摘要：采用超臨界CO2 破致密碳酸鹽巖具有破裂壓力低，易形成復(fù)雜縫特點(diǎn)，但其作用的力學(xué)機(jī)理尚未清晰。選用馬家溝組致密白云巖樣，采用高溫高壓超臨界CO2 飽和流體法，研究了巖樣在超臨界CO2+ 地層水的流體中浸泡不同時(shí)間后的物性、聲波響應(yīng)、巖石力學(xué)特性和破裂形態(tài)特征。結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間增加，化學(xué)溶蝕作用引起溶蝕孔徑增大，巖樣孔隙度、滲透率增加，而聲波速度、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)均下降；當(dāng)浸泡時(shí)間大于1.0 d 后，巖樣物性參數(shù)增大和力學(xué)強(qiáng)度降低明顯；隨著浸泡時(shí)間增加，巖樣破裂形態(tài)由單一低角度剪切縫向高角度剪切縫、共軛縫和剪切、張型復(fù)合縫等復(fù)雜形態(tài)發(fā)展；壓裂短時(shí)間內(nèi)（小于1.0 d）超臨界CO2+ 地層水形成的弱酸對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度劣化程度有限。

關(guān)鍵詞：致密碳酸鹽巖；超臨界CO2；前置酸壓；力學(xué)強(qiáng)度；破裂形態(tài)

引言

鄂爾多斯盆地下古生界馬家溝組以海相碳酸鹽巖沉積為主[1]，其中，馬五段主要為白云巖[2]，平均孔隙度1.83%，平均滲透率0.11 mD，儲(chǔ)集層溫度70～120 ?C，儲(chǔ)層壓力系數(shù)0.7～0.9，屬于典型的中高溫低壓致密碳酸鹽巖氣藏[3]。由于儲(chǔ)集層溫度較高，酸液有效作用距離短；儲(chǔ)集層壓力系數(shù)低，酸液返排困難，殘酸長(zhǎng)時(shí)間滯留易引起儲(chǔ)集層傷害，因此，常規(guī)深度酸壓技術(shù)提產(chǎn)效果有限[4-]。近年來(lái)，超臨界CO2（Supercritical Carbon Dioxide，SC-CO2）壓裂由于在造復(fù)雜縫網(wǎng)、增能助排、儲(chǔ)層低傷害和置換、驅(qū)替油氣提高采收率等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，先后在致密砂巖、頁(yè)巖和煤巖等儲(chǔ)層成功應(yīng)用，并取得理想的增產(chǎn)效果[8 15]。借鑒SC-CO2壓裂成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)致密低壓碳酸鹽巖儲(chǔ)層，郭建春等提出了SC-CO2預(yù)前置壓裂技術(shù)理念，即先用SC-CO2 造復(fù)雜縫，再注酸刻蝕裂縫[16]，并在延長(zhǎng)氣田馬五段首次成功實(shí)施超臨界CO2 酸壓，取得了理想增產(chǎn)效果，展示了極好的應(yīng)用前景。

頁(yè)巖、致密砂巖室內(nèi)大型SC-CO2壓裂物模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明，SC-CO2 與常規(guī)水力壓裂相比，具有形成復(fù)雜多裂縫優(yōu)勢(shì)和降低破裂壓力優(yōu)勢(shì)，其主要機(jī)理包括SC-CO2 低黏度和高擴(kuò)散性導(dǎo)致的孔隙壓力場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)，共同降低有效應(yīng)力并誘發(fā)天然裂縫剪切破壞，SC-CO2 相變釋放的能量以沖擊載荷和熱應(yīng)力的形式促進(jìn)裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展；同時(shí)，零表面張力的SC-CO2 可進(jìn)入微裂紋尖端，降低裂縫擴(kuò)展所需的縫內(nèi)凈壓力和裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力[17-18]。碳酸鹽巖SC-CO2 壓裂物模實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，已有研究表明，SC-CO2 黏度低，擴(kuò)散性強(qiáng)，壓裂過(guò)程中濾失量大，有利于提高井筒周?chē)鷰r石孔隙壓力，明顯降低碳酸鹽巖的破裂壓力[16]。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究SC-CO2-地層水巖石相互作用以及其力學(xué)響應(yīng)特征，是進(jìn)一步揭示SC-CO2 多場(chǎng)耦合作用下破巖機(jī)理，為SC-CO2 前置酸壓設(shè)計(jì)提供支持的基礎(chǔ)。關(guān)于SC-CO2 對(duì)致密砂巖、頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性影響，大量文獻(xiàn)研究表明，SC-CO2 對(duì)頁(yè)巖、致密砂巖中的碳酸鹽巖礦物溶蝕，是引起孔隙度增大和力學(xué)強(qiáng)度變化的主要原因[19-21]；然而，致密碳酸鹽巖自身具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，且碳酸鹽巖礦物含量高，SC-CO2 對(duì)其力學(xué)特性影響的研究較少。

