甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究

甲烷原位燃爆压裂是通过地面投放的助燃剂与地层产出的甲烷气,在页岩气井筒内目标层段原位燃爆,实现强化压裂储层的新技术。其中明确甲烷爆燃压裂中储层岩石动态破坏规律,是确保压裂效果和井身安全工艺设计的基础。基于此,为明确甲烷原位燃爆压裂过程中,聚能流体泄入性冲击破岩规律及其主控因素敏感性,借助岩石动态冲击损伤模拟实验装置,针对龙马溪组海相页岩露头,开展拟三轴、真三轴条件下的冲击压裂破岩实验共24组,通过对冲击破岩过程中模拟井眼压力的高频跟踪、压后岩样破裂形态及裂缝面特征观测,分别考察了120~285 MPa理论峰值压力、20.9~131.7 MPa/ms理论加载速率、储层应力与层理方位等对冲击破岩的影响,用铜箔对模拟井眼孔壁密封考察了应力冲击与泄入冲击对岩样破坏形态的影响。结果显示:聚能流体泄入性冲击可形成楔裂效应,降低页岩动态破裂强度,页岩动态强度与升压速率的正相关性弱于纯应力冲击;平行层理页岩、较低的地应力水平,均可减小页岩动态破裂强度;纯应力冲击更易形成复杂缝网,裂缝表面凹凸性强;聚能流体泄入冲击致裂后的裂缝走向平直,且随着升压速率增大,其裂缝条数及复杂程度增加、裂缝面剥离碎裂现象增强;模拟井眼轴线与页岩层理面平行时,压后裂缝面平整、粗糙度小、起伏小;模拟井眼轴线与页岩层理面垂直时,压后裂缝走向曲折、表面起伏大、裂缝网更复杂;页岩水平挤压应力较小,压后裂缝面粗糙,伴随有大量脱落物;随着岩样挤压应力增大,流体楔入基质实现二次冲击的阈值升高,压后页岩脱落物粒径逐渐减小。基于不同参数组合下页岩冲击破坏模式的对比分析表明:甲烷原位燃爆冲击过程是应力冲击与流体泄入性冲击的复合作用,随着冲击升压速率的提升,聚能流体泄入性冲击作用程度逐步加大,压后页岩逐步呈现出应力致裂-流体协同扩缝(27 MPa/ms)、应力致裂-流体冲刷破坏(52 MPa/ms)以及纯应力致裂-流体二次冲击破缝(116 MPa/ms)3种破坏模式;基于实验结果建立的3种破坏模式与加载速率、储层应力的关系图版,用于不同应力条件下甲烷原位燃爆冲击参数的优化设计。

甲烷燃爆压裂技术的实验研究

页岩气资源的高效开发事关我国现代化建设全局,承担着助力“双碳”目标实现的重要使命。鉴于水力压裂耗水量大以及压裂液造成地层不可逆污染,寻求一种更为科学绿色的压裂技术已成为国内外专家研究的热点。提出了采用甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的新思路,该技术利用电火花点火使储层甲烷与泵入的助燃剂发生燃爆,依靠瞬间产生的高压冲击储层岩石进行压裂,使储层产生一定规模且不受地应力控制的复杂裂缝网络。其优势在于可以防止地层污染,减少地面运输费用,有望成为一种高效、环保的低成本无水压裂技术。利用自主设计的包括致裂装置、气体充装、点火控制和数据采集系统在内的甲烷燃爆压裂实验系统开展了大尺寸物模(?2.0 m×1.5 m)的地面压裂实验,记录了致裂管内空腔压力和井壁压力时程曲线,并与爆炸压裂、水力压裂的井筒压力和成缝特征进行对比。结果表明:燃爆过程中管内膛压峰值为495.18 MPa,是充注压力的82.5倍;试样破碎度低且粉碎区小,主裂缝为7~9条,缝宽在厘米级;甲烷燃爆压裂致裂能量充足、影响范围大、对井筒的损害程度可由充注压力控制;与爆炸压裂和水力压裂相比,该技术拥有更长的高压作用时间,更有利于裂缝起裂扩展,裂缝数量多于水力压裂,长度优于爆炸压裂,可获得最佳压裂效果。通过实验研究记录了高初始压力下甲烷-氧气混合物发生燃爆达到的峰值压力和升压速率,验证了甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的可行性,可为该技术未来的实际应用提供数据参考和技术指导。

不同燃爆载荷作用下页岩破裂特性及孔裂隙结构改性规律

页岩储层甲烷原位燃爆压裂是一项新型无水压裂技术,不同燃爆载荷下井周的破裂特性及孔隙结构改性规律尚不明确,无法为关键工艺参数的确定提供依据。自主搭建耐压100 MPa燃爆管道,对?55 mm×55 mm筛管完井页岩试样进行不同燃爆载荷的冲击压裂实验,实验过程中采集爆炸压力-时程曲线,取样表征页岩破裂形态随燃爆载荷的变化规律,通过典型裂缝面分析燃爆压裂致裂机理,通过?1 000 mm×1 000 mm页岩相似材料燃爆压裂实验,阐明燃爆载荷压裂储层的主控因素,基于压汞法表征不同燃爆载荷下页岩孔裂隙结构的演化规律,主要结论如下:(1)提升燃爆混合气体的初始压力能够显著提升燃爆峰值载荷和压力上升倍数,增强燃爆威力;(2)随着燃爆载荷的提高,井周由单一主裂缝转变为多条径向裂缝协同起裂,但燃爆载荷过大容易在井周产生粉碎性破坏,本研究中最佳爆炸压力为71 MPa;(3)燃爆冲击波和爆轰产物气楔扩缝效应是导致裂缝起裂-扩展的主控因素,燃爆压裂有利于构建粉碎区范围小、裂隙区范围大的裂缝体系;(4)燃爆冲击波主导页岩大孔和微裂隙体积随燃爆载荷升高而显著提升,动态冲击和高温热效应的双重控制机制导致微孔呈先降低后升高的变化规律。本研究通过实验室及大尺度燃爆压裂实验阐明了燃爆载荷对井周储层破裂特性和孔裂隙结构改性的控制机制。