水力压裂行为页岩与水和超临界二氧化碳_2个在三轴压缩下

抽象

相较于水压裂流体在水力压裂操作经常使用，超临界CO_2个(SC-CO_2个）作为一个有前途的非水压裂液具有生产和页岩储层的保护改善的巨大潜力。本文介绍了机械响应和页岩的裂缝扩展的实验研究使用水和SC-CO断后_2个下的不同应力状态和喷射率。根据实验结果，SC-CO_2个在相同的预设条件下，水力压裂的可压缩性是水力压裂的20倍左右，因此耗时更长。页岩的破裂压力不仅受自身各向异性的影响，还受注入速度、偏应力等外部因素的影响。在水压裂和SC-CO压裂过程中，均可观察到击穿压力随层理方向变化的类似趋势_2个. 然而，所有的页岩样品都是用SC-CO_2个与用水压裂的页岩试样相比，其破裂压力较小。从水力压裂过程中监测到的裂缝宽度演化结果来看，裂缝支撑剂的选择和合适的支撑剂尺寸对水力压裂是非常重要的。

1.简介

Shale is composed of fine debris, clay, and organic matter (the diameter is less than 0.0039 mm) with extremely low permeability of about[1个,2个]。水力压裂是用于页岩气的商业发展的一个主要技术，可提高显著渗透性和改善因裂缝和储层[之间形成了大的表面接触面积的生产能力三–5个]。

目前，水是唯一的压裂液在商业页岩气开发经常使用，由于其成本低，可用性及其压裂适用性[6个]。然而，大量的问题或状况是由水的压裂流体带来如缺水[7个]及回流水的污染[八]. 更重要的是，页岩在水的存在下会膨胀并导致相当大的强度降低，这是由于富含粘土矿物[9个,10]。因此，需要减少或甚至消除在它刺激探入使用非水性压裂液的水力压裂水的要求。超临界CO_2个一个显着的非水压裂目前正在考虑的流体，由于其自​​身的特点。When temperature and pressure, respectively, exceed 31.10°C and 7.38 MPa, CO_2个处于超临界状态。它具有体积小分子间作用力，零表面张力，流动性强的特点。超临界CO_2个享有几次水显著优势，包括水敏矿物保护[10,11]，在页岩地层和有效的气体运输高穿透速率从与连通差骨折[12,13]，增强甲烷的解吸（CH_4个）从存在于页岩，以及快速有机物和完整回流[14–17]. 此外，大量的一氧化碳_2个用于页岩气生产的天然气可以储存在深层地层中，这也是解决温室气体排放问题的一个主要选择[18]。

一些研究人员比较了水和SC-CO压裂的试验结果_2个特别是压裂液粘度的影响。Ishida等。[19,20]发现CO_2个低粘度时，裂纹倾向于以更大的分形维数向三维方向扩展。因努伊等人。[21]发现低粘度流体，例如SC-CO_2个，能诱发剪切主导断裂，而高粘度流体能诱发拉伸主导断裂。Chen等人。[22]观察花岗岩的诱导裂缝诱导SC-CO_2个，水和粘性油。结果表明，SC-CO诱导的分枝最多_2个与其他压裂液相比。周等[23]使用数值模拟来调查流体粘度和可压缩到压裂的影响。结果表明，薄流体例如CO_2个，会导致比水更薄和更短的骨折。以往的研究表明，天然裂缝会影响水力裂缝的扩展。范张研究[24和Cheng等人[25[]表明，地质参数和工程参数共同决定水力裂缝是否与天然裂缝相交。张等人[26]水和SC/L-CO引起的不同断裂几何特征分析_2个立方页岩标本。周等[27]表示的膨胀和热应力由于SC-CO_2个相变可以延长骨折。

页岩是一种各向异性岩石，沉积构造十分发育，尤其是储层中不同方位的层面[28–31]。至关重要的是使用水和SC-CO研究页岩的水力压裂的机械响应和裂缝扩展_2个考虑到它的各向异性。在这项研究中，在三轴压缩水力压裂进行实验使用水和SC-CO_2个对不同层理面角的页岩试件进行了破裂过程特征研究。从同一泥质地层中获得不同层面角的泥质岩样，并沿岩样中心轴钻孔。探讨了水力压裂过程中，应力状态和注入速度对页岩力学响应的影响，并对水和SC-CO压裂特性进行了研究_2个进行了比较。

