非常规储层液氮低温致裂理论及研究进展

2021-12-26黄中伟武晓光邹文超杨睿月谢紫霄

西南石油大学学报(自然科学版) 2021年5期

黄中伟，武晓光，邹文超，杨睿月，谢紫霄

中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京昌平 102249

引言

中国非常规油气资源丰富，页岩气、页岩油、致密气、致密油、煤层气等开发利用潜力巨大，是未来重要的能源接替领域之一[1-2]。水力压裂是实现非常规油气经济开发的重要手段，然而，随着环保意识的增强，水力压裂所面临的问题日益凸显：（1）水力压裂耗水量巨大，页岩气等非常规储层压裂单井用水量达上万方，在干旱的国家和地区作业成本陡增，极大程度地限制了水力压裂的大规模推广和应用[3]。（2）压裂液中含有大量的化学添加剂，压裂过程中，这些化学物质极易进入地下水层，造成地下水和环境污染[4]。（3）非常规油气储层低孔、低渗特征明显，且黏土矿物含量普遍偏高，水力压裂可能会引起严重的水锁和水敏伤害，造成黏土矿物膨胀，堵塞孔喉，压裂液返排困难、返排率低，阻碍油气的流动与开采[5-6]。

目前，水力压裂技术在欧美部分国家和地区开始受到不同程度的限制。在此背景下，各国学者积极探索无水压裂技术，替代传统水力压裂。

液氮压裂是一种重要的无水压裂技术，早在20 世纪90 年代，就有学者提出利用液氮来替代常规的水基压裂液对煤层进行改造的技术思路[7]，并在页岩气及煤岩气等地层中成功地进行了现场应用。液氮压裂是指采用适当的地面设备和工艺将液氮以常规压裂排量和超低温状态（−195.56～−180.44°C）泵注至井底，在地层中形成人工压裂裂缝。氮的化学性质稳定，与储层完全配伍，不存在水敏以及水锁伤害，可望从根本上解决水力压裂所带来的储层伤害和环境污染等问题。Mcdaniel 等针对液氮压裂技术进行现场施工[8]，采用耐低温的玻璃纤维作为压裂管柱，累计完成了5 口井的液氮压裂作业，其中，4 口煤层气井、1 口低渗透砂岩井，压后初期日产量提升1.22～6.48 倍。Grundmann 等[9]采用玻璃钢油管和不锈钢井口等装置，将液氮压裂应用到了Devonian 页岩地层的一口生产井中。该页岩气井井深1 000 m，采用41/2′′套管，23/8′′玻璃纤维管作为压裂管柱。与邻井氮气压裂相比，液氮压裂井的增产率高约8%。上述成功的现场试验表明，采用玻璃纤维油管和不锈钢井口装置，在合理的工艺设计和执行方案下，将液氮作为压裂液具备可行性。

液氮是一种超低温流体，在与地层岩石接触时，会对地层岩石产生强烈的“冷冲击”作用，使岩石温度瞬间急剧降低，从而诱导岩石内部初始裂隙扩展或形成新的裂缝，有利于提高储层的改造体积，促进形成大规模的体积裂缝网络。

液氮压裂的技术优势主要包括[10-14]：（1）液氮超低温致裂岩石，劣化岩石的力学特性，大幅降低储层岩石的破裂压力，增加裂缝长度。（2）液氮低温致裂作用可诱导岩石内次级裂缝的形成与扩展，增加压裂缝网的复杂度和连通性，改善储层泄流面积。（3）液氮与储层岩石温差巨大，产生极强的热应力和汽化增压作用，促使裂缝进一步扩张的同时，降低裂缝面垂向应力，诱导裂缝发生剪切滑移和不整合自支撑，防止压后裂缝闭合，提升裂缝的导流能力。（4）氮的化学性质稳定，可有效避免储层黏土膨胀和水锁，返排彻底、无污染，解决了传统水力压裂储层伤害的难题。

液氮低温致裂岩石，是液氮应用于非常规油气储层改造的重要前提之一。基于作者在液氮压裂方面的前期研究基础，本文重点针对液氮低温致裂的研究成果进行归纳总结，系统阐述了液氮冷却下不同状态岩石（干燥、饱水和高温）的物理及力学性质变化规律，分析了岩石的微观损伤机理，从工程角度介绍了液氮压裂方法对不同储层的适用性，旨在帮助读者更加全面、深入地了解液氮低温致裂岩石的特性和微观机制。

