張士誠(chéng)， 李四海， 鄒雨時(shí)， 李建民， 馬新仿，張嘯寰， 王卓飛， 吳 珊

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249； 2.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院， 新疆克拉瑪依 834000)

中國(guó)頁(yè)巖油資源潛力巨大，已成為繼頁(yè)巖氣之后非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)[1-3]。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油含量豐富，其井控儲(chǔ)量為11.12億t，已成為中國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)陸相頁(yè)巖油建設(shè)示范區(qū)[4]。蘆草溝組頁(yè)巖油儲(chǔ)層厚度平均為200 m，埋深平均為3 570 m；儲(chǔ)層物性差，覆壓下孔隙度平均為11%，滲透率平均為0.01 ×10-3μm2[5]；水平應(yīng)力差(8～12 MPa)較大，天然裂縫整體不發(fā)育[6]。蘆草溝組頁(yè)巖油的另一個(gè)重要特點(diǎn)是地層呈薄互層狀，單層厚度為厘米級(jí)，層理弱面特征明顯，同時(shí)在上下甜點(diǎn)體內(nèi)存在高強(qiáng)度泥巖隔層遮擋層。由于層理面和高強(qiáng)度泥巖隔層的影響，采用常規(guī)水基壓裂存在水力裂縫縱向穿層能力受限、油層整體動(dòng)用難的問(wèn)題，制約了頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)效果[6-7]。馬新仿等[8]曾采用層理膠結(jié)強(qiáng)度較弱的龍馬溪組頁(yè)巖開(kāi)展了真三軸壓裂模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力裂縫容易沿著層理面轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，裂縫垂向擴(kuò)展受到限制。此外，相關(guān)數(shù)值模擬研究驗(yàn)證了層理對(duì)裂縫垂向擴(kuò)展的限制作用[9-10]。從二十世紀(jì)八十年代初開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了大量的CO2壓裂礦場(chǎng)實(shí)踐，且主要應(yīng)用于低壓、低滲、高水敏的氣井增產(chǎn)改造，并取得了良好的增產(chǎn)效果[11-15]。新疆油田針對(duì)吉木薩爾蘆草溝組地層原油黏度高、流動(dòng)性差的問(wèn)題，正在積極推動(dòng)CO2前置壓裂技術(shù)，通過(guò)壓裂后燜井促進(jìn)CO2與原油混相，達(dá)到降低原油黏度的目的[16]。同時(shí)，CO2壓裂還具有降低地層傷害、增加地層能量和節(jié)約水資源等優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可進(jìn)一步提高非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)的潛力[17-18]。然而，CO2具有低/超低黏度，易向頁(yè)巖儲(chǔ)層的層理中滲濾，不利于CO2在井筒中憋起高壓將地層壓裂，且存在裂縫易沿層理擴(kuò)展的問(wèn)題[19]。東勝氣田已成功開(kāi)展了CO2復(fù)合干法壓裂試驗(yàn)，主要利用CO2(前置液)的低黏度和極低表面張力的特性在相對(duì)均質(zhì)的致密砂巖儲(chǔ)層造復(fù)雜縫，并結(jié)合高黏雙極性壓裂液攜帶支撐劑進(jìn)入裂縫并支撐裂縫[20]。從綜合利用不同壓裂介質(zhì)特性的角度考慮，能否通過(guò)高黏度胍膠啟縫、CO2進(jìn)一步擴(kuò)展裂縫的復(fù)合壓裂方式突破層理對(duì)裂縫高度的限制，需進(jìn)一步研究頁(yè)巖儲(chǔ)層CO2-胍膠復(fù)合壓裂相比于常規(guī)水基壓裂、CO2直接壓裂縫高擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)天然頁(yè)巖的室內(nèi)壓裂模擬試驗(yàn)多采用裸眼完井方法[8]，或采用預(yù)置含模擬射孔的井筒和人工澆鑄巖樣相結(jié)合的方法[21]，其裂縫擴(kuò)展規(guī)律與實(shí)際存在差異。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者基于真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，建立一套天然巖樣水平井多段壓裂物理模擬試驗(yàn)方法，研究常規(guī)水基壓裂(胍膠、滑溜水)、超臨界CO2壓裂和CO2-胍膠復(fù)合壓裂的裂縫高度擴(kuò)展規(guī)律，并分析排量對(duì)復(fù)合壓裂縫網(wǎng)形成的影響?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出一種適合于層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層的CO2-胍膠復(fù)合壓裂新方法，即先采用高黏度胍膠壓裂液?jiǎn)⒖p，在近井區(qū)域突破層理，然后大排量注入CO2進(jìn)一步擴(kuò)縫高、開(kāi)啟層理和溝通遠(yuǎn)井天然裂縫，從而提高壓裂改造體積。