本文選用鄂爾多斯盆地馬五段致密碳酸鹽巖，采用飽和流體法，實(shí)驗(yàn)研究了致密碳酸鹽巖分別在干燥SC-CO2 和地層水+SC-CO2 混合流體中浸泡不同時(shí)間后，巖石物性特征、孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)響應(yīng)特征和破裂形態(tài)特征變化，進(jìn)一步揭示了SC-CO2 在致密碳酸鹽巖前置酸壓中降低破裂壓力機(jī)制和形成復(fù)雜縫網(wǎng)的作用，為SC-CO2 前置酸壓提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖樣來(lái)自鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五段的同一塊天然露頭，將巖樣加工成直徑25 mm，長(zhǎng)50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)柱塞巖樣，共計(jì)39 個(gè)。碳酸鹽巖巖樣的非均質(zhì)性很強(qiáng)，為了減小巖樣非均質(zhì)性帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)39 個(gè)巖樣開(kāi)展孔隙度測(cè)試、滲透率測(cè)試、聲波速度測(cè)試和全巖礦物分析，并基于聲波測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算巖柱的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)（楊氏模量和泊松比等），選擇孔滲大小、動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)以及礦物成分基本一致的14 個(gè)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，剔除物性、巖石力學(xué)參數(shù)明顯異常的巖樣[22]。

圖1 為隨機(jī)選取5 個(gè)巖樣的礦物組成分布測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)巖樣雖含有少量黏土和石英等礦物，但礦物組成仍以白云石為主，其含量大于90.25%；其次為含量2.09%～7.10% 的方解石；實(shí)驗(yàn)巖樣的礦物組成總體基本保持一致。

39 個(gè)巖樣孔滲分布見(jiàn)圖2，巖樣極其致密：巖樣的孔隙度1.28%～3.84%，平均2.21%；滲透率（0.08～5.33）×10?2 mD，平均0.98×10?2 mD。

巖樣動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)分布見(jiàn)圖3。巖樣的動(dòng)態(tài)楊氏模量70.40～97.33 GPa，平均89.70 GPa，動(dòng)態(tài)泊松比為0.246～0.302，平均0.271，巖石力學(xué)強(qiáng)度較高。綜合39 個(gè)巖樣孔滲和巖石力學(xué)分布特征，選取巖樣的滲透率、孔隙度、動(dòng)態(tài)楊氏模量和動(dòng)態(tài)泊松比分別在2.80×10?2 mD、2.20%、90.00 GPa 和0.270附近的14 個(gè)巖樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

馬家溝組馬五段的地層水為氯化鈣型，根據(jù)實(shí)際地層水離子濃度檢測(cè)結(jié)果，配制Cl? 濃度164.65 g/L、Na++K+ 濃度31.87 g/L、Ca2+ 濃度30.36 g/L 和Mg2+ 濃度4.55 g/L 的地層水，用于巖樣的飽和及浸泡實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要裝置和測(cè)試流程

實(shí)驗(yàn)主要采用高溫高壓SC-CO2 飽和流體法，研究在一定時(shí)間內(nèi)浸泡飽和前后的巖芯物性特征、飽和溶液離子濃度變化和巖石力學(xué)參數(shù)變化。涉及的主要測(cè)試裝置見(jiàn)圖4。

1.2.1 浸泡實(shí)驗(yàn)前巖樣表征

浸泡前主要表征巖樣的孔滲特征和基于聲波測(cè)試動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)特征。同時(shí)，將部分巖樣的一端切割成0.5 cm 厚巖片，通過(guò)對(duì)巖片的環(huán)境電鏡掃描結(jié)果來(lái)表征浸泡前巖樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。利用電感耦合離子濃度監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)浸泡前溶液中的離子濃度。

