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        不同相態(tài)二氧化碳前置酸壓碳酸鹽巖裂縫形成規(guī)律

        2021-07-20 07:22:56郭建春詹立茍波張然劉超李驍任冀川
        石油勘探與開發(fā) 2021年3期
        關鍵詞:儲集層碳酸鹽巖液態(tài)

        郭建春,詹立,茍波,張然,劉超,李驍,任冀川

        (1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500;2.西華大學機械工程學院,成都 610500;3.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,西安 710065;4.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點實驗室(籌),西安 710065)

        0 引言

        延安氣田下古生界奧陶系馬五1亞段是典型的致密碳酸鹽巖儲集層[1-2],目前主要采用常規(guī)酸壓進行增產改造。因儲集層溫度高,酸巖反應速率過快,酸液有效作用距離十分有限[3-4];同時因地層壓力系數低,返排十分困難。因此,采用常規(guī)酸壓改造,單井產量提高難度較大[5-7]。借鑒碳酸鹽巖儲集層 CO2拌注酸壓[8-10]以及頁巖儲集層前置超臨界CO2壓裂[11-12]取得的成功經驗,針對致密碳酸鹽巖儲集層常規(guī)酸壓改造效果不理想問題,本文提出前置CO2酸壓構想,即首先采用液態(tài)或超臨界CO2代替壓裂液或酸液進行前置造縫后,再注入酸液對裂縫進行非均勻刻蝕,以求在單井產量上有所突破。

        目前,前置CO2酸壓工藝的增產改造機理不明確,國內外學者開展的清水、液態(tài)CO2及超臨界CO2的致裂實驗研究主要集中在花崗巖、煤、頁巖、致密砂巖等方面:ISHIDA等[13]開展的清水、油、液態(tài) CO2和超臨界 CO2致裂花崗巖的真三軸實驗表明花崗巖在超臨界 CO2的作用下,更易產生微裂縫,破裂壓力也明顯降低;劉國軍等[14]開展了超臨界CO2作用下頁巖裂縫擴展規(guī)律研究,發(fā)現頁巖因其弱面結構發(fā)育,采用超臨界 CO2壓裂容易形成復雜裂縫網絡;眾多學者從破裂壓力、裂縫形態(tài)、裂縫表面粗糙度等 3個方面開展了煤、頁巖、砂巖在清水、液態(tài) CO2、超臨界 CO2壓裂后的差異研究[15-19],對煤、頁巖、砂巖等的裂縫擴展規(guī)律取得了較清晰的認識。盡管也有為數不多的學者開展了碳酸鹽巖在不同酸液流體作用下的裂縫擴展規(guī)律研究[20-23],但致密碳酸鹽巖在液態(tài)、超臨界CO2作用下裂縫擴展方面的研究卻鮮有報道,裂縫起裂及擴展規(guī)律目前不明確。

        本文以延安氣田下古生界馬五1亞段儲集層為研究對象,基于大尺寸真三軸壓裂實驗裝置,利用 100 mm×100 mm×100 mm的儲集層露頭,開展清水、液態(tài)CO2、超臨界CO2真三軸致密碳酸鹽巖壓裂實驗,并采用工業(yè)CT獲取壓后三維壓裂裂縫形態(tài),研究不同壓裂流體介質對碳酸鹽巖裂縫起裂及擴展規(guī)律的影響,為致密碳酸鹽巖儲集層前置CO2酸壓設計提供技術支持。

        1 實驗設計

        1.1 實驗樣品

        真三軸壓裂實驗所需的巖石樣品體積大,井下巖心難以滿足要求,為此選用延安氣田下古生界馬五1亞段儲集層天然露頭進行實驗[24]。

        延安氣田馬五段儲集層厚度為80~120 m,馬五1亞段為主力產氣層,平均埋深3 470 m;儲集層以白云巖為主,較為致密,儲集空間以晶間溶孔為主,局部發(fā)育微裂縫;平均孔隙度 2.13%,平均滲透率 0.144×10-3μm2;儲集層溫度 100~120 ℃,壓力系數 0.7~0.9;儲集層最大水平主應力近東西向,最大水平主應力大于垂向主應力,垂向主應力大于最小水平主應力,水平應力差異系數為0.15~0.20。

