GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/4918087 4918087 研究文章 在页岩水力压裂行为与水和超临界CO2在三轴压缩下 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2877 - 553 x 他 Jianming 1 2 3 https://orcid.org/0000 - 0002 - 5678 - 2123 张 后尾箱 1 2 3 阴 曹国伟 1 2 3 李 肖 1 2 3 Dabove 保罗 1 重点实验室的页岩气和地球工程 地质与地球物理研究所 中国科学院 北京100029年 中国 cas.cn 2 创新学院地球科学 中国科学院 北京100029年 中国 cas.cn 3 中国科学院大学 北京100049年 中国 ucas.ac.cn 2020年 18 3 2020年 2020年 06 08年 2019年 24 12 2019年 21 01 2020年 18 3 2020年 2020年 版权©2020 Jianming他et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

比较经常水压裂液用于水力压裂操作、超临界CO2(SC-CO2)作为一个有前途的非水压裂液有潜力巨大的改善生产和页岩储层的保护。提出了一个实验性的研究页岩的力学响应和裂缝延伸使用水和SC-CO支离破碎2在不同的应力状态和注射速率。根据实验结果,SC-CO2压裂更耗时由于其压缩需要20倍的时间比在相同的预设条件下水力压裂用水。页岩的破裂压力可以影响不仅本身的各向异性,而且外部注入量和偏应力等因素。类似倾向的破裂压力与层理方向的变化可以观察到在两个使用水和SC-CO压裂2。然而,所有的页岩标本使用SC-CO支离破碎2显示小破裂压力如果与页岩标本骨折使用水。根据裂缝宽度进化的结果进行围在压裂过程中,断裂的支持和适当的大小对水力压裂支撑剂是非常重要的。

 中国国家自然科学基金 41877270 41572310 1。介绍

页岩组成的碎片、粘土和有机物(直径小于0.0039毫米)和极低的渗透性 10 e − 3 − 10 e − 6 医学博士 ( 1, 2]。水力压裂是一个主要的技术用于商业开发的页岩气可以显著提高渗透率,提高生产能力,因为大的表面接触区域之间形成的骨折和水库 3- - - - - - 5]。

目前,水是唯一的压裂液经常用于商业页岩气开发由于其低成本、可用性和压裂的适用性( 6]。然而,大量的问题或担忧带来的压裂液的水等水资源短缺( 7和中返排污染水 8]。更重要的是,页岩气将扩大,产生相当大的力量减少由于富粘土矿物在水的存在 9, 10]。因此,有必要减少甚至消除水需求在水力压裂刺激探索非水压裂液的使用。超临界有限公司2是一个著名的非水压裂液目前正在考虑由于其特殊的特点。当温度和压力分别超过31.10°C和7.38 MPa,有限公司2在超临界状态。它有特征的分子间作用力小,表面张力为零,和强劲的流动性。超临界有限公司2水提供了几个重要的优势,包括水敏矿产保护( 10, 11),高渗透率页岩形成有效的气体运输从连通性差的骨折 12, 13),提高甲烷的解吸(CH4从有机物存在于页岩),快速和完整的回流 14- - - - - - 17]。此外,大量的公司2用于页岩气生产可以存储在地层深处,是一个主要的选项来解决温室气体排放的问题[ 18]。

一些研究人员的实验结果相比使用水和SC-CO水力压裂2,尤其是压裂液粘度的影响。石田et al。 19, 20.)发现有限公司2与低粘度会产生裂缝扩展更多的三维的一个更大的分形维数。农业等。 21)发现,低粘度的液体,如SC-CO2占主导地位,可能诱发剪切断裂,而高粘度流体可以诱导抗拉断裂占统治地位。陈等人。 22观察诱导骨折的花岗岩SC-CO引起的2、水和粘性油。结果表明,大部分的分店被SC-CO诱导2比其他压裂液。周et al。 23)利用数值模拟来研究压裂流体的粘滞性和压缩性的影响。结果表明,薄的液体,如有限公司2将诱导比水更小的骨折。先前的研究表明,天然裂缝会影响液压骨折的传播。研究风扇和张 24和程等。 25]表明,地质和工程参数确定液压骨折交叉自然骨折。Zhang et al。 26]分析了不同断裂几何学特征引起的水和SC / L-CO2在立方页岩标本。周et al。 27)表示,由于SC-CO扩张和热应力2相变可以扩展骨折。

