液氮壓裂作為一種新型無(wú)水壓裂方法,有望為頁(yè)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(yè)巖破裂特征,利用自主研制的試驗(yàn)裝置開展了液氮壓裂試驗(yàn),獲得不同初始溫度及液氮處理方式下頁(yè)巖的破裂壓力及裂縫形態(tài),在此基礎(chǔ)上探討液氮壓裂對(duì)頁(yè)巖的致裂機(jī)制,進(jìn)而提出一種新的液氮壓裂方法。研究表明,超低溫液氮產(chǎn)生的熱沖擊效應(yīng)會(huì)對(duì)頁(yè)巖破裂壓力及破裂模式造成顯著影響,當(dāng)頁(yè)巖溫度從室溫（25℃）升高至80℃和150℃時(shí),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(zhuǎn)變成沿孔眼軸線的拉張破壞。經(jīng)液氮低溫處理頁(yè)巖的破裂模式以隨機(jī)分布的局部裂縫為主,局部裂縫的復(fù)雜性隨頁(yè)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(yè)巖的滲透性的增大,在壓裂過(guò)程中巖樣表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象,破裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_度較小的局部裂縫。液氮低溫冷凍會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖破裂壓力升高,但能夠降低流體進(jìn)入頁(yè)巖的難度,有利于頁(yè)巖內(nèi)壓力的傳遞。液氮壓裂可對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)生熱沖擊、低溫?fù)p傷、冷凍開裂和壓力致裂多重致裂效應(yīng),建議采用氮?dú)鈮毫穴C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(lái)源】：巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2020,39(11)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：21 頁(yè)

【部分圖文】：

mm20mm(a)巖樣示意圖圖1液氮壓裂試驗(yàn)巖樣(b)巖樣實(shí)物

2186巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2020年(b)巖樣實(shí)物圖100mm150mm20mm100mm(a)巖樣示意圖巖樣孔眼圖1液氮壓裂試驗(yàn)巖樣Fig.1ShalesampleforLNfracturingexperiments度誤差不超過(guò)0.02mm。對(duì)加工好的巖樣進(jìn)行密度和波速測(cè)試，挑選表面完整，密度、波速接近的巖樣作為試驗(yàn)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(yàn)所使用頁(yè)巖的SEM圖片。如圖所示，頁(yè)巖礦物顆粒尺寸較小，排列致密，很難觀測(cè)到圓形孔隙。頁(yè)巖內(nèi)部的微裂縫尺度也很小，最大裂縫寬度約為2.1μm。因此，頁(yè)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(guò)程中流體難以進(jìn)入微孔隙內(nèi)部，導(dǎo)致頁(yè)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(jìn)入到頁(yè)巖內(nèi)部的難度，提高頁(yè)巖微孔隙/微裂隙的整體擴(kuò)展程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度的體破裂是進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層高效壓裂的關(guān)鍵[45]。(a)2000×(b)4000×圖2巖樣SEM圖片F(xiàn)ig.2SEMimagesofshale2.2試驗(yàn)裝置如圖3，4所示，試驗(yàn)所采用的是自主研制的液氮模擬壓裂試驗(yàn)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(guò)手壓泵驅(qū)動(dòng)巖樣夾持器底座向上移動(dòng)來(lái)施加軸向載荷。巖樣夾持器與自增壓式液氮罐之間通過(guò)保溫管相連接，保溫管長(zhǎng)度為1.5m、內(nèi)徑為10mm，外側(cè)包裹保溫層。如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)裝置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)手壓泵巖樣夾持器

岣?頁(yè)巖微孔隙/微裂隙的整體擴(kuò)展程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度的體破裂是進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層高效壓裂的關(guān)鍵[45]。(a)2000×(b)4000×圖2巖樣SEM圖片F(xiàn)ig.2SEMimagesofshale2.2試驗(yàn)裝置如圖3，4所示，試驗(yàn)所采用的是自主研制的液氮模擬壓裂試驗(yàn)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(guò)手壓泵驅(qū)動(dòng)巖樣夾持器底座向上移動(dòng)來(lái)施加軸向載荷。巖樣夾持器與自增壓式液氮罐之間通過(guò)保溫管相連接，保溫管長(zhǎng)度為1.5m、內(nèi)徑為10mm，外側(cè)包裹保溫層。如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)裝置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空閥數(shù)據(jù)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(yàn)裝置示意圖Fig.4SketchofLNfracturingexperimentalapparatus觸，通過(guò)手壓泵驅(qū)動(dòng)夾持器底座向上移動(dòng)，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(jìn)巖樣孔眼的鋼管，鋼管內(nèi)徑為4mm，與孔眼底部距離為10mm，上端通過(guò)保溫管與液氮罐連接。自增壓式液氮罐可以利用罐內(nèi)壓力將液氮輸出，然后經(jīng)保溫管和鋼管進(jìn)入到巖樣孔眼內(nèi)，最后通過(guò)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(shí)現(xiàn)低溫液氮對(duì)巖樣孔眼壁面的循環(huán)冷卻。注入液氮一段時(shí)間后，關(guān)閉圖中所示的排空閥，此時(shí)巖樣孔眼和保溫管內(nèi)部將形成一個(gè)密閉空間，該空間內(nèi)的液氮會(huì)隨著溫度升高而氣化膨脹，并導(dǎo)致孔眼內(nèi)壓力增大。當(dāng)孔眼壓力超過(guò)頁(yè)巖的破裂壓力時(shí)，頁(yè)巖就會(huì)被壓裂，從而實(shí)現(xiàn)了液氮壓裂模擬試驗(yàn)。所使用液氮

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]新中國(guó)天然氣勘探開發(fā)70年來(lái)的重大進(jìn)展[J]. 戴金星,秦勝飛,胡國(guó)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(yè)巖裂縫擴(kuò)展演化機(jī)制研究[J]. 衡帥,劉曉,李賢忠,張小東,楊春和.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2019(10)
[4]液氮對(duì)頁(yè)巖的致裂效應(yīng)及在壓裂中應(yīng)用分析[J]. 蔡承政,李根生,黃中偉,高峰.  中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2016(01)
[5]頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的體破裂理論與技術(shù)構(gòu)想[J]. 謝和平,高峰,鞠楊,謝凌志,楊永明,王俊.  科學(xué)通報(bào). 2016(01)
[6]黑色頁(yè)巖力學(xué)特性及氣體壓裂層理效應(yīng)研究[J]. 侯鵬,高峰,張志鎮(zhèn),林斌,楊玉貴,高亞楠.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2016(04)
[7]頁(yè)巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論與挑戰(zhàn)[J]. 陳勉,葛洪魁,趙金洲,姚軍.  石油鉆探技術(shù). 2015(05)
[8]美國(guó)頁(yè)巖氣水力壓裂開發(fā)對(duì)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(wú)水壓裂技術(shù)[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(yīng)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(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2013(05)

碩士論文
[1]適用于頁(yè)巖氣開發(fā)的液化氮?dú)馄瘔毫鸭夹g(shù)[D]. 徐紅芳.燕山大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3133988