致密砂巖儲層CO2壓裂裂縫擴展實驗研究

葉亮 鄒雨時 趙倩云 李四海 丁勇 馬新星

1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；3.中國石油大學（北京）

0 引言

目前，致密儲層壓裂主要采用滑溜水、線性膠等低黏度水基壓裂液。滑溜水黏度較低，易于滲入并開啟天然裂縫和層理，從而提高水力裂縫復雜程度［1］。鄂爾多斯盆地東部盒8段儲層主要為洪泛平原相和河流相砂體，天然裂縫和層理不發育［2］。該類儲層采用滑溜水壓裂容易形成單一、單翼的水力裂縫，難以形成網絡裂縫［3］。CO2具有超低黏度（0.02～0.16 mPa·s）特性，可以進入滑溜水等水基壓裂液不能進入的微小孔隙或微裂隙，因此CO2壓裂是天然裂縫和層理不發育儲層實現提高裂縫復雜程度的重要技術手段。

目前針對CO2壓裂技術的研究，主要集中在研發施工設備、CO2相態轉變條件、增加CO2壓裂液黏度和降低管柱摩阻等方面［4-5］，有關CO2壓裂裂縫擴展規律的研究較少。Ishida等［6］研究了花崗巖液態CO2和超臨界CO2壓裂的裂縫形態和起裂壓力的不同之處。Akihisa等［7］通過花崗巖超臨界CO2和水壓裂實驗發現，相較于水壓裂產生的簡單垂直縫，超臨界CO2壓裂生成的裂縫更復雜。Zhang等［8］研究了頁巖超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴展規律，指出層理發育程度對超臨界CO2壓裂裂縫復雜性有很大的影響。Bennour等［9］研究了頁巖采用水、油及液態CO2壓裂時裂縫擴展的不同之處，指出油壓裂傾向于產生Ⅰ型裂縫，水和液態CO2壓裂容易產生Ⅱ型裂縫。Zou等［10］研究了層狀致密砂巖超臨界CO2壓裂裂縫擴展規律，指出即使在高水平應力差條件下，超臨界CO2也可以促進層理和天然裂縫的張開和剪切破裂，從而形成復雜的裂縫網絡。

目前針對CO2壓裂裂縫擴展規律的認識尚不充分，不利于CO2壓裂設計和應用。為此，首先通過X射線衍射、孔滲測試與室內力學參數測試等實驗對巖樣的礦物組成、孔滲及力學參數進行測試；之后采用真三軸壓裂模擬實驗系統對天然露頭巖樣進行了壓裂物理模擬實驗，系統地研究了壓裂液類型、水平應力差以及排量對裂縫擴展規律的影響。

1 基礎物性參數測試及脆性評價

試樣取自鄂爾多斯盆地東部石盒子組第8段砂巖露頭，且取自同一塊露頭巖石的鄰近位置。在開展壓裂模擬實驗前，測試巖樣的礦物成分、孔隙度、滲透率、彈性模量、抗張強度等基礎物性參數。由于不同樣品之間存在差異，同時考慮到實驗測試的誤差，每組實驗均測試6個巖樣。其中，巖樣取自壓裂物模試樣鄰近位置切割掉的巖石。基礎物性參數測試結果表明，巖樣的礦物成分、孔滲性質及力學性質基本一致，說明試樣較均質。具體基礎物性參數如下：礦物組成以石英為主，平均含量為74.6%，黏土礦物平均含量為22.5%，鉀長石、斜長石和方解石含量較低，均在1%左右；孔隙度平均為7.6%，滲透率平均為22.1 mD，為致密砂巖；彈性模量平均為22.8 GPa，泊松比平均為0.24，單軸抗壓強度平均為61.7 MPa，抗張強度平均為5.5 MPa。通過單軸抗壓強度和抗張強度評價方法計算脆性指數為11.5，表明致密砂巖試樣具有中等脆性［11］。

2 實驗

2.1 實驗裝置與試樣制備

實驗采用中國石油大學（北京）研制的一套小尺寸真三軸壓裂模擬實驗系統，該系統主要由應力加載系統、巖心室、恒速恒壓泵、溫度控制系統、低溫浴槽、中間容器、數據采集系統、輔助裝置等部分組成，如圖1所示。