1 液氮低温致裂的宏观特征

液氮无色无臭，密度和黏度均低于水，无腐蚀性，不支持燃烧，具有极强的化学惰性，一般不与其他物质发生反应。氮气在空气中的体积占比达78.03%，是大气的重要组成成分，来源广泛。在工业中，液氮通常采用压缩空气分馏的方法制备。将空气净化处理后，在加压和降温的环境下对其进行液化，借助空气中不同组分间的沸点差异实现液氮的分离。超低温是液氮重要的物理特性之一。

如图1 所示，大气压力下液氮的沸点约为−196°C，可诱导岩石内部形成高温度梯度和强热应力，造成岩石矿物颗粒之间变形失配和孔隙流体冻胀，岩石发生显著的损伤劣化。

图1 氮的三相图[15]Fig.1 Tri-phase diagram of nitrogen

1.1 表面形貌变化

学者针对不同类型的岩石开展了液氮低温致裂特性研究[16-20]，对象涵盖煤岩、页岩、砂岩、大理岩和花岗岩等多种岩样。不同类型的岩石对液氮低温致裂作用的响应有所差异，对于页岩和煤岩，液氮冷却后岩石表面可形成图2 所示的宏观裂缝，煤岩冷却过程中甚至可以听见破裂声响。而对于常温干燥的砂岩、大理岩和花岗岩，液氮处理后则未形成肉眼可见的开裂，说明这3 种岩石对液氮低温致裂作用的响应程度相对较低。此外，从页岩的致裂结果可以发现，层理对于液氮低温致裂作用具有显著影响，低温致裂形成的宏观裂缝优先沿层理面发育。对比煤岩和页岩表面的致裂效果，煤岩表面的裂纹密度大于页岩岩样，这主要是因为煤岩的基质强度更低，在低温热应力作用下更容易发生破裂。

图2 液氮处理前后的页岩和煤岩岩样Fig.2 Shale and coal samples before and after LN2 cooling

1.2 物理力学特性

岩石在液氮超低温作用下发生开裂，必然伴随着物理和力学性质的变化。对于煤岩和页岩等致密岩石，液氮冷却后岩石纵波波速下降，渗透率显著提升。根据前期实验结果[11]，煤岩液氮冷却后渗透率提升93.55%，纵波波速降低10.43%；页岩的物性变化规律与煤岩基本一致，但受层理方向影响显著[13]。

垂直层理方向的页岩波速降幅为4.14%～4.95%，而平行层理方向的岩样波速降幅为2.69%～3.53%。垂直层理方向页岩岩样波速变化幅度要大于平行层理方向的岩样，其主要原因是，页岩在液氮低温作用下优先沿层理面开裂，阻碍了声波沿垂直层理方向的传播。渗透率方面（图3），垂直层理方向的页岩渗透率增幅为4.86%～15.14%，而平行于层理方向的页岩渗透率增幅为11.55%～177.27%，平均增长幅度大于垂直层理方向的岩样[21-22]。

图3 液氮冷却后的页岩渗透率变化率[20]Fig.3 Permeability of shales before and after LN2 cooling[20]

与煤岩和页岩等岩石不同，砂岩质地疏松，对液氮低温的响应相对较弱，液氮冷却后纵波波速和渗透率变化不大，甚至会出现渗透率下降的情况，说明干燥砂岩冷却后收缩变得更加致密，未出现明显的开裂损伤。

液氮低温对于岩石的力学特性同样具有显著的影响。以煤岩为例，液氮处理后的样品单轴压缩强度降低16.18%～33.74%，轴向峰值应变较原始岩样低13.01%～20.61%，说明岩石的力学特性发生了劣化。

图4 对比了经过液氮低温处理的煤岩岩样和未经过处理岩样的声发射振铃计数以及轴向应力与时间关系曲线。可以发现，在岩石声发射振铃计数活跃的时刻岩石应力发生突降，同时，在该时刻累计声发射振铃计数曲线斜率突增。经过液氮冷却处理的岩样在加载过程中不仅应力突降点要多于未经处理的岩样，累计声发射振铃计数也要多于未经处理的岩样。这说明，在加载过程中经液氮冷却处理的岩样声发射的活跃程度大于未经处理的岩样，即内部发生了更多的微裂隙现象。

