超临界二氧化碳压裂过程中注入压力对致密砂岩力学特征的影响
张艳;楼一珊;牟春国;白建文;贾建鹏
【摘 要】针对致密砂岩气藏采用超临界二氧化碳压裂技术开发中,未考虑二氧化碳流体对储层岩石力学影响,从而导致设计压裂施工参数与现场实际不吻合问题,取苏里格气田2 800 m左右石盒子组地层岩心,在围压38 MPa、温度85℃下,模拟地层条件开展超临界二氧化碳压裂致密砂岩岩石力学特征实验,测试二氧化碳注入压力从3 MPa增加到35 MPa,然后加轴向压力至岩石破坏,获得致密砂岩岩石应力—应变曲线.研究表明,随超临界二氧化碳注入压力增大,致密砂岩抗压强度、弹性模量均减小,泊松比则增加,脆性指数先略微增大而后呈减小趋势.拟合出脆性指数与二氧化碳注入压力的关系式,相关系数为0.903 6,注入压力为4.55 MPa时脆性指数极值为0.483 5.超临界二氧化碳压裂时应考虑注入压力对岩石力学参数的影响,弹性模量、泊松比、脆性指数等岩石力学参数影响致密砂岩裂缝起裂及扩展规律.
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2019(041)002
崔国辅【总页数】温暖造句7页(P242-248)
【关键词】超临界二氧化碳;压裂;致密砂岩;脆性指数;泊松比;弹性模量
【作 者】张艳;楼一珊;牟春国;白建文;贾建鹏
【作者单位】长江大学石油工程学院;长江大学石油工程学院;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院;长江大学石油工程学院;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院
【正文语种】中 文
【中图分类】TE377
0 引言共情力
致密砂岩气是重要的非常规能源资源之一，在世界各国已成为天然气增储的重要来源［1］。Dennis等［2］(1998)定义致密砂岩气即赋存于低渗、特低渗和低含气饱和度的致密砂岩储层中的天然气。对致密气进行开发时出现单井产能低、气井稳产时间短等问题，
同时气水矛盾十分突出，储层极易受到地层水的影响，出现水锁等现象，造成储层伤害，不利于油田的经济性运营［3-5］。
Alireza B［6］(2017)、辛俊和等［7］(2014)、Torsten L［8］(2013)等认为根据致密砂岩的储层特征和开发特点，水平井压裂技术、多分支井技术通常作为开发致密气的有效手段。然而，Danny D等［9］(2016)发现对于常规的压裂液压裂技术而言，使用水作为压裂和射流介质无法避免地给致密砂岩地层带来“水锁”等地层伤害，影响后期气井的产能。叶亮等［10］(2018)认为超临界二氧化碳作为压裂介质则能减少常规水力压裂带来的储层伤害，有利于后期的提产，实现致密气的经济开发。
泵注压力又称注入压力，是进行二氧化碳压裂施工时的重要可控参数之一，它在一定程度上决定了压裂的效果以及后期的气井产能。王海柱等［11］(2011)认为致密砂岩的超临界二氧化碳压裂过程实质上是压裂流体在驱动压力作用下与致密砂岩发生物理化学以及机械力学作用的过程；侯冰等［12］(2018)研究了超临界二氧化碳对致密砂岩的岩石力学特征的影响，对于了解超临界二氧化碳压裂破岩机理和优化压裂施工参数具有重要意义［13-15］。
通过自主研发的超临界二氧化碳岩石力学参数测试系统，开展了围压38 MPa、温度85 ℃条件下的室内模拟试验，测试不同注入压力下，致密砂岩柱塞的三轴应力应变曲线，并根据这些曲线计算了致密砂岩抗压强度、弹性模量、泊松比和脆性指数等关键参数，得到了这些参数与注入压力的关系，并解释了背后的机理，为现场提高超临界二氧化碳压裂技术的应用效率提供一定的理论支撑。
1 实验装置与方法
1.1 实验材料
实验试样为苏里格气田致密砂岩岩心，为尽量避免地层各向异性的存在，选取试样为同一区块相同层位致密砂岩。根据国际岩石力学试样标准，现场岩心上套取一个Ø25 mm的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，使岩样的长径比为2.0～2.5(制备标准试件如图1所示)。为避免实验过程中产生应力集中，要求试样两端面的不平整度误差不得大于0.05 mm。
图1 致密砂岩标准试样Fig.1 The standard sample of tight sandstone
1.2 实验装置
实验装置由TAW2000岩石三轴测试系统和CO2增压系统组成。CO2增压系统是自主研发的一套可以实时控制CO2温度和压力并让其改变相态的装置，其核心是把CO2液体通过升温加压的方式转化为超临界状态，然后以一定的压力注入到试样中进行力学参数的测试。整套实验装置能够模拟超临界二氧化碳压裂液以一定的注入压力进入地层后岩石受力情况。整个实验装置如图2所示。
二氧化碳升温增压装置由计算机控制，可以实时监测温度和二氧化碳注入压力的大小。
图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device枣子
1.3 实验方法及步骤
(1)充液加围压：启动加载控制装置，对岩石试件通过液压形式施加围压至设定值。
(2)加温操作：启动加载控制装置，设置加热圈和围压压力室温度值对压力室进行加温操作，对围压筒加温到储层温度的设定值。
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(3)抽真空操作：给岩心注入一定流体压力之前必须要进行抽真空操作，确保二氧化碳饱和实验试样。
(4)超临界二氧化碳注入压力操作：抽真空结束后，从储瓶中输出液态二氧化碳经过增压加温装置，使二氧化碳转变为超临界状态(温度大于31.1 ℃，压力超过7.38 MPa)，从压力室底座注入岩心到设定孔隙压力值。
