摘要
深层页岩气是一类重要的非常规油气资源，近年来逐渐成为能源开采的重点。由于我国页岩气储层具有孔渗低，埋深大等特征，需要实施相应的增产措施才能实现页岩气的有效开采。针对水力压裂造成的水资源紧缺与环境污染问题，近年来提出的液氮无水压裂可成为深页岩气有效开发和缓解水资源紧缺的关键技术之一。利用液氮对岩石产生的冷冲击作用，降低了岩石的破碎难度，从而改善储层的压裂效果。因此，明确低温液氮对深层页岩的致裂机理研究，探讨深层页岩液氮压裂的可行性，对我国页岩气开发具有重要指导意义。 本研究旨在揭示低温液氮对深层页岩的损伤致裂机理，采用室内实验、理论分析和数值模拟相结合的手段，针对液氮冷却下深层页岩孔隙的损伤劣化规律、液氮低温致裂效果以及液氮冷冲击作用下岩石的损伤响应机制开展了分析。主要成果如下： （1）实验测量了液氮冷却下页岩的物性变化，揭示了高温页岩的孔隙损伤劣化特征。结果表明：液氮冷却可有效劣化高温页岩的孔隙结构，液氮冷却后页岩孔隙度涨幅高于水冷和空冷；随岩石温度升高，液氮的“冷冲击”效果加剧；液氮冷却下不同岩性岩石的劣化程度具有差异，由于碳质页岩矿物热物性非均质程度以及黏土矿物较高，热应力引起孔隙结构破坏效果更为明显，核磁T2谱中更多尺寸的孔隙连通。随热-冷循环次数增加，页岩孔隙劣化程度加剧，但孔隙度增长幅度逐渐降低。建立了孔隙度增长幅度预测的数学模型，定量描述因素影响下页岩孔隙度的增长规律。 （2）开展了真三轴液氮压裂室内实验，研究了裂缝起裂和形态及其影响因素。结果表明：与水相比，热应力的存在使液氮（LN2）压裂能显著降低页岩的起裂压力，缩短压裂施工时间；水平差应力差异系数的增加并没有降低裂缝的复杂性，LN2裂缝可以激活层理，并转向原有的裂缝进行扩展。裸眼长度越长，裂缝越复杂，因为LN2冷却会在裸眼周围产生更多的裂缝。同时，低粘度LN2更容易流入裂缝前缘，促进裂缝扩展和网络生成。 （3）基于冻结实验研究与液氮压裂实验研究，开展了页岩损伤致裂与裂缝扩展模拟研究。结果表明：液氮压裂过程中能引起地层温度场、渗流场以及应力场多个物理场发生变化。液氮注入能够引起井筒围岩基质受冷劣化，形成高渗透的热应力损伤区域，有利于后续的压裂改造。液氮压裂过程中，低粘度液氮能够深入岩石微孔结构中并形成高孔隙压力区，有利于微裂缝间相互连通，增加裂缝的复杂程度。
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