图4 完好煤岩及液氮处理后煤岩的累计AE 振铃计数以及轴向应力与时间关系曲线[21]Fig.4 AE ring-down counts and stress-time curves of coal samples with and without LN2 treatment[21]

渗透率的增加、声波波速的降低以及力学强度的下降，表明液氮超低温作用下岩石内部出现损伤，岩石内孔隙和裂缝的连通性增强。由于岩石相邻矿物颗粒热物性存在差异，在液氮冷却下岩石矿物颗粒发生变形不匹配，诱导形成局部热应力。当热应力超过颗粒间的胶结强度时，胶结会断裂，形成新的微裂纹，导致岩石内部的微裂纹数量增加。对于岩石内部已经存在的初始裂纹，颗粒收缩同样也会使其产生张开变形的趋势。以上因素会增加岩石内部裂纹的数量，并导致孔隙结构之间的连通性增强，进而导致岩石渗透率的增加以及宏观力学特性的弱化，这也是液氮低温作用能够有效降低岩石破裂压力、提高岩石渗透率的原因。

2 影响因素分析

2.1 岩石含水饱和度

岩石饱水对液氮低温致裂作用具有重要影响。液氮冷却造成岩石内孔隙水发生水—冰相变，引起孔隙水体积膨胀，冰冻前缘向岩芯内部逐渐推进，对内部孔隙水挤压，提高孔隙压力，破坏岩石颗粒间胶结作用，引起岩石破裂。总体而言，水—冰相变的冻胀破坏作用一定程度上会加剧孔隙结构的破坏，有利于微孔隙（微裂隙）扩展，提高岩石的力学特性劣化幅度（图5）。

图5 岩石在不同处理方式下的应力-轴应变曲线[10]Fig.5 Axial stress-strain curves of rocks subjected to different treatments[10]

基于核磁共振测试（NMR）手段，通过对比不同岩石液氮处理前后的T2弛豫时间曲线，揭示了饱水对低温致裂特性的影响规律。对于砂岩岩样，岩石内水分冻结作用能够显著加剧砂岩的孔隙结构破坏，饱水砂岩经液氮冷却处理后，表面出现图6 所示的宏观裂纹，内部孔隙结构受到了严重破坏，导致整体孔隙结构尺度大幅增加；页岩的孔隙结构以微孔隙为主，单个孔隙内含水量较少，因此，孔隙水冻结对岩石孔隙结构的破坏作用相对有限，液氮冷却后孔隙尺度增幅与干燥岩样的增幅相比，提升幅度相对较小；与页岩类似，饱水状态下的大理石经液氮冷冻后，孔隙结构变化形式仍以微孔隙（微裂隙）的扩展和孔隙体积增加为主，与干燥状态下基本相同，未形成肉眼可见的宏观开裂，饱水对大理石的孔隙结构同样影响较弱。

图6 液氮冷却后饱水砂岩破裂[23]Fig.6 Cracking performances of water-saturated sandstones after LN2 cooling[23]

对于饱水状态下的大理石和页岩，孔隙结构的变化形式主要表现为微孔隙的发育和扩展，与干燥状态下基本一致。然而，在饱水状态下，砂岩表面出现肉眼可见的宏观裂纹，内部孔隙结构遭到了严重损伤，与干燥状态下具有显著不同。这是因为砂岩孔隙和裂隙结构发育，初始孔隙度较高。在饱和状态下，砂岩内部的含水量要显著高于大理石和页岩，加之砂岩颗粒胶结强度较弱，因此，液氮冷却下砂岩孔隙结构受到的破坏更加严重。页岩和大理石孔隙度很低（不足1%），且孔隙结构以微孔隙为主，单个孔隙内饱和水分量有限，且本身相对致密、矿物间胶结强度高，冻胀作用对孔隙结构的破坏受到一定程度的限制。

对于欠饱和岩样，含水饱和度是影响岩石冻结损伤的重要因素。若岩样含水率较低，未达到饱和状态时，冻结作用对孔隙结构破坏作用会相对削弱。只有当含水饱和度提高到一定程度后，岩石内微孔隙数量才开始增加，并贯通成缝。对于煤岩岩样，当含水饱和度达到40.6%时，岩样的孔隙尺度开始增加；而对于砂岩岩样，当含水饱和度达到100.0%，岩样的孔隙尺度才开始增加[16，20，22]。