1 水平井多段壓裂物理模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與試樣制備

1.1.1 真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)

室內(nèi)壓裂物理模擬試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)裂縫擴(kuò)展規(guī)律的有效手段，大量學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)手段研究了壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律[8-9,21]。多段壓裂試驗(yàn)采用一套真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)，如圖1所示。巖心室尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，可對(duì)邊長(zhǎng)為30 cm的立方體試樣開(kāi)展壓裂模擬試驗(yàn)。應(yīng)力加載系統(tǒng)為巖心室內(nèi)的試樣施加三向應(yīng)力，其中X軸的最大加載應(yīng)力為15 MPa，Y軸和Z軸的最大加載應(yīng)力為30 MPa。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行水力裂縫空間展布定位和破裂機(jī)制分析。為了獲得較好的聲發(fā)射定位效果，在試樣5個(gè)端面的承壓板分別布置2個(gè)普通聲發(fā)射探頭，在1個(gè)端面的承壓板上布置2個(gè)三分量探頭，總共16通道采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。恒速恒壓泵的最大注入排量為500 mL/min，最高注入壓力為65 MPa。低溫浴槽可降低CO2溫度，將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2泵可增壓的液態(tài)。溫度控制系統(tǒng)可控制巖心室和中間容器溫度，用于加熱試樣、壓裂介質(zhì)和染色液。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集注入壓力和排量等數(shù)據(jù)。

圖1 真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)Fig.1 True triaxial hydraulic fracturing system

1.1.2 試樣制備

圖2 壓裂物模試樣及完井示意圖Fig.2 Fracturing specimen and schematic diagram of completion

試驗(yàn)所用巖樣取自同一塊蘆草溝組頁(yè)巖露頭，其層理分布特征和力學(xué)性質(zhì)相近。頁(yè)巖巖樣為邊長(zhǎng)30 cm的立方體，層理面近似平行于巖樣端面。為模擬水平井壓裂，在垂直層理面的表面中心鉆取1個(gè)直徑為2.8 cm、深度約為23.5 cm的盲孔(圖2(a))。將外徑2.5 cm、內(nèi)徑2.2 cm的聚氟乙烯(PVC)管居中放置于此盲孔內(nèi)，并在盲孔底部滴入深度為1.0 cm的高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂，待環(huán)氧樹(shù)脂膠固結(jié)(24 h)后，向盲孔和PVC管之間的環(huán)空注入高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂，將PVC管和試樣固結(jié)。采用數(shù)控割縫機(jī)在井筒不同深度位置徑向切割出6個(gè)直徑為3.4 cm的凹槽，在巖石中的切割深度為0.3 cm，實(shí)現(xiàn)對(duì)套管射孔完井的模擬，射孔位置為9.5、10.5、14.5、15.5、19.5、20.5 cm，每?jī)蓚€(gè)射孔對(duì)應(yīng)一個(gè)壓裂段(圖2(b)，其中d為射孔深度,h為射孔間距,σh、σH和σv分別為最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂向應(yīng)力)。

1.1.3 頁(yè)巖物性參數(shù)測(cè)試

X射線衍射測(cè)試結(jié)果表明，該頁(yè)巖礦物組成以長(zhǎng)石和菱鎂礦為主，其中長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.7%，菱鎂礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.7%，石英和碳酸鹽巖含量適中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.9%和14.8%，黏土礦物含量較低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.9%。壓裂前后采用大尺寸高能CT掃描系統(tǒng)(型號(hào)：IPT4106D)檢測(cè)試樣內(nèi)部層理和裂縫分布，該系統(tǒng)的線性加速器可將X射線源的能量增大到6 MeV，空間分辨率為4 Lp/mm，對(duì)比分辨率為0.4%。壓裂前巖樣CT掃描的結(jié)果表明，蘆草溝組頁(yè)巖含有大量的層理弱面和少量的天然裂縫(圖3(b))。鑄體薄片觀察結(jié)果表明，該頁(yè)巖含有大量厘米級(jí)礦物夾層，礦物夾層與鄰近礦物之間存在明顯界面特征，礦物夾層內(nèi)還存在一些微裂縫(縫寬為5～70 μm)(圖4)。

