頁巖油水平井多段壓裂裂縫高度擴展試驗

張士誠， 李四海， 鄒雨時， 李建民， 馬新仿，張嘯寰， 王卓飛， 吳 珊

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

中國頁巖油資源潛力巨大，已成為繼頁巖氣之后非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的新熱點[1-3]。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油含量豐富，其井控儲量為11.12億t，已成為中國首個國家級陸相頁巖油建設示范區(qū)[4]。蘆草溝組頁巖油儲層厚度平均為200 m，埋深平均為3 570 m；儲層物性差，覆壓下孔隙度平均為11%，滲透率平均為0.01 ×10-3μm2[5]；水平應力差(8～12 MPa)較大，天然裂縫整體不發(fā)育[6]。蘆草溝組頁巖油的另一個重要特點是地層呈薄互層狀，單層厚度為厘米級，層理弱面特征明顯，同時在上下甜點體內存在高強度泥巖隔層遮擋層。由于層理面和高強度泥巖隔層的影響，采用常規(guī)水基壓裂存在水力裂縫縱向穿層能力受限、油層整體動用難的問題，制約了頁巖油開發(fā)效果[6-7]。馬新仿等[8]曾采用層理膠結強度較弱的龍馬溪組頁巖開展了真三軸壓裂模擬試驗，發(fā)現水力裂縫容易沿著層理面轉向擴展，裂縫垂向擴展受到限制。此外，相關數值模擬研究驗證了層理對裂縫垂向擴展的限制作用[9-10]。從二十世紀八十年代初開始，國內外學者在常規(guī)砂巖儲層進行了大量的CO2壓裂礦場實踐，且主要應用于低壓、低滲、高水敏的氣井增產改造，并取得了良好的增產效果[11-15]。新疆油田針對吉木薩爾蘆草溝組地層原油黏度高、流動性差的問題，正在積極推動CO2前置壓裂技術，通過壓裂后燜井促進CO2與原油混相，達到降低原油黏度的目的[16]。同時，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，其獨特的優(yōu)勢可進一步提高非常規(guī)油氣資源開發(fā)的潛力[17-18]。然而，CO2具有低/超低黏度，易向頁巖儲層的層理中滲濾，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展的問題[19]。東勝氣田已成功開展了CO2復合干法壓裂試驗，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均質的致密砂巖儲層造復雜縫，并結合高黏雙極性壓裂液攜帶支撐劑進入裂縫并支撐裂縫[20]。從綜合利用不同壓裂介質特性的角度考慮，能否通過高黏度胍膠啟縫、CO2進一步擴展裂縫的復合壓裂方式突破層理對裂縫高度的限制，需進一步研究頁巖儲層CO2-胍膠復合壓裂相比于常規(guī)水基壓裂、CO2直接壓裂縫高擴展的優(yōu)勢。此外，針對天然頁巖的室內壓裂模擬試驗多采用裸眼完井方法[8]，或采用預置含模擬射孔的井筒和人工澆鑄巖樣相結合的方法[21]，其裂縫擴展規(guī)律與實際存在差異。針對上述問題，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-胍膠復合壓裂的裂縫高度擴展規(guī)律，并分析排量對復合壓裂縫網形成的影響?；谠囼灲Y果，提出一種適合于層理性頁巖儲層的CO2-胍膠復合壓裂新方法，即先采用高黏度胍膠壓裂液啟縫，在近井區(qū)域突破層理，然后大排量注入CO2進一步擴縫高、開啟層理和溝通遠井天然裂縫，從而提高壓裂改造體積。

1 水平井多段壓裂物理模擬試驗

1.1 試驗裝置與試樣制備

1.1.1 真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)

室內壓裂物理模擬試驗是認識裂縫擴展規(guī)律的有效手段，大量學者通過室內試驗手段研究了壓裂裂縫擴展規(guī)律[8-9,21]。多段壓裂試驗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，可對邊長為30 cm的立方體試樣開展壓裂模擬試驗。應力加載系統(tǒng)為巖心室內的試樣施加三向應力，其中X軸的最大加載應力為15 MPa，Y軸和Z軸的最大加載應力為30 MPa。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)可進行水力裂縫空間展布定位和破裂機制分析。為了獲得較好的聲發(fā)射定位效果，在試樣5個端面的承壓板分別布置2個普通聲發(fā)射探頭，在1個端面的承壓板上布置2個三分量探頭，總共16通道采集聲發(fā)射數據。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、壓裂介質和染色液。數據采集系統(tǒng)可實時采集注入壓力和排量等數據。