页岩是一种各向异性岩石与发达的沉积结构,特别是床上用品的飞机有不同的取向在水库 28- - - - - - 31日]。关键是研究页岩的力学响应和裂缝延伸使用水和SC-CO水力压裂2考虑其各向异性。在这项研究中,进行了三轴压缩下水力压裂实验使用水和SC-CO2在页岩标本不同层面角度研究压裂过程的特点。页岩标本与不同层面的角度得到相同的页岩地层,和井眼钻沿中心轴的标本。应力状态和注射速率的影响在水力压裂页岩的力学响应进行了讨论,而使用水和SC-CO压裂特征2比较。

 2。实验方法 2.1。样品制备

Longmaxi四川盆地页岩的形成在中国南部被确认为最有发展潜力的地区之一,在页岩气开发 2]。用于实验室实验的岩石样本被露头的志留纪Longmaxi页岩地层在重庆,中国。页岩样品含有深黑色碳质页岩与部分可见黄铁矿和方解石矿物。立方页岩块的大小 300年 毫米 × 300年 毫米 × 300年 毫米 从野外获得,然后从该区块页岩岩心钻探是为了减少在运输过程中风化尽可能多。100毫米的圆柱试样的尺寸高度和直径50毫米是用于实验。结束双方圆柱形试件的平面,彼此平行。很容易确定交叉钻孔方向之间的角度和层面,随着沉积的飞机是清晰可见表面的街区。层面的角度是不同的从0°- 90°的间隔15°(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°),如图 1 (b)。钻孔直径8毫米和100毫米的长度在中心位置沿钻取心方向注入压裂液如图 1(一)。钻样品表面没有明显可见的裂缝被用来执行压裂实验研究中。

图(一)样本注入孔和(b)与不同的层理方向。

 2.2。实验系统

本文的所有实验水力压裂完成后对岩石三轴测试系统伴随着压裂液的喷射系统。三轴加载系统允许的三轴加载岩石标本的同时注入压裂液。图 2显示了页岩试样安装在三轴压缩室。两个金属块被环氧树脂粘在页岩标本分离的压裂液对围压液压油。一个金属块的频道压裂液进入钻孔。此外,圆周伸长计应用在标本测量径向应变过程中实验。图 3显示了SC-CO的示意图2压裂系统。与水力压裂用水的室温,液体有限公司2解除缸加热和控制在45°C ISCO泵增压后保证超级临界状态的有限公司2。关于SC-CO详细讨论2压裂系统由Zhang et al。(2019)。

页岩样品安装在三轴压缩室。

SC-CO的示意图2压裂系统。

 2.3。测试程序

压裂液在压裂的注射速率实验设置为0.2或0.3毫升/ s。围压是设置为20 MPa,轴向应力是设置为25日,30日,35 MPa,分别实现不同的偏量的压力。第一步是设置页岩试样的应力状态到目标价值。围压的速率为0.1 MPa / s虽然轴向应力的增加率为0.2 MPa / s达到目标值。此后,应力状态是伺服控制在水力压裂的整个过程。下一步是注入压裂液在预设的速度通过钻孔的标本。最后,到达一个平衡态在实验系统中,不断注入标本骨折后会持续1分钟。数据的轴向压力、围压、径向变形,泵压力记录过程中压裂实验。

了解不同压裂液对页岩的影响,分为两组标本的使用水和SC-CO水力压裂2,分别。七个不同层面角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的页岩被认为在每个组标本。

 3所示。结果与讨论

实验结果可以用于理解压裂过程及其机制,特别是水压裂和SC-CO之间的差异2压裂。表 1显示了预设条件和破裂压力(泵压力的峰值)不同的页岩标本与不同层面的角度。发展在这一节中,泵的压力和破裂压力的变化样本不同层理方向所示。偏应力对页岩分解压力的影响进行了分析。此外,页岩裂缝宽度的裂缝延伸和发展进行了讨论。