圖3 壓裂前物模巖樣CT掃描Fig.3 CT scanning of specimen priors to fracturing experiment

圖4 蘆草溝組頁(yè)巖層理和微裂縫Fig.4 Bedding plane and microfractures of Lucaogou shale

通過(guò)單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)得的頁(yè)巖巖樣力學(xué)參數(shù)如表1所示。由表1可知，垂直層理方向頁(yè)巖抗張強(qiáng)度約為平行層理方向的2.3～10倍。

表1 蘆草溝組頁(yè)巖巖石力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)研究區(qū)塊水平應(yīng)力差(8～12 MPa)和垂向應(yīng)力差(10～20 MPa)，設(shè)定壓裂試驗(yàn)的最小水平主應(yīng)力σh、最大水平主應(yīng)力σH和垂向應(yīng)力σv分別為10、20、25 MPa。采用從井筒趾部向跟部的順序分3段壓裂，段間距(s)根據(jù)幾何相似原則確定，設(shè)定段間距為5 cm，每個(gè)壓裂段設(shè)定兩簇射孔，射孔簇間距為1 cm，射孔深度為0.3 cm[21]。為了考察不同壓裂液的壓裂改造效果，采用低黏度滑溜水壓裂液(μ=2.5 mPa·s)和超臨界CO2壓裂液(μ=0.02 mPa·s)、高黏度胍膠壓裂液(μ=200 mPa·s)進(jìn)行單一介質(zhì)的壓裂模擬。此外，對(duì)比分析CO2-胍膠復(fù)合壓裂與單一介質(zhì)壓裂效果的差異。CO2-胍膠復(fù)合壓裂在現(xiàn)場(chǎng)的壓裂順序?yàn)椋炔捎秒夷z垂向啟裂裂縫，然后大排量注入CO2擴(kuò)縫高，達(dá)到提高改造體積的目的。由于裂縫起裂瞬間的擴(kuò)展速率極快，室內(nèi)試驗(yàn)極難控制胍膠僅在井筒附近有限范圍內(nèi)產(chǎn)生裂縫，而不形成貫穿試樣的裂縫。同時(shí)，即使采用胍膠在層理性頁(yè)巖試樣井筒附近形成有限范圍的裂縫，新形成的裂縫可能溝通近井筒的層理，導(dǎo)致后續(xù)注入的CO2通過(guò)層理濾失而無(wú)法在井筒憋起高壓。因此在充分考慮胍膠和CO2在復(fù)合壓裂中作用的基礎(chǔ)上，近似模擬CO2-胍膠復(fù)合壓裂，其方法為：低排量向井筒注入胍膠直至15 MPa，穩(wěn)壓5 min封堵近井區(qū)域的層理和微裂縫，然后大排量將超臨界CO2注入壓裂試樣。其中井筒中胍膠段塞的隔離作用可降低CO2的濾失。

由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，很難獲得水力壓裂應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模參數(shù)。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的性能并遵循相似準(zhǔn)則[22]，設(shè)定不同黏度流體的注入排量：滑溜水和胍膠的排量為20 mL/min，超臨界CO2的排量為100和500 mL/min。壓裂過(guò)程中，試樣和注入流體的溫度維持在地層溫度(80 ℃)。為了避免巖樣在加工過(guò)程中潛在的損壞和巖樣的非均質(zhì)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可靠性的影響，每種試驗(yàn)條件均開(kāi)展了重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 水平井多段壓裂試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 多段壓裂注入井筒

