液氮压裂作用下页岩破裂特征试验研究
发布时间：2021-04-12 21:09
液氮压裂作为一种新型无水压裂方法,有望为页岩气高效开发提供一条新途径。为揭示液氮压裂作用下页岩破裂特征,利用自主研制的试验装置开展了液氮压裂试验,获得不同初始温度及液氮处理方式下页岩的破裂压力及裂缝形态,在此基础上探讨液氮压裂对页岩的致裂机制,进而提出一种新的液氮压裂方法。研究表明,超低温液氮产生的热冲击效应会对页岩破裂压力及破裂模式造成显著影响,当页岩温度从室温（25℃）升高至80℃和150℃时,破裂压力分别降低22.58%和32.26%,破裂模式从室温状态下的沿初始弱面破坏转变成沿孔眼轴线的拉张破坏。经液氮低温处理页岩的破裂模式以随机分布的局部裂缝为主,局部裂缝的复杂性随页岩初始温度的升高而增大。在液氮低温冷冻状态下,由于页岩的渗透性的增大,在压裂过程中岩样表面出现了严重的漏气现象,破裂模式转变为开度较小的局部裂缝。液氮低温冷冻会导致页岩破裂压力升高,但能够降低流体进入页岩的难度,有利于页岩内压力的传递。液氮压裂可对页岩储层产生热冲击、低温损伤、冷冻开裂和压力致裂多重致裂效应,建议采用氮气压裂–液氮冷冻交替作业的施工方式,以充分发挥液氮的低温冷冻作用。
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
mm20mm(a)岩样示意图图1液氮压裂试验岩样(b)岩样实物
2186岩石力学与工程学报2020年(b)岩样实物图100mm150mm20mm100mm(a)岩样示意图岩样孔眼图1液氮压裂试验岩样Fig.1ShalesampleforLNfracturingexperiments度误差不超过0.02mm。对加工好的岩样进行密度和波速测试，挑选表面完整，密度、波速接近的岩样作为试验岩样。最后使用小尺寸钻头在岩样端面的中心位置钻取直径为20mm，深度为100mm的孔眼。图2为试验所使用页岩的SEM图片。如图所示，页岩矿物颗粒尺寸较小，排列致密，很难观测到圆形孔隙。页岩内部的微裂缝尺度也很小，最大裂缝宽度约为2.1μm。因此，页岩的孔隙度和渗透率都非常低，属于典型的低孔低渗岩石。在水力压裂过程中流体难以进入微孔隙内部，导致页岩压裂普遍存在流体压力传递范围有限、裂缝起裂困难等现象。因此，如何降低流体进入到页岩内部的难度，提高页岩微孔隙/微裂隙的整体扩展程度，进而实现高度的体破裂是进行页岩储层高效压裂的关键[45]。(a)2000×(b)4000×图2岩样SEM图片Fig.2SEMimagesofshale2.2试验装置如图3，4所示，试验所采用的是自主研制的液氮模拟压裂试验系统，该系统由岩石夹持器、轴向加载单元和自增压式液氮罐组成。轴向加载单元通过手压泵驱动岩样夹持器底座向上移动来施加轴向载荷。岩样夹持器与自增压式液氮罐之间通过保温管相连接，保温管长度为1.5m、内径为10mm，外侧包裹保温层。如图4所示，试验时岩样放置在夹持器底座上，其中带孔的端面与夹持器上盖板接图3液氮压裂试验装置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空阀数据采集系统手压泵岩样夹持器
岣?页岩微孔隙/微裂隙的整体扩展程度，进而实现高度的体破裂是进行页岩储层高效压裂的关键[45]。(a)2000×(b)4000×图2岩样SEM图片Fig.2SEMimagesofshale2.2试验装置如图3，4所示，试验所采用的是自主研制的液氮模拟压裂试验系统，该系统由岩石夹持器、轴向加载单元和自增压式液氮罐组成。轴向加载单元通过手压泵驱动岩样夹持器底座向上移动来施加轴向载荷。岩样夹持器与自增压式液氮罐之间通过保温管相连接，保温管长度为1.5m、内径为10mm，外侧包裹保温层。如图4所示，试验时岩样放置在夹持器底座上，其中带孔的端面与夹持器上盖板接图3液氮压裂试验装置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空阀数据采集系统手压泵岩样夹持器岩样钢管上盖板径向孔底座液氮图4液氮压裂试验装置示意图Fig.4SketchofLNfracturingexperimentalapparatus触，通过手压泵驱动夹持器底座向上移动，使得岩样的上下端面与夹持器上下盖板紧密接触。