超臨界CO2壓裂裂縫特征研究現狀與展望

李小剛，冉龍海，楊兆中，賀宇廷，廖梓佳，曹文艷

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163517)

0 引 言

水力壓裂技術自1947年在美國德克薩斯州應用以來，已經成為了油氣增產的主要措施之一，但水力壓裂技術存在耗水量大、返排率低、污染環境等問題,在水資源日益緊張以及環境問題被高度重視的今天，水力壓裂技術已不能滿足綠色環保的開采要求。使用超臨界CO2無水壓裂技術可以避免水資源浪費和環境污染等問題，同時可將CO2封存于地下，實現CO2地質封存與油氣開采的一體化利用。CO2在不同的溫度、壓力條件下呈現不同的狀態，當壓力超過7.38 MPa、溫度超過31.04℃時，CO2將成為超臨界態。超臨界CO2壓裂技術主要適用于存在水敏、水鎖效應和低產、低滲、低豐度等非常規油氣藏的儲層改造，因其自身的物理化學特性，在地層中可形成微酸性環境，抑制黏土礦物膨脹，從根本上解決水敏與水鎖效應，提高儲層滲透性[1]，是現階段非常規油氣藏大規模高效開發的重要手段之一。此外，超臨界CO2自身具有氣體的低黏度、高擴散性，也有液體高密度的特點[2]，其破裂壓力比水力壓裂和液態CO2壓裂低，并且造縫能力更強，形成的縫網更復雜[3]。但超臨界CO2壓裂技術作為新興的壓裂技術，許多相關技術和理論仍不完善，學者對其裂縫起裂機理和裂縫擴展形式意見不統一[4]，需深入研究超臨界CO2壓裂的裂縫特征。為此，總結了前人對超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴展特征、裂縫形態、導流能力特征的研究。該研究對高效經濟的超臨界CO2壓裂施工工藝研究有一定的指導意義。

1 超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴展特征研究現狀

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的拉張起裂、塑性狀態的拉張起裂和剪切起裂3種。拉張起裂是常見的起裂方式，當井壁處最小有效周向應力達到巖石的抗拉強度時，即發生線彈性狀態的拉張起裂，清水壓裂多是如此；而井周巖石發生塑性屈服后，存在塑性拉張起裂和塑性剪切起裂2種起裂模式，井周張應力較小或處于壓應力時，產生塑性剪切破壞，反之越容易產生塑性拉張起裂[5]；超臨界CO2壓裂則使儲層發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現，隨著地應力增大，起裂模式由線彈性拉張向塑性拉張，再到塑性剪切起裂發展；而隨著屈服應力增大，起裂模式由塑性剪切向塑性拉張起裂發展[6]；起裂模式只是描述裂縫起裂時的形態和擴展方式，其決定因素不只是地應力和屈服應力等力學因素，還有其他因素的綜合影響，如地應力和儲層溫度，其可使CO2密度和黏度發生變化，這對裂縫的起裂和擴展也有重要影響。

前人對超臨界CO2壓裂裂縫起裂壓力的研究較多。數值模擬方面，陳立強等[7]考慮超臨界CO2的增壓速率，建立了流體在井筒內的增壓速率模型。模型計算結果顯示，超臨界CO2壓裂的起裂壓力比液態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物理性質的影響。仲冠宇等[8]對此進行了研究，建立了套管-水泥環-地層的熱流固耦合力學模型。模擬和實驗結果表明，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相變誘導壓裂階段，并基于擴展有限元方法，建立了超臨界CO2壓裂階段的流固耦合模型。模擬結果顯示，煤層裂縫在超臨界CO2壓裂階段開始擴展、變寬，在CO2相變誘導壓裂階段產生新的裂隙。相關研究考慮不同的影響因素建立了不同的數值模擬模型，但現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、水平應力差等因素，何種因素是裂縫起裂的主導因素需細致研究，這也是超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴展機理尚不明確的原因之一，需要建立一個既能進行單因素分析也能綜合考慮多個影響因素的超臨界CO2壓裂裂縫起裂模型。