為模擬水平井多段壓裂，研制可重復(fù)使用的三段壓裂注入井筒，如圖5所示。根據(jù)試樣尺寸(30 cm)設(shè)定水平井長(zhǎng)度為22 cm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬射孔完井設(shè)備的性能設(shè)定井眼直徑為2.2 cm。該注入井筒含有3個(gè)獨(dú)立的內(nèi)徑為0.3 cm的注入孔道。當(dāng)注入井筒插入固結(jié)在試樣內(nèi)的PVC管后，3個(gè)注入管道被8個(gè)密封圈分隔成3個(gè)互不連通的壓力系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)第一壓裂段、第二壓裂段和第三壓裂段，每一個(gè)壓裂段由注入孔道和射孔(環(huán)形凹槽)組成。密封圈與PVC管緊密貼合。當(dāng)向某一注入孔道注液時(shí)，密封圈可防止壓裂液進(jìn)入臨近壓裂段，從而實(shí)現(xiàn)多段壓裂模擬。

圖5 多段壓裂注入井筒及其結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Injection tool and its schematic diagram for multi-stage fracturing

1.3.2 試驗(yàn)步驟

以7#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂為例，說(shuō)明水平井多段壓裂模擬步驟：①連接注液管線，將安裝有聲發(fā)射探頭和加熱片的承壓板固定在試樣的6個(gè)表面，用同軸纜線連接聲發(fā)射采集系統(tǒng)，并設(shè)置相關(guān)采集參數(shù)；②沿X軸方向?qū)⒃嚇油迫朐囼?yàn)系統(tǒng)的巖心室內(nèi)，通過(guò)液壓站施加三向應(yīng)力，并維持三向應(yīng)力穩(wěn)定；③將胍膠壓裂液和染色液置于中間容器內(nèi)，啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，將試樣和3個(gè)中間容器加熱(4 h)到地層溫度(80 ℃)；④啟動(dòng)低溫浴槽，當(dāng)溫度降低至-4 ℃后將CO2從鋼瓶導(dǎo)入低溫浴槽，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后采用CO2泵將低溫浴槽內(nèi)的液態(tài)CO2泵入中間容器，直至CO2壓力達(dá)到6.3 MPa，待液態(tài)CO2被中間容器加熱至80 ℃后開(kāi)始?jí)毫眩虎莸谝欢螇毫褧r(shí)，將第一段的注入管線連接裝有胍膠的中間容器，開(kāi)啟恒速恒壓泵，并開(kāi)始采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)和井口壓力數(shù)據(jù)；以低排量向井筒中注入胍膠，當(dāng)壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，恒定壓力注入5 min；恒定排量100 mL/min注入CO2，當(dāng)注入壓力高于7.38 MPa時(shí)，CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)；試樣破裂后，在壓力波動(dòng)較小時(shí)停泵，待注入壓力趨于穩(wěn)定時(shí)停止采集數(shù)據(jù)；在低注入壓力條件下將染色液注入試樣井筒，將裂縫面染色；⑥壓裂第2段和第3段時(shí)，調(diào)整相應(yīng)管線閥門(mén)，并重復(fù)步驟⑤；⑦試驗(yàn)結(jié)束后取出巖樣，采用CT掃描方法無(wú)損檢測(cè)試樣某一截面位置的裂縫形態(tài)，采用沿裂縫將試樣剖分的方法可直接觀察裂縫在三維空間的展布和裂縫面形貌，兩種方法相結(jié)合可明確裂縫在二維和三維空間的形態(tài)，從多個(gè)角度展現(xiàn)裂縫高度擴(kuò)展結(jié)果；⑧解釋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取各段聲發(fā)射事件空間分布和震源(破裂)機(jī)制，并結(jié)合CT掃描、試樣剖分結(jié)果分析裂縫擴(kuò)展路徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破裂壓力、裂縫形態(tài)及破裂機(jī)制統(tǒng)計(jì)結(jié)果