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

試驗所用巖樣取自同一塊蘆草溝組頁巖露頭，其層理分布特征和力學性質相近。頁巖巖樣為邊長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、內徑2.2 cm的聚氟乙烯(PVC)管居中放置于此盲孔內，并在盲孔底部滴入深度為1.0 cm的高強度環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂膠固結(24 h)后，向盲孔和PVC管之間的環(huán)空注入高強度環(huán)氧樹脂，將PVC管和試樣固結。采用數控割縫機在井筒不同深度位置徑向切割出6個直徑為3.4 cm的凹槽，在巖石中的切割深度為0.3 cm，實現對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，每兩個射孔對應一個壓裂段(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力、最大水平主應力和垂向應力)。

1.1.3 頁巖物性參數測試

X射線衍射測試結果表明，該頁巖礦物組成以長石和菱鎂礦為主，其中長石質量分數為36.7%，菱鎂礦質量分數為25.7%，石英和碳酸鹽巖含量適中，質量分數分別為16.9%和14.8%，黏土礦物含量較低,質量分數為5.9%。壓裂前后采用大尺寸高能CT掃描系統(tǒng)(型號：IPT4106D)檢測試樣內部層理和裂縫分布，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，對比分辨率為0.4%。壓裂前巖樣CT掃描的結果表明，蘆草溝組頁巖含有大量的層理弱面和少量的天然裂縫(圖3(b))。鑄體薄片觀察結果表明，該頁巖含有大量厘米級礦物夾層，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 蘆草溝組頁巖層理和微裂縫Fig.4 Bedding plane and microfractures of Lucaogou shale

通過單軸壓縮和巴西劈裂試驗測得的頁巖巖樣力學參數如表1所示。由表1可知，垂直層理方向頁巖抗張強度約為平行層理方向的2.3～10倍。

表1 蘆草溝組頁巖巖石力學參數

1.2 試驗方案

根據研究區(qū)塊水平應力差(8～12 MPa)和垂向應力差(10～20 MPa)，設定壓裂試驗的最小水平主應力σh、最大水平主應力σH和垂向應力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)根據幾何相似原則確定，設定段間距為5 cm，每個壓裂段設定兩簇射孔，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)進行單一介質的壓裂模擬。此外，對比分析CO2-胍膠復合壓裂與單一介質壓裂效果的差異。CO2-胍膠復合壓裂在現場的壓裂順序為，先采用胍膠垂向啟裂裂縫，然后大排量注入CO2擴縫高，達到提高改造體積的目的。由于裂縫起裂瞬間的擴展速率極快，室內試驗極難控制胍膠僅在井筒附近有限范圍內產生裂縫，而不形成貫穿試樣的裂縫。同時，即使采用胍膠在層理性頁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，導致后續(xù)注入的CO2通過層理濾失而無法在井筒憋起高壓。因此在充分考慮胍膠和CO2在復合壓裂中作用的基礎上，近似模擬CO2-胍膠復合壓裂，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。

由于實驗室條件的限制，很難獲得水力壓裂應用的現場規(guī)模參數。因此根據實驗室設備的性能并遵循相似準則[22]，設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程中潛在的損壞和巖樣的非均質性對試驗結果可靠性的影響，每種試驗條件均開展了重復試驗，試驗方案如表2所示。

表2 水平井多段壓裂試驗方案

1.3 試驗方法

1.3.1 多段壓裂注入井筒

為模擬水平井多段壓裂，研制可重復使用的三段壓裂注入井筒，如圖5所示。根據試樣尺寸(30 cm)設定水平井長度為22 cm，根據實驗室模擬射孔完井設備的性能設定井眼直徑為2.2 cm。該注入井筒含有3個獨立的內徑為0.3 cm的注入孔道。當注入井筒插入固結在試樣內的PVC管后，3個注入管道被8個密封圈分隔成3個互不連通的壓力系統(tǒng)，分別對應第一壓裂段、第二壓裂段和第三壓裂段，每一個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。當向某一注入孔道注液時，密封圈可防止壓裂液進入臨近壓裂段，從而實現多段壓裂模擬。

圖5 多段壓裂注入井筒及其結構示意圖Fig.5 Injection tool and its schematic diagram for multi-stage fracturing

