低温冲击对干热岩裂缝导流能力的影响

李 宁，赵梦云，王海波，周 彤

(中国石化石油勘探开发研究院 采油工程研究所，北京 102249)

引 言

干热岩地热能是指蕴藏在地下深部高温岩体中的热量，是一种分布广泛、储量巨大、不受季节限制、清洁无污染的新型能源[1-3]。干热岩的岩性以火山岩、变质岩和结晶岩为主，埋深3.0～10.0 km，温度可达150～650 ℃，储层岩石致密、渗透性差，无水或极少含水[4-5]。干热岩地热能的开发需要借助水力压裂等手段建立增强型地热系统/人工热储(EGS)，即在注水井与采出井之间建立连通的裂隙网络，实现注水井与采出井间的流体循环，利用高温岩体与注入流体的热量交换将能量采出。

国际上除明确了经济有效开采地热能的人工热储改造面积(0.1 km2)、有效换热面积(1×106m2)等参数界限以外，还指出采出井的产水速率达到80 kg/s(4.8 m3/min)且缝网的流动阻抗要低[6]。因此，裂缝网络的高导流能力是必不可少的改造目标之一，且对于整个人工热储的采热效果和运行寿命具有十分重要的影响[7]。尽管关于压裂裂缝导流能力的研究屡见不鲜，但现有的实验研究往往针对油气储层。而干热岩储层与油气储层相比，最显著的区别之一在于地层温度场的变化。在干热岩地层的长期注采过程中，由于注入冷水与高温岩石之间的热量交换，注水井井底岩石的温度会显著降低。大量的室内岩石力学测试结果表明：温度剧烈变化(低温冲击)产生的热应力会使得岩石的物理力学性质发生变化，即形成大量的低温冲击诱导裂缝，降低岩石的力学强度和弹性模量等[8-10]。岩石力学强度劣化将会加剧支撑剂的嵌入，从而进一步影响人工裂缝的闭合行为。Luo等[11]研究了含有人工裂缝的花岗岩在热-流-固耦合作用下的渗流特征，发现实验温度的升高有利于提高能量的交换率。赵强等[12]和Shu等[13]分别研究了温度对花岗岩支撑裂缝以及粗糙自支撑裂缝渗流特性和换热效果的影响。随着温度的升高，岩石的热膨胀以及高温条件下矿物颗粒的压溶等作用会导致裂缝的等效水力开度降低。目前，关于低温冲击作用对干热岩压裂裂缝导流能力影响的实验研究尚不多见。

本文通过对岩板进行缓慢加热后快速水冷却的预热处理方式模拟干热岩注采循环过程中裂缝面所受的低温冲击作用。通过开展导流能力评价测试，分析了不同热处理温度(即低温冲击强度)、支撑剂类型、支撑剂粒径和铺砂浓度等因素影响下的裂缝导流能力变化规律。实验结果对于认识干热岩采热过程中人工热储的生产动态变化机理具有一定的借鉴意义。

1 导流能力测试实验

1.1 岩板制备与热处理

实验所用花岗岩露头取自福建省漳州市。该花岗岩的矿物组成以石英为主，质量分数约60.1%；其余依次为斜长石、钾长石、黏土矿物和方解石，质量分数分别为20.1%、13.6%、3.6%和2.6%。室内力学参数测试结果表明，该花岗岩原始抗张强度为8.97 MPa，单轴抗压强度为80.01 MPa，弹性模量为29.04 GPa，泊松比为0.16。

根据API导流能力测试规范，将岩样加工成长度为17.7 cm、宽度为3.8 cm、厚度为2 cm、两端为半圆形的标准平面岩板[14-15]。目前导流能力测试仪的加热最高温度通常在200℃以内，难以满足干热岩储层的高温特征模拟。为此，本实验采用预热处理的方式模拟干热岩人工热储采热过程中注入水对高温岩石的低温冲击作用。预热处理的具体步骤如下：

(1)将导流岩板置于台车烘箱，为了避免加热过程中的热冲击作用，设置5 ℃/min的升温速率将岩板缓慢加热至不同的目标温度(200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃)；