共開(kāi)展10組水平井多段壓裂試驗(yàn)，破裂壓力和裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。由表3可知，胍膠、滑溜水、超臨界CO2和CO2-胍膠復(fù)合壓裂的平均破裂壓力分別為27.4、23.7、10.3和19.4 MPa。由于1#～4#試樣形成了連通射孔的層理縫，導(dǎo)致滑溜水第三段壓裂、超臨界CO2第二段和第三段壓裂未能起裂新裂縫。由表3可知，相同試驗(yàn)條件下的破裂壓力和裂縫形態(tài)相近，考慮到論述邏輯和文章篇幅，本文中僅著重分析具有代表性的5組試驗(yàn)結(jié)果(1#、3#、6#、7#、10#)。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的P波極性(膨脹型初動(dòng)的比例λ)判斷破裂機(jī)制：壓縮破裂(λ≤0.3)、剪切破裂(0.3<λ<0.7)和張性破裂(λ≥0.7)[23-24]。圖6為5組代表性多段壓裂試驗(yàn)的破裂機(jī)制(剪切和張性事件的比例)。由圖6可知，胍膠、滑溜水和超臨界CO2壓裂形成裂縫過(guò)程中張性破裂占主導(dǎo)(58.7%)，CO2-胍膠復(fù)合壓裂形成裂縫過(guò)程中剪切破裂占主導(dǎo)(51.8%)。

表3 破裂壓力和裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 代表性多段壓裂試驗(yàn)的破裂機(jī)制Fig.6 Failure mechanism of representative fracturing experiments

2.2 多段壓裂動(dòng)態(tài)破裂特征

圖7為3段均起裂的6#試樣和7#試樣的壓裂曲線，以此為例說(shuō)明多段壓裂的動(dòng)態(tài)破裂特征。由圖7(a)可知，在6#試樣胍膠壓裂第一段的起壓階段(t=0～157 s)，注入壓力以0.175 MPa/s的速率迅速增加，當(dāng)注入壓力高于21 MPa后有少量聲發(fā)射事件(小于5 s-1)，表明近井筒區(qū)域可能有微裂隙生成。在t=157 s時(shí)，注入壓力達(dá)到最高點(diǎn)26.7 MPa，之后注入壓力急劇下降，相應(yīng)地聲發(fā)射率達(dá)到峰值(大于40 s-1)，表明試樣破裂形成宏觀裂縫。第二段壓裂的注入壓力波動(dòng)和聲發(fā)射響應(yīng)特征與第一段壓裂相似，破裂壓力相當(dāng)，但聲發(fā)射事件略少于第一段，說(shuō)明第二段裂縫形態(tài)較第一段簡(jiǎn)單[25]。第三段壓裂的注入壓力在達(dá)到13.3 MPa后急劇降低，此時(shí)聲發(fā)射事件達(dá)到峰值(大于20 s-1)，表明試樣破裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于沿垂直于井筒方向起裂，沿層理弱面起裂的破裂壓力更低，且聲發(fā)射事件數(shù)量減少。

圖7 胍膠壓裂和CO2-胍膠復(fù)合壓裂的聲發(fā)射響應(yīng)曲線Fig.7 Acoustic emission (AE) respense cures of gel and CO2-gel hybrid fracturing

由圖7(b)可知:在7#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂第一段的t為0～328 s時(shí)間段，胍膠注入壓力迅速增大到15 MPa并保持恒定;t為328～640 s，注入壓力從6.5 MPa以0.005 MPa/s的速率緩慢增加至7.93 MPa，此階段未監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射事件;t為640～838 s，注入壓力從7.93 MPa以0.057 MPa/s的速率逐漸增加至19.2 MPa，在注入壓力大于14.5 MPa后開(kāi)始有少量聲發(fā)射事件(小于5 s-1)，說(shuō)明近井筒區(qū)域可能形成了少量微裂縫;t為838～850 s，注入壓力急劇降低，試樣破裂，聲發(fā)射事件數(shù)量大幅增加(大于50 s-1)。CO2-胍膠復(fù)合壓裂的破裂壓力明顯高于超臨界CO2直接壓裂，試樣破裂瞬間超臨界CO2釋放的彈性能更多。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高壓(15 MPa)條件下向井筒內(nèi)注入高黏度胍膠(μ=200 mPa·s)可封堵近井筒的層理和微裂縫，且胍膠段塞的隔離作用大大減弱了超臨界CO2的濾失。然而，具有超低黏度(μ=0.02 mPa·s)和高擴(kuò)散率特性的超臨界CO2仍能穿過(guò)胍膠段塞，滲入近井孔隙或微裂縫中，進(jìn)而增大孔隙壓力和降低有效法向應(yīng)力[26]，從而使其破裂壓力低于胍膠壓裂的破裂壓力，降低幅度為29.2%。同時(shí)，層理內(nèi)孔隙壓力的升高可促進(jìn)層理的剪切激活，從而使開(kāi)啟的層理數(shù)量增多，壓裂改造體積進(jìn)一步提高。

