基于激光超快时间分辨方法的纹层页岩CO₂作用下断裂特征

摘要

大庆古龙页岩发育类型多样的毫米级纹层，前置CO₂压裂改造后纹层断裂特征及裂缝扩展规律尚不清晰.以大庆油田古龙纹层页岩为研究对象，进行了SC-CO₂作用前后三点弯对比试验，研究了水-SC-CO₂作用下混合质纹层型和长英质纹层型页岩样品断裂韧性、能量释放率和裂缝扩展变化机制.试验过程采用皮秒脉冲激光超快时间分辨方法进行观测，其极短的脉冲宽度（15 ps）能够提供极高的时间分辨率观测裂缝穿透页理的全过程.研究结果表明：SC-CO₂对2种类型页岩力学性质作用效果有明显差异，混合质纹层型页岩与长英质纹层型页岩Ⅰ型断裂韧性、弹性模量、吸收能和能量释放率均降低，混合质纹层型页岩更为显著.经过SC-CO₂浸泡后，页岩抗拉裂缝扩展能力降低，裂缝扩展时间减小，混合质纹层页岩表现为扩展最大速度和扩展平均速度降低，扩展速度起伏更加明显，破坏时间缩短.混合质纹层表现为扩展平均速度提高，扩展速度起伏更加密集.在经过SC-CO₂浸泡后，2种类型页岩Ⅰ型裂缝均沿人工预裂缝方向扩展，SC-CO₂通过弱化层理黏结力和矿物界面强度，使得混合质页岩裂纹呈阶梯状溶蚀-膨胀耦合扩展，而长英质页岩则沿脆性矿物界面贯穿分叉，与处理前相比二者裂缝偏离程度均降低.SC-CO₂浸泡降低页岩样品起裂所需缝内压力，缝内压力更容易突破缝尖断裂韧性，能更快地引起Ⅰ型裂缝的萌生和扩展，吸收能量较少且断裂模式均是直接穿透基质断裂.CO₂处理造成的矿物组分的溶解、矿物运移和孔隙的溶蚀导致Ⅰ型断裂韧性等力学参数降低.浸泡SC-CO₂后，由于裂缝穿透基质偏转的次数变少或者偏离的角度变小，使得裂缝更加光滑，页岩样品分形维数变小，扩展时更加容易.研究结果可为认识不同岩相纹层页岩压裂裂缝扩展规律、可压性评价和差异化压裂方案优化设计提供支撑.

关键词

岩石力学 / 纹层页岩 / 断裂韧性 / SC-CO₂ / 裂缝扩展