(2)为了保证整个导流岩板达到热平衡，在加热温度达到目标温度后，维持恒温4 h；

(3)取出导流岩板，置于水槽中，利用恒速水流(水温25 ℃)对导流岩板进行快速降温处理，处理时间为2 h。

该缓慢加热-快速水冷却的预热处理方式可以保证岩石的损伤主要发生在降温过程中，在低温冲击对岩石物理力学性质影响的实验研究中已得到广泛采用[16-18]。

1.2 实验方案

岩板预热处理后，首先开展电镜扫描测试对岩板表面的低温冲击损伤特征进行观测。之后，采用FCS-842导流仪开展室温条件下的干热岩裂缝导流能力评价测试。本实验主要考虑不同热处理温度、支撑剂类型、支撑剂粒径以及铺砂浓度等因素对干热岩裂缝导流能力的影响。根据干热岩地层高应力特征，闭合应力加载范围为10～70 MPa，实验参数如表1所示。实验结束后，对闭合应力70 MPa条件下的支撑剂充填层破碎情况进行筛析测试，计算得到不同条件下的支撑剂破碎率。

表1 导流能力实验参数

2 低温冲击后的裂缝面微观特征

干热岩采热过程中，高温岩石与循环流体之间发生热量交换，裂缝表面温度变化剧烈，产生热诱导应力。当热诱导应力超过岩石颗粒之间或颗粒自身的强度时，将会产生大量诱导裂缝[19]。为了直观观测低温冲击对裂缝表面微观特征的影响，对不同温度预热处理后的岩板表面进行了取样观测，测试环境为常温常压条件。部分岩样低温冲击作用后的裂缝面特征如图1所示，经历400 ℃和500 ℃预热处理的花岗岩表面可见多条开度明显的诱导裂缝。这些裂缝一方面可以作为流体的流动通道，另一方面也会影响支撑剂与裂缝面间的相互作用。

图1 低温冲击作用后的裂缝面特征

3 导流能力实验结果与分析

3.1 低温冲击强度对导流能力的影响

通过将1#—5#岩板缓慢加热到不同目标温度并进行快速水冷却处理，实现对不同低温冲击强度的模拟。经过不同预热处理后的裂缝导流能力变化如图2(a)所示。由图可知，随着预热处理温度的升高，相同闭合应力下的裂缝导流能力逐渐降低。说明低温冲击作用会加剧支撑裂缝的失效。当预热处理温度为25 ℃和200 ℃时，1#、2#岩板在低闭合应力条件下的裂缝导流能力下降相对较慢，当闭合应力达到50 MPa后，导流能力随闭合应力升高而快速降低。而当预热处理温度超过300 ℃后，3#—5#裂缝导流能力随闭合应力增加快速降低的阶段发生在低闭合应力(≤30 MPa)阶段。

图2 热处理温度对裂缝导流能力和支撑剂破碎的影响

LI等[4]关于低温冲击对花岗岩微观力学性质的影响研究表明：低温冲击造成的诱导应力会在岩样表面造成微裂缝并使得裂缝表面的岩石硬度降低。当预热处理温度较低时，低温冲击作用较弱，裂缝面的软化现象并不严重。此时，裂缝的闭合主要是高闭合应力条件下支撑剂的破碎。当预热处理温度达到300 ℃以上时，低温冲击造成的裂缝面“软化”程度加剧，诱导裂缝的数量增加。此时，在低闭合应力条件下，支撑剂在裂缝表面的嵌入加剧，导流能力下降较快。随着闭合应力进一步增大，由于支撑剂嵌入使得受力面积增加，支撑剂的破碎得到一定程度抑制，导流能力下降变慢[20-21]。支撑剂充填层的筛析结果也表明，随着预热处理温度的升高，支撑剂的破碎率显著降低。相比于未经过预热处理的情况(25 ℃)，预热处理温度为500 ℃过程中产生的低温冲击作用使得70 MPa下的支撑剂破碎率由30.87%下降到11.68%(图2(b))。

3.2 支撑剂类型对导流能力的影响

在铺砂浓度4 kg/m2、预热处理温度300 ℃条件下，分别对比了采用40/70目石英砂支撑剂(6#岩板)与40/70目陶粒支撑剂(3#岩板)时的裂缝导流能力与支撑剂破碎情况，测试结果如图3所示。由图3(a)可知，采用承压能力相对较低的石英砂支撑剂时，导流能力随着闭合应力的升高迅速降低。当闭合应力增加到40 MPa时，导流能力由初始的23.8 μm2·cm下降到0.9 μm2·cm，已经基本丧失导流能力。实验后的支撑剂破碎率分析结果表明，在70 MPa的闭合应力条件下，石英砂支撑剂的破碎率高达47.74%。这说明对于岩石硬度较大、应力较高的干热岩储层而言，采用低强度的石英砂支撑剂并不能有效保持裂缝的高导流能力。

