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超临界二氧化碳对致密砂岩力学特性影响的实验研究

侯冰;宋振云;贾建鹏;苏伟东;王迪

【摘要】超临界二氧化碳压裂改造有利于提高单井产量,但超临界二氧化碳对岩石

力学特性的影响规律亟待室内实验分析.利用高温高压岩石三轴仪对致密砂岩开展

超临界二氧化碳作用下岩石力学特性测试实验,研究超临界二氧化碳、水等饱和流

体作用效果及超临界二氧化碳作用下不同温度、围压和孔压对致密砂岩弹性模量、

抗压强度、泊松比和脆性指数的影响规律.实验结果表明:相比无孔隙流体和饱和水,

饱和超临界二氧化碳时砂岩抗压强度和弹性模量明显降低;饱和超临界二氧化碳时,

温度升高时致密砂岩岩样的抗压强度和杨氏模量增大、泊松比和脆性指数减小,围

压增大时致密砂岩岩样的抗压强度和杨氏模量先减小后增大、泊松比先稍有增大后

明显减小、脆性指数先稍有减小后大幅降低,孔压增大时致密砂岩岩样的抗压强度、

杨氏模量和脆性指数减小、泊松比增大.本文研究结果对于超临界二氧化碳压裂施

工参数设计具有一定指导意义.

【期刊名称】《中国海上油气》

【年(卷),期】2018(030)005

【总页数】7页(P109-115)

【关键词】超临界二氧化碳;致密砂岩;岩石力学特性;影响因素;压裂

【作者】侯冰;宋振云;贾建鹏;苏伟东;王迪

【作者单位】中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249;

中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院陕西西安710016;中国

石油天然气集团有限公司油气藏改造重点实验室-二氧化碳压裂增产研究室陕西西

安710016;中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心陕西西安710016;中国

石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院陕西西安710016;中国石油

天然气集团有限公司油气藏改造重点实验室-二氧化碳压裂增产研究室陕西西安

710016;中国石化石油勘探开发研究院北京100083

【正文语种】中文

【中图分类】TE357.3

中国致密砂岩气资源丰富，对其进行高效勘探开发有利于能源结构调整。致密砂岩

气藏具有低渗透率、低孔隙度的特点，常规开采效益较低[1-2]，但利用超临界二

氧化碳流体进行储层压裂改造有利于提高单井产量。为了深入探讨超临界二氧化碳

相较于滑溜水、瓜胶等其他压裂液在裂缝起裂和缝网形态上的优势，就必须研究其

对砂岩性质的改造。

国内外学者针对二氧化碳对岩石力学性质的影响进行了大量研究。宋土顺等[3]研

究了水热条件下二氧化碳流体与岩屑长石砂岩的相互作用，发现溶蚀主要发生在砂

岩低能位和晶格缺陷位置，形成次生孔隙，同时产生水铝矿和黏土矿物的次生沉淀

物。Oikawa等[4]实验测试发现在超临界二氧化碳作用下Berea砂岩的抗压强度、

杨氏模量与泊松比降低；赵仁保等[5]发现二氧化碳溶蚀导致原生孔隙扩大并产生

次生孔隙，使得岩石抗拉及抗压强度下降，渗透率增加，弹性模量的变化则较为复

杂；朱子涵等[6]发现矿物溶蚀和沉淀作用是二氧化碳作用下储层岩性改变的直接

原因。在二氧化碳压裂方面，Ishida[7]研究了超临界及超临界二氧化碳压裂花岗

石岩样的声发射响应情况，结果显示超临界二氧化碳更容易形成三维裂缝，而这两

种都比水基压裂液效果更好。二氧化碳压裂相较于水力压裂起裂压力更低,因此苏

伟东等[8]将干法二氧化碳压裂应用于苏里格气田取得了增产效果。

高温高压三轴实验是研究地层条件下二氧化碳对致密砂岩岩石力学性质影响最有效、

最直观的方法之一，前人开展的拟三轴岩石力学实验研究是将超临界二氧化碳浸泡

与岩石力学性质测试分离进行，难以避免温压变化会对岩石力学性质产生影响。笔

者采用致密砂岩露头开展高温高压真三轴岩石力学性质测试实验，对比多种不同流

体和温压条件下岩石力学参数变化，重点研究不同地层条件下超临界二氧化碳对致

密砂岩岩石力学参数的影响，以期为超临界二氧化碳压裂设计提供参考。

1致密砂岩高温高压真三轴实验

1.1试样制备及实验装置

试件由致密砂岩露头加工而成。室内钻取岩心柱试样，在室温、10MPa围压及无

孔隙流体注入条件下测得抗压强度为160.0MPa，杨氏模量为23.34GPa，泊松

比为0.32，脆性指数为0.52。

实验装置是采用RTR-1500高温高压岩石三轴仪，最高加载温度200℃，最大加

载围压140MPa，最大孔隙压力140MPa，最大轴向静态压力1000kN，最大

轴向动态压力800kN，最大试样直径54mm，可满足7000m以深高