圖1 小尺寸真三軸壓裂模擬實驗系統Fig. 1 Small-size true triaxial fracturing simulation experiment system

實驗巖樣采用砂線切割機加工成80 mm×80 mm×100 mm的長方體，為了模擬水平井壓裂，在巖樣的80 mm×80 mm橫截面中心用外徑為15 mm的鉆頭鉆取深度為53 mm的盲孔，同時為了避免盲孔底部應力集中，采用高強度環氧樹脂膠在盲孔底部預制5 mm厚度的人工井底。采用高強度環氧樹脂膠將外徑為13 mm、內徑為6 mm、長度為58 mm的模擬井筒和井壁黏結，在井底形成長度為5 mm的裸眼段。物模試樣和實驗前試樣裸眼段CT掃描成像如圖2所示。由圖2可知，試樣層理和天然裂縫不發育，不利于形成復雜縫網［12-13］。

圖2 物模試樣與裸眼段CT掃描成像Fig. 2 CT scanning imaging of open hole section and physical simulation sample

2.2 實驗方法與方案

為了模擬水平井的三向應力環境，采用三軸液壓加載方式，分別施加水平最小主應力（σh）、水平最大主應力（σH）和垂向應力（σV），如圖2（a）所示。井筒方向與水平最小主應力（σh）方向一致。壓裂模擬實驗采用滑溜水、液態CO2和超臨界CO2三種壓裂液，其中滑溜水作為對比?？紤]到鄂爾多斯盆地東部盒8段儲層的水平應力差范圍為3～8 MPa，且以8 MPa為主，制定實驗方案如表1所示。為了容易觀測水力裂縫形態，壓裂后維持三向應力不變，在低排量下將染色液注入試樣井筒，實驗結束后根據試樣表面染色劑分布情況確定表面裂縫形態，之后采用砂線切割機將試樣剖開以觀察試樣內部水力裂縫形態。

表1 壓裂模擬實驗方案Table 1 Fracturing simulation experiment scheme

2.3 CO2相態控制

CO2相態易于轉變，能夠以氣態、液態或超臨界態的形式存在，主要受壓力和溫度影響。液態CO2和超臨界CO2壓裂的關鍵在于CO2相態的控制，實驗過程中主要通過溫度來控制CO2相態。

液態CO2壓裂過程中CO2相態變化如圖3所示。初期CO2以液氣共存的狀態儲存在CO2鋼瓶中，溫度為室溫（20 ℃，圖3（a）中點 1）；CO2導入低溫浴槽后為液態（圖3（a）中點2），隨后被泵入中間容器，由于傳熱的原因溫度升高至4 ℃，當壓力達到6.5 MPa時停止泵入CO2（圖3（a）中點3）；開始壓裂后，CO2在注入管線中溫度升高至5 ℃，隨著增壓的進行，CO2在井筒內壓力逐漸升高，試樣破裂時CO2壓力達到最高值（圖3（a）中點4）；試樣破裂后，CO2壓力迅速下降，以氣態逸散到大氣中（圖3（a）中點5）。與液態CO2壓裂不同的是，超臨界CO2壓裂過程中CO2在井筒中由注入口溫度控制系統加熱，溫度升高至60 ℃（圖3（b）中點3）；當壓力大于臨界壓力時CO2轉變為超臨界態，試樣破裂時壓力達到最高值（圖3（b）中點 4）。

圖3 CO2在壓裂過程中的相態變化Fig. 3 Phase change of CO2 in the process of fracturing

3 實驗結果與分析

壓裂模擬實驗結束后，根據試樣表面及內部染色劑的分布可以確定壓裂裂縫形態。裂縫形態和起裂壓力統計結果見表2。根據泵注壓裂曲線得到起裂壓力見圖4。

3.1 壓裂液類型的影響

壓裂液類型是影響水力裂縫形態的重要工程因素［12，14］。在水力裂縫擴展過程中，流體黏度越低，其在縫內的流動阻力越小，高壓流體的前緣更接近裂縫尖端，越有利于裂縫尖端的破裂［15-16］。