2.2 岩石温度

液氮对岩石的致裂效果与岩石初始温度有关。图7 对比了经历液氮冷却和水冷处理后不同温度的花岗岩（25～600°C）的单轴抗压强度。可以看出，无论对于液氮冷却还是水浴冷却，岩石损伤随岩石初始温度的升高而加剧。其主要原因是，随岩石与冷却介质之间温差增大，二者之间对流换热速率加快，提升了岩石的“冷冲击”效应，诱导产生更高的温度梯度和热应力，加剧了岩石的劣化损伤。对比不同的冷却方式，在150～600°C，水浴冷却后岩石单轴压缩强度平均降幅约为1%～41%，而液氮冷却后岩石单轴压缩强度降幅达18%～52%，较水冷高出11%～17%，说明液氮对高温岩石的致裂效果强于水[24]。液氮温度更低，可诱导岩石矿物颗粒发生更大尺度的变形，因此，矿物间胶结破坏更严重，岩石损伤程度更高。

图7 高温岩石不同冷却方式（液氮、水浴）下的单轴压缩强度对比[24-25]Fig.7 Comparison in uniaxial compressive strength between different cooling treatments(LN2,water)[24-25]

2.3 冷却次数

循环冷却次数是影响液氮致裂岩石效果的另一个重要因素。在干燥状态下，高温岩石经受循环热—冷处理，会在岩石内部引起交变的热应力，从而造成岩石损伤积累和疲劳破坏。因此，液氮冷却循环有助于加剧岩石损伤，提升岩石的渗透率增幅和力学劣化程度。

前期研究表明（图8），随液氮冷却循环次数增加，高温花岗岩的物性劣化程度加剧，但劣化速率逐渐降低，岩石损伤主要发生在初始几个循环内，约10 次循环后岩石物性趋于平稳。对于200°C的花岗岩，经历液氮循环冷却后，其最终强度衰减幅度可达到35%左右[24]。

图8 液氮循环冷却下高温花岗岩的单轴压缩强度演化[24，26]（200 °C）Fig.8 Comparison in uniaxial compressive strength of hot granites subjected to cyclic LN2 cooling[24，26]（200 °C）

具有较小粒度的岩石对液氮循环冷却更加敏感，经历相同循环次数后，细粒花岗岩的渗透率和单轴压缩强度变化幅度更高，物理和力学性质的演化速率明显快于较大粒度的岩石。晶间开裂是岩石循环热—冷下的主要微观失效模式，虽然细粒花岗岩结晶颗粒尺寸和晶间裂缝尺度相对较小，但由于其晶间裂缝的数目显著多于粗粒岩石，因此，使得细粒岩石在液氮循环冷却下的损伤劣化更显著。

与干燥岩石不同，在饱水状态下，液氮循环冻结会造成岩石内部孔隙水发生反复冻融。岩石力学强度与冻—融循环次数具有负相关关系，较高的含水量更利于加剧冻融循环下的岩石损伤[27]。饱水岩石经历液氮循环冷却下的损伤，主要源自孔隙水的冻—融循环作用，而非单纯的热应力作用，损伤机制与干燥岩石具有显著区别。

3 液氮低温致裂的微观机制

热应力是液氮冷却下岩石开裂的根本原因。热应力的产生主要源于温度梯度及相邻矿物颗粒变形失配两种机制[28]。液氮与岩石接触时会产生剧烈的传质传热作用，在岩石内部形成极高的温度梯度，造成岩石不同部分变形差异，从而形成热应力。这种热应力与岩石内部的温度分布有关，由岩石整体的变形不匹配所引起，属于宏观的热应力作用。

除宏观热应力外，岩石在冷却过程中还会形成微观的局部热应力作用。局部热应力主要取决于岩石内微观矿物颗粒的热物性差异，岩石作为一种由不同矿物颗粒组成的混合物，各矿物颗粒间热物性和力学性质差异显著，因此，液氮冷却下相邻矿物颗粒会发生变形不匹配，形成了局部热应力。一旦这种局部热应力超过颗粒的胶结强度，矿物颗粒之间的胶结就会发生破坏，微观上形成晶间开裂。液氮冷却过程中，宏观热应力和局部热应力联合作用，共同对岩石结构产生致裂作用。