岩样夹持器上盖板中心位置安装一根可以伸进岩样孔眼的钢管，钢管内径为4mm，与孔眼底部距离为10mm，上端通过保温管与液氮罐连接。自增压式液氮罐可以利用罐内压力将液氮输出，然后经保温管和钢管进入到岩样孔眼内，最后通过钢管和孔眼之间的环空间隙以及岩样夹持器上盖板的径向孔眼流出，从而实现低温液氮对岩样孔眼壁面的循环冷却。注入液氮一段时间后，关闭图中所示的排空阀，此时岩样孔眼和保温管内部将形成一个密闭空间，该空间内的液氮会随着温度升高而气化膨胀，并导致孔眼内压力增大。当孔眼压力超过页岩的破裂压力时，页岩就会被压裂，从而实现了液氮压裂模拟试验。所使用液氮
【参考文献】：
期刊论文
[1]新中国天然气勘探开发70年来的重大进展[J]. 戴金星,秦胜飞,胡国艺,倪云燕,甘利灯,黄士鹏,洪峰. 石油勘探与开发. 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]张拉作用下页岩裂缝扩展演化机制研究[J]. 衡帅,刘晓,李贤忠,张小东,杨春和. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[4]液氮对页岩的致裂效应及在压裂中应用分析[J]. 蔡承政,李根生,黄中伟,高峰. 中国石油大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]页岩气储层改造的体破裂理论与技术构想[J]. 谢和平,高峰,鞠杨,谢凌志,杨永明,王俊. 科学通报. 2016(01)
[6]黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究[J]. 侯鹏,高峰,张志镇,林斌,杨玉贵,高亚楠. 岩石力学与工程学报. 2016(04)
[7]页岩油气高效开发的关键基础理论与挑战[J]. 陈勉,葛洪魁,赵金洲,姚军. 石油钻探技术. 2015(05)
[8]美国页岩气水力压裂开发对环境的影响[J]. 张东晓,杨婷云. 石油勘探与开发. 2015(06)
[9]LPG无水压裂技术[J]. 韩烈祥,朱丽华,孙海芳,谯抗逆. 天然气工业. 2014(06)
[10]超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望[J]. 李根生,王海柱,沈忠厚,田守嶒,黄中伟,程宇雄. 中国石油大学学报(自然科学版). 2013(05)
硕士论文
[1]适用于页岩气开发的液化氮气汽化压裂技术[D]. 徐红芳.燕山大学 2013
本文编号：3133988
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：21 页
【部分图文】：
mm20mm(a)岩样示意图图1液氮压裂试验岩样(b)岩样实物
2186岩石力学与工程学报2020年(b)岩样实物图100mm150mm20mm100mm(a)岩样示意图岩样孔眼图1液氮压裂试验岩样Fig.1ShalesampleforLNfracturingexperiments度误差不超过0.02mm。对加工好的岩样进行密度和波速测试，挑选表面完整，密度、波速接近的岩样作为试验岩样。最后使用小尺寸钻头在岩样端面的中心位置钻取直径为20mm，深度为100mm的孔眼。图2为试验所使用页岩的SEM图片。如图所示，页岩矿物颗粒尺寸较小，排列致密，很难观测到圆形孔隙。页岩内部的微裂缝尺度也很小，最大裂缝宽度约为2.1μm。因此，页岩的孔隙度和渗透率都非常低，属于典型的低孔低渗岩石。在水力压裂过程中流体难以进入微孔隙内部，导致页岩压裂普遍存在流体压力传递范围有限、裂缝起裂困难等现象。因此，如何降低流体进入到页岩内部的难度，提高页岩微孔隙/微裂隙的整体扩展程度，进而实现高度的体破裂是进行页岩储层高效压裂的关键[45]。(a)2000×(b)4000×图2岩样SEM图片Fig.2SEMimagesofshale2.2试验装置如图3，4所示，试验所采用的是自主研制的液氮模拟压裂试验系统，该系统由岩石夹持器、轴向加载单元和自增压式液氮罐组成。轴向加载单元通过手压泵驱动岩样夹持器底座向上移动来施加轴向载荷。岩样夹持器与自增压式液氮罐之间通过保温管相连接，保温管长度为1.5m、内径为10mm，外侧包裹保温层。如图4所示，试验时岩样放置在夹持器底座上，其中带孔的端面与夹持器上盖板接图3液氮压裂试验装置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空阀数据采集系统手压泵岩样夹持器