表2 裂縫形態及起裂壓力Table 2 Fracture morphology and initial pressure

圖4 泵注壓裂曲線Fig. 4 Pumping fracturing curve

1#試樣滑溜水壓裂形成的裂縫形態如圖5所示，水力裂縫HF在裸眼段起裂，沿水平最大主應力方向擴展形成一條簡單的橫切縫，裂縫形態較平直。圖6為4#試樣液態CO2壓裂形成的裂縫形態，可以看出，4#試樣有2條水力裂縫在裸眼段起裂，其中裂縫HF1垂直于井筒起裂后裂縫擴展方向發生偏轉，形成一條非平面的斜交縫；裂縫HF2沿水平最大主應力方向擴展，形成一條彎曲的斜交縫；HF1偏轉后與HF2溝通，在一定程度上增加了水力裂縫的復雜程度（圖6（c））。圖7為6#試樣超臨界CO2壓裂形成的裂縫形態，由圖7（b）可知，水力裂縫HF1沿水平最大主應力方向擴展，略微偏離原擴展方向，同時產生分支縫HF5；由圖7（c）可知，在HF1沿垂向應力方向擴展的過程中，產生3條分支縫HF2、HF3和HF4，且分支縫HF3溝通主裂縫HF1和分支縫HF2；當HF1和HF4與未膠結的天然裂縫NF相遇時，水力裂縫擴展方向發生改變，沿天然裂縫繼續擴展至試樣邊界，形成了主裂縫、分支裂縫和天然裂縫相互溝通的復雜裂縫網絡。

綜上所述可知，滑溜水壓裂形成的水力裂縫形態簡單，液態CO2壓裂形成的水力裂縫條數增多，裂縫擴展方向偏離最大主應力方向，裂縫形態較復雜，此實驗結果與前人研究結果一致［9］；與液態CO2壓裂相比，超臨界CO2壓裂從主裂縫上形成多條分支縫，主裂縫和分支裂縫相互溝通，裂縫空間形態更復雜。同時由表2可知，滑溜水壓裂的起裂壓力最高，為 12.28 MPa，液態 CO2壓裂次之（9.56 MPa），相比于滑溜水壓裂降低22.1%，超臨界CO2壓裂最低（8.82 MPa），相比于滑溜水壓裂降低28.2%。

圖5 1# 試樣滑溜水壓裂形成1 條橫切縫Fig. 5 One transverse fracture formed in 1# sample by slick-water fracturing

圖6 4# 試樣液態CO2 壓裂形成兩條斜交縫Fig. 6 Two diagonal fractures formed in 4# sample by liquid CO2 fracturing

圖7 6# 試樣超臨界CO2 壓裂形成復雜裂縫網絡Fig. 7 Complex fracture network formed in 6# sample by supercritical CO2 fracturing

根據孔彈性力學理論，孔隙壓力升高可以增大井壁周向應力，從而降低起裂壓力，使巖石容易發生破壞［18］。隨著黏度的減小，壓裂液向致密砂巖基質孔隙中滲濾的程度增強，使孔隙壓力增大，且孔隙壓力升高范圍增大。實驗條件下滑溜水黏度最大（μ=2.5 mPa·s），向基質孔隙中滲濾程度最低，孔隙壓力增大幅度較小，因而滑溜水壓裂形成的裂縫形態簡單，起裂壓力最高。當溫度超過31.1 ℃、壓力超過7.38 MPa時，CO2轉變為超臨界態，該狀態下CO2分子間作用力很小，表面張力為0，流動性極強，類似氣體［17］。因此，相比于液態CO2（μ=0.1 mPa·s），超臨界CO2（μ=0.02 mPa·s）黏度更低，向基質孔隙中滲濾程度更高，孔隙壓力升高幅度更大，因而超臨界CO2壓裂形成的裂縫形態更復雜，起裂壓力更低。

3.2 水平應力差的影響

水平應力差是決定水力裂縫擴展形態的重要地質因素［12，14］。在 3 MPa低水平應力差下，2# 試樣液態CO2壓裂形成的裂縫形態見圖8，可以看出，裸眼段有2條水力裂縫起裂，其中裂縫HF1沿水平最大主應力方向擴展，產生一條垂直井筒的橫切縫，裂縫HF2垂直井筒起裂后發生偏轉，沿水平最小主應力方向擴展至試樣邊界；HF1和HF2相交，形成“X”型裂縫。圖8（c）顯示 3條水力裂縫相交于一點，形成由主裂縫和分支縫構成的“樹枝狀”裂縫。由圖4（b）可知，2#試樣起裂壓力為9.95 MPa，隨著水力裂縫快速擴展至邊界，注入壓力迅速降至6.0 MPa，關閉中間容器出口閥后注入壓力迅速降低至大氣壓力。

