超临界二氧化碳压裂裂缝研究现状与展望

2020-07-14姜兴文徐东华

科学技术与工程 2020年17期

温航, 姜兴文, 徐东华

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，抚顺 113001；2.北票市市场监督管理局质量(食品)检验检测中心，北票 122100)

水力压裂是目前储层改造中最为常见的方法，但水力压裂需要大量水资源支撑，而且其返排率较低，返排液需要处理[1]，对水资源造成极大的浪费[2]。使用二氧化碳进行压裂可以有效避免以上问题，不仅如此，二氧化碳对环境也会产生负面影响，《“十二五”资源综合利用指导意见》[3]中鼓励石油化工等行业对二氧化碳进行回收利用，使用二氧化碳进行压裂一举双得，而超临界二氧化碳压裂是二氧化碳压裂体系的重要组成之一。2010年，沈忠厚等[4]首次提出超临界二氧化碳压裂破岩工艺，一经提出就凭借其突出优势及良好效果引起众多学者关注；2011年王海柱等[5]提出使用超临界二氧化碳压裂改造页岩储层，并发现二氧化碳可置换储层中的甲烷成分，并可以与二氧化碳封存技术联合使用；2013年Ishida等[6]使用花岗岩进行压裂实验，从裂缝起裂与形态上对比超临界二氧化碳与传统水力压裂区别，总结超临界二氧化碳压裂的优势；2015年Chen等[7]使用油、水、超临界二氧化碳3种压裂液进行压裂实验，进一步分析超临界二氧化碳压裂特点以及机理。在学者不懈努力下超临界二氧化碳压裂研究取得巨大进步，但若想实现广泛应用还需继续深入研究。

针对超临界二氧化碳压裂裂缝起裂与形态研究现状进行综述，首先围绕裂缝的起裂展开叙述，整理超临界二氧化碳压裂起裂特点，并阐述起裂研究的发展趋势，然后对裂缝形态的研究现状进行综述，梳理现今学者们的研究方向与发展趋势，最后对裂缝有效性问题进行讨论，为研究人员提出建议与思路。

1 超临界二氧化碳压裂技术

超临界二氧化碳压裂从属于二氧化碳干法压裂，其工质为超临界二氧化碳[8]。超临界态是二氧化碳的一种特殊状态，当所处压力及温度超过二氧化碳的临界压力7.43 MPa以及临界温度31.26 ℃时，二氧化碳就会进入超临界态[9]，对页岩有吸附作用[10]。在非常规油气藏储层中普遍存在高温高压状态，超临界状态要求很容易达成[11]。超临界二氧化碳性质较为特别，具体如表1所示，超临界二氧化碳密度更接近液态，但黏度更接近于气态，摩阻明显低于清水[12]，拥有极强的流动性，可以轻易进入微小裂缝。超临界二氧化碳压裂性能优势[13-30]如表2所示。

超临界二氧化碳压裂优点突出，效果良好，工质易获取是非常理想的压裂方法[28]，值得推广与研究。

表1 超临界二氧化碳性质Table 1 Supercritical carbon dioxide

2 裂缝的起裂压力

超临界二氧化碳压裂具有低起裂压力的特点，学者们对其展开大量研究，对花岗岩、泥页岩、致密砂岩等不同岩石进行了超临界二氧化碳压裂实验，并在同种岩石下与水力压裂和液态二氧化碳压裂进行对比，表3所示为Ishida等[31]测得的数据，通过表3可以明显地观察到超临界二氧化碳压裂的起裂压力比油的起裂压力小50%以上，比应用最广泛的传统水力压裂起裂压力小30%左右，优势十分明显。

表2 超临界二氧化碳压裂优势及具体说明Table 2 Supercritical carbon dioxide fracturing advantages and specific instructions

表3 各种压裂方法对应的起裂压力Table 3 Cracking pressure corresponding to various fracturing methods

