超臨界二氧化碳?jí)毫炎饔孟马?yè)巖的力學(xué)特征與孔隙度變化規(guī)律研究

李曜軒 張艷 王興義

摘 ? ? ?要：基于減少開(kāi)采頁(yè)巖氣對(duì)地層損害的目的，研究超臨界二氧化碳?jí)毫炎饔孟马?yè)巖的宏觀力學(xué)特性和孔隙度十分必要。通過(guò)室內(nèi)物理模擬超臨界二氧化碳?jí)毫秧?yè)巖過(guò)程，分析了超臨界二氧化碳注入頁(yè)巖后巖石力學(xué)特征與孔隙度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)頁(yè)巖所受圍壓一定的條件下，隨著超臨界二氧化碳注入壓力的增加，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨之減小，泊松比增加，頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注入超臨界二氧化碳?jí)毫Υ笮〕啥味囗?xiàng)式關(guān)系。超臨界二氧化碳注入頁(yè)巖巖芯后，樣品的質(zhì)量減小，孔隙度顯著提高且最高增幅將近四倍，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和泊松比與巖石孔隙度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，這表明超臨界二氧化碳可以很好地改善頁(yè)巖的物性特征。

關(guān) ?鍵 ?詞：超臨界二氧化碳;壓裂液;頁(yè)巖;力學(xué)參數(shù);孔隙度

中圖分類號(hào)：TE357.7 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0572-05

Abstract： In order to reduce the damage of shale formation， it is necessary to study the macroscopic mechanical properties and porosity of shale under supercritical carbon dioxide fracturing.In this paper， the physical simulation of supercritical carbon dioxide fracturing shale process was carried out in the room to analyze the rock mechanical characteristics and porosity changes after injecting supercritical carbon dioxide into the shale.The results showed that when the shale was under constant confining pressure， with the increase of supercritical carbon dioxide injection pressure， the compressive strength and elastic modulus of the shale decreased， Poisson's ratio increased， the mechanics parameters of the shale including compressive strength， elastic modulus and Poisson's ratio had respectively quadratic polynomial relation with the injection pressure of supercritical carbon dioxide in the process of experiment. After supercritical carbon dioxide was injected into the shale core， the quality of the sample decreased， and the porosity significantly increased， and the highest growth almost reached four times. The results proved the supercritical carbon dioxide fracturing is a good way to improve the physical characteristics of the shale.

Key words： Supercritical carbon dioxide; Fracturing fluid; Shale; mechanical parameters; Porosity

1 ?引 言

隨著我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的突破，頁(yè)巖氣技術(shù)的相關(guān)研究逐漸興起，但傳統(tǒng)開(kāi)采油氣技術(shù)存在著環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問(wèn)題[1]，而采用超臨界二氧化碳作為壓裂液則可以完全避免地層污染。El Hajj等[2]發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳注入開(kāi)采后的碳酸鹽巖儲(chǔ)層可以通過(guò)其與碳酸鹽等的相互作用將儲(chǔ)層壓力升至露點(diǎn)壓力以上，并且可以通過(guò)二氧化碳與碳酸鹽的溶蝕作用和沉淀作用實(shí)現(xiàn)固碳的目標(biāo)，從而加快油氣的再生。

實(shí)踐開(kāi)采中利用超臨界二氧化碳流體作為壓裂液進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造有利于提高產(chǎn)量[3]，但其注入地層期間會(huì)對(duì)地層以及開(kāi)采裝置造成一定影響。Pratanu Roy等[4]研究了超臨界二氧化碳注入井筒內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力發(fā)現(xiàn)在50～80 ℃范圍內(nèi)熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)井筒完整性產(chǎn)生影響。李曉江，李根生等[5]發(fā)現(xiàn)隨著在頁(yè)巖中注入超臨界二氧化碳流體溫度的升高，積聚壓力呈線性增加，且頁(yè)巖的低滲透率可以實(shí)現(xiàn)更大的堆積壓力。