摘要压裂实验结果。

不。 层理面角 压裂液 σ 一个 (MPa) σ c (MPa) 问 (毫升/秒) P b (MPa)
W1 0° 水 25 20. 0.3 70.37
W2 15° 水 25 20. 0.3 59.78
W3 30° 水 25 20. 0.3 51.77
W4 45° 水 25 20. 0.3 53.09
W5 60° 水 25 20. 0.3 59.52
将 75° 水 25 20. 0.3 50.13
支W7 90° 水 25 20. 0.3 42.45
W8 0° 水 30. 20. 0.3 61.89
W9 0° 水 35 20. 0.3 57.02
W10 90° 水 30. 20. 0.3 38.91
W11 90° 水 35 20. 0.3 34.53
W12 0° 水 25 20. 0.2 54.56
确实可以 15° 水 25 20. 0.2 44.21
W14 30° 水 25 20. 0.2 42.29
W15 45° 水 25 20. 0.2 49.86
W16 60° 水 25 20. 0.2 46.82
W17 75° 水 25 20. 0.2 43.02
W18 90° 水 25 20. 0.2 39.14
S1 0° SC-CO2 25 20. 0.3 52.15
S2 15° SC-CO2 25 20. 0.3 41.81
S3 30° SC-CO2 25 20. 0.3 42.91
S4 45° SC-CO2 25 20. 0.3 39.94
S5 60° SC-CO2 25 20. 0.3 44.46
S6 75° SC-CO2 25 20. 0.3 45.75
S7 90° SC-CO2 25 20. 0.3 38.04
S8 0° SC-CO2 30. 20. 0.3 43.20
S9 0° SC-CO2 35 20. 0.3 41.31
S10 90° SC-CO2 30. 20. 0.3 30.08
S11 90° SC-CO2 35 20. 0.3 28.88
S12 0° SC-CO2 25 20. 0.2 40.51
向 15° SC-CO2 25 20. 0.2 36.38
S14系列 30° SC-CO2 25 20. 0.2 34.42
S15 45° SC-CO2 25 20. 0.2 35.89
S16 60° SC-CO2 25 20. 0.2 32.31
肌力 75° SC-CO2 25 20. 0.2 34.49
S18 90° SC-CO2 25 20. 0.2 31.09

注意: σ 一个 表示轴向应力; σ c 表示围压; 问 表示注射速率; P b 表示分解压力的压力值时,压裂液标本骨折。

 3.1。泵压力的进化

不断注入量(0.3毫升/秒)的水和SC-CO2被应用到井下压裂的标本在预设三轴应力条件下(轴向压力 σ 一个 = 25 MPa ,围压 σ c = 20. MPa )。图 4标本显示了一些典型的泵压力发展与不同层面的角度(0°、30°、60°、90°)。泵压力随注入压裂液,直到峰分解压力,和标本压裂瞬间发生。之后,泵的压力降至相当于围压值在一般情况下,这可以归因于压裂液之间的连接和围油压缩室。它表明,泵的压力和围压之间的平衡状态已经达到了岩石三轴测试系统。

典型的泵压力曲线的使用水和SC-CO页岩破碎2。

SC-CO的压力曲线2压裂(图 4)表明,初始压力近似6 MPa时液体有限公司2注入井中。SC-CO不断注入2泵的压力增加,增长率相对较低的体积压缩率有限公司2。公司的增长率2压力逐渐增加甚至注射速率保持不变,和它的振幅峰值在故障发生前明显增加压力。与SC-CO相比2压裂泵的压力水压裂只显示一个小增加初始增压阶段和以更高的速度大幅增加在峰值破坏。因此,使用SC-CO水力压裂2耗时比相同实验条件下的压裂用水。表 2显示了比较确切的时间开发压裂用水和SC-CO泵压力2。一般来说,SC-CO2压裂需要大约20倍时间比水压裂在同样的实验条件。

时间比较使用水和SC-CO泵的压力峰值2。

不。 层理面角 压裂液 注入率(毫升/秒) 时间(年代) 时间比( t 年代 / t w )
W1 0° 水 0.3 26 27.73
S1 0° SC-CO2 721年
W3 30° 水 25 25.20
S3 30° SC-CO2 630年
W5 60° 水 25 27.16
S5 60° SC-CO2 679年
支W7 90° 水 23 23.48
S7 90° SC-CO2 540年

t 年代 表示SC-CO的时间2泵压力达到峰值。 t w 表示水泵压力达到峰值的时间。

 3.2。变化的分解压力

页岩失败显示强烈的各向异性强度在三轴压缩和巴西的测试条件下( 32- - - - - - 34一样,在水力压裂的破裂压力。破裂压力的变化在水力压裂用水和SC-CO2与层理面角如图 5,分别。试样的破裂压力与层理面0°角显示了最高价值,与层理面和标本90°角显示了最小值在相同的实验条件下,压裂液的水或SC-CO无关2。分解压力的值剩余的标本与不同层面的角度(15°、30°、45°,60°、75°)发生波动在一定范围内根据故障模式。当样本沿层理面断裂,它显示了相对较低的分解压力。相比之下,样本高破裂压力与故障模式层面。它还表明,页岩分解压力的增加通常与压裂液注入量的增加,如果破裂压力数据的结果 5(一个)和 5 (b)进行了比较。

