清水和液态CO2压裂对页岩破裂影响实验研究

2021-11-13穆景福高志亮张力乔红军万鑫郭雨嘉

非常规油气 2021年5期

穆景福高志亮张力乔红军万鑫郭雨嘉

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,西安 710065)

0 引言

对于深部油气储层,普遍存在“低渗、低压、低产”的特点[1-5],通常采用水力压裂技术改造储层,使之达到商业开发的目的,目前已经在石油、天然气、页岩气和致密油气等深部油气储层得到广泛运用。但水力压裂作业区域一般伴随着水资源的短缺,给压裂作业带来很大困难。近些年无水压裂工艺获得了更多的关注,尤其是CO2压裂具有低黏度、高扩散性和易获取等优点,是一种具有很高经济和技术潜质的压裂液[6-9]。

在CO2压裂室内实验方面,王磊[10]进行了煤岩在超临界CO2和清水压裂下裂缝起裂和扩展特性实验研究,发现超临界CO2压裂的破裂强度更低且更易产生分叉裂缝。苏建政[11]结合室内实验和数值模拟研究了层理对清水与超临界CO2压裂裂缝扩展形态的影响,发现CO2压裂的破裂面复杂不平整,裂缝较粗糙。梁卫国[12]进行了煤L-CO2压裂实验,发现L-CO2压裂具有很好的破裂效果。汤积仁[13]进行了页岩-煤吸附CO2时间效应及变形各向异性实验研究。沈新普[14]采用塑性损伤有限单元法,模拟水力压裂裂纹扩展和分布,并优化压裂工艺选择。上述研究主要是针对具有良好渗透性的岩石,目前针对具有“低渗、低压、低产”特点的页岩L-CO2压裂仍需进一步实验研究。

该研究在室内实验中进行不同围压下页岩清水压裂和L-CO2压裂实验,并借助CT 扫描和核磁共振(NMR),对比清水和L-CO2压裂在破裂压力、增压速率和破裂裂缝分布上的差异,深入分析清水和L-CO2压裂对页岩破裂形态的影响。

1 实验概况

1.1 实验设备

该研究中清水和L-CO2压裂实验在多场耦合实验机上进行,设备泵压系统由3台ISCO 260D计量泵组成。控制系统控制压裂实验时注入流量、体积和压力等参数变化,并进行实时记录,数据采集间隔为0.2 s。实验装置如图1所示。该实验方法参照“煤和岩石物理力学性质测定方法”(GB/T 23561—2010)和“油气藏岩石力学性质测试技术规范”(SY/T 7491—2020)等标准。

1.2 试样准备

页岩岩芯取自银—额盆地哈日凹陷中部洼陷带,属第四系巴音戈壁组,埋深在约3 520 m 位置。主要以钙质胶结,部分含泥质,具有一定的层理方向,其矿物组成成分中石英含量为45.12%,长石含量为25.24%,黏土矿物含量为18.99%,其他矿物含量为10.64%。由于采用的是井底岩芯,钻取试样时应保持层理方向一致,并在实验之前进行了波速测试,将波速实验结果接近的实验进行压裂实验,因此可以排除试样中存在的天然裂缝的影响。

1.3 实验步骤

为了研究清水压裂和L-CO2压裂对页岩破裂形态的影响,实验保持相同的围压和轴压,其中轴压比围压大5 MPa。实验具体操作步骤如下:1)将试样安装在实验设备底座上,采用热缩套密封试样,以达到隔绝液压油的目的;2)以1 ml/min流量控制方式增加围压至设定值,该研究中实验围压依次为10 MPa,20 MPa,30 MPa和40 MPa,之后以相同方式增加轴压至设定值;3)清水压裂和L-CO2压裂实验中以5 ml/min流量注入,破坏后继续注入压裂介质1 min,最后依次卸载压裂压力和围压。

实验完成后,借助CT扫描和核磁共振(NMR),对比清水和L-CO2压裂的破裂压力、增压速率和破裂裂缝分布特征,分析清水和L-CO2压裂对页岩破裂形态的影响。

2 实验结果

2.1 压裂实验曲线及增压速率特征

压裂曲线不仅可以直观反映压裂实验所需时间和破裂压力,也可间接的表示压裂实验中破裂压力随围压的变化规律。图2 所示为清水压裂和L-CO2压裂的实验曲线,其中L-CO2压裂实验的起点压力约为7.3 MPa,主要是CO2可压缩性强,具有低压气态高压液态的特征。L-CO2在压裂实验中温度保持28℃,在约7.8 MPa时会发生气态转变为液态。

