页岩储层的超临界二氧化碳压裂缝网扩展演化研究

Hydraulic fracturing, which is widely used currently for the shale gas reservoir stimulation, has many drawbacks of itself. Supercritical carbon dioxide has dual nature and advantages of both gas and liquid, which can be used as fracturing liquid. It not only can avoid reservoir damage, but also can lead to more complex fracture networks. Most of shale gas resources of our country are located in the arid areas, so waterless fracturing technique for the shale gas development should be on the top of scientific plan. Mechanism of the interaction between fluid and fractures during supercritical carbon dioxide fracturing process will be focused in this study. Study on the fracture propagation, morphology and permeability of layered shale by supercritical carbon dioxide fracturing will be carried out. Digital simulation of the supercritical carbon dioxide fracturing will be realized after the study. Supercritical carbon dioxide fracturing experiment and computerized tomography (CT) scanning of fracture network will be employed for the study on the supercritical carbon dioxide fracturing technique. Based on the research on the phase change of the carbon dioxide fluid, the experiment will be conducted on the true-triaxial compression testing machine which can realize the coupling effect of fracturing and permeability in the deep underground. The acoustic emission technique will be employed to monitor the fracture initiation and propagation. The fracture surfaces in the shale will be scanned by 3D scanner and reconstructed on the computer to get the geometric characteristics of the fractures to determine the theoretical method of permeability process in the shale. Simulation based on the NMM (numerical manifold method) will be conducted to study the process of fracturing and permeability in the fracture network.

目前广泛应用的页岩储层的水力压裂技术存在很多自身缺陷，由于超临界二氧化碳兼有气体及液体的双重性质和优点，作为压裂液不但可以避免伤害储层，而且可以形成更为复杂缝网，所以对于页岩气开采具有很大优势；另外我国页岩气资源区多处于干旱区，亟需发展新型无水压裂技术。项目针对层状页岩在超临界二氧化碳压裂过程中流体与裂缝的相互作用机理这一关键科学问题，开展超临界二氧化碳作用下裂缝的扩展演化规律、裂缝形态、断面特征以及渗流过程的研究，实现超临界二氧化碳作用下页岩压裂的数值模拟。项目以研制的超临界二氧化碳岩石压裂试验系统为试验平台，实施三轴应力状态下页岩压裂试验，采用声发射技术监测裂缝动态扩展过程，工业CT精细扫描提取缝网的空间形态特征，三维光学扫描提取裂缝断面几何特征，研究页岩压裂渗流的理论描述方法。基于数值流形法非连续变形分析求解方法，研究层状页岩超临界二氧化碳压裂渗流的流固耦合计算，实现压裂过程模拟。

水力压裂技术是页岩气开采的重要技术。常规的水基压裂液存在损害储层，裂缝沟通能力差，水资源浪费严重等一系列问题，超临界二氧化碳是一种低粘度，高扩散性，兼具液体与气体性质的特殊压裂液，它可以保护储层，沟通微裂隙，具有较高的返排效率，被认为是最有可能取代常规水基压裂液的一种无水压裂液。本项目“页岩储层的超临界二氧化碳压裂缝网扩展演化研究”通过室内试验及数值模拟的方法，对层状页岩的力学性质，压裂特点，超临界二氧化碳压裂数值模拟结果进行分析研究，主要实现了如下研究目标：1）揭示了页岩的各向异性物理力学特性；2）总结了页岩的超临界二氧化碳压裂特点；3）对比了超临界二氧化碳压裂与水力压裂特点差异；4）分析了压裂液注入速率对页岩储层压裂的影响规律；5）实现了超临界CO2作用下层状页岩的渗流模拟。.根据项目计划任务书的要求，项目组紧紧围绕研究目标开展工作，研究结果表明随着层理面角度的增大，页岩样品的抗拉强度逐渐减小，页岩的巴西劈裂破裂模式主要包括偏离加载方向的裂缝扩展（月牙形裂缝）；扩展过程中部分沿层理面破裂；完全沿层理面劈裂（层理激活）；沿加载方向破裂。超临界二氧化碳在注入页岩试样钻孔的过程中，由于其较强的压缩能力，初始阶段液体压力上升较慢，随着压裂液的注入，压力上升速率逐渐升高，当泵压达到峰值时，试样压裂，之后迅速下降至围压值，其压裂时间长于相同条件下的水力压裂时间。层状页岩各向异性特点对其超临界二氧化碳压裂具有重要影响，压裂裂缝扩展受层理面影响明显，大尺寸立方体页岩压裂裂缝主要是沿着天然裂缝扩展，并产生了一些新生的分支裂缝，页岩局部裂缝包含转向，对接，分叉三种形态。数值模拟结果显示，相比于水基压裂液，超临界二氧化碳作为压裂液更容易在岩石中产生大量微裂缝，从而形成复杂缝网，压裂效果更好。低的地应力差异、大的压裂液排量以及更发育的天然裂缝都会沟通更多的天然裂缝，有利于超临界二氧化碳压裂形成复杂程度更高的裂缝网络。以上研究成果为超临界二氧化碳压裂技术在油气中的高效开采利用提供了可靠的理论依据。