破裂压力的变化使用水和SC-CO压裂2(a)的注入量0.2毫升/ s和(b) 0.3毫升/ s。

使用SC-CO标本骨折2显示了小破裂压力如果与相应的标本骨折使用水。表 3显示了标本的破裂压力变化与层理面角0°、90°的注射速率下0.2毫升/秒和0.3毫升/ s,分别。降低破裂压力的用水比例高于使用SC-CO分解压力的比例减少2无论注射速率。因此,分解压力的各向异性SC-CO下页岩2压裂是弱于水压裂。此外,较高的注射速率为0.3毫升/秒能引起更大的差距(从27.06%到39.68%)的破裂压力之间使用水和SC-CO压裂2如果较低注入量0.2毫升/秒(从23.25%到28.26%)。

比较页岩分解压力的变化。

不。 层理面角 压裂液 注入率(毫升/秒) 分解压力(MPa) 减少的比例( P 0 − P 90年 / P 0 × One hundred. % )
W12 0° 水 0.2 54.56 28%
W18 90° 39.14
S12 0° SC-CO2 40.51 23%
S18 90° 31.09
W1 0° 水 0.3 70.37 40%
支W7 90° 42.45
S1 0° SC-CO2 52.15 27%
S7 90° 38.04

P 0 表示页岩的破裂压力与层理面角0°。 P 90年 表示页岩的破裂压力与层理面角为90°。

 3.3。偏应力对破裂压力的影响

页岩储层有一个大的深度,使原岩应力状态接近静水状态,这可以在储层属性到一个无关紧要的偏应力(林et al ., 2018)。为了研究这种偏应力的影响压裂,标本的围压应力是设置为20 MPa和轴向压力设置为25日,30日分别35 MPa。注入率保持不变0.3毫升/ s的实验比较。实验结果的标本层面0°、90°角使用水和SC-CO支离破碎2在不同偏应力如图所示 6。

偏应力对破裂压力的影响层面角度0°、90°。

偏应力之间的关系和破裂压力的压裂图所示 6。它表明,分解压力随偏应力的增加在使用水或SC-CO压裂2。它符合弹性理论计算分解压力如下( 35, 36]: (1) P b = 3 σ 最小值 − σ 马克斯 + σ T , 在哪里 σ 最小值 , σ 马克斯 代表了最小和最大值原位应力,分别 σ T 代表岩石的拉伸断裂应力。方程( 1)表明,应力状态和抗拉强度影响岩石的破裂压力无论压裂液和偏应力越高( σ 马克斯 − σ 最小值 )可以导致降低破裂压力值。关系的特定的值如表所示 4。它表明,页岩的破裂压力降低20%左右的偏应力从5 MPa提高到15 MPa。此外,减少的比例在SC-CO分解压力2水力压裂的压裂是略高于使用水。

减少页岩分解压力的比例在不同偏量的压力。

不。 层理面角 压裂液 偏应力(MPa) 分解压力(MPa) 减少的比例( P 5 − P 15 / P 5 ∗ One hundred. % )
W1 0° 水 5 70.37 19%
W9 0° 15 57.02
支W7 90° 5 42.45 19%
W11 90° 15 34.53
S1 0° SC-CO2 5 52.15 21%
S9 0° 15 41.31
S7 90° 5 38.04 24%
S11 90° 15 28.88

P 5 表示分解压力5 MPa的偏应力下的页岩水力压裂用水或SC-CO2。 P 15 表示分解压力15 MPa的偏应力下的页岩水力压裂用水或SC-CO2。

 3.4。裂缝延伸

骨折总是传播以及机械水力压裂过程中有利的方向。当裂缝遇到页岩的先前存在的薄弱面,裂缝延伸将复杂,裂缝延伸可以观察到的不同模式取决于压裂液,既存的飞机、原位应力状态([ 37];林et al ., 2017)。

先前的试验研究液压骨折证明简单、对称的骨折周围生成相对同质的岩石中注入孔( 38]。在这项研究中,页岩的各向异性引起的层理方向的变化可能会使液压骨折的传播模式更为复杂。图 7显示了主要骨折的形态形成的页岩压裂实验标本后,不同的断裂传播模式具有复杂形态可以观察到。三个典型的传播模式可以根据液压骨折的相对取向的层面,包括传播,传播,并被逮捕。

Macroobservation的页岩压裂后裂缝形态。(a)页岩标本不同层面角度骨折使用水。(b)页岩标本与不同层面的角度使用SC-CO支离破碎2。(left-bottom图显示液压骨折的相对取向的层面。红线代表宏观裂缝,而虚线代表了床上用品的飞机。)

