超临界二氧化碳压裂页岩自支撑裂缝形成机理及渗透性-稳定性研究

摘要

中国陆相页岩气储层粘土含量高，与水基压裂液中的水发生水化反应，易产生膨胀，伤害储层，导致采收率降低。目前，利用超临界CO2强化页岩气开发成为了页岩气高效开采的研究热点。但由于超临界CO2特殊的流体性质以及页岩气储层在结构、成分等方面与常规油气储层存在较大差别，造成超临界CO2压裂页岩的破裂机理、成缝特征等基础科学问题尚未得到解答。 因此，本文围绕超临界二氧化碳压裂裂缝形成与页岩破裂机理、裂缝渗透性和稳定性的科学问题，以中国川东南地区龙马溪组页岩、美国Green River页岩和Marcellus页岩为研究对象，系统开展了超临界二氧化碳压裂页岩自支撑裂缝形成机理、应力场-化学场耦合作用下裂缝渗透率演化规律和裂缝稳定性研究。主要研究成果如下： ①揭示了超临界二氧化碳压裂粗糙裂缝面及自支撑裂缝形成机理。相较于常规水基压裂液，超临界CO2流体具有低粘度、高扩散性特点，容易在注入孔周围形成较大的扩散区域，同时在毛细管力作用下，流体侵入更小的孔喉和孔隙当中，结合较小的流体尖端滞后效应，形成具有高粗糙度和复杂度的裂缝表面。超临界二氧化碳压裂裂缝在扩展过程中能够有效破坏矿物颗粒之间的胶结，使矿物颗粒从裂缝表面剥落，形成有效水力开度大、渗透率高的自支撑裂缝。 ②揭示了流体粘度对压裂裂缝形态的微观控制机制。在传统裂缝扩展有限元模型的基础上，引入描述流体物性的S-W方程，建立了新的流固耦合压裂裂缝扩展有限元模型，并调用COMSOL程序进行计算。结果表明注入流体粘度在微观尺度范围内影响裂缝迂曲度：低粘度流体能够进入较小孔喉，使压裂裂缝向小孔喉区域发生小幅度偏转，形成大迂曲度的主裂缝和次生裂缝。 ③建立了考虑矿物应力溶解、自由面溶解和粘土矿物膨胀共同作用的多参数页岩裂缝有效水力开度模型，揭示了应力场-化学场耦合作用下页岩裂缝渗透率演化规律。应力场-化学场耦合作用下，方解石矿物应力溶解和粘土矿物膨胀作用使页岩裂缝渗透率降低，方解石矿物自由面溶解使裂缝渗透率增大，三者的相互竞争作用共同决定了页岩裂缝渗透率的演化规律。建立的多参数裂缝有效水力开度模型可以有效预测应力、化学耦合作用下页岩裂缝有效水力开度的演化规律。 ④揭示了矿物晶体结构对页岩裂缝面摩擦强度的影响规律及矿物颗粒硬度对裂缝面稳定性的控制机制。矿物晶体结构是裂缝面摩擦强度的主控因素：网状硅酸盐构成页岩骨架，使页岩裂缝面在滑移过程中具有较大的摩擦系数，层状硅酸盐填充在由网状硅酸盐构成骨架的孔隙中，随着层状硅酸盐含量增加，裂缝面容易沿着层状硅酸盐晶体结构面产生滑动变形，使裂缝面表现出较小的摩擦系数。矿物的硬度从微观角度决定裂缝面的稳定性：网状硅酸盐矿物具有较大的硬度，使裂缝面在剪切过程中产生剪胀作用，裂缝面接触面积降低，导致裂缝面容易发生速率弱化现象，裂缝滑移速率突然增大时，倾向于产生非稳定性的地震滑移。

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