1.2.2 SC-CO2 浸泡飽和實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)巖樣在真空加壓飽和裝置中加壓飽和地層水24 h，然后在SC-CO2 反應(yīng)裝置中（圖4b）分別飽和SC-CO2 以及地層水+SC-CO2 不同流體介質(zhì)[23]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)置不同的浸泡飽和時(shí)間。

1.2.3 浸泡飽和后的巖樣表征

依據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案完成浸泡飽和之后，為分析SC-CO2 對(duì)巖石力學(xué)特性影響機(jī)制，開(kāi)展表征浸泡后巖樣實(shí)驗(yàn)，主要包括：

1）質(zhì)量變化表征。烘干、拍照、稱重，確定浸泡前后巖石質(zhì)量的變化。

2）物性與動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)特征表征。開(kāi)展孔滲及聲波測(cè)試，定量表征巖石的孔滲大小變化以及動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)變化。

3）孔隙結(jié)構(gòu)表征。將薄片進(jìn)行環(huán)境電鏡掃描，定性分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

4）浸泡液離子濃度變化表征。將反應(yīng)后的溶液進(jìn)行離子濃度檢測(cè)，確定反應(yīng)前后巖樣礦物成分的變化。

5）三軸巖石力學(xué)特性表征。采用GCTS 三軸巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置，開(kāi)展三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)，同時(shí)，分析巖樣破裂形態(tài)特征。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了揭示SC-CO2 對(duì)致密白云巖巖石力學(xué)特性的影響，根據(jù)研究工區(qū)馬五段特征和實(shí)驗(yàn)裝備條件限制，設(shè)置CO2 反應(yīng)裝置中的固定溫度為70 ?C，浸泡壓力為20 MPa，浸泡時(shí)間為0.5～5.0 d，為了保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每一組時(shí)間變量下設(shè)置一組平行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1 所示。

考慮儲(chǔ)層溫度和地應(yīng)力特征，GCTS 三軸巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試設(shè)置溫度100 ?C，圍壓60 MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SC-CO2 對(duì)致密碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)及物性特征影響

2.1.1 SC-CO2 作用后巖石孔滲特征變化

CO2 溶解度隨溫度和壓力的變化曲線見(jiàn)圖5，CO2 溶解度隨著溫度的升高而降低，隨著壓力的增加而升高。

地層水中pH 值隨溫度和壓力變化曲線如圖6所示，地層水中pH 值隨著溫度的升高而升高。在10 MPa 前，pH 值隨壓力的增加迅速降低，在10 MPa后，pH 值隨壓力的增加而緩慢降低。在浸泡實(shí)驗(yàn)條件下（70 ?C、20 MPa，SC CO2 飽和），CO2 極易溶于地層水中生成弱酸H2CO3，此時(shí)地層水的pH 值約為1.2。

圖7、圖8 分別為同一巖樣在不同流體中，浸泡前后的孔隙度和滲透率變化特征。當(dāng)巖樣被地層水+SC-CO2 浸泡后，巖石的孔隙度和滲透率均有不同程度的增加，并且隨著浸泡時(shí)間的增加，巖石的孔隙度和滲透率增加的幅度也越大：當(dāng)巖樣分別浸泡0.5、1.0、2.0 和5.0 d 后，巖石的孔隙度（取兩組平行實(shí)驗(yàn)的平均值）分別增加了24.40%、73.90%、110.80%和212.20%；而滲透率分別增加了49.20%、110.50%、228.40% 和547.70%。

實(shí)驗(yàn)表明，相似溫度、壓力下，地層水+SC-CO2浸泡5.0 d 后，致密砂巖孔隙度和滲透率分別增加了3.24% 和62.4%[24]。碳酸鹽巖孔滲性能隨浸泡時(shí)間增加的增大幅度明顯大于致密砂巖，這是因?yàn)樘妓猁}巖主要由方解石和白云石兩種酸溶性礦物組成，孔滲性能受碳酸影響更明顯，而致密砂巖與頁(yè)巖主要由石英等難溶礦物組成，且伴生礦物顆粒易堵塞孔隙，從而影響碳酸對(duì)巖樣孔滲的改善。然而，在SC-CO2 中浸泡5.0 d 后，巖石的孔隙度和滲透率依然分別增加了96.85% 和165.75%，增幅遠(yuǎn)超過(guò)地層水+SC-CO2 浸泡，這可能是強(qiáng)擴(kuò)散性的SC-CO2極易進(jìn)入巖石內(nèi)部微小孔隙中，增加孔隙壓力，產(chǎn)生微孔和微裂縫[25]。