        為保證選取的天然露頭具有代表性,本文從礦物成分、孔滲結構、巖石力學性質等 3個方面對天然露頭和井下巖心進行了匹配性對比(見表1),可以看到天然露頭除孔隙度、滲透率比井下巖心高外,其他參數均比較接近,天然露頭與井下巖心具有較好匹配性,可以選用天然露頭開展實驗。

        表1 露頭、巖心參數對比表

        馬五1儲集層主要采用直井裸眼完井,因此本文實驗樣品設計為直井裸眼完井(見圖1),采用天然露頭制作成邊長為100 mm的立方體,在立方體樣品表面中心處鉆直徑6 mm、長度50 mm的孔模擬井筒,井筒由長40 mm的套管和長10 mm的裸眼組成,套管為內徑2 mm、外徑3 mm的不銹鋼管,實驗前采用膠水將套管與井壁密封24 h[17-18]。

        圖1 實驗樣品示意圖

        1.2 實驗裝置

        液態(tài)CO2及超臨界CO2的黏度低、表面張力小[25],實驗過程中極易從井筒與井壁的結合處逸出導致實驗失??;同時進行超臨界CO2壓裂時,需將CO2和巖石同時加熱到31.1 ℃以上(見圖2,CO2超臨界態(tài)臨界點溫度為31.1 ℃,壓力為7.38 MPa),可見真三軸壓裂實驗對實驗設備的要求非常高。TCHSFM-I型大尺寸真三軸壓裂滲流模擬裝置(見圖3)可以滿足實驗要求,該實驗裝置主要包括泵注系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、三軸應力加載系統(tǒng)。泵注系統(tǒng)用于實時記錄壓裂過程中的排量和壓力變化,其中泵注水的最大排量可達1 000 mL/min,泵注CO2的最大排量為40 mL/min,最大泵注壓力為60 MPa;加熱系統(tǒng)主要包括 CO2加熱系統(tǒng)和巖石加熱系統(tǒng),升溫可超過60 ℃;三軸應力加載系統(tǒng)的單軸最大加載應力可超過100 MPa。設備參數完全滿足實驗要求。

        圖2 CO2相態(tài)變化圖

        圖3 實驗裝置圖

        1.3 實驗方案

        實驗參數:①考慮到露頭巖石樣品尺寸較大,本文根據馬五1儲集層實際地應力梯度大小(見表2),采用地應力梯度比值法來計算實驗所需加載的三向應力,計算結果為實驗最大水平主應力 9 MPa,最小水平主應力7 MPa,垂向應力8 MPa,實驗中沿井筒方向施加垂向應力,平行于不連續(xù)面方向施加最大水平主應力,垂直于不連續(xù)面方向施加最小水平主應力;②液態(tài) CO2、超臨界 CO2的黏度低,壓裂過程中濾失速率快,排量過小導致井筒壓力建立困難,同時考慮泵注系統(tǒng)的最大泵注能力,排量設計為40 mL/min;③在常溫(25 ℃)下進行清水和液態(tài)CO2壓裂實驗,在溫度為60 ℃的條件下進行超臨界CO2壓裂實驗。

        表2 馬五1儲集層地應力大小特征

        按此參數序列,根據樣品裂縫發(fā)育情況及壓裂流體類型,共設計8套方案(見表3)。

        表3 實驗方案參數

        2 實驗結果與分析

        2.1 破裂壓力及其影響因素分析

        圖4為第2、3、6實驗方案的泵注壓力曲線,分析可知,當碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時,在相同的實驗條件下:①采用清水進行壓裂時(見圖4a),井底壓力上升非常快,壓裂進行到第37 s時,井底壓力達到47 MPa,巖石破裂,該過程累計用液量為24.6 mL;②采用液態(tài)CO2進行壓裂時(見圖4b),剛開始CO2在井筒中主要為氣態(tài),氣態(tài)CO2黏度低、濾失速率快,故井底壓力上升速率較慢;當壓裂進行到280 s時,井底壓力大于7 MPa,此時 CO2由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),密度、黏度大幅度增加[25-26],井底壓力迅速上升;當壓裂進行到296 s時,井底壓力達到37 MPa,巖石破裂,該過程累計用液量為197.3 mL;③采用超臨界CO2進行壓裂時(見圖4c),CO2直接以超臨界態(tài)注入井筒,超臨界CO2黏度低,表面張力小[25-26],壓裂過程中 CO2濾失嚴重,井底壓力上升速度非常慢;當壓裂進行到590 s時,井底壓力達到27 MPa,巖石破裂,該過程累計用液量為393.3 mL。