水压裂的情况如图 7(一),断裂传播沿层理面标本与层理面角45°、90°。与层面的骨折标本30°、60°角传播在最初在被捕前的层面。的传播,传播沿层理面发生在标本与层理面角0°,骨折可以抄近路穿过层面前打开它。与水形成的裂缝压裂相比,SC-CO形成的骨折2压裂可以更有可能大幅下降,如图 7 (b)。大多数使用SC-CO标本2有裂缝传播在床上用品的飞机。的影响层面,地方骨折断裂传播期间也发生了转移。层面的标本45°角显示了整个层面断裂传播最初在被捕前。根据页岩分解压力的结果,水力裂缝延伸模式对破裂压力值较高的一个明显的影响在床上用品的飞机沿着床上用品的飞机虽然相对较低的值。

 3.5。裂缝宽度的进化

在压裂实验中,样品的周长是由圆周伸长计安装在压缩室监控(图 8)。围的监测可以反映裂缝宽度的演化过程在很大程度上(图 9)。下面的方程可以用于计算主要裂缝的宽度。 (2) D f = Δ C 2 , 在哪里 Δ C 意味着周长的变化( 38]。改善裂缝宽度计算的准确性,简单的标本和对称断裂形态被选作研究。应该提到,这是一个间接的方法来描述裂缝宽度的进化。表 5显示了压裂裂缝宽度在不同阶段使用水和SC-CO2在故障发生时,包括最大裂缝宽度(从裂缝起始周长谷),打开裂缝宽度在平衡态(周长从开始到最终稳定骨折),关闭骨折(从骨折稳定周长谷),关闭,关闭比例骨折需要的最大宽度。

水力压裂曲线使用水(a)和(b) SC-CO2页岩的层面0°角轴应力下25 MPa,围压20 MPa,注入量0.3毫升/秒。(进化计算裂缝宽度。周长最大裂缝宽度计算的差异从裂缝起始到山谷。开幕式裂缝宽度在平衡态的周长差稳定开始破裂。关闭骨折是骨折的围差异稳定山谷。)

显微图像的局部裂缝骨折使用水(a)和(b) SC-CO2。

在水力压裂裂缝宽度变化的实验。

不。 层理面角(°) 压裂液 最大宽度(毫米) 打开宽度(毫米) 关闭(毫米) 关闭(关闭/ max)比例(%)
W1 0° 水 0.428 0.019 0.409 96年
S1 0° SC-CO2 1.054 0.039 1.015 96年
支W7 90° 水 0.052 0.014 0.038 73年
S7 90° SC-CO2 1.000 0.040 0.960 96年

比较样本的实验结果和层面角度为0°、90°,断裂宽度(包括最大宽度和打开宽度),骨折关闭,关闭的比例使用SC-CO标本骨折2大于相应的值的标本骨折使用水。SC-CO的体积膨胀2更重要的裂缝开始出现后,这可能导致更大的裂缝宽度。此外,关闭骨折是相当大的,关闭SC-CO比例超过96.00%2远远大于水压裂的压裂。起始的裂缝宽度、传播和关闭阶段表明,裂缝闭合支配着断裂演化过程。的裂缝支撑和适当的大小对水力压裂支撑剂是非常重要的。

 4所示。结论

页岩储层开发的经济生存能力很大程度上取决于液压骨折有效操作。压裂用水已成为治疗常见方法剥削和SC-CO2压裂,它可以被视为一个有前途的方法,确实能带来一些页岩储层不同的效果。在这项研究中,水力压裂实验使用水和SC-CO三轴压缩下2对页岩样品进行了不同层面的角度更好地理解不同的压裂的行为。可以得出以下结论:

在不断注入压裂液,SC-CO的加载速率2压力逐渐增加的压缩性有限公司2而水压力的加载速率急剧增加之前到达峰值在压裂过程中。因此,SC-CO2压裂是耗时大约需要20倍时间比在相同的实验条件下水力压裂用水

多个外部因素影响页岩的分解压力,压裂液和偏应力等。使用SC-CO页岩标本骨折2显示较小的破裂压力和弱各向异性。分解压力随偏应力的增加在压裂过程中,在SC-CO减少的比例2压裂是略高于水压裂

各向异性引起的页岩床上用品取向的变化会影响断裂传播的层面,它显示了三种典型模式,包括传播,传播,并被逮捕。SC-CO形成的骨折2更容易传播的层面,如果与水形成的骨折由于其低粘度和扩散性强吗

泵压力的监测和周长可以表明液压骨折的进化。裂缝宽度在SC-CO的过程2压裂在不同阶段显示了更大的价值,要么崩溃之间的关闭和打开宽度。的裂缝支撑和适当的大小对水力压裂支撑剂是非常重要的

数据可用性

所有数据的研究结果本文提出。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41572310和41572310)。

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