液氮壓裂作為一種新型無水壓裂方法,有望為頁巖氣高效開發(fā)提供一條新途徑。為揭示液氮壓裂作用下頁巖破裂特征,利用自主研制的試驗裝置開展了液氮壓裂試驗,獲得不同初始溫度及液氮處理方式下頁巖的破裂壓力及裂縫形態(tài),在此基礎上探討液氮壓裂對頁巖的致裂機制,進而提出一種新的液氮壓裂方法。研究表明,超低溫液氮產生的熱沖擊效應會對頁巖破裂壓力及破裂模式造成顯著影響,當頁巖溫度從室溫（25℃）升高至80℃和150℃時,破裂壓力分別降低22.58%和32.26%,破裂模式從室溫狀態(tài)下的沿初始弱面破壞轉變成沿孔眼軸線的拉張破壞。經液氮低溫處理頁巖的破裂模式以隨機分布的局部裂縫為主,局部裂縫的復雜性隨頁巖初始溫度的升高而增大。在液氮低溫冷凍狀態(tài)下,由于頁巖的滲透性的增大,在壓裂過程中巖樣表面出現(xiàn)了嚴重的漏氣現(xiàn)象,破裂模式轉變?yōu)殚_度較小的局部裂縫。液氮低溫冷凍會導致頁巖破裂壓力升高,但能夠降低流體進入頁巖的難度,有利于頁巖內壓力的傳遞。液氮壓裂可對頁巖儲層產生熱沖擊、低溫損傷、冷凍開裂和壓力致裂多重致裂效應,建議采用氮氣壓裂–液氮冷凍交替作業(yè)的施工方式,以充分發(fā)揮液氮的低溫冷凍作用。 

【文章來源】：巖石力學與工程學報. 2020,39(11)北大核心EICSCD

【文章頁數】：21 頁

【部分圖文】：

mm20mm(a)巖樣示意圖圖1液氮壓裂試驗巖樣(b)巖樣實物

2186巖石力學與工程學報2020年(b)巖樣實物圖100mm150mm20mm100mm(a)巖樣示意圖巖樣孔眼圖1液氮壓裂試驗巖樣Fig.1ShalesampleforLNfracturingexperiments度誤差不超過0.02mm。對加工好的巖樣進行密度和波速測試，挑選表面完整，密度、波速接近的巖樣作為試驗巖樣。最后使用小尺寸鉆頭在巖樣端面的中心位置鉆取直徑為20mm，深度為100mm的孔眼。圖2為試驗所使用頁巖的SEM圖片。如圖所示，頁巖礦物顆粒尺寸較小，排列致密，很難觀測到圓形孔隙。頁巖內部的微裂縫尺度也很小，最大裂縫寬度約為2.1μm。因此，頁巖的孔隙度和滲透率都非常低，屬于典型的低孔低滲巖石。在水力壓裂過程中流體難以進入微孔隙內部，導致頁巖壓裂普遍存在流體壓力傳遞范圍有限、裂縫起裂困難等現(xiàn)象。因此，如何降低流體進入到頁巖內部的難度，提高頁巖微孔隙/微裂隙的整體擴展程度，進而實現(xiàn)高度的體破裂是進行頁巖儲層高效壓裂的關鍵[45]。(a)2000×(b)4000×圖2巖樣SEM圖片F(xiàn)ig.2SEMimagesofshale2.2試驗裝置如圖3，4所示，試驗所采用的是自主研制的液氮模擬壓裂試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巖石夾持器、軸向加載單元和自增壓式液氮罐組成。軸向加載單元通過手壓泵驅動巖樣夾持器底座向上移動來施加軸向載荷。巖樣夾持器與自增壓式液氮罐之間通過保溫管相連接，保溫管長度為1.5m、內徑為10mm，外側包裹保溫層。如圖4所示，試驗時巖樣放置在夾持器底座上，其中帶孔的端面與夾持器上蓋板接圖3液氮壓裂試驗裝置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空閥數據采集系統(tǒng)手壓泵巖樣夾持器