2.1.2 巖樣微觀結(jié)構(gòu)變化特征

浸泡反應(yīng)前后巖樣的電鏡掃描結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9a 知，干燥巖樣浸泡反應(yīng)前，巖樣表面致密，無(wú)明顯大的原生孔隙。由圖9b 知，當(dāng)干燥巖樣在高溫高壓的SC-CO2 浸泡5.0 d 后，致密巖石表面也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的大孔隙，說(shuō)明CO2 與干燥巖石反應(yīng)后，導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)增大，造成該現(xiàn)象的原因可能是SC-CO2 極易擴(kuò)散進(jìn)入巖石內(nèi)部微孔隙、微裂縫中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到孔隙壓力作用增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Chen 觀測(cè)到的微觀結(jié)構(gòu)變化一致[25]。由圖9c～圖9f 可知，當(dāng)致密巖石在地層水+SC-CO2高溫高壓環(huán)境中浸泡0.5、1.0、2.0 和5.0 d 后，巖石最大溶蝕孔隙直徑分別為10.14、23.55、31.85 和95.96 m，可知在高溫高壓地層水+SC-CO2 浸泡，弱酸溶蝕效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致巖石的孔隙結(jié)構(gòu)明顯變大，并且反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的溶蝕孔隙越大。弱酸主要溶蝕礦物顆粒間膠結(jié)物和白云巖礦物，浸泡1.0 d 后開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)完整的難酸溶性的晶體結(jié)構(gòu)，隨著浸泡時(shí)間增加，孔隙變大，晶體結(jié)構(gòu)暴露數(shù)量增多，同時(shí)在表面形成小顆粒狀白色礦物顆粒。Li 等[26] 同樣發(fā)現(xiàn)，砂巖在SC-CO2 飽和鹽水浸泡時(shí)，方解石和白云石等膠結(jié)物礦物顆粒分別在4 和168 h 被完全溶蝕，隨著膠結(jié)物的溶蝕，鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等難酸溶性礦物晶體逐漸暴露，并被緩慢溶蝕。

2.1.3 浸泡溶液離子濃度變化特征

采用電感耦合離子濃度檢測(cè)儀（ICP）監(jiān)測(cè)浸泡反應(yīng)前后地層水中離子濃度的變化，分析SC-CO2 地層水巖石溶蝕反應(yīng)特征。如圖10 所示，反應(yīng)后溶液中的Ca2+、Mg2+ 濃度呈減小趨勢(shì)，這與Zou 等[27] 開(kāi)展的CO2 地層水頁(yè)巖反應(yīng)的測(cè)試結(jié)果相反，這是由于H2CO3 與白云巖反應(yīng)后雖然有Ca2+、Mg2+ 生成，但是同時(shí)CO2 過(guò)飽和溶解在溶液中產(chǎn)生的CO2?3 也會(huì)與溶液中的Ca2+、Mg2+ 生成沉淀，見(jiàn)式（1）和式（2），導(dǎo)致Ca2+、Mg2+ 濃度降低，這也是CO2 埋存過(guò)程中，CO2 的捕獲機(jī)理之一。

CO2?3 + Mg2+ = MgCO3 （1）

CO2?3 + Ca2+ = CaCO3 （2）

為了進(jìn)一步證實(shí)SC-CO2-地層水白云巖反應(yīng)后有沉淀產(chǎn)生，對(duì)反應(yīng)前后巖石的質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比，如圖11 所示。當(dāng)SC-CO2-地層水白云巖作用后，巖石質(zhì)量呈微弱增加的趨勢(shì)，且反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，巖石的質(zhì)量增加幅度越大，說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中有沉淀生成。由電鏡掃描結(jié)果（圖9）也可以看出，巖石表面有白色顆粒（沉淀）生成，因此，溶液中Ca2+、Mg2+ 離子濃度的變化原因是H2CO3 與白云巖溶蝕反應(yīng)生成的Ca2+、Mg2+ 離子以及CO2?3 與溶液中的Ca2+、Mg2+ 離子發(fā)生沉淀消耗Ca2+、Mg2+ 離子兩者競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果。然而當(dāng)SC-CO2-白云巖作用后，巖石質(zhì)量沒(méi)有變化，說(shuō)明干燥的SC-CO2不能與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化僅僅是CO2 超強(qiáng)擴(kuò)散性引起孔隙壓力增加導(dǎo)致局部微裂隙造成的。