2.3 低黏度滑溜水和超臨界CO2壓裂

圖8 1#試樣滑溜水和3#試樣超臨界CO2壓裂的裂縫形態(tài)Fig.8 Fracture geometry of slickwater fracturing in specimen 1# and supercritical CO2 fracturing in specimen 3#

滑溜水體積壓裂具有易形成復(fù)雜裂縫的優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層改造的技術(shù)[27]。相比于滑溜水壓裂，CO2壓裂可在均質(zhì)致密砂巖儲(chǔ)層形成多分支縫，從而提高裂縫復(fù)雜程度[28]。1#試樣滑溜水壓裂和3#試樣超臨界CO2壓裂形成的裂縫形態(tài)如圖8所示。由圖8(a)可知，層理發(fā)育的蘆草溝組頁(yè)巖采用滑溜水壓裂僅有第一段正常起裂，形成一條與井筒斜交的水力裂縫，在遠(yuǎn)離井筒區(qū)域溝通一條天然裂縫。第二段壓裂形成一條連通井筒的層理縫BP，張性事件比例高達(dá)70.2%，層理的開(kāi)啟表現(xiàn)出明顯的張開(kāi)破壞特征。由于層理縫BP溝通了第三段射孔，進(jìn)而導(dǎo)致第三段壓裂失敗。因此建議層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井滑溜水壓裂改造的段(簇)間距不宜過(guò)小，以免段間裂縫在近井區(qū)域通過(guò)層理弱面相互連通。

3#試樣超臨界CO2壓裂第一段時(shí)，當(dāng)注入壓力達(dá)到10.7 MPa時(shí)，試樣破裂，形成兩條與井筒連通的層理縫(圖8(b))。第一段壓裂破裂時(shí)，張性事件占主導(dǎo)(65.9%)(圖6)。第一段壓裂形成的層理縫溝通了第二段和第三段的射孔，導(dǎo)致第二段和第三段因無(wú)法在井筒憋起高壓而不能起裂新裂縫。超臨界CO2具有超低黏度和高濾失速率的特性[26]，易滲入并開(kāi)啟具有較高滲透率的層理，其高濾失性嚴(yán)重限制了裂縫的垂向擴(kuò)展程度。因此層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層采用CO2直接壓裂存在縫高受限的問(wèn)題。

2.4 高黏度胍膠壓裂

圖9 6#試樣胍膠壓裂的裂縫形態(tài)、CT掃描及聲發(fā)射定位Fig.9 Results of fracture geometry, CT scanning and AE localization of gel fracturing in specimen 6#

6#試樣胍膠壓裂形成的裂縫形態(tài)、CT掃描及聲發(fā)射定位如圖9所示。圖9(b)中展示在CT掃描切片上的圓點(diǎn)為分布于CT掃描位置(Y=15 cm)兩側(cè)1.5 cm范圍內(nèi)(Y=13.5～16.5 cm)的聲發(fā)射事件，紅點(diǎn)、藍(lán)點(diǎn)、綠點(diǎn)分別代表第一段、第二段、第三段壓裂聲發(fā)射事件，下同。由圖9可知:第一段壓裂形成一條斜交縫HF1，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果表明水力裂縫HF1溝通了遠(yuǎn)離井筒的層理BP1和天然裂縫NF,其原因?yàn)樘烊涣芽pNF膠結(jié)較差、黏聚力較小，水力裂縫HF1以大接觸角與天然裂縫NF相交時(shí)易將其開(kāi)啟[29-30];第二段壓裂起裂一條偏向于HF1的斜交縫HF2，HF2在擴(kuò)展過(guò)程中與HF1合并，并溝通天然裂縫NF;第三段壓裂形成一條與井筒相交的層理縫BP2，聲發(fā)射事件分布于第三段射孔附近(圖9(b))。由圖6可知，第一段壓裂的剪切事件比例(38.5%)遠(yuǎn)高于第二段壓裂(15.6%)和第三段壓裂(10.9%)，說(shuō)明斜交縫的形成、層理和天然裂縫的激活過(guò)程中剪切破壞增多，裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜。