物理模擬方面，Ishida等[10]、Zhang等[11]分別進行了超臨界CO2、液態CO2、清水壓裂花崗巖和頁巖的對比實驗。結果表明：超臨界CO2壓裂的起裂壓力比液態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。實驗結果表明，超臨界CO2壓裂頁巖時較水力壓裂的起裂壓力低約50.9%，壓裂砂巖時低約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，擴散性越強，濾失量越大，導致基質的孔隙壓力增大，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射流時射孔角度對起裂壓力的影響，發現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力對煤巖超臨界CO2壓裂裂縫起裂的影響，發現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力。上述研究表明，物理模擬受限于實驗裝置、實驗方法等因素，要得到創新性的結論較難，需對實驗裝置和方法不斷創新，并建立一套統一的評價標準。

數值模擬研究能考慮到多個因素對超臨界CO2起裂壓力的影響，但卻沒有物理模擬直觀、準確，物理模擬則受限于實驗裝置，很多因素的影響現階段還無法探明；對于大多數類型的巖樣，超臨界CO2壓裂時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，沒有統一的標準。因此，建立一套起裂壓力評價體系是超臨界CO2壓裂技術未來的研究重點。

1.2 裂縫擴展特征

裂縫起裂后壓力下降，瞬間會有大量能量釋放，超臨界CO2相態也發生變化，裂縫擴展過程十分復雜。為探究超臨界CO2壓裂的裂縫擴展特征，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壓裂裂縫擴展特征的數值模擬研究卻極少，得出的研究結論也很少有較強的創新性。

Kizaki等[16]使用清水和超臨界CO2進行了壓裂實驗。結果顯示，清水壓裂會在樣品中產生沿井眼的垂直裂縫，而超臨界CO2壓裂則會形成沿裂谷或層理面的裂縫，并且超臨界CO2壓裂獲得的裂縫分支數目大于清水壓裂獲得的裂縫分支數目。這些結果表明，壓裂液黏度和巖石弱面結構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行超臨界CO2壓裂和清水壓裂實驗。結果顯示，在均質的人造砂巖中，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力的方向擴展，而在結構面較弱的頁巖中，主裂縫的擴展方向受弱結構面和原位應力的綜合控制。楊帆[18]在超臨界CO2壓裂物理模擬實驗中發現，超臨界CO2壓裂裂縫的起裂和擴展都受到頁巖天然層理結構的影響。上述學者都考慮了天然層理結構對超臨界CO2壓裂裂縫擴展的影響，但未考慮超臨界CO2相態變化以及實驗尺度對裂縫擴展的影響。為此，Zhou等[19]實驗研究了超臨界CO2相變引起的裂縫后失穩對裂縫動態擴展的影響。實驗結果表明，超臨界CO2壓裂的裂縫擴展速度比水力壓裂快2倍，并且超臨界CO2相態變化主導了壓裂過程中裂縫的擴展。壓裂時，壓力和溫度都是動態變化的，這表明超臨界CO2的物理性質也在隨時變化，尤其是地層破裂時，壓力直線降低，釋放大量能量并使得超臨界CO2的相態快速發生變化，這對整個壓裂過程中的裂縫擴展是否會造成關鍵性影響還不得而知，對此可改進真三軸壓裂裝置，將真三軸壓裂與CT掃描等技術結合，實時監控壓裂過程中的變化。趙志恒[20]則實驗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展特征。研究表明，不同尺度不同巖性的裂縫擴展方式存在差異(表1)，且實驗室結果與現場情況存在差異，如何將實驗結果正確應用到現場也是未來的研究重點。

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

在數值模擬方面，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壓縮性對裂縫擴展的影響規律，并討論了超臨界CO2壓裂與水力壓裂裂縫擴展的差異。結果表明：超臨界CO2壓裂的裂縫擴展長度更長、寬度更窄，井底凈壓力更低；超臨界CO2具有很強的壓縮性，即有很大的膨脹率，進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，觀察透鏡體內部砂巖儲層裂縫破裂過程。研究表明，裂縫在擴展過程中先橫向擴展變寬提供導流通道，再向前擴展變長，裂縫尖端應力先增后減，最終裂縫停止擴展。賀宇廷[23]建立了流-固耦合裂縫三維擴展模型和流-固-熱耦合超臨界CO2壓裂裂縫三維擴展模型，探究了儲層溫度、儲層原始地應力、楊氏模量、泊松比等因素對CO2壓裂裂縫擴展的影響。結果表明：隨著儲層溫度和原始地應力增加，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，因為楊氏模量越高巖石越不易被壓縮。該模型雖已考慮了許多因素，但如巖石弱面結構等諸多因素還未考慮到，還需進行完善。