當(dāng)超臨界二氧化碳注入頁(yè)巖時(shí)，頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)和孔隙度會(huì)發(fā)生改變。趙仁保等[6]發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳的溶蝕作用會(huì)導(dǎo)致巖石原生孔隙擴(kuò)大并產(chǎn)生次生孔隙，使得巖石抗壓強(qiáng)度下降，孔隙度增加。朱子涵等[7]發(fā)現(xiàn)巖石中礦物的溶蝕作用和沉淀作用是儲(chǔ)層在壓裂液作用下巖石特性改變的直接原因。沈國(guó)軍等[8]采用巴西圓盤(pán)法來(lái)測(cè)定頁(yè)巖的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)。李慶輝，陳勉等[9]通過(guò)三軸壓縮頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)，獲得了不同應(yīng)力條件下含氣頁(yè)巖的力學(xué)特征變化。趙陽(yáng)等[10]測(cè)定了砂巖和深部煤巖等彈性模量和孔隙度的關(guān)系，得到其彈性模量與孔隙度呈冪律型和指數(shù)型關(guān)系。前人開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)大多將巖石的力學(xué)特性與孔隙度分開(kāi)研究，而對(duì)于超臨界二氧化碳?jí)毫炎饔孟马?yè)巖力學(xué)特征與孔隙度之間聯(lián)系的研究少有報(bào)道，故本文主要探究二者在超臨界二氧化碳?jí)毫炎饔孟轮g的規(guī)律。

2 ?超臨界二氧化碳注入壓力條件下頁(yè)巖力學(xué)特征的研究

2.1 ?實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)試樣標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)巖心上套取一個(gè)25 mm的圓柱形樣品，然后將樣品的兩端車平、磨光，使巖樣的長(zhǎng)徑比為2.0～2.5。為避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，需要做到樣品兩端平面的不平整度誤差不能大于0.05 mm（圖1）。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置為T(mén)AW-2000深水伺服巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)[11]，模擬地層實(shí)際情況保持頁(yè)巖試樣所受圍壓不變，然后對(duì)頁(yè)巖試樣進(jìn)行超臨界二氧化碳孔隙壓力持續(xù)加載，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中頁(yè)巖試樣所受的孔隙壓力要小于施加于試樣的圍壓值（圖2）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙O(jiān)控采集整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，包括軸向應(yīng)力、孔隙壓力、圍壓、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變及實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間等等，通過(guò)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可得到頁(yè)巖在注入孔隙壓力下的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)原理與計(jì)算

2.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法可以計(jì)算出以下數(shù)據(jù)（如表1所示）。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度在76.65～219.58 MPa之間，平均值為169.68 MPa;泊松比為0.311～0.377之間，平均值為0.333;彈性模量數(shù)值在21.14～36.191 GPa之間，平均值為29.3 GPa。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)共測(cè)試4塊頁(yè)巖試樣，壓裂液注入壓力從0增加到15 MPa，在頁(yè)巖試樣所受圍壓一定的條件下，隨著壓裂液注入壓力的增加，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨之減小，泊松比反而增加（如圖3-5所示）。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析擬合得到的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比與超臨界二氧化碳注入壓力之間成二次多項(xiàng)式關(guān)系，且該關(guān)系式的相關(guān)性都在0.9以上。

隨著地層中孔隙壓力的加大，頁(yè)巖地層中的巖石受力狀態(tài)將發(fā)生改變，其力學(xué)特征也隨之發(fā)生改變。在相同圍壓條件下，壓裂液注入壓力越高，巖石抗壓強(qiáng)度越低，彈性模量隨著抗壓強(qiáng)度的降低而降低，泊松比反而增加，是因?yàn)閹r心所受孔隙壓力的增大抵消了一部分巖石所受的圍壓，且在超臨界二氧化碳進(jìn)入頁(yè)巖地層后，使得地層孔隙壓力增大，而上覆巖層壓力為定值，對(duì)應(yīng)巖石基質(zhì)應(yīng)力降低，巖石在橫向變形比軸向變形增加的要多，所以泊松比隨著壓裂液注入壓力的增加而增大。