通过数据可以轻易确认超临界二氧化碳具有低起裂压力的优势，对其起裂机理的研究必不可少。沈忠厚等[4]对此展开研究，但采用的是超临界二氧化碳喷射破岩方法，而并非压裂实验。侯冰等[32]在压力夹持下向致密砂岩中分别注入饱和水以及超临界二氧化碳，发现与饱和水相比，超临界二氧化碳可降低致密砂岩近15%的抗压强度并增加近53%的脆性指数。Busch等[33]发现超临界二氧化碳会与岩石中的碳酸盐矿物发生反应而降低岩石物理性质，Ao等[34]在此基础上发现吸附效应可诱导应变，也可改变岩石结构，使岩石更容易破碎。而Ishida等[26]认为超临界二氧化碳可依靠其自身超强的流动性渗透进水基压裂液难以渗入的孔隙之中，从而降低其起裂压力。这些说法都具备理论依据，但无法确定起裂压力降低的主导原因。若想确定其主导原因需要进行对比实验，制作可溶蚀基质含量不同的岩样和初始微孔隙具有差异的岩样分别进行超临界二氧化碳压裂实验，对比这两组实验起裂压力的变化趋势，从而明确在不同环境下超临界二氧化碳压裂起裂压力较低的根本原因。

在研究起裂机理的同时也要关注到起裂压力的外界影响因素，每个储层的围压与温度均有所不同，围压与温度对起裂压力的影响规律尚不可知。Lahann等[35]对注入二氧化碳的页岩进行加热，观察其孔渗变化，但并未得出温度与起裂压力之间的影响规律。Zou等[36]研究地应力差与裂缝形态的作用关系，但未对地应力大小与起裂压力深入探讨。因此，对于不同地应力，不同地温下的超临界二氧化碳压裂的起裂压力研究的关注度较低。地应力大小与地层温度对起裂压力的影响规律需要展开压裂实验进行研究，不仅要分别对上述两个变量进行探讨，更要在热力耦合状态下进行研究，讨论在真实地层条件下的起裂压力规律。

超临界二氧化碳压裂起裂后，孔隙联通，压力快速释放，如图1[25]所示，此过程与岩爆有相似之处[37]，这一过程不可避免，学者们对此虽有关注但并未重视，但在实际工程中并非如实验中仅发生一次快速卸压，而是随着压裂的进行多次触发，其产生的效果会被放大。因此这个过程有必要进行详细研究，并需要分为两个方面展开研究：一方面是对压力变化幅度的研究，可将起裂压力大小与岩石原始孔渗这两个参数作为变量进行研究分析，总结压力降低大小的决定因素，以推测实际工程中会产生的压降大小；另一方面需要调研压力快速变化带来的影响，压力快速变化势必要带来能量转移与质量冲击，作用于岩石上会对其基质产生破坏，可将压力降低大小作为变量考虑，探究压力降低大小与基质破坏程度的对应关系。两个方面相互配合才能将此现象研究透彻。

图1 超临界二氧化碳压裂起裂时的压力变化[25]Fig.1 Pressure change during supercritical carbon dioxide fracturing and cracking[25]

综上所述，超临界二氧化碳压裂的起裂压力明显低于传统压裂方法，但对于裂缝起裂的研究还需进一步深入。具体表现为：超临界二氧化碳压裂起裂机理众说纷纭，其主导机理难以确定，建议通过对比实验确定各种环境下不同岩石起裂的主导机理；超临界二氧化碳压裂起裂外界因素的影响规律需要得到重视，主要以地应力大小与地层温度为变量，探求起裂压力变化规律；超临界二氧化碳压裂起裂的瞬间压裂液压力会快速下降，这一过程需要仔细研究，可从压力下降幅度与压力下降带来的影响这两方面展开研究。