圖8 3 MPa 水平應力差下2# 試樣液態CO2 壓裂形成3 條裂縫Fig. 8 Three fractures formed in 2# sample by liquid CO2 fracturing at the horizontal stress difference of 3 MPa

與8 MPa高水平應力差4#試樣壓裂形成2條水力裂縫（圖6）相比，2#試樣裂縫多點起裂，裂縫形態更復雜。由表2可知，8 MPa水平應力差條件下起裂壓力為9.56 MPa，與3 MPa水平應力差下的起裂壓力相當，此實驗結果與前人研究結果一致［3］。

綜上所述，低水平應力差條件下，液態CO2壓裂形成的水力裂縫條數更多，水力裂縫形態更復雜。

3.3 排量的影響

注入排量是影響水力裂縫形態的另一重要工程因素［12，14］。在 8 MPa 水平應力差條件下，采用液態CO2壓裂，研究排量對裂縫擴展規律的影響。在較低排量（5 mL/min）條件下，3#試樣形成一條簡單的橫切縫 HF（圖9），起裂壓力為 9.37 MPa（表2）；在中等排量（20 mL/min）條件下，4#試樣產生2條斜交縫（圖6），起裂壓力為 9.56 MPa（表2）；在較高排量（50 mL/min）條件下，5#試樣水力裂縫HF在裸眼段起裂，沿水平最大主應力方向擴展，形成一條垂直井筒的主裂縫（橫切縫），在試樣表面附近產生多條分支縫，局部裂縫形態復雜（圖10），但其起裂壓力為 10.27 MPa（表2）。

圖9 5 mL/min 排量下3# 試樣液態CO2 壓裂形成一條橫切縫Fig. 9 One transverse fracture formed in 3# sample by liquid CO2 fracturing at the displacement of 5 mL/min

圖10 50 mL/min 排量下5# 試樣液態CO2 壓裂形成多條裂縫Fig. 10 Many fractures formed in 5# sample by liquid CO2 fracturing at the displacement of 50 mL/min

綜上所述可知，隨著注入排量的提高，起裂壓力升高。其原因為，注入排量升高CO2增壓速率加快，注入相同體積的CO2所需的時間越短，CO2向致密砂巖基質孔隙中滲濾的程度減弱，孔隙壓力增大的幅度降低，使起裂壓力升高［18］。提高注入排量，液態CO2壓裂產生的水力裂縫趨于復雜，但水力裂縫復雜程度有限。其原因為，在8 MPa高水平應力差條件下，裂縫擴展形態主要受應力控制［12］。

4 結論

通過對天然裂縫和層理不發育的盒8段致密砂巖天然露頭試樣開展室內壓裂模擬實驗，研究了水平應力差、壓裂液類型和排量對水力裂縫擴展規律的影響?？梢缘贸鋈缦陆Y論

（1）在較高水平力差（≥8 MPa）條件下，滑溜水壓裂水力裂縫擴展受應力控制，產生一條垂直于水平最小主應力方向的橫切縫，裂縫形態簡單；液態CO2壓裂裂縫擴展偏離水平最大主應力方向，形成的水力裂縫較彎曲，同時形成多條分支縫，裂縫空間形態較復雜；超臨界CO2壓裂形成主裂縫、分支縫和天然裂縫相互溝通的復雜裂縫網絡。天然裂縫和層理不發育的致密砂巖儲層采用CO2壓裂可以提高裂縫的復雜程度，有利于提高壓裂改造效果；超臨界CO2壓裂形成的裂縫較液態CO2壓裂更復雜。

（2）相比于高水平應力差（≥8 MPa），低水平應力差（≤3 MPa）有利于水力裂縫多點起裂，從而顯著提高液態CO2壓裂裂縫的復雜程度。

（3）隨著黏度的減小，壓裂液更容易進入試樣基質孔隙內，增大孔隙壓力，減小基質的有效應力，從而降低起裂壓力。相比于滑溜水壓裂，液態CO2壓裂的起裂壓力降低22.1%，超臨界CO2壓裂的起裂壓力降低28.2%。提高排量液態CO2增壓速率加快，起裂壓力升高。