1.3.2 試驗步驟

以7#試樣CO2-胍膠復合壓裂為例，說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個表面，用同軸纜線連接聲發(fā)射采集系統(tǒng)，并設置相關采集參數；②沿X軸方向將試樣推入試驗系統(tǒng)的巖心室內，通過液壓站施加三向應力，并維持三向應力穩(wěn)定；③將胍膠壓裂液和染色液置于中間容器內，啟動溫度控制系統(tǒng)，將試樣和3個中間容器加熱(4 h)到地層溫度(80 ℃)；④啟動低溫浴槽，當溫度降低至-4 ℃后將CO2從鋼瓶導入低溫浴槽，使其轉變?yōu)橐簯B(tài)，然后采用CO2泵將低溫浴槽內的液態(tài)CO2泵入中間容器，直至CO2壓力達到6.3 MPa，待液態(tài)CO2被中間容器加熱至80 ℃后開始壓裂；⑤第一段壓裂時，將第一段的注入管線連接裝有胍膠的中間容器，開啟恒速恒壓泵，并開始采集聲發(fā)射數據和井口壓力數據；以低排量向井筒中注入胍膠，當壓力達到15 MPa時，恒定壓力注入5 min；恒定排量100 mL/min注入CO2，當注入壓力高于7.38 MPa時，CO2轉變?yōu)槌R界態(tài)；試樣破裂后，在壓力波動較小時停泵，待注入壓力趨于穩(wěn)定時停止采集數據；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，調整相應管線閥門，并重復步驟⑤；⑦試驗結束后取出巖樣，采用CT掃描方法無損檢測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，兩種方法相結合可明確裂縫在二維和三維空間的形態(tài)，從多個角度展現裂縫高度擴展結果；⑧解釋聲發(fā)射監(jiān)測數據，獲取各段聲發(fā)射事件空間分布和震源(破裂)機制，并結合CT掃描、試樣剖分結果分析裂縫擴展路徑。

2 試驗結果分析

2.1 破裂壓力、裂縫形態(tài)及破裂機制統(tǒng)計結果

共開展10組水平井多段壓裂試驗，破裂壓力和裂縫形態(tài)統(tǒng)計結果如表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組試驗結果(1#、3#、6#、7#、10#)。根據聲發(fā)射信號的P波極性(膨脹型初動的比例λ)判斷破裂機制：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的破裂機制(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壓裂形成裂縫過程中張性破裂占主導(58.7%)，CO2-胍膠復合壓裂形成裂縫過程中剪切破裂占主導(51.8%)。

表3 破裂壓力和裂縫形態(tài)統(tǒng)計結果

圖6 代表性多段壓裂試驗的破裂機制Fig.6 Failure mechanism of representative fracturing experiments

2.2 多段壓裂動態(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，以此為例說明多段壓裂的動態(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，注入壓力達到最高點26.7 MPa，之后注入壓力急劇下降，相應地聲發(fā)射率達到峰值(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和聲發(fā)射響應特征與第一段壓裂相似，破裂壓力相當，但聲發(fā)射事件略少于第一段，說明第二段裂縫形態(tài)較第一段簡單[25]。第三段壓裂的注入壓力在達到13.3 MPa后急劇降低，此時聲發(fā)射事件達到峰值(大于20 s-1)，表明試樣破裂。試驗結果表明，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)射事件數量減少。

圖7 胍膠壓裂和CO2-胍膠復合壓裂的聲發(fā)射響應曲線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-胍膠復合壓裂第一段的t為0～328 s時間段，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后開始有少量聲發(fā)射事件(小于5 s-1)，說明近井筒區(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)射事件數量大幅增加(大于50 s-1)。CO2-胍膠復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。試驗結果表明，在高壓(15 MPa)條件下向井筒內注入高黏度胍膠(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)和高擴散率特性的超臨界CO2仍能穿過胍膠段塞，滲入近井孔隙或微裂縫中，進而增大孔隙壓力和降低有效法向應力[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，層理內孔隙壓力的升高可促進層理的剪切激活，從而使開啟的層理數量增多，壓裂改造體積進一步提高。

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雜裂縫的優(yōu)點，是一種廣泛應用于非常規(guī)油氣儲層改造的技術[27]。相比于滑溜水壓裂，CO2壓裂可在均質致密砂巖儲層形成多分支縫，從而提高裂縫復雜程度[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70.2%，層理的開啟表現出明顯的張開破壞特征。由于層理縫BP溝通了第三段射孔，進而導致第三段壓裂失敗。因此建議層理性頁巖儲層水平井滑溜水壓裂改造的段(簇)間距不宜過小，以免段間裂縫在近井區(qū)域通過層理弱面相互連通。