3 裂缝的形态

裂缝形态的研究是压裂研究中的重点内容，超临界二氧化碳压裂会产生非常复杂的裂缝。Ishida等[31]通过分形维数明确地展现出来，如表4所示。Zhang等[38]使用CT更为直观地观测到超临界压裂产生的裂缝复杂程度远胜水力压裂。Yin等[39]认为造成复杂裂缝的原因是超临界二氧化碳具有极低的密度与表面张力，因此超临界二氧化碳可以进入岩石中非常小的孔隙中，并造成破坏，而且超临界二氧化碳可以溶解某些矿物，产生新的微裂纹。而Chen等[7]关注到黏度的影响，分别使用水、油与超临界二氧化碳3种物质进行实验，从微观角度观察发现，低黏度的超临界二氧化碳引起的裂缝沿主裂缝分支最多，表明低黏度流体的水力压裂在岩石中形成更复杂的裂缝网络，高黏度工质产生的断裂更加平滑。Lnui等[40]同样对黏度进行研究，并借助声发射对裂缝进行观察，并通过纵波初始运动类型对裂缝类型进行判断，发现黏度小的超临界二氧化碳压裂更容易产生剪切裂缝。Shimizu等[41]使用流动耦合DEM程序分析得出相同结论。而孙小辉等[42]关注到温度影响，建立超临界二氧化碳压裂温度场模型，分析温度对裂缝形态的影响。Zou等[36]关注到水平应力差，通过改变水平应力观察超临界二氧化碳压裂效果，发现地应力对超临界二氧化碳压裂效果影响相对较小。苏建政等[43]关注到页岩层理的影响，发现层理对超临界二氧化碳压裂的裂缝扩展的影响较大，穿越层理的难度较大，并通过模拟的方法，在不同地应力差的情况下计算胍胶压裂、滑溜水压裂和超临界二氧化碳压裂的裂纹形态，超临界二氧化碳压裂产生的裂缝最为复杂。Akihisa等[44]关注到排量对裂缝形态的影响，使用3组不同流量对花岗岩进行超临界二氧化碳压裂实验发现，排量越小起裂压力越低，裂缝更加复杂。

表4 不同压裂方法与其对应的分形维数Table 4 Different fracturing methods and their corresponding fractal dimensions

学者们从各个角度分析超临界二氧化碳压裂裂缝形态影响因素，但滤失性的关注度较低，而低黏度压裂液的滤失性又非常大[45]，且难以形成滤饼[46]，因此滤失性影响不可忽略。刘光真等[47]对超临界二氧化碳压裂的滤失性进行系统研究，但未对滤失性与裂缝形态进行具体研究。大量滤失的超临界二氧化碳在裂缝中快速流动，会给岩石裂缝造成一定影响。因此需要开展快速且负压的超临界二氧化碳流动对裂缝形态的影响研究，尤其是吼道处，需要重点观测。

在页岩压裂时，经常利用焖井来提高压裂效果[48]，主要原因是水基压裂液可以与页岩发生水化反应，可以通过延长反应时间而增加压裂效果，而超临界二氧化碳同样具备与岩石发生反应的特性。因此，时间效应对于超临界二氧化碳也非常重要，需通过进行时长不同的压裂实验，对比压裂产生的裂纹形态差异，总结发现时间效应对超临界二氧化碳压裂效果的影响。

返排与岩石孔隙和压裂液种类有关[49]。黄和钰[50]曾仔细研究水力压裂返排规律与缝网形态的作用关系，而超临界二氧化碳返排与裂缝形态的研究尚有不明之处，返排速率快是超临界二氧化碳压裂众多优点之一，快速返排会将微小颗粒带离储层，储层岩石孔隙压力迅速释放，会使储层岩石造成二次伤害，同时二氧化碳的快速返排也会对支撑剂造成回流[51]。目前对于返排带来的影响尚未得到具体研究，因此需要进行超临界二氧化碳在裂缝中带压附存一段时间后快速释放压力而流动的实验，来模拟返排过程，观察对原有裂缝的影响。

综合上述，超临界二氧化碳压裂产生的裂缝非常复杂，学者们从黏度、温度、水平应力差、层理等多个角度讨论裂缝形态影响因素。但尚有部分因素还未讨论：滤失作用对裂缝形态的影响需要深入探讨，建议在模拟滤失状态下进行压裂实验，总结滤失率与裂缝形态的影响规律；时间效应在超临界二氧化碳压裂中不可忽略，建议通过进行不同时长的压裂实验寻找时间与裂缝形态之间的关联；超临界二氧化碳压裂具有快速返排的特点，快速的返排会给裂缝造成破坏，建议在压裂后的岩石中通入快速流动的超临界二氧化碳，模拟返排过程，观察其裂缝变化过程。