        圖4 不同壓裂流體介質作用下的泵注壓力曲線

        對比上述結果可以看到:①與清水、液態(tài) CO2相比,超臨界 CO2黏度和表面張力非常低,壓裂過程中的濾失量非常大,井筒壓力建立非常困難,在相同實驗條件下,致裂碳酸鹽巖所需的超臨界 CO2體積是清水體積的 16倍;②在相同實驗條件下,超臨界 CO2能明顯降低碳酸鹽巖的破裂壓力,超臨界 CO2致裂碳酸鹽巖所需的壓力為清水的57.4%,液態(tài)CO2的72.9%。

        陳立強等[27]的研究結果表明,在不考慮流體濾失的情況下,井筒周圍的孔隙壓力等于原始地層壓力;當考慮流體濾失時,井筒周圍的孔隙壓力等于多孔介質中的流體壓力;流體的濾失會明顯降低巖石的破裂壓力。依據Zeng等[28]建立的考慮滲濾效應的巖石破裂壓力預測模型可知,隨著壓裂流體黏度的減小,井筒周圍巖石的孔隙壓力增加,因此巖石的破裂壓力減小。與清水、液態(tài)CO2相比,超臨界CO2的黏度最低,壓裂過程中對井筒周圍孔隙壓力提高的幅度最大,因此超臨界CO2能明顯降低巖石的破裂壓力。

        2.2 壓裂流體對裂縫形態(tài)的影響

        圖5為第2、3、6實驗方案壓后裂縫形態(tài)的 CT掃描結果,當碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時,在其他實驗條件相同的情況下:①采用清水壓裂后,壓裂裂縫沿最大水平主應力方向擴展,形成了平行于井筒方向的對稱雙翼縫(見圖5a);②采用液態(tài)CO2壓裂后,壓裂裂縫同樣沿最大水平主應力方向擴展,形成平行于井筒方向的對稱雙翼縫(見圖5b);③超臨界 CO2黏度低,壓裂過程中較大幅度提高了井筒周圍巖石孔隙壓力,降低了巖石的抗剪強度,采用超臨界CO2壓裂,碳酸鹽巖易于發(fā)生剪性破壞[13]。由圖5c可見,近井筒處壓裂裂縫擴展方向與最大水平主應力呈45°夾角,隨擴展延伸距離的增加,在離井筒較遠處逐漸轉向最大水平主應力方向(圖中藍色橢圓位置),最終形成平行于井筒方向的對稱雙翼縫,裂縫迂曲度有所增加。

        圖5 方案2、3、6壓后裂縫形態(tài)CT掃描結果

        實驗結果表明,對天然裂縫等其他弱面結構不發(fā)育的碳酸鹽巖,采用低黏流體壓裂依然難以形成復雜裂縫網絡,這與Lu等[29]開展的均質砂巖壓裂實驗研究結果一致。而液態(tài) CO2、超臨界 CO2致裂煤和頁巖的實驗結果表明[14-19],與清水相比,液態(tài) CO2和超臨界CO2黏度低、表面張力小、穿透性強,壓裂過程中煤和頁巖本身的層理、天然裂縫等不連續(xù)面容易被溝通,因此壓后易于形成復雜裂縫網絡。說明存在天然裂縫等不連續(xù)面是巖石在液態(tài) CO2、超臨界 CO2作用下形成復雜裂縫網絡的地質基礎。

        2.3 水平應力差對裂縫形態(tài)的影響

        圖6為第7、8實驗方案壓后裂縫形態(tài)的CT掃描結果,可以看到,當碳酸鹽巖的天然裂縫不發(fā)育時,水平應力差對超臨界 CO2壓后形成的壓裂裂縫形態(tài)影響較小,即使在較低的水平應力差條件下,壓后也依然無法形成復雜裂縫(方案7水平應力差為2 MPa,方案8水平應力差為4 MPa)。結合圖5可以看出,碳酸鹽巖天然裂縫不發(fā)育時,與清水相比,超臨界 CO2壓裂可以改變巖石的起裂方式,巖石清水壓裂為張性破壞,而超臨界 CO2壓裂為剪性破壞,后者可增加壓后壓裂裂縫的迂曲度。