3 ?超臨界二氧化碳?jí)毫炎饔孟马?yè)巖孔隙度變化研究

3.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本實(shí)驗(yàn)按照石油天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336- 2006測(cè)定頁(yè)巖孔隙度[12]，采用玻意耳定律進(jìn)行頁(yè)巖孔隙度測(cè)定，試驗(yàn)采用裝置如圖6所示。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)超臨界二氧化碳?xì)鉁y(cè)的巖石樣品獲得試驗(yàn)樣品的孔隙度，氣測(cè)孔隙度是通過(guò)測(cè)定巖樣的外表體積和骨架體積兩個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算巖樣的孔隙度。

3.2 ?孔隙度測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理計(jì)算得出頁(yè)巖巖芯在壓裂液作用前后孔隙度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

分析表2中數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)所用頁(yè)巖樣品在壓裂液作用前其孔隙度范圍在1.20%～1.70%之間，壓裂液作用后孔隙度范圍在1.70%～6.65%之間。壓裂液作用后頁(yè)巖總質(zhì)量呈減小的趨勢(shì)（如圖7所示），孔隙度有不同程度的增大（如圖8所示）。

從圖7中可以看出，壓裂液作用于頁(yè)巖樣品后，頁(yè)巖樣品的質(zhì)量都略有減小。說(shuō)明超臨界二氧化碳進(jìn)入頁(yè)巖樣品后發(fā)生了溶蝕作用，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)并帶走樣品的部分礦物組分，從而導(dǎo)致樣品質(zhì)量的減小。

從圖8中可以看出，超臨界二氧化碳作用于頁(yè)巖巖芯后頁(yè)巖孔隙度略有增加，從增加的幅度來(lái)看X-4層位巖心孔隙度最高增幅達(dá)396.27%，孔隙度增加將近4倍，說(shuō)明壓裂液能夠很好地改善頁(yè)巖的物性特征。

隨著超臨界二氧化碳?jí)毫岩鹤饔门c頁(yè)巖地層時(shí)間的增加，頁(yè)巖中的黏土礦物有可能脫出了結(jié)合水，使得顆粒骨架變小，導(dǎo)致頁(yè)巖發(fā)生了溶蝕現(xiàn)象并被壓裂液帶走部分礦物溶質(zhì)，原生的空隙被溶蝕之后體積變大，在頁(yè)巖表面微觀結(jié)構(gòu)上形成新的孔隙、裂隙，原生孔隙和次生孔隙連通[13]，微裂縫結(jié)構(gòu)連通性增加等等，也有利于頁(yè)巖地層孔隙和滲透特性的增強(qiáng)。

通過(guò)分析超臨界二氧化碳作用于頁(yè)巖力學(xué)特征與巖石物性孔隙度參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)與孔隙度成二次多項(xiàng)式關(guān)系，如式（7）所示。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)超臨界二氧化碳?jí)毫秧?yè)巖實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨注入孔隙壓力的增加而減小，泊松比反而下降;超臨界二氧化碳?jí)毫押?，?yè)巖孔隙度顯著增加;壓裂后頁(yè)巖的孔隙度分別與彈性模量、抗壓強(qiáng)度、泊松比呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，且其相關(guān)性分別為0.904 9、0.872 1和0.911。根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律得到以下結(jié)論：

（1）超臨界二氧化碳?jí)毫岩簤毫秧?yè)巖地層過(guò)程中，壓裂液接觸到的孔隙和裂隙等會(huì)被溶蝕，發(fā)生溶蝕作用的過(guò)程也是超臨界二氧化碳進(jìn)入地層中壓力釋放的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，總體呈抗壓強(qiáng)度及彈性模量下降，泊松比上升的趨勢(shì)。

（2）超臨界二氧化碳的溶蝕作用帶走頁(yè)巖的部分礦物組分，使得頁(yè)巖地層的微觀孔隙變大并形成新的孔隙，使得孔隙度升高且連通性增強(qiáng)，很好地改善了頁(yè)巖地層的物性特征。

（3）實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量的減小和微觀孔隙度的增加使得頁(yè)巖的宏觀力學(xué)特征發(fā)生改變：由于超臨界二氧化碳的注入，使得頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)更加疏松，從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度和彈性模量的下降。

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