前期研究发现，石英矿物对液氮冷却下的岩石损伤具有重要影响。由于石英的热胀系数较高，岩石晶间开裂主要形成于石英矿物颗粒的边界位置（图9a）。通常，岩石矿物的热胀系数主要分布在（5.0～8.6）×10−6/°C，而石英矿物的单轴热胀系数则在（16.6～24.3）×10−6/°C，较其余矿物高约2～3倍。在如此高的热胀系数差异条件下，液氮冷却过程中石英与其相邻矿物的变形失配更严重，使得石英边界位置产生更强的热应力，胶结结构更容易被破坏，因此，在石英矿物边界位置更容易形成晶间裂缝。除晶间裂缝外，个别石英颗粒内部也会形成穿晶断裂（图9b），这一现象主要与石英在不同结晶轴方向上的热胀系数差异过大有关。石英垂直于c 结晶轴方向的热胀系数为14×10−6/°C，约为平行于该轴方向上热胀系数（7.7×10−6/°C）的两倍[24-25]。不同结晶轴方向上的热物性差异，导致石英内部变形不协调，从而引发穿晶断裂。相比于穿晶断裂，晶间开裂裂缝数目更多、尺寸更大，因此，晶间断裂被认为是液氮冷却下岩石损伤的主要微观模式。

图9 液氮冷却后花岗岩微观开裂与矿物组成的关系Fig.9 Relationship between micro-cracks and minerals

循环冷却次数对岩石物理和力学性质的演化具有影响。对于干燥岩石，液氮循环冷却下岩石经历热—冷循环作用，在岩石内形成了交变的热应力（拉—压应力交变），导致岩石内部发生热疲劳破坏[26]。这种疲劳破坏随循环次数的增加而逐渐积累，从而加剧岩石物性的劣化。但值得注意的是，在达到一定循环次数后，岩石物理力学性质不再持续劣化，损伤程度不再随循环次数的增加而加剧。其主要原因是：（1）岩石弹性模量的降低；（2）岩石孔隙空间的增长。热应力与岩石弹性模量呈正相关，在循环热—冷过程中岩石力学特性不断劣化，弹性模量逐渐降低，导致热应力随循环次数增加而逐渐下降。当达到一定循环次数后，液氮冷却产生的热应力开始低于岩石的抗拉强度，岩石的损伤不再随循环次数增加而持续加剧。在孔隙空间方面，随循环次数的增加，岩石内微裂缝数目和尺度增加，增大了岩石的孔隙空间，使岩石对矿物颗粒的变形具有更强的容纳能力，进一步弱化了颗粒变形失配所引起的热应力，从而降低了岩石损伤的演化速率，岩石损伤趋于平稳。

相对干燥岩样，饱水岩样经历液氮冷却后的损伤特征和机理具有较大差异。岩石是一种多孔介质，储层岩石内部通常含有一定体积的流体。水冰相变产生体积膨胀，这是导致岩石孔隙冻胀破坏的基本原理。岩石与液氮接触时，随着周围温度的降低，孔隙内的流体冻结成冰。在大气压条件下，水凝固成冰时体积可膨胀9%左右，造成岩石颗粒之间的胶结结构破坏（如图10 所示），从而对整个岩石的完整性产生影响。

图10 孔隙水冻胀致裂原理图Fig.10 Schematic of cracking by freezing and expansion of pore water

冻胀力的产生需要相对较饱和且密闭的孔隙，由水—冰相变出发，结合岩石损伤力学和热力学等理论，形成了许多冻胀力演化理论，如水冰相变的体积膨胀理论和分凝冰理论等[27]。液氮循环冷却作用下，饱水岩石经历冻—融循环作用。岩体的冻融破坏是岩石内部微裂隙和表面的宏观裂隙冻胀扩展两方面作用综合产生的结果，岩石内部的微小孔隙结构破坏是导致岩石冻融损伤的本质诱因。冻融循环作用下岩体易沿裂隙端部产生局部损伤断裂，本质上属于反复冻胀力加卸载作用下所引发的岩体疲劳破坏。冻融循环下产生的冻胀力对岩体中裂隙的尖端反复拉伸，会引发裂隙的不断扩展直至贯通，从而破坏岩体结构的完整性。

