考虑CO2入渗超压影响的砂岩破裂压及强度特性研究

砂岩地层CO2注入工程越来越多。这些工程的实施都要求准确给出砂岩地层破裂压力。与传统注水、注浆的钻井工程不全相同，注CO2井筒还面临更显著的由CO2向井壁入渗引起的局部超压。井壁内、外侧地层孔压依井壁条件发生不同程度突变，传统破裂压公式预测值与实际值有较大差异。CCS项目的注入实践也表明，研究考虑CO2入渗超压影响的砂岩强度特性及新的破裂压预测模型是重要和迫切的。本研究首先通过数值模拟和渗透试验研究CO2入渗超压生成机理和模式，并给出包含超压比等无量纲特征参数的超压分布函数。在此基础上，提出考虑CO2入渗超压影响的破裂压新模型。并将其同经典破裂压模型进行对比。在所开发的基于厚壁筒试样的岩石致裂仪上进行系统的压裂试验，揭示低压和受拉区砂岩强度特征和破坏机理，对新模型进行解释和验证。期望本研究能增加对砂岩注CO2过程破裂机理的认识,破裂压新模型能为向砂岩地层注CO2工程的压力设计提供科学依据。

本项目以CO2地质封存和地质利用为背景，研究考虑CO2 入渗超压影响的砂岩破裂压及强度特性。根据研究计划的目标、内容和技术路线，本项目基于试验研究、数据分析和理论建模，开展了系统的研究工作。基于自行研制的试验仪器开展了大量的创新试验，取得了大量的实验数据是本研究的特色。具体成果主要包括：（1）对两相致裂仪进行了一系列的改进工作，包括增加了端部减摩措施、采用了性能更高的透水隔板等，使试验数据的可重复性有了大幅度提升。（2）进行了不同围压下的单相水致裂试验，拟合出了岩石破裂压力与有效围压的关系函数。（3）研究了气态CO2与对砂岩抗拉强度的短期影响。发现在试验条件下，不管是否存在水，CO2 短期内对砂岩的抗拉强度都没有明显影响；水会轻微的减弱砂岩的抗拉强度，并会减小所形成裂纹宽度。（4）重点进行了CO2-水两相流体下砂岩的致裂试验，采用半透隔板气封式驱替法成功的模拟地层中CO2对地层水的驱替并构建了稳定的CO2-水两相流体条件的孔压。基于试验结果检验了多类非饱和土有效应力法在CO2-水两相条件下的适用性，并推荐了Papamichos模型。（5）进行了孔流条件下裂纹（重）张开试验，研究了渗透力对裂纹扩展的影响，揭示了孔流渗透力与孔隙流体压力、流体粘度、裂纹扩展速度等因素的关系。（6）发明并进行了厚壁圆筒法岩石拉剪破坏试验，发现了在井壁岩石所处的最小主应力为负条件下拉破坏及拉剪破坏裂纹发生及扩展规律，得到了拉剪强度曲线。（7）提出了模拟超压分布的简易函数。（8）综合本项目各试验的结论，结合理论建模分析，建议了一个新的地层破裂压力预测模型，并与现有的H-F系列及H-W系列模型进行了对比分析。.本研究通过高精度的自研试验设备，研究了CO2压裂岩石中的诸多新问题，研究成果不仅对CCS工程中安全稳定控制具有重要价值，而且对于其他工程（如页岩气开发中的）低渗透岩石的CO2压裂也具有重要意义。