二氧化碳压后焖井过程中含弱面致密砂岩断裂特征

唐梅荣，居迎军，郭 超，李 磊

(1.中国石油长庆油田油气工艺研究院，西安 710018；2.中国石油长庆油田第六采油厂，榆林 718606；3.中国石油长庆油田第二采油厂，庆阳 744100；4.中国石油长庆油田第七采油厂，西安 710200)

超临界二氧化碳(SC-CO2)压裂因其低储层伤害、易返排、能产生复杂人工裂缝形态[1]的特征，特别适合低压低渗、致密及水敏性较强的复杂岩层，广泛应用在页岩气开发[2-3]、致密砂岩压裂[4]、增强型地热系统[5]等领域。在致密砂岩开发过程中，现场采用CO2压后焖井[6]方式充分激发裂缝复杂度、增加地层能量[7]，但大部分致密砂岩储层中具有明显的弱面性层理，CO2压后焖井过程中储层稳定性及裂缝扩展规律有待研究。

弱面性层理可影响水力压裂时裂缝的扩展路径[8-9]、井壁的稳定性[10]及巷道的安全性[11-13]，存在弱面性层理的岩石在强度[2，14-15]、波速[16-18]、断裂特性[19-22]和弹塑性特征[2，15，23-25]等方面存在各向异性，且其力学及物理特性容易受围压[26-27]、温度[28-30]、孔隙流体[26，31-32]等影响。宏观特征的差异源自岩石微结构的不同，弱面性层理岩石易受孔隙流体影响[33]，使得层理和基质的微结构等会呈现差异性变化[3]。压后焖井时，CO2所处环境温度超过31.26 ℃、压力超过7.38 MPa，CO2处于超临界态[34]。超临界态是不同于气态与液态的流体形态，该状态下CO2表面张力为零，流动性极强，而密度较高，类似液体，使得CO2因其低黏度而快速渗透到基质孔隙中，尤其是孔隙度相对较大的弱面性层理中。虽然CO2干法压裂[35-36]逐渐被应用于现场产生复杂裂缝体系，且采用压后焖井的方式增加地层能量，但压后焖井过程中SC-CO2对弱面性层理储层稳定性的研究较少。

以含3种角度弱面性层理(0°、45°、90°)的致密砂岩为实验材料，将试件进行了SC-CO2处理和未处理，通过三点弯实验测试得到了相应试件的断裂韧性以反映裂缝扩展的难易程度，并结合声发射技术监测试件的断裂过程；最后从细观损伤力学的角度解释了SC-CO2减弱含弱面性层理致密砂岩断裂韧性的作用机理。以期对认识CO2影响含弱面性层理的致密砂岩储层压后焖井过程中的断裂行为提供参考。

1 实验材料与方法

实验材料取自中国鄂尔多斯盆地长7层位，该层位弱面性层理分布广泛，储层平均单轴抗压强度为92.35 MPa，平均抗拉强度为10.30 MPa，平均弹性模量为21 GPa，平均泊松比为0.20。以含3种角度弱面性层理(0°、45°、90°)的致密砂岩为实验材料，按照国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics，ISRM)测试标准[37]，试件被加工成如图1所示的含中心预制裂缝的半圆盘，试件直径均为 100 mm，所有三点弯实验用致密砂岩试件的具体尺寸如表1所示。

表1 所有三点弯实验致密砂岩试件的尺寸Table 1 Dimensions of alltight-sandstone samples for three-point bending

图1 含弱面性层理试件示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen with a weak plane

为避免试件加工过程中残余水分对断裂韧性的影响，先将所有试件置于50 ℃的烘箱中干燥 48 h，然后将所有试件置于底部有水的饱和腔中，将饱和腔置于加热箱(图2)中，设置温度为60 ℃加热12 h。随后，利用真空泵将饱和腔中快空气抽净，再通入CO2气体，为模拟焖井过程中CO2所处的超临界状态，饱和压力保持为8 MPa、温度保持为60 ℃，饱和时间为30 d。

图2 CO2饱和系统图Fig.2 System used for CO2 saturation

根据ISRM推荐的断裂韧性测试标准[37]，对饱和后的试件进行三点弯实验，实验加载速度为 0.02 mm/min，同时开启声发射装置监测试件的加载过程，直至试件破坏。