綜上，對超臨界CO2壓裂裂縫擴展機理研究，還需研發實驗裝置，以及建立能模擬多個影響因素的超臨界CO2壓裂裂縫擴展三維模型，進行更微觀細致的研究，從本質上探究其擴展機理和規律。

1.3 裂縫形態特征

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

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。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掃描發現，頁巖中迂曲度高的裂縫更有可能誘發二次裂縫，并與天然裂縫和層理連接形成復雜的自支撐裂縫網絡。自支撐裂縫為超臨界CO2壓裂提供了高導流能力，也可節省大量成本，但其形成機理和維持時間、維持壓力還需研究。Jia等[25]利用5個不同參數(裂縫迂曲度、分形維數和掃描區域的高程的算術平均數、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。結果表明，超臨界CO2壓裂的各參數值均比水力壓裂大，說明超臨界CO2壓裂裂縫面更粗糙。為表征清水和超臨界CO2壓裂裂縫形態的具體數值差異，Zhao等[26]對陸相頁巖巖心進行了壓裂實驗，發現超臨界CO2壓裂的實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量也大于水力壓裂，表明超臨界CO2壓裂產生的裂縫表面粗糙度更高。王磊[27]研究發現，相同應力條件下，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個數量級。

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、應變等微觀因素對裂縫形態的影響。對此，He等[28]建立了研究超臨界CO2壓裂裂縫擴展的三維動態模型。研究發現：儲層溫度越高，初始地應力越低，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行了壓裂實驗，并使用COMSOL軟件進行了數值研究。結果表明，CO2壓裂會產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]結合物理模擬和數值模擬發現：超臨界CO2壓裂產生的體積應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，裂縫形態更復雜；并且由于高濾失性和壓裂前較長的增壓時間，超臨界CO2浸泡對巖石的楊氏模量、泊松比等物理性質有較大影響，因此，長時間超臨界CO2浸泡對裂縫特征的影響需要進一步研究。

超臨界CO2壓裂起裂壓力和裂縫形態的研究受限于實驗裝置和觀測手段，數值模擬方面也沒有能考慮多個影響因素的模型，至今沒有完全探明超臨界CO2裂縫起裂特征和機理。通過上述對裂縫形態的研究可知：超臨界CO2壓裂在裂縫形態方面優于清水壓裂，即裂縫形態更復雜、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壓裂裂縫導流能力特征研究

2.1 裂縫導流能力特征研究

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壓裂裂縫導流能力分為多級裂縫導流能力和自支撐裂縫導流能力。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雜，并且能溝通天然裂縫提供導流能力[31]，但裂縫之間相互交叉，相交角越大支撐劑越難進入[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端，多級裂縫導流能力主要由主裂縫提供。因此，多級裂縫導流能力較小，有效性也不足。

自支撐裂縫導流能力的研究一直是體積壓裂、超臨界CO2壓裂的重點，其提供的導流能力不可忽視。超臨界CO2壓裂裂縫自支撐機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流能力研究方法對超臨界CO2自支撐裂縫的導流能力開展研究。Fredd等[33]、曹海濤等[34]通過室內研究發現：無滑移的裂縫導流能力很低，裂縫發生相對滑移后可提供一定的導流能力，隨著滑移量的增大，自支撐裂縫的導流能力逐漸增大；但滑移錯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流能力最大。Wu[35]等、Zhang等[36]通過室內實驗觀察了不同因素對頁巖自支撐裂縫導流能力的影響。研究表明，頁巖自支撐裂縫閉合應力越大導流能力越小，表面粗糙度越大導流能力越大，而與滑移量沒有直接的線性關系。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流能力。結果表明，在低鋪砂濃度下，導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，導流能力主控因素為自支撐裂縫的支撐劑鋪置方式。