2.实验方法

2.1条。样品制备

四川盆地南部龙马溪页岩组是我国页岩气开发潜力最大的地区之一[2个]。用于该实验室实验的岩石样品从龙马溪页岩在重庆，中国形成露头拍摄。页岩样品中含有与若隐若现的黄铁矿和方解石矿物深黑的炭质页岩。尺寸为立方页岩块 从场得到，然后，页岩岩心，以最小化在运输过程中尽可能多地风化从块钻孔。The cylindrical specimen with a dimension of 100 mm in height and 50 mm in diameter was used in experiment. Both end sides of the cylindrical specimen were cut to flat and paralleled to each other. It was easy to determine the intersection angles between the drilling direction and the bedding plane, as the sedimentary planes were clearly visible on the surface of the blocks. The bedding plane angles were varied from 0° to 90° at the interval of 15° (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, and 90°) as shown in Figure1（b）。A borehole with 8 mm in diameter and 100 mm in length was drilled at the central position along the coring direction for the injection of the fracturing fluid as shown in Figure1（甲）. 采用表面无明显可见裂纹的钻孔试样进行了压裂试验。

2.2。实验系统

本文的水力压裂试验均在三轴岩石试验系统上进行，并配以压裂液注入系统。三轴加载系统允许岩石试样的三轴加载以及同时注入压裂液。数字2个示出了安装在三轴压缩室中的页岩样品。两个金属块被胶合在页岩样品通过环氧树脂压裂流体从液压油用于约束压力分开。一种金属板的有用于压裂液进入到钻孔的通道。此外，周向伸长施加围绕样品以测量在试验过程中的径向应变。数字三显示了SC-CO的原理图_2个压裂系统。使用水，液体CO水力压裂的室温进行比较_2个从气缸排出物通过ISCO泵加压后加热，并控制在45℃，以保证CO的超临界状态_2个。关于SC-CO的详细讨论_2个压裂系统报道Zhang等人通过。（2019）。

2.3。测试程序

The injection rate of the fracturing fluid in the fracturing experiment was set as 0.2 or 0.3 ml/s. The confining pressure was set as 20 MPa, and the axial stress was set as 25, 30, and 35 MPa, respectively, to achieve the different deviator stresses. Step 1 was to set the stress state of the shale specimen to the target value. The rate of the confining pressure was 0.1 MPa/s while the increasing rate of axial stress was 0.2 MPa/s to achieve the target value. Thereafter, the stress status was servo controlled during the whole process of hydraulic fracturing. The next step was injecting the fracturing fluid at a preset rate into the specimen through the drilling hole. Finally, to reach an equilibrium state in the experimental system, the constant injection would last 1 more minute after the specimen fractured. The data of the axial stress, confining pressure, radial deformation, and pump pressure were recorded during the process of fracturing experiment.

为了了解不同压裂液对页岩的影响，将岩样分为两组，分别采用水和SC-CO进行水力压裂_2个， 分别。七个不同理面角（0°，15°，30°，45°，60°，75°，和90°）的页岩的是在各组样品考虑。

3。结果与讨论

实验结果可用于理解压裂过程和机制，尤其是水压裂和SC-CO之间的差_2个破裂。桌子1个给出了不同层面夹角不同页岩试件的预设条件和击穿压力(泵压峰值)。在本节中，给出了不同层理方向样品的泵压发展和击穿压力变化。分析了偏应力对页岩破裂压力的影响。此外，还对页岩裂缝的扩展和裂缝宽度的发展进行了讨论。

3.1。泵压力的演变

The constant injection rate (0.3 ml/s) of water and SC-CO_2个施加到钻孔在预设三轴应力的条件下试样的压裂（轴向应力 ,围压 )。数字4个显示了一些典型的泵压力发展为具有不同理面的角度试样（0°，30°，60°，和90°）。与注入压裂液，直到它的峰在破裂压力的，和试样压裂泵压力增加瞬间发生。在此之后，泵压力下降到值相当于一般围压，这可以归因于在压缩室中的压裂流体和围油之间的连接的。这表明，泵压和围压之间的平衡状态已经在三轴岩石测试系统已经达到。