        圖6 方案7、8壓后裂縫形態(tài)CT掃描結果

        2.4 天然裂縫的逼近角對裂縫形態(tài)的影響

        方案1巖樣表面共發(fā)育 6條天然裂縫,其中包括低逼近角天然裂縫 NF1、NF2、NF3和高逼近角天然裂縫 NF4,遠離井筒的天然裂縫 NF5、NF6(見圖7a)。采用清水壓裂后,形成了平行于井筒方向的對稱雙翼縫(見圖7b,斷面見圖7c),壓裂裂縫從裸眼處起裂后,左翼壓裂裂縫HF1沿低逼近角天然裂縫NF3擴展,擴展過程中直接穿過了高逼近角的天然裂縫NF4;HF1繼續(xù)擴展,另一條低逼近角天然裂縫NF2被溝通,HF1沿 NF2擴展。右翼壓裂裂縫 HF2先沿低逼近角天然裂縫 NF1擴展,然后轉向沿最大水平主應力擴展??梢姴捎们逅畨毫?,壓裂裂縫容易溝通近井筒附近的低逼近角天然裂縫,但高逼近角天然裂縫難以被溝通,壓后形成“階梯狀”裂縫。

        圖7 方案1壓裂前后裂縫形態(tài)

        方案 4巖樣表面近井筒處發(fā)育一條高逼近角天然裂縫NF1(見圖8a),采用液態(tài)CO2壓裂后,壓裂裂縫HF2從裸眼處起裂后沿最大水平主應力方向擴展,在擴展過程中溝通了近井筒處的高逼近角天然裂縫 NF1,此時壓裂裂縫同時沿最大水平主力應力方向和 NF1擴展,形成裂縫形態(tài)較復雜的多方向縫(見圖8b,斷面見圖8c)。結合方案1巖樣的壓裂實驗結果可以看出,溝通高逼近角天然裂縫才是碳酸鹽巖壓后形成復雜裂縫的關鍵。

        圖8 方案4壓裂前后裂縫形態(tài)

        方案5巖樣表面總共發(fā)育3條天然裂縫,其中NF1離井筒較近,呈高逼近角;NF2、NF3離井筒較遠(見圖9a),采用液態(tài)CO2壓裂后,天然裂縫NF1被溝通,左翼壓裂裂縫 HF1沿 NF1擴展;右翼壓裂裂縫 HF2沿最大水平主應力方向擴展,形成“L形”裂縫(見圖9b,斷面見圖9c)。對比方案1(清水壓裂)與方案4(液態(tài)CO2壓裂)、方案5(液態(tài)CO2壓裂)的實驗結果可以看出,液態(tài) CO2黏度低,穿透性強,更易于溝通近井筒附近的高逼近角天然裂縫。

        圖9 方案5壓裂前后裂縫形態(tài)

        3 結論

        超臨界 CO2黏度低,擴散性強,壓裂過程中濾失量大,有利于提高井筒周圍巖石孔隙壓力,明顯降低碳酸鹽巖的破裂壓力,但壓裂過程中井筒壓力上升緩慢,致裂巖石所消耗的超臨界CO2體積遠大于清水。

        天然裂縫不發(fā)育的碳酸鹽巖,采用清水、液態(tài)CO2壓裂易發(fā)生張性破壞,壓裂裂縫主要沿最大水平主應力方向擴展;采用超臨界 CO2壓裂易發(fā)生剪性破壞且水平應力差對壓裂裂縫形態(tài)影響較小,近井筒處壓裂裂縫擴展方向與最大水平主應力呈45°夾角,隨擴展延伸距離的增加,在離井筒較遠處逐漸轉向最大水平主應力方向,裂縫迂曲度與前者相比有所增加。

        天然裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖,清水易溝通低逼近角天然裂縫,壓裂后易形成“階梯狀”裂縫,裂縫形態(tài)相對簡單;液態(tài) CO2黏度低,易溝通高逼近角天然裂縫,壓裂后易形成多方向縫,裂縫形態(tài)相對復雜。溝通高逼近角天然裂縫是碳酸鹽巖壓后形成復雜裂縫的關鍵。

        符號注釋:

        σH——最大水平主應力,MPa;σh——最小水平主應力,MPa;σv——垂向主應力,MPa。

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