數值模擬方面，張然[38]以孔二段儲層為基礎，建立天然裂縫剪切滑移模型并開展了自支撐裂縫導流能力實驗。結果表明，孔二段儲層能發生剪切滑移形成自支撐裂縫，自支撐裂縫導流能力隨閉合應力增大而減小，但減小過程分為3個階段，與支撐裂縫存在差異。超臨界CO2在地層中的流動情況很復雜，對導流能力也有較大影響，需考慮流動特征對自支撐裂縫導流能力的影響。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流能力計算公式，但是否適合在地層中易發生相態變化的超臨界CO2還未進行研究。

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

超臨界CO2由于其自身的物理化學特性，壓裂時很容易形成自支撐裂縫，但具體的形成機理至今還沒有統一認識，也導致許多工藝問題無法解決。現階段只能通過真三軸壓裂實驗，利用各種觀測手段研究其形成機理，超臨界CO2壓裂自支撐裂縫的數值模擬研究目前也基本沒有。因此，可以在真三軸壓裂實驗后對裂縫形態進行掃描，利用接觸力學的方法建模模擬加壓，反向探究其起裂和擴展機理；同時，自支撐裂縫導流能力的維持也是未來研究的一個重點。

2.2 裂縫導流能力提高方法研究

受地層應力影響，無論是多級裂縫還是自支撐裂縫都會閉合，造成導流能力減小甚至消失。因此，需對裂縫有效性進行研究，尋找提高裂縫導流能力的方法。Wang等[40]基于擴展有限元方法，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可適當加大排量，使裂縫更長更寬，有效導流能力更大。Li等[41]認為先進行超臨界CO2壓裂，然后再進行增稠的CO2壓裂并攜帶支撐劑以保持水力裂縫開放，這樣在形成復雜的裂縫網絡的同時還可以使超臨界CO2壓裂具有較好的滲透性，增強裂縫有效性。超臨界CO2黏度低，攜砂能力較差，因此，可研發合理的超臨界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]用數值方法結合物理實驗進行了研究。結果表明，裂縫平衡高度與注入溫度和支撐劑的體積分數、密度、直徑呈正相關，與注入壓力和排量呈負相關。因此，在前期可通過小粒徑大排量注入使支撐劑到達裂縫遠端，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，增強裂縫有效性。

自支撐裂縫能有效解決支撐劑不能到達裂縫尖端的問題，為裂縫提供導流能力。因此，可重點研究超臨界CO2壓裂自支撐裂縫形成機理，找到相應的方法，使裂縫沿最大水平地應力方向延伸更遠，溝通更多天然裂縫發生剪切滑移，形成自支撐裂縫，增強裂縫有效性。

前人對超臨界CO2裂縫導流能力的研究較少，這是由于現有的實驗裝置和數值模擬方法都不能滿足超臨界CO2裂縫導流能力測試的要求，在對技術、裝置提出新要求的同時，也應該多方面考慮裂縫導流能力的影響因素。導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地熱系統中代替水作為工作流體，該方法能有效增強裂縫的滲透率提高導流能力，但是溫度對超臨界CO2的物理性質具有較大影響，是否會對裂縫擴展和裂縫形態造成影響還需進一步研究。

3 結論與展望

3.1 結 論

(1)通過對比實驗研究發現，超臨界CO2壓裂裂縫起裂壓力比液態CO2和清水壓裂低，并且對不同的巖石以及在不同的應力條件下起裂壓力下降幅度不同，其主導原因是超臨界CO2的低黏度和高擴散性。

(2)影響超臨界CO2壓裂裂縫擴展效果的因素較多，主要受CO2相變主導以及巖石弱面結構的影響。

(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，裂縫網絡也更復雜，但裂縫寬度較小，其自身攜砂能力也不足，有效導流能力可能不足。

(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裂縫遠端，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，從而增強裂縫的有效性。

3.2 展 望

(1)對超臨界CO2壓裂裂縫起裂和擴展形式的研究，物理模擬方面可通過研發和改進現有實驗和觀測裝置，數值模擬方面可建立考慮多因素的三維動態起裂模型[44]，結合物理實驗探索其裂縫擴展形式。

(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、黏度等物理性質有重要影響，溫度的變化可能會引起應力場的變化，從而影響裂縫的擴展形式，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、短期導流能力目前還沒有標準的評價測試方法和設備，并且自支撐裂縫的形成機理也不清楚。要提高超臨界CO2壓裂的有效性，在研究實驗裝置的同時，也可通過數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。