SC-CO的压力曲线_2个压裂（图4个)show that the initial pressure is approximate 6 MPa when the liquid CO_2个注入井。随着不断注入的SC-CO的_2个时，泵的压力以相对低的增加率增加，由于CO的体积压缩_2个。CO的增加率_2个压力逐渐增大，即使在喷射率保持不变，并且其幅度在破裂压力达到峰值之前明显增加。与SC-CO相比_2个压裂过程中，水力压裂的泵压在初始增压阶段仅略有增加，在峰值突破前急剧增加。因此，使用SC-CO进行水力压裂_2个在相同的实验条件下比用水压裂更耗时。桌子2个对比了水和SC-CO两种压裂方式的泵压变化时间_2个。通常，SC-CO_2个在相同的实验条件下，压裂所需时间是水压裂的20倍左右。

3.2条。击穿压力的变化

页岩在三轴压缩和巴西试验条件下的破坏强度表现出强烈的各向异性[32–34]一样，在水力压裂的破裂压力。破裂压力的水力压裂使用水和SC-CO的变化_2个与床上用品平面角度显示在图5个， 分别。以0°示出的最高值，并具有90°示出的最小值相同的实验条件下，寝具平面角试样，无论压裂流体是水或SC-CO的寝具平面角度试样的破裂压力_2个。用不同的寝具平面角标本的其余部分的破裂压力的值（15°，30°，45°，60°，和75°）发生波动在根据故障模式的一定范围内。当样品沿着理面断裂，它示出了相对低的破裂压力。相比之下，样品与跨层理面破坏形态高击穿压力。它还指示的页岩增大击穿压力通常与压裂液的喷射率的增加，如果在图破裂压力的结果图5（a）和图5（b）进行比较。

试样使用SC-CO断裂_2个与相应的水力压裂试样相比，具有较小的击穿压力。表格三shows the breakdown pressure variation of the specimens with bedding plane angle of 0° and 90° under the injection rate of 0.2 ml/s and 0.3 ml/s, respectively. The reduction proportion of breakdown pressure using water is higher than the reduction proportion of breakdown pressure using SC-CO_2个不管喷射率。因此，在页岩的破裂压力的各向异性SC-CO下_2个水力压裂比水下压裂弱。此外，0.3 ml/s的注入速率越高，水与SC-CO的压裂破裂压力差距越大(从27.06%到39.68%)_2个与0.2 ml/s（从23.25%到28.26%）的较低注射速率相比。

3.3。在破裂压力偏应力的影响。

页岩容器具有大的深度这使得在原地应力状态到接近流体静力状态，这可以归因于一个微不足道的偏应力在所述储存器（Lin等人，2018）。In order to study the effects of this deviator stress on the fracturing, the confining stress of the specimens was set as 20 MPa and the axial stress was set as 25, 30, and 35 MPa, respectively. The injection rate was kept constant as 0.3 ml/s in the experiment for the comparison. The experimental results of the specimens with bedding plane angle of 0° and 90° fractured using water and SC-CO_2个不同偏应力下显示在图6个。

的偏应力和压裂的破裂压力之间的关系显示在图6个。它表明破裂压力用水或SC-CO与偏应力的压裂的增加而降低_2个。它与弹性理论一致，以计算所述破裂压力如下[35,36]： 哪里 , 分别表示最小和原位应力，最大值，和表示岩石的拉伸破坏应力。方程（1个）示出了应力条件和拉伸强度影响无论压裂流体的岩石的破裂压力和更高的偏应力（ )可导致较低的击穿压力值。关系的具体数值示于表4个。It indicates that the breakdown pressure of shale decreases by around 20% as the deviator stress increased from 5 MPa to 15 MPa. In addition, the reduction proportion of the breakdown pressure in SC-CO_2个压裂是比使用水的水力压裂的略高。

3.4。断裂传播

断裂总是沿着传播在水力压裂的方法机械地有利的方向。当骨折遇到在页岩弱化预先存在的平面中，裂缝扩展将是复杂的，并可能取决于压裂液，预先存在的平面中观察到裂缝传播的不同的图案，并且在原位应力状态（[37]。Lin等，2017）。

在水力压裂裂缝以前的实验研究证明，简单和对称裂缝产生围绕在相对均匀的岩石中的注入孔[38]。在这项研究中，页岩的各向异性引起的床上用品方向的变化可以使水力裂缝的传播模式更加复杂。数字7个示出了形成在页岩样品压裂实验后主骨折，其中具有复杂的形态断裂传播的不同图案可观察到的形态。三种典型的传播模式可以根据水力裂缝的相对于所述寝具平面，其包括跨传播，传播的沿，和被逮捕的相对取向被发现。