3#試樣超臨界CO2壓裂第一段時，當注入壓力達到10.7 MPa時，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，張性事件占主導(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，導致第二段和第三段因無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]，易滲入并開啟具有較高滲透率的層理，其高濾失性嚴重限制了裂縫的垂向擴展程度。因此層理性頁巖儲層采用CO2直接壓裂存在縫高受限的問題。

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掃描切片上的圓點為分布于CT掃描位置(Y=15 cm)兩側1.5 cm范圍內(Y=13.5～16.5 cm)的聲發(fā)射事件，紅點、藍點、綠點分別代表第一段、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)測結果表明水力裂縫HF1溝通了遠離井筒的層理BP1和天然裂縫NF,其原因為天然裂縫NF膠結較差、黏聚力較小，水力裂縫HF1以大接觸角與天然裂縫NF相交時易將其開啟[29-30];第二段壓裂起裂一條偏向于HF1的斜交縫HF2，HF2在擴展過程中與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%)遠高于第二段壓裂(15.6%)和第三段壓裂(10.9%)，說明斜交縫的形成、層理和天然裂縫的激活過程中剪切破壞增多，裂縫形態(tài)趨于復雜。

試驗結果表明，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力方向起裂后，在縫長和縫高方向同步擴展，尤其是顯著增大了垂向改造程度，溝通了遠離井筒的層理和天然裂縫，從而在一定程度上提高了頁巖儲層的改造體積。胍膠壓裂的垂向擴展程度明顯高于滑溜水和超臨界CO2壓裂，說明胍膠壓裂對層理性頁巖儲層具有較好的適應性。然而，由于高黏胍膠低濾失的特性，胍膠壓裂開啟的層理縫較少，壓裂改造體積仍具有進一步提高的潛力。

2.5 CO2-胍膠復合壓裂

7#試樣CO2-胍膠復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，開啟一個層理面BP1，溝通一條天然裂縫NF1;第二段壓裂形成一條斜交縫HF2，在擴展過程中與水力裂縫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由水力裂縫、層理和天然裂縫組成的復雜裂縫網絡，相比于滑溜水、超臨界CO2和胍膠壓裂的裂縫形態(tài)更復雜，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層理相遇后激活了這些力學強度弱面。CO2-胍膠復合壓裂三段均正常起裂，剪切事件占主導(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，促進了裂縫的垂向擴展，同時水力裂縫的張開可促進層理的剪切激活，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%，且裂縫復雜程度進一步提高。隨著排量的提高，水力裂縫傾向于垂直井筒起裂擴展，開啟的層理數量增多，壓裂改造體積增大。其原因為：排量升高使CO2增壓速率增大，CO2向頁巖中滲入的時間變短、滲入程度減弱，孔隙壓力增大的幅度降低，導致破裂壓力升高[31]；當試樣在較高注入壓力條件下破裂時，CO2能量釋放率增大，在10 MPa高水平應力差條件下更有利于形成垂直于井筒軸線的橫切縫，且橫切縫的張開變形對層理的激活作用更強，形成的層理縫更多，從而使壓裂改造體積進一步增大。

圖10 7#試樣CO2-胍膠復合壓裂(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，在相對均質的盒8致密砂巖儲層超臨界CO2壓裂可形成多分支裂縫，而在砂質紋層發(fā)育的長7致密砂巖儲層超臨界CO2壓裂可形成復雜裂縫網絡[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啟，導致縫高受限。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合應用于非常規(guī)油氣儲層的體積壓裂改造，即利用高黏胍膠起裂造縫，然后通過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#試樣試驗結果表明，胍膠壓裂可突破層理對裂縫高度的限制，然而形成的層理縫較少，裂縫改造體積仍具有進一步提高的潛力。7#和8#試樣CO2-胍膠復合壓裂形成了復雜的裂縫網絡，說明綜合利用胍膠壓裂液低濾失的特性突破層理、CO2的高壓縮性造復雜裂縫的優(yōu)勢可提高壓裂改造體積，即CO2-胍膠復合壓裂相比于滑溜水、超臨界CO2和胍膠壓裂，在層理性頁巖儲層具有更好的適應性。

3 結 論

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

(2)提出一種針對層理性頁巖儲層的CO2-胍膠復合壓裂方法，即先注入高黏胍膠壓裂液啟裂裂縫，在近井區(qū)域垂向突破層理，然后大排量注入CO2，進一步在高度方向擴展裂縫，同時通過在水平方向開啟大量層理、溝通遠井天然裂縫，提高垂向和水平方向的改造程度，從而提高壓裂改造體積。