試驗(yàn)結(jié)果表明，胍膠壓裂可以有效突破井筒附近層理，沿近似垂直于水平最小主應(yīng)力方向起裂后，在縫長(zhǎng)和縫高方向同步擴(kuò)展，尤其是顯著增大了垂向改造程度，溝通了遠(yuǎn)離井筒的層理和天然裂縫，從而在一定程度上提高了頁(yè)巖儲(chǔ)層的改造體積。胍膠壓裂的垂向擴(kuò)展程度明顯高于滑溜水和超臨界CO2壓裂，說(shuō)明胍膠壓裂對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較好的適應(yīng)性。然而，由于高黏胍膠低濾失的特性，胍膠壓裂開(kāi)啟的層理縫較少，壓裂改造體積仍具有進(jìn)一步提高的潛力。

2.5 CO2-胍膠復(fù)合壓裂

7#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂形成的裂縫形態(tài)、CT掃描及聲發(fā)射定位如圖10所示。由圖10(a)、(b)可知:第一段壓裂形成兩條水力裂縫，開(kāi)啟一個(gè)層理面BP1，溝通一條天然裂縫NF1;第二段壓裂形成一條斜交縫HF2，在擴(kuò)展過(guò)程中與水力裂縫HF1溝通合并;第三段壓裂形成一條階梯狀橫切縫HF3，形成三條層理縫(BP2、BP3和BP4)，并溝通天然裂縫NF2。7#試樣壓裂形成了一個(gè)由水力裂縫、層理和天然裂縫組成的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，相比于滑溜水、超臨界CO2和胍膠壓裂的裂縫形態(tài)更復(fù)雜，壓裂改造體積顯著提高。由圖10(c)、(d)可知，聲發(fā)射事件集中于射孔附近，同時(shí)聲發(fā)射事件分布于水力裂縫、層理縫和天然裂縫附近，表明水力裂縫與天然裂縫或?qū)永硐嘤龊蠹せ盍诉@些力學(xué)強(qiáng)度弱面。CO2-胍膠復(fù)合壓裂三段均正常起裂，剪切事件占主導(dǎo)(49.7%)，高于滑溜水、超臨界CO2和胍膠壓裂的剪切事件比例(圖6)。胍膠段塞的隔離作用可有效封堵近井層理，降低了超臨界CO2的濾失，使超臨界CO2可以在井筒憋起高壓，從而提高了CO2-胍膠復(fù)合壓裂的成功率。此外，試樣破裂瞬間，高壓的超臨界CO2釋放大量彈性能，促進(jìn)了裂縫的垂向擴(kuò)展，同時(shí)水力裂縫的張開(kāi)可促進(jìn)層理的剪切激活，從而顯著提高壓裂改造體積。

泵注排量是影響壓裂改造效果的重要工程因素之一[27]。在排量500 mL/min條件下，10#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂裂縫形態(tài)、CT掃描及聲發(fā)射定位如圖11所示。由圖11可知:第一段壓裂形成一條橫切縫、一條斜交縫和4條層理縫，并溝通一條天然裂縫；第二段壓裂形成一條橫切縫；第三段壓裂形成一條橫切縫、一條縱向縫和一條遠(yuǎn)離井筒的層理縫。相比于7#試樣(Q=100 mL/min)，10#試樣3段壓裂(Q=500 mL/min)的破裂壓力升高10.1%，剪切事件比例提高4.2%，且裂縫復(fù)雜程度進(jìn)一步提高。隨著排量的提高，水力裂縫傾向于垂直井筒起裂擴(kuò)展，開(kāi)啟的層理數(shù)量增多，壓裂改造體積增大。其原因?yàn)椋号帕可呤笴O2增壓速率增大，CO2向頁(yè)巖中滲入的時(shí)間變短、滲入程度減弱，孔隙壓力增大的幅度降低，導(dǎo)致破裂壓力升高[31]；當(dāng)試樣在較高注入壓力條件下破裂時(shí)，CO2能量釋放率增大，在10 MPa高水平應(yīng)力差條件下更有利于形成垂直于井筒軸線的橫切縫，且橫切縫的張開(kāi)變形對(duì)層理的激活作用更強(qiáng)，形成的層理縫更多，從而使壓裂改造體積進(jìn)一步增大。

