液氮低溫-高壓耦合作用頁岩破裂成縫機理研究

《液氮低溫-高壓耦合作用頁岩破裂成縫機理研究》是依託中國礦業大學，由蔡承政擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液氮低溫-高壓耦合作用頁岩破裂成縫機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡承政
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

液氮壓裂可有效避免水力壓裂存在的儲層傷害和水資源過度消耗等問題，有望為頁岩氣高效開發提供一條新途徑。本項目擬採用宏、細觀相結合的方法，開展液氮低溫-高壓耦合作用頁岩破裂成縫機理研究。具體內容包括：基於SEM和CT測試方法，研究頁岩與液氮接觸後的微裂紋擴展特徵及力學機制，分析液氮超低溫作用下頁岩的微觀損傷演化機理；根據聲發射定位和CT掃描結果，研究液氮低溫-高壓耦合作用下頁岩的動態破裂路徑和破壞模式，分析液氮超低溫引起的微裂紋擴展演化與頁岩巨觀斷裂破壞的關聯性，進而揭示液氮低溫-高壓耦合致裂頁岩機理；研究液氮低溫-高壓耦合致裂後頁岩裂縫的分形特徵，探索液氮流量、冷凍時間、圍壓、溫差以及層理方向對裂縫複雜程度的影響規律，建立液氮低溫-高壓耦合作用下頁岩成縫能力的評價方法。通過本項目研究，對於揭示液氮對頁岩的造縫機制具有重要意義，可為頁岩液氮壓裂參數的最佳化設計提供理論依據。

結題摘要

液氮壓裂是一種新型的無水壓裂方法，可望為頁岩氣高效開發提供一條新途徑。為揭示液氮低溫-高壓耦合作用頁岩破裂成縫機理並探索高效的液氮壓裂工藝，圍繞液氮對頁岩的低溫損傷機制、溫壓耦合致裂機理及其與岩石之間的對流換熱特性等開展研究，主要成果如下：（1）採用宏、細觀力學實驗方法，研究了液氮低溫作用對頁岩微裂紋及力學參數的影響。液氮低溫作用能夠增加頁岩損傷程度，促進頁岩內部微裂紋的擴展、微裂紋尺度和裂紋體積的增加，孔隙體積最大增幅為14.8%；微裂紋的擴展能夠使頁岩滲透率升高、超音波速降低及載入破裂程度增加，這對提高儲層改造效果十分有利。（2）開展了頁岩液氮低溫-壓力耦合致裂實驗，得到不同初始溫度下頁岩的破裂特徵和裂縫形態。液氮氣化膨脹所產生的壓力能夠有效壓裂頁岩，形成巨觀裂縫。在液氮低溫-高壓耦合作用下，頁岩的破裂模式主要為沿弱面破壞，裂縫與孔眼軸線呈一定夾角。在液氮壓裂時頁岩的破裂壓力隨其初始溫度升高而降低，且破裂模式轉化為沿孔眼軸線的拉張破裂。（3）研究了液氮處理方式對頁岩低溫-壓力耦合致裂效果的影響規律。液氮低溫作用產生損傷能夠增強頁岩微觀結構連通性，形成新的弱面，導致低溫處理岩樣的破裂模式以局部裂縫為主。在低溫冷凍狀態下，頁岩的破裂壓力平均比原始岩樣高11.76%，由於壓裂過程中液氮容易沿著張開的裂縫從孔眼內部滲透到岩樣外部，導致微裂縫不能充分擴展，頁岩破裂模式主要為開度較小的局部裂縫。（4）模擬了液氮注入過程中的井底流場和溫度場，液氮射流流場結構、射流衝擊能力以及在地層孔道內的增壓效果。液氮能夠導致井底溫度迅速降低，從而產生顯著的熱衝擊效果；根據流體的相態，可以將液氮射流分為液氮射流區和非液氮射流區，並且射流具有明顯的速度邊界、溫度邊界和等速核；液氮射流能夠在地層孔道內產生與水射流相當的增壓效果。綜上，液氮噴射壓裂具有明顯優勢，有望為頁岩氣開發提供一條新途徑。