)為沿層理面的張拉劈裂。在軸向加載過(guò)程中，試樣因軸向壓縮產(chǎn)生徑向擴(kuò)張，從而在層理面產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于層理面的膠結(jié)強(qiáng)度較弱，形成了多個(gè)平行于層理面的張拉破裂面。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，流體作用對(duì)頁(yè)巖的整體破壞模式影響較小，但顯著改變了破裂面的數(shù)量。

如圖10b所示，垂直層理頁(yè)巖的破壞模式為貫穿層理的傾斜張拉劈裂。在軸向加壓過(guò)程中，由于試樣兩端的軸向變形受限，徑向擴(kuò)張最終形成約 30^° 傾角的貫穿層理面的張拉破裂面。這一結(jié)果與王春萍等[22對(duì)完整花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，盡管高壓流體作用激活了多條層理縫，但由于加載方向垂直于層理面，在加載初期，已開(kāi)啟的層理縫被重新壓實(shí)，頁(yè)巖的各向異性減弱，所以破裂模式及破裂面數(shù)量幾乎不受流體和層理發(fā)育程度的影響。

3.2流體類(lèi)型和作用時(shí)間對(duì)頁(yè)巖裂縫形態(tài)的影響由上節(jié)分析可知，流體作用對(duì)垂直層理頁(yè)巖的破裂模式和破壞形態(tài)影響較小。因此，本節(jié)重點(diǎn)探討流體作用對(duì)平行層理頁(yè)巖破裂形態(tài)的影響。

圖11為不同類(lèi)型流體作用下巖樣破裂形態(tài)。從圖11可見(jiàn)，流體對(duì)頁(yè)巖破裂演化過(guò)程具有顯著影響： ① 干燥巖樣（對(duì)照組）單軸壓縮后產(chǎn)生4條裂縫； ② 水浸泡5d后未開(kāi)啟層理縫，壓縮后同樣產(chǎn)生4條裂縫； ③ SC-C02浸泡5d后開(kāi)啟3條層理縫，壓縮后層理縫擴(kuò)展并新增6條裂縫； ④ SC-CO₂ 降壓浸泡10d后開(kāi)啟4條層理縫，壓縮后裂縫數(shù)量顯著增加至約30條。

Fig.11Cracking morphology of rock samples under different types of fluid actions

由此可見(jiàn)，與水相比，SC-CO2更易開(kāi)啟層理縫，且壓縮后的破裂形態(tài)更復(fù)雜。這是因?yàn)樗肿映叽巛^大，滲透性差，難以深入層理中，對(duì)內(nèi)部應(yīng)力影響較小，所以難以有效開(kāi)啟層理縫。而SC-CO2黏度低、擴(kuò)散性強(qiáng)，能有效滲透至層理中。其吸附和氣化作用引發(fā)局部體積膨脹，增大孔隙壓力，降低層理弱面的有效應(yīng)力，從而更易開(kāi)啟層理縫。此外， SC-CO₂ 吸附可降低礦物自由能及裂縫尖端表面能，從而減小裂縫擴(kuò)展能量，誘導(dǎo)微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通。

還發(fā)現(xiàn)，SC-CO2作用時(shí)間越長(zhǎng)，破裂形態(tài)越復(fù)雜。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間浸泡使SC-CO2充分滲透至頁(yè)巖層理和基質(zhì)，進(jìn)一步弱化巖石力學(xué)性能。盡管降壓可能導(dǎo)致部分層理縫閉合，但浸泡引發(fā)的侵蝕和弱化效應(yīng)使其在壓縮時(shí)重新張開(kāi)，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展路徑更加復(fù)雜。

綜上， SC-CO₂ 相較于水更易激活層理縫，且作用時(shí)間越長(zhǎng)，裂縫形態(tài)越復(fù)雜，破裂后裂縫數(shù)量與流體開(kāi)啟的層理縫數(shù)量呈正相關(guān)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施 CO₂ 前置注人時(shí)，可根據(jù)作用時(shí)間對(duì)裂縫復(fù)雜性的影響優(yōu)化前置壓裂參數(shù)。但由于本試驗(yàn)未完全模擬地層溫壓條件，未來(lái)需開(kāi)展原位試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 SC-CO₂ 作用方式對(duì)頁(yè)巖裂縫形態(tài)的影響

SC-CO2的作用方式是影響頁(yè)巖裂縫演化特征及破裂形態(tài)的重要因素。圖12展示了3種作用方式對(duì)頁(yè)巖層理縫開(kāi)啟及單軸壓縮后裂縫演化的影響，即 SC-CO₂ 單獨(dú)作用、“水 ”復(fù)合作用和“SC- ?CO₂? 水”復(fù)合作用。

水對(duì) SC-C0₂ 誘導(dǎo)開(kāi)啟的層理縫具有更好的支撐效果，而 SC-CO₂ 的支撐能力相對(duì)較弱。由圖12a與圖12c可見(jiàn)， SC-CO₂ 浸泡5d后開(kāi)啟的層理縫在壓力降低時(shí)部分閉合，而水浸泡后的裂縫仍保持張開(kāi)狀態(tài)，表明水的支撐作用優(yōu)于 SC-CO₂ 。