圖10 7#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂(100 mL/min)的裂縫形態(tài)、CT掃描和聲發(fā)射定位Fig.10 Results of fracture geometry, CT scanning and AE localization of CO2-gel hybrid fracturing in specimen 7# with injection rate of 100 mL/min

前期研究發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)均質(zhì)的盒8致密砂巖儲(chǔ)層超臨界CO2壓裂可形成多分支裂縫，而在砂質(zhì)紋層發(fā)育的長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層超臨界CO2壓裂可形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[28]。然而，由于超臨界CO2的高濾失性和近井筒區(qū)域發(fā)育的層理弱面，3#和4#試樣超臨界CO2壓裂僅形成與井筒連通的層理縫，縫高嚴(yán)重受限。1#和2#試樣滑溜水壓裂雖然能在一定程度上突破層理，但近井筒的層理易于被開(kāi)啟，導(dǎo)致縫高受限。胍膠壓裂液具有高黏度、低濾失的特性，常與滑溜水壓裂液復(fù)合應(yīng)用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的體積壓裂改造，即利用高黏胍膠起裂造縫，然后通過(guò)低黏滑溜水延伸裂縫，并攜帶支撐劑將水力裂縫支撐[27]。5#和6#試樣試驗(yàn)結(jié)果表明，胍膠壓裂可突破層理對(duì)裂縫高度的限制，然而形成的層理縫較少，裂縫改造體積仍具有進(jìn)一步提高的潛力。7#和8#試樣CO2-胍膠復(fù)合壓裂形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，說(shuō)明綜合利用胍膠壓裂液低濾失的特性突破層理、CO2的高壓縮性造復(fù)雜裂縫的優(yōu)勢(shì)可提高壓裂改造體積，即CO2-胍膠復(fù)合壓裂相比于滑溜水、超臨界CO2和胍膠壓裂，在層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層具有更好的適應(yīng)性。

3 結(jié) 論

(1)滑溜水壓裂在一定程度上可突破層理對(duì)縫高的限制，但由于近井筒層理的開(kāi)啟和平面延伸溝通了未壓裂段的射孔，可能導(dǎo)致后續(xù)壓裂失敗。建議現(xiàn)場(chǎng)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層滑溜水壓裂改造的段(簇)間距不宜過(guò)小，以免段間裂縫在近井區(qū)域通過(guò)層理連通。超臨界CO2壓裂裂縫易沿層理方向擴(kuò)展，垂向裂縫擴(kuò)展嚴(yán)重受限，不建議直接用于層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂。胍膠壓裂可突破層理對(duì)裂縫高度的限制，裂縫垂向擴(kuò)展程度明顯高于滑溜水和超臨界CO2壓裂，但開(kāi)啟層理的數(shù)量較少，水平方向改造程度較低。CO2-胍膠復(fù)合壓裂可顯著提高裂縫垂向擴(kuò)展程度，同時(shí)在水平方向開(kāi)啟大量層理，并溝通遠(yuǎn)井區(qū)域的天然裂縫，從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂改造體積顯著提高。提高CO2-胍膠復(fù)合壓裂中CO2的注入排量，水力裂縫傾向于垂直井筒起裂，開(kāi)啟的層理數(shù)量增多，壓裂改造體積增大。

(2)提出一種針對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層的CO2-胍膠復(fù)合壓裂方法，即先注入高黏胍膠壓裂液?jiǎn)⒘蚜芽p，在近井區(qū)域垂向突破層理，然后大排量注入CO2，進(jìn)一步在高度方向擴(kuò)展裂縫，同時(shí)通過(guò)在水平方向開(kāi)啟大量層理、溝通遠(yuǎn)井天然裂縫，提高垂向和水平方向的改造程度，從而提高壓裂改造體積。