4 岩石适用性及差异原因

对于不同岩性、不同状态（饱水、温度）下的岩样，液氮低温致裂的响应程度具有差异。在干燥状态下，液氮对砂岩的致裂效果相对有限，岩石的孔隙结构变化表现为孔隙体积和数量的降低，岩石变得更加致密；而煤岩、页岩、花岗岩等岩样在经历液氮冷却后，则会出现一定的损伤，力学强度发生弱化，微观上表现为孔隙体积和孔隙数量的增加。不同于干燥状态，饱水砂岩在经历液氮冷却后，其内部孔隙结构会遭到严重破坏，表面甚至会出现肉眼可见的宏观开裂；对于大理石和页岩等岩样，饱水对岩石损伤的增强程度则相对有限，饱水冷冻后其孔隙结构的变化与干燥状态下基本一致，表现为微孔隙的发育和扩展。液氮冷却下不同岩样间物性变化的差异，主要与岩石矿物的非均质程度、原生孔隙尺度和岩石原位状态3 个因素有关。

4.1 矿物非均质性

晶间开裂是液氮冷却下岩石的主要微观失效模式，对岩石物理及力学性质的变化起主导作用。岩石晶间开裂与相邻矿物间热胀系数差异紧密相关，当岩石内矿物颗粒的热胀系数差异不大，矿物颗粒间的变形不匹配程度则相对较弱，变温条件下岩石的损伤程度相应较低。相反，当岩石矿物颗粒热胀系数的非均质程度较高时，岩石矿物颗粒间的变形会显著失配，从而会导致岩石内形成开裂损伤。

基于矿物测试分析，采用变异系数对岩石矿物颗粒热胀系数的非均质程度进行了表征[28]。根据计算结果，页岩、砂岩和花岗岩等3 种岩样中砂岩的变异系数值最低，其内部矿物颗粒更加均质，液氮冷却作用下矿物颗粒的变形失配现象较弱，因此，难以对其造成损伤。相比之下，花岗岩、页岩等岩石的矿物组分较多，矿物间热物性非均质性更强。当相邻矿物颗粒的热胀系数存在较大差异时，颗粒之间更容易发生相互错动，有助于微孔隙（微裂隙）之间的相互沟通，从而促使大尺度的孔隙和微裂隙的形成。

4.2 原生孔隙尺度

岩石原生孔隙尺度对液氮冷却下岩石的损伤程度具有影响。岩石原生孔隙空间越大，对热变形的容纳能力越强，从而有助于降低岩石内局部热应力的幅值，减弱液氮冷却下的岩石损伤。如图11 所示，相对于花岗岩和页岩，砂岩颗粒尺寸较大，不同颗粒之间存在大量原生孔隙，对热变形具有更强的容纳能力，因此，液氮冷却下岩石的热应力会相对较低，不易形成开裂，整体上砂岩的孔隙数量和体积会随岩石的冷却收缩而减少。而花岗岩内部颗粒排列致密，不存在原生裂隙或原生孔隙尺度十分微小，颗粒间一旦产生微小变形，就会诱发极强的热应力和微观破裂，因此，更容易引起矿物胶结的破坏和微孔隙（微裂隙）的扩展[29]。尽管煤岩和页岩同样基质致密，但由于其内部层理等原生弱面发育，且层理胶结强度通常相对较低，因此，液氮冷却下煤岩和页岩会形成较大程度的孔渗变化，裂隙会优先沿层理和节理面发育扩展。

图11 花岗岩、页岩和砂岩微观结构对比[24，30]Fig.11 Micro-structure comparison between granite,shale and sandstone[24，30]

4.3 岩石原位状态

对于不同的储层，岩石的原位温度和含水饱和度具有差异。对于砂岩等原生孔隙发育的储层，高含水率（饱水）会大幅提升液氮的低温致裂效果。在欠饱和或干燥储层中，随岩石原位温度升高，液氮低温致裂效果增强，岩石力学劣化程度和渗透率提升尺度大幅提升[29-30]。因此，除非常规油气储层外，液氮压裂在干热岩地热等高温储层的改造中同样具有前景，可为干热岩起裂压力高、缝网单一、沟通性等瓶颈问题提供解决思路。