4 裂缝有效性研究

超临界二氧化碳产生的裂缝非常复杂，但其宽度却非常小，如图2[22]所示，水力压裂的裂缝宽度是超临界二氧化碳压裂裂缝宽度的3～6倍，部分分叉部分的裂缝宽度相差2个数量级[52]。因此，裂缝有效性研究是十分必要的[53]。裂缝有效性研究可分为两个方向，一个方向是裂缝有效性的评定，另一个方向是增加裂缝有效性的方法。

图2 围压为12、14、16 MPa下压裂裂缝[22]Fig.2 The confining pressure is 12, 14 and 16 MPa under the fracture[22]

首先对裂缝有效性的评定进行讨论，裂缝有效性评定并非简单地对裂缝宽度进行测量，更要充分考虑地应力场、地层温度、裂缝走向、裂缝支撑情况以及开采周期等多个影响因素下测定其裂缝有效性[54]，这一问题很多学者均有提出。但有效性研究极为复杂，实验上对设备的要求更高，目前难以实现精确全面的测量，需要在设备上有所改进才能在地层条件下完成超临界二氧化碳压裂并详尽地评定裂缝有效性。

图3 压裂裂缝延伸[60]Fig.3 Fracture crack extension[60]

在裂缝较小的情况下如何增强裂缝的有效性就成为了至关重要的环节，以往通常使用支撑剂来抑制地应力造成的裂缝闭合，但超临界二氧化碳的黏度非常低，难以将普通支撑剂送至目标位置[55]，并且由于超临界压裂产生的裂缝宽度较小，对支撑剂的粒径要求较高[56]。因此学者们研究发明超临界二氧化碳增黏剂和低密度支撑剂[57]或与其他压裂方法联合使用[36]去解决这些问题，但在此同时也需要寻找新的思路，在裂纹形态研究中发现超临界二氧化碳压裂所产生的裂缝可沿着岩石基质颗粒的边缘延伸，如图3所示，这造成了超临界二氧化碳压裂裂缝更加粗糙。其他众多学者均发现这一特点[6，36，58]，而且裂缝表面比水力压裂造成的裂缝更加坚硬[38]，粗糙的表面若发生错动将会导致裂缝表面不匹配，从而形成自支撑[59]，可有效地抑制裂缝闭合。因此，对于超临界二氧化碳压裂裂缝面粗糙度的研究非常关键，笔者认为可以利用分形维数描述其粗糙度，寻找分形维数与影响因素之间的关系，指导压裂参数致使目标储层形成最为粗糙的裂缝。另一方面，还需研究使其发生错动的方法，可利用地应力配合循环加载应力刺激使裂缝发生错动，还可以研制井下工具作用于目标储层，迫使储层岩石发生错动。

综上所述，超临界二氧化碳压裂产生的裂缝非常小，其有效性难以保证，但裂缝有效性的精确测量难度较大，需要在测量设备上有所突破才能完成。在地应力下如何保证其有效性最大化至关重要，学者们普遍采用增黏剂和低密度支撑剂抑制裂缝闭合，除此之外，还可利用超临界二氧化碳压裂裂缝表面粗糙这一特点，使裂缝错动形成自支撑，以防止裂缝闭合。

5 展望

超临界二氧化碳压裂优点众多值得推广，从提出到如今已是成果斐然，但至今还未广泛应用，在裂缝研究中，目前需要面对的主要问题是裂缝有效性。超临界二氧化碳压裂虽然可以产生复杂联通的裂缝，但裂缝开度较小，在地应力作用下容易闭合，未来还需对增黏剂和支撑剂继续深入研究，寻找适合超临界二氧化碳压裂的增黏剂与支撑剂，将超临界二氧化碳压裂优势最大化。超临界二氧化碳压裂能产生复杂的裂缝的部分原因就是因为超临界二氧化碳的低黏度性质，增黏虽然可以增强携砂能力，但也会影响压裂效果；由于压裂裂缝较窄，支撑剂粒径需要较小尺寸，支撑剂粒径组合上下限过大容易形成堵塞[61]，不利用导流，使用增黏剂低密度支撑剂都会存在些许弊端。因此在大力发展增黏剂和低密度支撑剂的同时，未来还需要研发新的方法，如裂缝自支撑或与其他压裂方式结合使用，攻克上述课题将会对超临界二氧化碳压裂发展有着重大意义，是超临界二氧化碳压裂推广的决定性因素。