实验所取岩心为苏里格油田所在地层深度为2 800 m 左右，按照储层地温梯度 3.03 ℃/100 m，设定岩心实验测试温度为85 ℃。根据测井数据得到地层密度为1.35 g/cm3，换算实验岩心所处的围压为38 MPa。通过上述实验装置及实验步骤对15枚岩样施加轴向载荷，并通过监测软件采集应力—应变数据，绘制相关曲线，直至岩石发生破坏，获得试样变形破坏全应力—应变曲线。
2 超临界CO2影响的岩石力学实验结果与讨论朱砂安神丸组成
沈阳工业大学是几本根据上述实验方法和步骤获得致密砂岩全应力-应变曲线，计算得到岩石的抗压强度、弹性模量及泊松比等岩石力学参数［16］。致密砂岩脆性指数计算基于应力-应变特征来表征［
17-18］，即用峰值应变反映脆性破坏的难易，峰值后曲线形态表示脆性强弱。计算得到岩石的三轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性指数等力学参数如表1所示。
根据表1的数据，分析致密砂岩三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和脆性指数等力学参数与超临界二氧化碳注入压力之间的关系。
图3为致密砂岩试样抗压强度与CO2流体注入压力的关系。
表1 超临界CO2流体注入岩石后岩石力学参数实验数据Table 1 Experimental data of rock mechanics parameters of supercritical CO2 fluid injected into tight sandstone岩样编号 井深/m峰值应变/%残余应变/%残余强度/MPa注入压力/MPa抗压强度/MPa弹性模量/GPa 泊松比脆性指数1-1 2 805 0.937 1.030 203.786 0 319.701 34.104 0.225 0.385 4 1-2 2 805 0.823 0.836 250.342 3 270.099 32.804 0.228 0.443 6 1-3 2 805 0.741 0.757 201.385 6 235.243 31.733 0.231 0.535 1 1-4 2 803 0.661 0.681 152.493 9 180.545 27.308 0.233 0.431 0 1-5 2 803 0.597 0.620 128.937 12 156.212 26.171 0.237 0.388 7 1-6 2 804 0.551 0.579 101.352 15 131.672 23.895 0.242 0.386 5 1-7 2 806 0.535 0.558 101.321 18 122.342 22.876 0.24 0.351 8 1-8 2 812 0.661 0.702 95.523 21 121.233 18.337 0.245 0.3
37 7 1-9 2 812 0.712 0.770 89.587 24 119.400 16.77 0.25 0.322 0 1-10 2 812 0.656 0.694 89.643 27 110.655 16.88 0.258 0.321 7 1-11 2 816 0.701 0.739 88.764 2 29 109.407 15.603 0.278 0.343 2 1-12 2 816 0.712 0.767 80.736 2 31 108.728 15.264 0.283 0.337 0 1-13 2 817 0.711 0.783 76.876 32 108.552 15.265 0.337 0.309 8 1-14 2 817 0.720 0.799 75.753 34 107.543 14.936 0.339 0.300 8 1-15 2 817 0.739 0.809 78.874 35 107.323 14.52 0.347 0.308 6
图3 致密砂岩试样抗压强度与CO2流体注入压力相关曲线Fig.3 Correlation curve of rock compressive strength and CO2 fluid injection pressure
由图3看出：致密砂岩抗压强度随着超临界二氧化碳流体注入压力的增大而减小，这是因为孔隙没有注入流体之前致岩石受到围压的作用能够抑制竖向裂缝的扩展及多破裂面的发育，注入流体孔隙压力增大后，抵消掉部分围压的作用，在致密砂岩内部微孔隙裂隙中产生应力集中现象，微裂纹开始扩展，此时对应的岩石抗压强度随着注入二氧化碳压力的增大而降低，抗压强度减小到一定值后趋于稳定。
利用最小二乘法拟合致密砂岩抗压强度与超临界二氧化碳注入压力关系式呈指数关系，且
相关性系数达0.9
其中，p为注入超临界二氧化碳压力，MPa；σc为岩石三轴抗压强度值，MPa。
图4为致密砂岩试样弹性模量与CO2流体注入压力的关系。
图4 致密砂岩试样弹性模量与CO2流体注入压力相关曲线Fig.4 Correlation curve of rock Elastic modulus and CO2 fluid injection pressure
绿蜥蜴
由图4看出：致密砂岩弹性模量随着超临界二氧化碳流体注入压力的增大而减小，这是因为注入孔隙流体压力的增加使岩石的强度降低，径向变形增大，轴向变形减小，弹性模量随着减小。利用压裂数值模拟分析弹性模量对裂缝形态特征的影响发现，随着弹性模量的增加，主导裂缝的缝长、缝高、缝宽都是逐渐减小的，如图5所示。
图5 不同弹性模量下主导裂缝延伸状态Fig.5 The dominant fracture elongation state under different Elastic modulus
利用最小二乘法拟合致密砂岩弹性模量与超临界二氧化碳注入压力关系式呈指数关系，且
相关性系数达0.98。说明指数函数较好地表征了致密砂岩弹性模量与超临界二氧化碳注入压力的关系