岣?頁巖微孔隙/微裂隙的整體擴展程度，進而實現(xiàn)高度的體破裂是進行頁巖儲層高效壓裂的關鍵[45]。(a)2000×(b)4000×圖2巖樣SEM圖片F(xiàn)ig.2SEMimagesofshale2.2試驗裝置如圖3，4所示，試驗所采用的是自主研制的液氮模擬壓裂試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巖石夾持器、軸向加載單元和自增壓式液氮罐組成。軸向加載單元通過手壓泵驅動巖樣夾持器底座向上移動來施加軸向載荷。巖樣夾持器與自增壓式液氮罐之間通過保溫管相連接，保溫管長度為1.5m、內徑為10mm，外側包裹保溫層。如圖4所示，試驗時巖樣放置在夾持器底座上，其中帶孔的端面與夾持器上蓋板接圖3液氮壓裂試驗裝置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空閥數據采集系統(tǒng)手壓泵巖樣夾持器巖樣鋼管上蓋板徑向孔底座液氮圖4液氮壓裂試驗裝置示意圖Fig.4SketchofLNfracturingexperimentalapparatus觸，通過手壓泵驅動夾持器底座向上移動，使得巖樣的上下端面與夾持器上下蓋板緊密接觸。巖樣夾持器上蓋板中心位置安裝一根可以伸進巖樣孔眼的鋼管，鋼管內徑為4mm，與孔眼底部距離為10mm，上端通過保溫管與液氮罐連接。自增壓式液氮罐可以利用罐內壓力將液氮輸出，然后經保溫管和鋼管進入到巖樣孔眼內，最后通過鋼管和孔眼之間的環(huán)空間隙以及巖樣夾持器上蓋板的徑向孔眼流出，從而實現(xiàn)低溫液氮對巖樣孔眼壁面的循環(huán)冷卻。注入液氮一段時間后，關閉圖中所示的排空閥，此時巖樣孔眼和保溫管內部將形成一個密閉空間，該空間內的液氮會隨著溫度升高而氣化膨脹，并導致孔眼內壓力增大。當孔眼壓力超過頁巖的破裂壓力時，頁巖就會被壓裂，從而實現(xiàn)了液氮壓裂模擬試驗。所使用液氮

【參考文獻】：
期刊論文
[1]新中國天然氣勘探開發(fā)70年來的重大進展[J]. 戴金星,秦勝飛,胡國藝,倪云燕,甘利燈,黃士鵬,洪峰.  石油勘探與開發(fā). 2019(06)
[2]Mechanism of drilling rate improvement using high-pressure liquid nitrogen jet[J]. HUANG Zhongwei,WU Xiaoguang,LI Ran,ZHANG Shikun,YANG Ruiyue.  Petroleum Exploration and Development. 2019(04)
[3]張拉作用下頁巖裂縫擴展演化機制研究[J]. 衡帥,劉曉,李賢忠,張小東,楊春和.  巖石力學與工程學報. 2019(10)
[4]液氮對頁巖的致裂效應及在壓裂中應用分析[J]. 蔡承政,李根生,黃中偉,高峰.  中國石油大學學報(自然科學版). 2016(01)
[5]頁巖氣儲層改造的體破裂理論與技術構想[J]. 謝和平,高峰,鞠楊,謝凌志,楊永明,王俊.  科學通報. 2016(01)
[6]黑色頁巖力學特性及氣體壓裂層理效應研究[J]. 侯鵬,高峰,張志鎮(zhèn),林斌,楊玉貴,高亞楠.  巖石力學與工程學報. 2016(04)
[7]頁巖油氣高效開發(fā)的關鍵基礎理論與挑戰(zhàn)[J]. 陳勉,葛洪魁,趙金洲,姚軍.  石油鉆探技術. 2015(05)
[8]美國頁巖氣水力壓裂開發(fā)對環(huán)境的影響[J]. 張東曉,楊婷云.  石油勘探與開發(fā). 2015(06)
[9]LPG無水壓裂技術[J]. 韓烈祥,朱麗華,孫海芳,譙抗逆.  天然氣工業(yè). 2014(06)
[10]超臨界CO2射流在石油工程中應用研究與前景展望[J]. 李根生,王海柱,沈忠厚,田守嶒,黃中偉,程宇雄.  中國石油大學學報(自然科學版). 2013(05)

碩士論文
[1]適用于頁巖氣開發(fā)的液化氮氣汽化壓裂技術[D]. 徐紅芳.燕山大學 2013



本文編號：3133988