2 实验结果

2.1 SC-CO2降低砂岩的断裂韧性

含弱面性层理致密砂岩试件的断裂韧性测试结果如图3所示，SC-CO2分别使0°、45°、90°致密砂岩试件的平均断裂韧性降低22.45%、45.26%、67.61%。由图3可知，随弱面性层理角度α的增加，试件的断裂韧性呈下降趋势，说明SC-CO2作用下弱面性层理角度影响岩石试件的断裂行为。

图3 不同角度弱面性层理试件的断裂韧性Fig.3 Fracture toughness with different weak planes angles

2.2 SC-CO2影响砂岩的声发射断裂特征

图4为代表性试件断裂过程中声发射特征，为方便描述，将所有试件的加载时间进行了归一化处理。由图4可知：①CO2未作用试件，随着角度增加，试件发生损伤的归一化时间提前；②相对于CO2未作用试件，CO2作用试件的损伤起始阶段提前、损伤扩展阶段持续时间长；③对比CO2作用后代表性试件断裂过程中声发射特征可知，随着层理角度的增加，试件的初始损伤点提前，90°试件在加载开始即有损伤出现，而0°试件在加载进行到总时长的70%才出现初始损伤信号。

图4 代表性试件断裂过程中的声发射特征Fig.4 Typical acoustic emission characteristics for the samples

3 讨论

SC-CO2处理后试件的断裂韧性明显低于未处理试件的断裂韧性，初始损伤阶段提前，断裂特征的差异主要原因是SC-CO2对弱面性层理和基质微结构的改变程度不同。

3.1 SC-CO2更易进入弱面性层理处

弱面性层理处的渗透率受沉积环境等因素影响显著，对于致密砂岩而言，弱面性层理处的渗透率略高于基质中的渗透率[38]。由于SC-CO2表面张力为零，超临界态的特性使得SC-CO2更易进入弱面性层理中的微结构，如微孔隙和微裂缝，如图5所示。

图5 二氧化碳分子在弱面性层理和基质中的分布Fig.5 Distribution of CO2 molecules in weak plane and matrix

SC-CO2进入致密砂岩微结构后，将首先吸附于矿物颗粒表面[38-39]，发生物理吸附和化学吸附。物理吸附可减低岩石的表面能[32]，使得致密砂岩抵抗破坏的能力减弱，即在较低载荷作用下可发生断裂。而弱面性层理处矿物含量较基质中复杂，矿物颗粒及胶结物电性的多样性强于基质，更易发生物理吸附，所以弱面性层理处的表面能更易被影响，外部载荷作用下弱面性层理处岩石矿物更易发生破坏。化学吸附是SC-CO2与致密砂岩中的矿物发生化学反应，发生化学反应程度影响含弱面性层理试件的断裂行为，且压后焖井及CO2地质埋存时化学吸附占主要地位。

3.2 弱面性层理处SC-CO2化学反应更明显

SC-CO2溶于孔隙水后产生H+，弱面性层理处白云石、方解石等碳酸盐矿物含量和长石、伊利石等硅酸盐矿物含量均高于基质(图6)，该类矿物易与CO2溶于水电离出的H+发生化学反应，而基质中以石英为主要成分。硅铝酸盐矿物和碳酸盐矿物在H+作用下易发生如式(1)～式(4)所示的化学反应；而基质中的石英与H+反应程度较小，所以弱面性层理处化学反应更为明显。

图6 含弱面性层理试件中弱面性层理及基质中岩石的矿物含量对比Fig.6 Mineral content in the weak plane and matrix

2K++Al2Si2O5(OH)4+4SiO2

(2)

Ca2++Al2Si2O5(OH)4

(3)

(4)

由于弱面性层理处微结构受改变程度最大，颗粒间强度降低最明显。外部载荷作用下，90°试件多从弱面性层理处发生断裂，试件破坏仅需克服层理的黏聚力；而0°试件断裂除了要克服的层理处颗粒间的黏聚力，还要克服大部分基质中石英颗粒的黏聚力，所以SC-CO2作用后的90°试件的断裂韧性降低最明显。

CO2压后焖井过程是SC-CO2长时间与岩石的作用过程，此过程中SC-CO2与岩石中各种矿物的化学反应将改变岩石的力学性质[40]，同时可引起局部地应力变化，影响储层的稳定性，导致原储层中的CO2发生运移，新作用区域可能会随之变化。如图7所示，由SC-CO2破坏的微结构促进SC-CO2转移到新区域，在新区域SC-CO2发生溶蚀又促进了微结构的破坏，这种反馈-互促式的作用模式使得微结构破坏与化学溶蚀相互促进，结果表现为沿弱面性层理处的损伤比基质中的损伤明显。

