液氮循环压裂裂缝起裂与形态特征可视化研究

针对干热岩储层改造存在的起裂压力高、裂缝单一和易诱发地震的瓶颈难题,本文结合循环水力压裂和液氮压裂技术优势,探索了一种液氮循环压裂开发干热岩的新思路,即通过“注入—停顿”的方式周期性注入低温液氮,使岩石在交变热应力—流体压力耦合作用下发生疲劳损伤,促进裂缝起裂、转向、分叉进而形成复杂缝网,提高储层改造体积。目前,液氮压裂技术的研究多集中在液氮单次或循环冷却致裂岩石力学机制和液氮压裂造缝机理方面,考虑地应力条件下的液氮循环压裂造缝机理方面的研究未见报道。为了验证液氮循环压裂开发干热岩的可行性,基于自主研发的真三轴液氮循环压裂实验装置,采用可视化材料PMMA(Polymethyl Methacrylate),研究了水平应力差异系数和循环次数的影响规律,揭示了液氮循环压裂裂缝起裂与形态特征,并与清水循环压裂进行了对比。结果表明:在较低的循环次数和循环压力下,液氮循环压裂相对于清水循环压裂可显著降低起裂压力(下降47.1%~71.7%),在交变热应力—流体压力耦合作用下液氮循环压裂易形成以“热应力裂缝+主裂缝”为特征的复杂缝网;液氮循环压裂不易受水平应力差异系数控制,在较大水平应力差异系数下仍能取得较好的造缝效果;液氮循环冷却预处理是液氮循环压裂的关键,增大液氮循环冷却次数可显著降低裂缝起裂压力并形成复杂缝网,当直接采用高压液氮压裂时,起裂压力甚至会超过清水压裂;总体来看,液氮循环压裂相对于清水循环压裂能以较低的循环次数和循环注入压力实现较好的造缝效果,有望为干热岩绿色经济高效开发提供新途径。研究结果可望为液氮循环压裂开发干热岩提供理论依据和实验基础。