岣?页岩微孔隙/微裂隙的整体扩展程度，进而实现高度的体破裂是进行页岩储层高效压裂的关键[45]。(a)2000×(b)4000×图2岩样SEM图片Fig.2SEMimagesofshale2.2试验装置如图3，4所示，试验所采用的是自主研制的液氮模拟压裂试验系统，该系统由岩石夹持器、轴向加载单元和自增压式液氮罐组成。轴向加载单元通过手压泵驱动岩样夹持器底座向上移动来施加轴向载荷。岩样夹持器与自增压式液氮罐之间通过保温管相连接，保温管长度为1.5m、内径为10mm，外侧包裹保温层。如图4所示，试验时岩样放置在夹持器底座上，其中带孔的端面与夹持器上盖板接图3液氮压裂试验装置Fig.3LNfracturingexperimentalapparatus排空阀数据采集系统手压泵岩样夹持器岩样钢管上盖板径向孔底座液氮图4液氮压裂试验装置示意图Fig.4SketchofLNfracturingexperimentalapparatus触，通过手压泵驱动夹持器底座向上移动，使得岩样的上下端面与夹持器上下盖板紧密接触。岩样夹持器上盖板中心位置安装一根可以伸进岩样孔眼的钢管，钢管内径为4mm，与孔眼底部距离为10mm，上端通过保温管与液氮罐连接。自增压式液氮罐可以利用罐内压力将液氮输出，然后经保温管和钢管进入到岩样孔眼内，最后通过钢管和孔眼之间的环空间隙以及岩样夹持器上盖板的径向孔眼流出，从而实现低温液氮对岩样孔眼壁面的循环冷却。注入液氮一段时间后，关闭图中所示的排空阀，此时岩样孔眼和保温管内部将形成一个密闭空间，该空间内的液氮会随着温度升高而气化膨胀，并导致孔眼内压力增大。当孔眼压力超过页岩的破裂压力时，页岩就会被压裂，从而实现了液氮压裂模拟试验。所使用液氮
【参考文献】：
期刊论文
[1]新中国天然气勘探开发70年来的重大进展[J]. 戴金星,秦胜飞,胡国艺,倪云燕,甘利灯,黄士鹏,洪峰. 石油勘探与开发. 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]张拉作用下页岩裂缝扩展演化机制研究[J]. 衡帅,刘晓,李贤忠,张小东,杨春和. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[4]液氮对页岩的致裂效应及在压裂中应用分析[J]. 蔡承政,李根生,黄中伟,高峰. 中国石油大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]页岩气储层改造的体破裂理论与技术构想[J]. 谢和平,高峰,鞠杨,谢凌志,杨永明,王俊. 科学通报. 2016(01)
[6]黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究[J]. 侯鹏,高峰,张志镇,林斌,杨玉贵,高亚楠. 岩石力学与工程学报. 2016(04)
[7]页岩油气高效开发的关键基础理论与挑战[J]. 陈勉,葛洪魁,赵金洲,姚军. 石油钻探技术. 2015(05)
[8]美国页岩气水力压裂开发对环境的影响[J]. 张东晓,杨婷云. 石油勘探与开发. 2015(06)
[9]LPG无水压裂技术[J]. 韩烈祥,朱丽华,孙海芳,谯抗逆. 天然气工业. 2014(06)
[10]超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望[J]. 李根生,王海柱,沈忠厚,田守嶒,黄中伟,程宇雄. 中国石油大学学报(自然科学版). 2013(05)
硕士论文
[1]适用于页岩气开发的液化氮气汽化压裂技术[D]. 徐红芳.燕山大学 2013
本文编号：3133988
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