深冷低温冲击作用下泥页岩脆性演化机制研究

Given the particularities of reservoir properties and geographical environments of shale gas in China, the non-aqueous fracturing technology involving injecting cryogenic fluids can effectively improve the shale gas exploitation. The essence of non-aqueous fracturing is to inject low or ultra-low temperature fluids into the wellbore, which has great cold impacts on the formation and hence induces complex fractures inside the rocks. This research analyzes the micro dynamic fracture mechanism of shale under cryogenic stimulation, with laboratory experiments such as the NMR, sonic tests, acoustic emission tests, CT scanning, mineral composition analysis and so on. Meanwhile, large-scale tri-axial tests under different temperature shocks on shale are to be conducted, which can help analyze the macro geomechanical characteristics, and then the nonlinear constitutive equation of shale brittle failure and sensitive factors of shale brittleness enhancement are studied. The cryogenic stimulation damage evolution model of shale is established based on the continuum mechanics, and the ice expansion effect aroused by cryogenic fluids is analyzed according to the nonlinear thermal-elastic theory. Based on the micro structure and macro mechanical tests, the dynamic shale fracture mechanism under cryogenic conditions is thoroughly analyzed, hence the assessment system of shale brittleness evolution is set and the feasibility of applying non-aqueous fracturing in shale gas is studied.

鉴于中国页岩气储层性质及地理环境的特殊性，开展深冷低温流体注入的无水压裂技术可有效提高页岩气开发效果。无水压裂的核心是将低温或超低温流体注入井底，对地层岩石产生较大的冷冲击，从而使岩石内部形成复杂裂缝。本项目拟从室内试验入手，结合泥页岩核磁共振、声发射、声波测试、CT扫描以及矿物组分分析等试验，分析深冷低温冲击作用下泥页岩微观动态破坏机制。同时，开展不同温差冲击下，大尺寸真三轴泥页岩宏观岩石力学特性试验研究，建立泥页岩脆性破坏的非线性本构关系，分析泥页岩脆性增强的敏感因素。利用连续介质力学理论建立泥页岩低温冲击损伤模型，并依据非线性热弹性理论分析由于低温流体的注入而引起的冰胀效应。基于微观结构和宏观力学试验，深入剖析泥页岩深冷低温冷冻条件下的动态破坏机制，提出一套泥页岩脆性演化评价体系，探索低温无水压裂开发页岩气的可行性。

中国页岩气储量丰富，但储层具有经历的构造运动复杂，埋藏深，水平应力差大，脆性指数低，储层改造效果差等特点。为解决这一矛盾，开展深冷低温流体注入的无水压裂技术可有效提高页岩气开发效果。本研究从室内实验和数值模拟入手，形成了一套泥页岩脆性演化评价体系，探讨了低温无水压裂开发页岩气的可行性。研究主要取得以下结论：（1）页岩在低温冻结后其孔隙度增大，纵波波速下降，且试样内呈现不同程度的裂纹，这些变化幅度与页岩本身的层理发育方向和含水饱和度大小有关。（2）页岩宏观力学实验发现低温冲击后的试样在加载过程中内部裂纹明显增加，而加载后其强度和弹性模量等参数均呈现下降趋势，这些变化幅度除了与试样的层理发育方向和含水饱和度大小等内在条件有关外，还与试样所处的外部条件有关，如围压、温度等。大温差更容易增加页岩的脆性，激发试样内裂纹的扩展。（3）分别建立了常温页岩损伤本构模型，及液氮冲击后页岩损伤本构模型。（4）获得了试样冷冻后恢复室温条件下的裂缝扩展评价指标，指出此时岩石的脆性降低，但裂隙发育程度增加，水平应力差异系数减小，裂缝扩展阻力减小，弱面力学性能弱化，储层的可压性指数增强，即有利于压裂后缝网的形成。（5）低温处理前后的压裂模拟实验表明，试样的起裂压力、破裂压力均受应力差及压裂液排量的影响；在其它因素一定的条件下，试样的起裂压力略有下降，破裂压力的下降幅度基本在30%-50%左右。（6）建立了考虑水冰相变的页岩冻结过程控制方程，开展了数值模拟，描述了低温处理过程中试样内温度的传递过程和试样损伤的演化过程。指出低温冷冲击下页岩的最大温降速率随深度的增加呈指数型衰减，冷冲击的作用面积随冻结时间的增大幅度变得较为缓慢。通过本项目的研究，为后期采用无水压裂技术开发页岩气等致密油气藏提供技术支撑，具有一定的应用前景。