其主要原因在于巖石的彈性特性：孔隙壓力降低時(shí)，裂縫壁面支撐力減弱并向內(nèi)移動(dòng)。由于SC-CO₂ 的壓縮系數(shù)（0.315）顯著高于水（0.047），SC-CO₂ 在裂縫壁面內(nèi)移過(guò)程中被明顯壓縮，導(dǎo)致部分裂縫閉合。而水因其不易壓縮，能更有效地維持裂縫張開(kāi)。盡管單軸壓縮后， SC-CO₂ 單獨(dú)作用產(chǎn)生的裂縫最復(fù)雜，但其在降壓條件下易閉合，從而降低了其有效性。因此，在實(shí)際礦場(chǎng)應(yīng)用中，與純 CO₂ 壓裂相比，采用 CO₂ 前置壓裂技術(shù)能夠更有效地形成穩(wěn)定且高效的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

SC-CO2的作用順序顯著影響層理縫的開(kāi)啟與破裂形態(tài)。對(duì)比圖12b和圖12c可見(jiàn)，“水 .....sc...c. 5復(fù)合作用未能開(kāi)啟層理縫，而“ SC-CO₂ 水”作用則形成了5條層理縫。這是因?yàn)樗畠?yōu)先浸泡時(shí)，壓差和毛細(xì)管力促使水滲入微小孔隙，并在孔隙壁面形成水膜，阻礙了SC-CO2向頁(yè)巖內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致難以開(kāi)啟層理縫。相比之下，“SC- ?CO₂ 水”復(fù)合作用后，單軸壓縮產(chǎn)生的裂縫連通性更優(yōu)。

裂縫連通性與礦物溶蝕反應(yīng)密切相關(guān)，溶蝕反應(yīng)越強(qiáng)，裂縫連通性越好。在優(yōu)先水浸泡條件下，可溶鹽類(lèi)礦物溶解增加離子濃度，抑制后續(xù)SC-CO₂ 的溶蝕作用；而優(yōu)先SC-CO2浸泡則通過(guò)與束縛水反應(yīng)生成高濃度碳酸，加速碳酸鹽礦物溶蝕，并抑制次生礦物的形成。吉木薩爾頁(yè)巖中白云石和菱鎂礦含量較高，在‘ SC-CO₂ 水”復(fù)合作用下，碳酸鹽礦物富集部位易發(fā)生溶蝕開(kāi)裂，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

CaMg（CO₃）₂+2H₂O+2CO₂=Ca²⁺+Mg²⁺+4HCO₃^-

MgCO₃+H₂O+2CO₂=Mg²⁺+2HCO₃^-

溶蝕作用擴(kuò)大頁(yè)巖原生孔隙并生成新孔隙，使?jié)B透率提高、力學(xué)強(qiáng)度下降，單軸壓縮后裂縫連通性?xún)?yōu)于“水 ?SC-CO₂ ”復(fù)合作用。

4結(jié)論及建議

本研究通過(guò)頁(yè)巖加壓浸泡-單軸壓縮聯(lián)合試驗(yàn)，探討了 SC-CO₂ 對(duì)頁(yè)巖微裂縫的萌生及擴(kuò)展影響。得出以下結(jié)論：

（1）頁(yè)巖具有明顯的層理結(jié)構(gòu)，各向異性較強(qiáng)。SC-CO作用下，層理縫易于開(kāi)啟，而水對(duì)層理縫的激活作用較為有限。降低浸泡壓力可導(dǎo)致部分層理縫閉合，但在“SC- ?CO₂ 水”復(fù)合作用下，裂縫有效性增強(qiáng)。

（2）SC- ?CO₂ 與水的復(fù)合作用顯著削弱頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，其中平行層理樣品的力學(xué)性能弱化程度大于垂直層理樣品。相比 SC-CO₂ 單獨(dú)作用和“水 .?SC-CO₂ ”復(fù)合作用，“SC- .CO₂? 水”復(fù)合作用下的礦物溶蝕反應(yīng)更強(qiáng)，進(jìn)一步弱化頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度。

（3）平行層理樣品在單軸壓縮后形成復(fù)雜縫網(wǎng)，裂縫擴(kuò)展受層理方向與加載應(yīng)力的共同控制。SC-CO2浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，破裂后的裂縫形態(tài)越復(fù)雜，裂縫數(shù)量與層理縫開(kāi)啟數(shù)量呈正相關(guān)。垂直層理樣品破裂后主要形成傾斜貫穿裂縫，其擴(kuò)展主要受加載應(yīng)力控制。

（4）‘ SC-CO₂ 水”復(fù)合作用能激活大量層理縫，促進(jìn)頁(yè)巖微裂縫的萌生和擴(kuò)展，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)并保持高導(dǎo)流能力。這為 CO₂ 前置壓裂技術(shù)的優(yōu)化提供了重要參考。實(shí)際應(yīng)用中，建議結(jié)合 CO₂ 與水的聯(lián)合作用，并延長(zhǎng) CO₂ 注入時(shí)間，以產(chǎn)生更加復(fù)雜且有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)還需在地層原位條件下開(kāi)展更多試驗(yàn)，以提高試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際適用性。

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第一

作者簡(jiǎn)介：吳華，女，工程師，生于1985年，2020年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為在讀博士研究生，研究方向?yàn)镃O₂ 前置壓裂提采和油氣井巖石力學(xué)與工程。地址：（102249）北京市昌平區(qū)。email：woohuachn@163.com。通信作者：王小瓊，女，副研究員。email：wxq4526@163.com。

收稿日期：2024-09-21 修改稿收到日期：2024-12-28（本文編輯劉鋒）