多期次注入流体诱发深部超低渗岩石原位断裂的机理研究

To ensure the long-term safety of CO2 storage and efficient exploitation of shale gas, it is an essential practical need to evaluate the fracture resistance of the ultra-low permeability rocks such as mudstone and shale during multi-stage fluid injection. The common theoretical problem is to understand the in-situ fracture mechanism of ultra-low permeability rocks induced by multi-stage fluid injection. In order to answer the key scientific issues such as how the pressure builds up and how the fractures generate, initiate and propagate under multi-stage fluid injection, we will carry out fracturing tests with small specimens of mudstone and shale and flow - solid coupling numerical simulations. By mercury injection tests, flow tests and pressure transmission tests, we will study the mechanism of pressure build-up and pressure transmission of mudstones and shales during muti-stage fluid injection. By fraturing tests of small specimens under tri-axial loading conditions, we will study the fracture generation modes and related factors of mudstones and shales during muti-stage fluid injection. By in-situ fracture toughness tests and numerical simulation of stochastic finite element method, we will study the factors influencing the in-situ fracture toughness and induce the fracture initiation law of mudstones and shales during muti-stage fluid injection. At last, we can reveal preliminarily the in-situ fracture mechanism of mudstones and shales induced by muti-stage fluid injection. This job will provide important theoretical foundation for safety evaluation of CO2 geological storage and the fracturing shape optimization of shales for shale gas exploitation.

评价多期次注入流体时超低渗岩石（泥岩和页岩）的抗断裂能力是实现CO2安全封存和页岩气高效开采的重大现实需求。多期次注入流体诱发深部超低渗岩石原位断裂的机理是二者共同面临的理论难题。本项目针对上述新型深部地质工程中存在的共性问题，以超低渗泥岩和页岩为研究对象，开展试验、观测与流-固耦合数值模拟研究，重点解决多期次注入流体时超低渗岩石压力如何变化、断裂如何萌生和启动等关键科学问题。开展围压条件下的压汞试验、渗流试验和压力传递试验，研究多期次注入流体时泥岩、页岩压力积聚与传递机制。开展三轴加载条件下的小试样压裂试验，研究多期次注入流体时泥岩、页岩的断裂萌生模式及影响因素。开展原位断裂韧度测试与随机有限元数值模拟，研究多期次注入流体时泥岩、页岩的原位断裂韧度及裂纹启动规律。初步揭示多期次注入流体时深部超低渗岩石的原位断裂机理，将为CO2地质封存安全性评价和页岩压裂形态优化设计提供重要的理论依据。

评价超低渗岩石（泥岩、页岩和致密砂岩等）的抗断裂能力是实现CO2安全封存和页岩气、致密油气高效开采的重大现实需求。深部超低渗岩石原位断裂的机理是二者共同面临的理论难题。本项目针对上述科学问题开展研究，主要研究内容和成果如下：.（1）开展超低渗岩石物性测试工作，分析了泥岩、页岩的低孔隙度、低渗流率特征及物性非均质性特征，初步分析了上述特征对流体渗流及压力积聚的影响。进而以CO2地质封存为例，以被不渗透泥页岩所包围的倾斜产状的砂岩透镜体储层为研究对象，建立了不同产状.的砂岩透镜体CO2地质封存模型，采用平面模型进行了有限元数值模拟，对比分析了不同长轴倾角的砂岩透镜体随着注入流体压力增加时的应力和变形特征，进而分析了低渗透岩石压力积聚和传递规律。.（2）开展低渗岩石的破裂试验和裂纹扩展路径的声发射定位，分析了低渗岩石的断裂萌生、扩展过程。得出如下结论：岩石主裂纹基本沿着平行于最大压应力方向（或垂直于最大拉应力方向破裂），破裂路径迁就天然弱结构面扩展。此外，不含预制裂纹的试样，声发射源分散，裂纹自端部起裂，向中心扩展、贯通，岩石的非均质性使得破裂面一般稍微偏离中心面；含有V形切槽的试样，声发射源多集中在韧带部位，裂纹自切槽尖端部位起裂，向韧带宽部位扩展、贯通，破裂面一般很少偏离中心面，韧带几何特征更有利于裂纹稳定扩展，容易捕捉到失稳后的声发射信号。.（3）依据声发射监测结果确定起裂区域，选取试样断裂部位进行扫描电镜下的微观观测研究，观测了微观位错特征和断口形态。获得以下认识：从微观角度看，岩石拉张断裂一般会产生沿晶或穿晶断口，还可能揭露出岩石的层理面。从微米到纳米尺度，都能看到低渗透岩石材料的微孔隙和微裂隙，这些微孔隙和微裂隙的簇集与形核是岩石材料裂纹萌生和启动的起点。此外，微观断面形貌也反映出了岩石材料的跨尺度的非均质性，进而决定了其宏观力学性质的各向异性。.（4）基于岩石断裂力学理论和实验，将实验室参数与CO2注入现场参数联系起来，提出原位断裂韧度计算公式，发展了砂岩透镜体CO2地质封存盖层抗断裂性评价方法，在吉林油田CO2-EOR示范工程实例中得到了验证。在测试岩石I型断裂韧度过程中，提出了一种用于岩石断裂韧度测试的施力点位移检测装置及检测方法，并已经获得了发明专利授权。. 上述研究成果为CO2地质封存安全性评价和页岩压裂形态优化设计提供重要的理论依据。