綜合Ca2+、Mg2+ 濃度和巖芯質(zhì)量變化特征，隨著浸泡時(shí)間增加，SC-CO2-地層水-巖石反應(yīng)引起的礦物沉淀占主導(dǎo)作用。電鏡掃描表明，難酸溶性礦物顆粒直徑僅1～3 m，遠(yuǎn)小于溶蝕產(chǎn)生的孔隙直徑（23～96 m），因此，巖樣宏觀上仍表現(xiàn)為孔滲增加，而這與SC-CO2飽和鹽水對(duì)頁(yè)巖、砂巖孔滲性能的影響相反，因?yàn)轫?yè)巖、砂巖中易反應(yīng)礦物（方解石、白云石）含量低，且存在更多難溶礦物顆粒堵塞喉道，削弱了SC-CO2對(duì)巖石孔滲的改善效果[28]。

2.2 SC-CO2 作用后巖石力學(xué)響應(yīng)特征

2.2.1 巖石聲學(xué)特征變化與動(dòng)態(tài)力學(xué)特征響應(yīng)

巖樣浸泡反應(yīng)前后的聲波測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12 和圖13，反應(yīng)后巖石的縱波和橫波速度均下降，浸泡反應(yīng)0.5、1.0、2.0 和5.0 d 后巖石的縱波速度分別下降了1.43%、2.96%、3.67% 和5.77%，而橫波速度分別下降了2.83%、5.89%、7.21% 和11.21%，這說(shuō)明巖石內(nèi)部有孔隙產(chǎn)生，并且隨著反應(yīng)時(shí)間的增加巖石縱橫波速下降幅度越大，這與圖7～圖9 中孔隙度、滲透率和巖樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征一致。當(dāng)沒(méi)有地層水存在時(shí)，SC-CO2 與白云巖在高溫高壓下浸泡5.0 d 后，縱、橫波速度依然有所下降，分別降低了3.52% 和6.91%，說(shuō)明巖石內(nèi)部孔隙增大，但是增大幅度較有地層水存在時(shí)有所減小。

圖14 和圖15 為利用縱、橫波速度計(jì)算浸泡前后巖石的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)（楊氏模量、泊松比）變化圖。

由圖14 和圖15 可以看出，不管有無(wú)地層水存在，當(dāng)白云巖和SC-CO2 作用后，會(huì)使白云巖的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)減小；當(dāng)有地層水存在時(shí)，浸泡反應(yīng)0.5、1.0、2.0 和5.0 d 后，巖石的動(dòng)態(tài)楊氏模量分別下降了0.68%、3.79%、3.11%和5.18%，動(dòng)態(tài)泊松比分別下降了2.13%、6.23%、8.37% 和17.17%；而當(dāng)沒(méi)有地層水存在時(shí)，動(dòng)態(tài)楊氏模量和動(dòng)態(tài)泊松比分別下降了4.68% 和2.36%。

2.2.2 SC-CO2 對(duì)白云巖巖石力學(xué)強(qiáng)度損傷影響

地層水+SC-CO2 條件下，巖樣抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)楊氏模量和靜態(tài)泊松比變化情況分別如圖16、圖17和圖18 所示。隨著SC-CO2-地層水-巖石反應(yīng)時(shí)間的增加，白云巖的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量以及泊松比均減小，同時(shí)，白云巖在干燥的SC-CO2 作用下，抗壓強(qiáng)度、楊氏模量以及泊松比也會(huì)弱化，但弱化程度較有地層水存在時(shí)有所下降。

為了定量研究在SC-CO2 及地層水（或沒(méi)有地層水）條件下，白云巖巖石力學(xué)性質(zhì)的弱化程度，采取兩組實(shí)驗(yàn)的平均值作為參考，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SC-CO2-地層水-白云巖反應(yīng)時(shí)間為0.5、1.0、2.0 和5.0 d 時(shí)，白云巖的抗壓強(qiáng)度分別降低了11.34%、33.28%、35.81% 和41.61%；白云巖的楊氏模量分別降低了13.81%、17.21%、17.10% 和20.22%，泊松比分別降低了0.43%、9.02%、19.35% 和27.39%。