L-CO2压裂的破裂压力小于水力压裂,与之前的研究结果相一致[12]。图2中清水压裂在破裂后压裂曲线仍然存在波动,表明试样破裂后产生分支裂缝,而L-CO2压裂的表现贯穿整个试样[15]。主要是围压压密作用下,清水的扩散会受到抑制,而L-CO2具有黏度低、易扩散等特性,可扩散至微纳米孔隙中。当发生破裂时,L-CO2压裂中孔隙压力场并未发生明显变化,而水力压裂中,发生破裂泵压释放,清水进入破裂裂缝中诱导产生微裂缝。因此,L-CO2压裂与清水压裂在页岩破裂上存在很大差别,后续研究将深入分析破裂中形态的变化。

图2 不同围压下的压裂曲线Fig.2 Fracturing curve under different confining

在压裂过程中,钻孔中泵压与钻孔周围存在压力差,促进清水和L-CO2沿径向方向扩散,从而影响泵压的增压速率。通过研究增压速率可为分析清水压裂和L-CO2压裂的破裂机理提供方法,可将单位时间内注入钻孔中的清水或L-CO2引起增压变化速率(dP/dt)作为增压速率的度量。图3是清水压裂和L-CO2压裂在不同围压下增压速率变化。

图3 增压速率曲线Fig.3 Pressurization rate curves

清水压裂中,增压速率经过初始压力阶段后迅速增加,之后几乎维持恒值至破裂,且围压越大,增压速率的恒值也越大,表明围压压密作用可抑制清水的扩散,利于钻孔中积蓄能量用于破裂[16]。在L-CO2压裂中,增压速率在初始压力阶段几乎为零且时间更长,之后增压速率快速增加,在接近破裂时增压速率会发生明显的下降。主要是L-CO2可扩散至微纳米孔隙中产生孔隙压力,扰动试样岩石内部原始微裂纹并被激活,导致增压速率出现降低,由此降低破裂压力。

2.2 CT扫描实验

为了能准确捕捉到在清水压裂和L-CO2压裂下试样破裂后试样内部的破裂形态,将破裂后试样进行高精度CT扫描实验。CT扫描技术和重构技术是近些年快速发展的一种无损扫描技术,已得到广泛运用[17],其可为辨别岩石内部裂缝状态和结构组成提供帮助。该研究中CT 扫描空间分辨率为16.84μm,每个试样切片间隔0.017 mm。图4是清水压裂和L-CO2压裂实验后CT扫描结果。

图4 CT切片示意图Fig.4 CT slices after rupture

图4给出了页岩压裂后破裂裂缝。对于L-CO2压裂,破裂裂缝形态表现出交齿状凹凸尖峰,裂缝开度较小,曲折度较高,可能由于孔隙压力扰动试样内部的微裂缝,诱导破裂裂缝沿黏土等弱胶结之间进行扩展,导致裂纹更加曲折。对于清水压裂,其破裂裂缝形态表现为近似对称分布且裂纹开度较大,且部分区域处微裂缝发育,可能是压裂曲线后续波动产生的。将文中压裂后CT 扫描后切片,识别图像中的破裂裂缝形态,将沿一条压裂裂缝总长度与破裂裂缝两端的直接长度比值定义为压裂裂缝曲折度,计算裂缝曲折度。对破裂裂缝曲折度计算发现L-CO2压裂中裂纹曲折度为1.118,大于清水压裂的1.102。因此,L-CO2压裂中孔隙压力更易形成曲折的裂缝,影响裂纹扩展路径。

Deng等[17]研究发现岩石属性特征将会影响到L-CO2压裂破裂裂缝的复杂性,认为L-CO2压裂裂纹扩展过程中会在裂纹尖端形成低孔隙压力区域,会诱导裂纹沿胶结处扩展。因此,L-CO2压裂实验中破裂裂缝更加曲折,主要与压裂液扩散产生孔隙压力和页岩中黏土矿物等有关。

2.3 核磁共振实验

对于页岩压裂实验,尤其L-CO2压裂实验,破裂时不仅会产生宏观裂纹,也会形成许多微观裂纹[18]。核磁共振测试是通过对试样进行饱和水下测得核磁共振特征谱线来定量表征岩芯物性特征,通常采用自旋回波衰减信号测试的方法,即通过对核磁共振结果进行拟合分析,得到可以直接反映不同孔隙或裂缝内T2分布规律,确定饱和流体在孔隙或裂缝的分布状态,因此核磁共振检测结果与所处环境相关,即T2越大,对应的孔隙或裂缝尺寸越大[19-20]。图5是L-CO2压裂和清水压裂后核磁共振T2曲线。

图5说明水力压裂和L-CO2压裂下裂缝分布存在明显的差异。L-CO2压裂的第一个波峰明显高于水力压裂值,其代表微观尺度,表明L-CO2压裂可以激活形成更多微裂纹。T2分布中最后一个波峰代表宏观尺度裂纹,可以看出清水压裂中存在明显的突出波峰,而L-CO2压裂则出现两处波峰且峰值较低。表明清水压裂中宏观破裂裂缝占主要部分,微裂纹较少,而L-CO2压裂中微观裂纹发育程度很高。