由于水的情况下示于图压裂图7（a）在45°和90°夹角的试件中，断裂仅沿层面扩展。层面角度分别为30°和60°的试件，其断裂在停止前先沿层面扩展。在层面角为0°的试件中，沿层面的扩展和横穿都发生在裂缝在张开前横穿层面的情况下。与水压裂形成的裂缝相比，SC-CO压裂形成的裂缝_2个压裂可以是更可能有陡倾角如图图7（b）. 使用SC-CO的大多数样品_2个具有跨层理面断裂的传播。由理面的影响，局部骨折也裂缝传播期间发生偏转。最初之前45°示出在整个床上用品平面裂缝传播寝具平面角试样被捕。根据页岩击穿压力的结果，水力裂缝传播模式对与整个理面更高的值击穿压力有明显的影响，而相对降低沿理面的值。

3.5。裂缝宽度的演变

在压裂试验中，试件的圆周是由安装在所述压缩室周伸长（图监控八)。圆周的监测可以反映裂缝宽度在很大程度上的演变过程（图9个)。以下方程可用于主裂缝的宽度的计算。 哪里指周长的变化[38]。为了提高裂缝宽度计算的精度，被选择用于研究用简单的和对称的断口形貌的标本。应当提及的，这是表征裂缝宽度的演变的间接方法。表格5个示出了在压裂过程中不同阶段的裂缝宽度使用水和SC-CO_2个，其中包括最大裂缝宽度时发生击穿（山谷圆周从断裂初始），（从断裂起始圆周到稳定）的平衡状态期间打开裂缝宽度，裂缝的闭合（山谷圆周从骨折稳定）和闭合比例，该裂缝闭合取入的最大宽度。

比较寝具平面试样的实验结果的0°和90°角，该裂缝宽度（包括最大宽度和开口宽度），裂缝闭合，和试样的闭合比例使用SC-CO断裂_2个大于标本相应值使用水破裂。SC-CO的体积膨胀_2个将发生断裂起始后更显著，这可能导致更大的裂缝宽度。此外，断裂的封闭是相当大的和封闭的比例超过96.00％用于SC-CO_2个压裂，比水压裂大得多。裂缝起始、扩展和闭合阶段的裂缝宽度表明，裂缝闭合控制着裂缝的演化过程。裂缝支护和支撑剂的合理尺寸对水力压裂非常重要。

4。结论

页岩气藏开发的经济可行性很大程度上取决于有效的水力压裂作业。水压裂处理已成为油田开发和SC-CO的常用方法_2个压裂，这可以看作是一个很有前途的方法，真的能带给页岩储层一些不同的效果。在这项研究中，在三轴压缩水力压裂实验使用水和SC-CO_2个对不同层理面角的页岩试件进行了试验研究，以更好地了解不同层理面角页岩的破裂行为。可以得出以下结论：（一）在恒定注入压裂流体中，SC-CO的负载率的_2个由于CO的可压缩性，压力逐渐增大_2个而在压裂过程中，水压加载速率在达到峰值前急剧增大。因此，SC-CO_2个压裂是更费时的相同的实验条件下，使用水，这需要大约20倍的时间比水力压裂（二）压裂液、偏应力等多种外部因素对页岩破裂压力有影响。页岩样品的SC-CO断裂_2个击穿压力较小，各向异性较弱。在压裂过程中，破裂压力随着偏差应力的增大而减小，其中SC-CO的减小比例最大_2个压裂比水压裂略高（三）各向异性引起的床上用品方向的变化的页岩的可相对于所述寝具平面，影响裂缝扩展，其示出了三个典型的模式，包括传播穿过，沿着传播，并且被抓获。由SC-CO形成的骨折_2个更可能跨越如果与由水形成的骨折相比，寝具平面传播，由于其低粘度和强扩散性（4）通过对泵压和围压的监测，可以揭示水力裂缝的演化过程。在SC-CO过程中的裂缝宽度_2个压裂示出了在不同阶段更大的价值，它或者不击穿和开口宽度之间的闭合。支撑剂的断裂檐和适当大小的水力压裂真的很重要

数据可用性

该研究成果中的所有数据的论文分别介绍。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金(批准号:41572310、41877270)资助的课题。

工具书类

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