此外，反應(yīng)1.0 d 或者2.0 d 后，巖石抗壓強(qiáng)度弱化程度比反應(yīng)5.0 d 后的弱化程度大，其原因可能是由于巖石內(nèi)部存在的原生裂隙，從而弱化了巖石的抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)觀察到的巖石力學(xué)性能劣化現(xiàn)象與砂巖和頁(yè)巖的SC-CO2 飽和浸泡實(shí)驗(yàn)類似[29 30]，其區(qū)別在于碳酸鹽巖抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)隨浸泡時(shí)間變化速率遠(yuǎn)高于砂巖和頁(yè)巖，且碳酸鹽巖力學(xué)性質(zhì)劣化機(jī)理與砂巖、頁(yè)巖也不完全相同。飽和地層水+SC-CO2 的砂巖、頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)劣化來(lái)源于物理作用（黏土礦物吸水膨脹、CO2 吸附、SC-CO2 進(jìn)入節(jié)理或?qū)永懋a(chǎn)生正應(yīng)力削弱其強(qiáng)度）和化學(xué)作用（碳酸鹽巖礦物溶解與沉淀產(chǎn)生孔隙） [31]。碳酸鹽巖力學(xué)性質(zhì)劣化主要來(lái)源于SC-CO2 和地層水中碳酸溶解白云石導(dǎo)致的孔隙增大和溶解膠結(jié)物導(dǎo)致的膠結(jié)強(qiáng)度劣化。

當(dāng)沒(méi)有地層水存在時(shí)，即SC-CO2 和白云石作用5.0 d 后，白云巖的抗壓強(qiáng)度降低了33.54%，楊氏模量降低了11.51%，泊松比降低了2.59%，這與Hangx 等[32] 對(duì)致密砂巖與SC-CO2 作用的研究結(jié)論一致，因?yàn)镾C-CO2 強(qiáng)擴(kuò)散性會(huì)增加孔隙內(nèi)和微裂縫內(nèi)正應(yīng)力，從而降低巖石力學(xué)強(qiáng)度[32]。

分析可知，SC-CO2-地層水-白云巖石反應(yīng)后，對(duì)白云巖的抗壓強(qiáng)度弱化程度大于楊氏模量大于泊松比；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)（0.5 d），白云巖在SC-CO2和地層水的作用下，其泊松比弱化程度較小，而通常短時(shí)間的CO2 壓裂施工（lt;0.5 d），SC-CO2-地層水-白云巖的反應(yīng)能力較弱，化學(xué)反應(yīng)引起的力學(xué)損傷對(duì)降低儲(chǔ)層破裂壓力貢獻(xiàn)較小。

2.3 SC-CO2 作用后巖石破裂特征

基于三軸巖石力學(xué)，分析在SC-CO2 作用后巖石破裂特征。巖石破裂后形成裂縫，采用素描方式刻畫(huà)巖面裂縫輪廓，對(duì)圖像中素描裂縫輪廓線進(jìn)行二值化處理，并使用圖像成圖軟件計(jì)算二值化圖像中裂縫輪廓線的定量參數(shù)[33]?；趲r面破裂裂縫定量表征（包括裂縫傾角、數(shù)量、迂曲度），對(duì)比分析SC-CO2 浸泡作用對(duì)巖石破裂形態(tài)影響，見(jiàn)圖19。

如圖20 與圖21 所示，未浸泡巖樣受壓破壞后，破裂形成的裂縫形態(tài)較為簡(jiǎn)單，均為典型的低角度（剪切角約45?）剪切裂縫（圖20a）。與未浸泡巖樣相比，干燥SC-CO2 作用5.0 d 和地層水+SC-CO2作用0.5 d 后，巖樣破壞形式仍以剪切縫為主，存在誘導(dǎo)高角度天然裂縫發(fā)生剪切破壞的趨勢(shì)（圖20b，圖20c），且裂縫數(shù)量增加至最少2 條（圖21b），表明SC-CO2 浸泡的擴(kuò)孔和力學(xué)性質(zhì)劣化作用有利于誘導(dǎo)天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。

