页岩气储层超临界二氧化碳/水力加砂复合压裂协同作用机理研究

Supercritical carbon dioxide fracturing can generate complex network structures under low initial cracking pressure, which is the front and hot spot of waterless fracturing. However, the formation theory of the complex network structures is not yet mature, and the shortage of narrow cracks and difficult sand carrying also restricts the widespread application of supercritical carbon dioxide fracturing. Based on the advantages and disadvantages of supercritical carbon dioxide fracturing and hydraulic sand fracturing, this project takes supercritical carbon dioxide / hydraulic sand combined fracturing as the research object, using theoretical analysis, numerical simulation and physical experiment to research the process of network formation of supercritical carbon dioxide fracture, network enhance of hydraulic sand fracturing and the synergistic mechanism. To reveal the synergy mechanism of supercritical carbon dioxide / hydraulic sand combined fracturing the following two aspects are the focus of this research: clarifying the promoting effect of supercritical carbon dioxide fracturing to hydraulic sand fracturing based on the pore pressure, complex fracture network and phase change of supercritical carbon dioxide; clarifying the enhanced effect of hydraulic sand fracturing to supercritical carbon dioxide fracturing based on the complexity the original joint network and the proppant distribution. The research will provide theoretical support for the application of the technology.

超临界二氧化碳压裂能在低起裂压力下产生复杂的缝网结构，是无水压裂的前沿和热点。但其复杂缝网形成理论尚不成熟，裂缝窄、携砂难的不足也制约着超临界二氧化碳压裂的广泛应用。本项目针对超临界二氧化碳压裂和水力加砂压裂的优势与不足，以超临界二氧化碳/水力加砂复合压裂为研究对象，采用理论分析、数值模拟和物理实验结合的方法对超临界二氧化碳压裂缝网形成、水力加砂压裂缝网加强及两者协同作用机理开展研究。从孔隙压力、复杂缝网和相态变化阐明超临界二氧化碳压裂对水力加砂压裂的促进作用；从原缝网在复杂度和开启度，以及支撑剂在各级裂缝中的分布，阐明水力加砂压裂对超临界二氧化碳压裂的强化作用，从而揭示“超临界二氧化碳/水力加砂复合压裂协同作用机理”，为该技术的应用提供理论基础。

页岩气是常规油气最现实的接替资源，开发页岩气在内的非常规天然气是缓解能源供需矛盾、改善能源结构的有效途径。我国页岩气赋存条件复杂，传统压裂手段面临重大挑战。本项目研究的超临界二氧化碳/水力加砂复合压裂，先用超临界二氧化碳压裂形成复杂的裂缝网络，再用水力加砂压裂形成支撑缝网，既能提高页岩气采收率，又能实现二氧化碳的规模化地质封存。.项目围绕“SC-CO2压裂复杂缝网形成理论”和“SC-CO2/水力加砂复合压裂协同作用机理”两个科学问题，在SC-CO2压裂裂缝起裂与扩展、层理对SC-CO2压裂裂缝延伸影响、SC-CO2多次压裂效果研究、SC-CO2/水力加砂复合压裂裂缝增强机理四个方面开展研究：（1）从宏观（能量积累）和微观（沿晶破坏）两个方面揭示了SC-CO2压裂产生复杂缝网的机理，定量表征了裂缝面表面积、裂缝表面复杂度，发现裸眼完井条件下SC-CO2诱导裂缝表面积比清水诱导裂缝表面积大13.80%~58.57%，射孔完井条件下为6.49%~50.59%。（2）压裂裂缝延伸具有间歇特性，缝内憋压和裂缝延伸过程交替进行。结合裂缝表征以及破裂时间发现：硬质岩样相比软质岩样裂缝延伸规律较为简单，轴向传播路径更远，破裂时间更长；对于软硬交替岩样，一般在不连续交界处开裂，难以突破下层段。（3）随着压裂次数的增加，岩样内部的残余应变在不断累积，对裂缝起裂和扩展具有较大的促进作用。循环压裂的次数对裂缝的数量和形态具有明显影响，而且在多次压裂中，页岩对二氧化碳吸收比单次压裂增加77.72％。（4）SC-CO2复合压裂的裂缝复杂性比SC-CO2压裂高20.64%，特别当水平应力差较大时，SC-CO2复合压裂可使裂缝的复杂性增加114.02%；SC-CO2压裂诱导裂缝宽度小于0.01mm，而SC-CO2复合压裂诱导裂缝宽度为0.04mm~0.12mm，使裂缝宽度增加约一个数量级。复合压裂的第一阶段，可削弱地应力对裂缝几何形状的主导作用，形成多条主裂缝；复合压裂的第二阶段，可以在裂缝复杂性和裂缝宽度等方面对原裂缝强化，最终形成复杂缝网。.项目研究成果可为超临界二氧化碳复合压裂的应用提供理论基础，为“碳达峰 碳中和”战略的实施提供行动路线。