图3 支撑剂类型对裂缝导流能力和支撑剂破碎的影响

3.3 支撑剂粒径对导流能力的影响

为了对比支撑剂粒径对于裂缝导流能力的影响，7#、8#岩板分别选用相同铺砂浓度下的70/140目陶粒支撑剂和30/50目陶粒支撑剂开展测试并与3#岩板(40/70目陶粒支撑剂)的结果进行对比。实验前对3组岩板均进行预热处理模拟低温冲击作用，热处理温度为300 ℃。不同粒径下的导流能力及支撑剂破碎情况如图4所示。

图4 支撑剂粒径对裂缝导流能力和支撑剂破碎的影响

由图4可知，选用大粒径的支撑剂能够获得较高的导流能力。在10 MPa的闭合应力下，30/50目陶粒支撑剂的导流能力分别为40/70目和70/140目陶粒支撑剂导流能力的1.4倍和8.0倍。但是，随着支撑剂粒径的增大，支撑剂在裂缝中的运移难度增加，且支撑剂更易发生破碎。如图4(a)所示，随着闭合应力的逐渐增加，30/50目陶粒支撑剂与40/70目陶粒支撑剂的导流能力差别逐渐减小。在闭合应力70 MPa条件下，30/50目与40/70目陶粒支撑剂的导流能力分别为15.1 μm2·cm和13.0 μm2·cm。实验后支撑剂充填层的筛析结果表明，70/140目、40/70目和30/50目陶粒支撑剂的破碎率分别为8.44%、13.53%和25.30%(图4(b))。

3.4 铺砂浓度对导流能力的影响

9#和10#岩板分别设计1 kg/m2、2 kg/m2的铺砂浓度开展导流能力测试，并与3#岩板(铺砂浓度4 kg/m2)结果进行对比。同样，实验前对岩板进行300 ℃的预热处理。导流能力随闭合应力的变化情况及支撑剂充填层的最终破碎率对比如图5所示。

图5 铺砂浓度对裂缝导流能力和支撑剂破碎的影响

由图5(a)可知，在1 kg/m2的低铺砂浓度下，40/70陶粒支撑剂的导流能力随闭合应力的升高迅速降低。当闭合应力达到30 MPa时，基本丧失导流能力。这主要是因为：一方面，低温冲击促进了支撑剂在裂缝表面的嵌入，使得低铺砂浓度下的缝宽损失更加明显；另一方面，裂缝表面软化后，支撑剂对裂缝面的挤压也会造成裂缝表面部分矿物颗粒的破碎和脱落，碎屑堵塞支撑剂充填层孔隙，加剧导流能力的损失。上述机理，即使在2 kg/m2的铺砂浓度下，对导流能力仍有显著的影响。闭合应力达到70 MPa时，2 kg/m2铺砂浓度的陶粒导流能力由初始的24.9 μm2·cm下降至0.7 μm2·cm。而当铺砂浓度提高到4 kg/m2时，在70 MPa的闭合应力条件下仍能保持13.0 μm2·cm的导流能力，分别为铺砂浓度1 kg/m2和2 kg/m2时的162.5倍和19.1倍。这说明提高支撑剂铺砂浓度能够有效降低低温冲击作用对导流能力的伤害，使干热岩储层压裂裂缝系统维持高导流能力需求，从而保证热储长期具有良好的注采循环效果。

支撑剂破碎率分析结果表明，铺砂浓度对于支撑剂破碎率的影响相对较弱(图5(b))。铺砂浓度由1 kg/m2升高到4 kg/m2，支撑剂充填层的破碎率仅由15.38%下降至13.53%。这说明支撑剂破碎并不是不同铺砂浓度下导流能力变化差异的主要原因。铺砂浓度越低，支撑剂充填层的厚度越小。因此，支撑剂嵌入对裂缝宽度的影响越显著。

4 结 论

(1)随着裂缝面经历的低温冲击作用增强，相同闭合应力下的裂缝导流能力逐渐降低，支撑剂破碎率降低。低温冲击作用较弱(<300 ℃)时，导流能力在高闭合应力下降低明显，与支撑剂的破碎有关；低温冲击作用较强(≥300 ℃)时，导流能力在低闭合应力下发生明显降低，与支撑剂的嵌入加剧有关。

(2)铺砂浓度4 kg/m2条件下，支撑剂粒径越大，裂缝导流能力越高，但支撑剂破碎率越高。在高闭合应力(70 MPa)下，30/50目与40/70目陶粒的导流能力相当且明显高于70/140目陶粒的导流能力。

(3)采用高强度陶粒、提高支撑剂铺砂浓度能够有效降低低温冲击作用对裂缝导流能力的伤害。70 MPa闭合应力条件下，铺砂浓度为4 kg/m2的导流能力可以达到铺砂浓度1 kg/m2和2 kg/m2时导流能力的162.5倍和19.1倍。