不同浸泡條件下的巖樣破裂形態(tài)特征參數(shù)如圖21 所示，隨著地層水+SC-CO2 混合溶液浸泡時(shí)間的增加，破裂裂縫傾角、數(shù)量、迂曲度明顯提高。

破裂形態(tài)特征參數(shù)表明，巖石破裂形態(tài)趨于復(fù)雜，由低角度剪切縫慢慢過(guò)渡為高角度剪性縫和復(fù)雜張性縫（圖20d、圖20e 和圖20f）。一方面，浸泡過(guò)程中地層水+SC-CO2 溶蝕作用較大削弱了天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)程度；另一方面，孔隙結(jié)構(gòu)的變化改變了巖樣原始孔隙系統(tǒng)連通性，使得破壞過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)向更加頻繁。

綜上分析表明，破裂過(guò)程中天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的激活和裂縫的轉(zhuǎn)向使得碳酸鹽巖巖樣破壞形式發(fā)生改變，產(chǎn)生數(shù)量更多、傾角更大、迂曲度更高的宏觀破壞裂縫。這與地層水+SC-CO2 浸泡砂巖后的破裂形態(tài)特征有較大差異，Zou 等[27] 研究發(fā)現(xiàn)，地層水+SC-CO2 飽和砂巖的破裂裂縫體系非常簡(jiǎn)單，主要為軸向拉伸裂縫和水平拉伸裂縫，且SC-CO2 的存在對(duì)砂巖破裂裂縫特征沒(méi)有顯著影響。

3 結(jié)論

1）致密白云巖在地層水+SC-CO2 中浸泡時(shí)間對(duì)巖樣物性影響較大，浸泡時(shí)間由0.5 d 增加至5.0 d，由于化學(xué)溶蝕反應(yīng)作用，巖石溶蝕孔徑、孔隙度和滲透率均增大近10 倍；浸泡時(shí)間大于1.0 d，孔隙度、滲透率呈成倍增加趨勢(shì)；巖樣在純SC-CO2環(huán)境中浸泡后，孔隙度、滲透率略有增加。

2）致密白云巖在地層水+SC-CO2 中的浸泡反應(yīng)，存在白云巖與碳酸的溶蝕反應(yīng)以及地層水中鈣鎂離子的沉淀相互競(jìng)爭(zhēng)作用的兩個(gè)過(guò)程；致密巖樣浸泡后沉淀作用略占優(yōu)勢(shì)，巖樣質(zhì)量有少許增加。

3）致密巖樣在地層水+SC-CO2 中浸泡后，巖石縱波、橫波速度隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)而下降，抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比也相應(yīng)下降，浸泡時(shí)間大于1.0 d 時(shí)，巖石力學(xué)強(qiáng)度下降超過(guò)33%，楊氏模量下降超過(guò)17%；壓裂施工時(shí)間短時(shí)（小于1.0 d），化學(xué)溶蝕反應(yīng)劣化巖石力學(xué)強(qiáng)度作用有限。

4）地層水+SC-CO2 浸泡后的巖樣破壞特征呈現(xiàn)典型的彈性破壞特征，長(zhǎng)時(shí)間浸泡后巖石脆性破壞特征增加，破裂裂縫形態(tài)由單一的低角度剪切縫向高角度剪切縫、共軛縫和剪切、張型復(fù)合縫等復(fù)雜縫形態(tài)發(fā)展，其裂縫傾角、裂縫數(shù)量和迂曲度等也相應(yīng)增加。

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作者簡(jiǎn)介

茍波，1984 年生，男，漢族，四川閬中人，副研究員，博士，主要從事油氣藏增產(chǎn)技術(shù)研究與教學(xué)。E-mail：swpugb@163.com

王琨，1974 年生，女，漢族，四川資中人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理、石油與天然氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作。E-mail：569381620@qq.com

李驍，1994 年生，男，漢族，四川南充人，博士，主要從事油氣藏增產(chǎn)技術(shù)等方面的研究。E-mail：279834235@qq.com

詹立，1994 年生，男，漢族，四川德陽(yáng)人，工程師，博士，主要從事油氣藏增產(chǎn)改造理論與技術(shù)研究。E-mail：zhanliswpu@163.com

劉超，1983 年生，男，漢族，內(nèi)蒙古磴口人，高級(jí)工程師，博士，主要從事油氣藏增產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：lcok101@qq.com

編輯：王旭東

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52374047，U21A20105）