图7 SC-CO2的反馈作用模式Fig.7 Feedback mode of SC-CO2

3.3 SC-CO2作用试件的微结构特征描述

如图8所示，由于CO2溶于水对特征性硅酸盐矿物的溶蚀作用使得颗粒间或颗粒内部产生微裂缝[41]，同时SC-CO2的溶蚀作用使胶结物流失、部分矿物产生碎片，同时吸附膨胀等可在颗粒间产生微裂纹，进而弱化颗粒间的胶结强度，导致颗粒间胶结物在较小的外载作用下即发生断裂及分离，所以SC-CO2作用试件发生损伤、显著断裂的阶段提前。

图8 CO2作用试件的微结构特征Fig.8 Changes of the micro-structure affected by CO2

对于含弱面性层理试件，加载初期胶结强度较低的位置先发生断裂，由于弱面性层理处微结构破坏程度比基质的破坏程度高，所以在拉伸载荷作用下弱面性层理呈90°形态试件的微结构最先发生断裂，出现初始损伤的阶段最早，其次是45°试件、0°试件。

从损伤阶段开始，整个断裂过程中均伴随声发射信号。降低的黏聚强度使得试件更易产生裂缝，进而减小了试件的整体刚度，使得发生颗粒断裂的过程一直持续，所以相对于未作用SC-CO2试件损伤扩展阶段持续的时间增长。

3.4 CO2压裂及压后焖井工艺优化建议

致密砂岩储层中弱面性层理等地质特征广泛存在，填充较多的碎屑矿物，以方解石、长石和黏土矿物为主，在砂岩储层中含有水等孔隙流体，为SC-CO2溶蚀特征矿物提供条件。为使得CO2在储层中形成复杂缝网，需综合考虑CO2压裂过程及压后焖井过程。

压裂时建议采用大注液速率，以形成复杂缝网。SC-CO2因其表面张力为零，扩散性较强，容易进入人工裂缝周围孔隙，比水力裂缝的影响区域广；在进行SC-CO2压裂时，高速率可提供高压进而促进SC-CO2的扩散，增加SC-CO2影响区域，增大激活天然裂缝概率。而且，在压裂时人工裂缝尖端区域可发生相变[42]，CO2由超临界态转变为气态或由液态转化为气态，使得压裂介质体积迅速增加，为形成复杂裂缝提供动力，大速率可提高相变发生频率。

压后焖井技术可提高地层能量，增加地层孔隙压力；同时焖井技术为人工裂缝的进一步扩展提供条件，使形成的裂缝成为复杂的裂缝体系，进而增大人工裂缝接触储藏的面积。焖井时长和焖井压力是焖井过程中两个重要参数，焖井时长因储层差异而不同，对于天然裂缝发育、层理较多(如薄互层)为典型地质特征的储层，可适当减小焖井时长；而对于天然裂缝、层理较少的储层，矿物含量中石英含量较高，SC-CO2与特征矿物发生化学反应的程度较小，对储层影响较小，所以进行SC-CO2焖井的意义较小。关于焖井压力，在考虑设备安全性的基础上，如图9所示，适当提高焖井压力可增加CO2在孔隙水中的溶解度，同时降低地层孔隙流体的pH[43]，为CO2的与储层岩石发生化学反应提供条件，为CO2渗透提供足够压力差。

图9 不同温度、压力条件下CO2的溶解度及pH[43]Fig.9 CO2 solubility and pH under different temperature and pressure condition[43]

4 结论

提出了压后焖井过程中SC-CO2的反馈-互促作用模式，通过三点弯实验测试并总结了SC-CO2对含弱面砂岩试件的断裂韧性的影响规律，基于SEM扫描结果和声发射数据分析了SC-CO2作用后不同层理角度试件断裂特征差异，对认识含弱面性层理的致密砂岩储层在CO2压后焖井过程中岩石的断裂行为具有一定的借鉴意义。得到以下结论。

(1)SC-CO2对含弱面层理致密砂岩的断裂韧性降低程度具有差异性，层理与人工裂缝夹角越大，降低程度越大。

(2)SC-CO2弱化岩石颗粒间的胶结强度，可使得试件损伤起始阶段提前、损伤扩展阶段持续时间增长。

(3)结合反馈互促模式，解释了弱面性层理处的损伤比基质中损伤程度高的现象，并针对不同特征储层提出了压后焖井建议。