N2/CO2混合氣注入對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性影響規(guī)律研究

吳 迪，徐紹桐，苗 豐，翟文博，耿巖巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

當(dāng)前工業(yè)廢氣經(jīng)處理后其主要成分為CO2和N2；CO2地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)CO2減排的有效途徑[1-2]。CO2和N2混合氣相比于純凈CO2，其優(yōu)勢(shì)在于可極大程度減少CCS(碳捕獲和封存技術(shù))技術(shù)中對(duì)CO2純度的捕集成本[3-5]。相關(guān)研究表明，當(dāng)壓力超過7.38 MPa、溫度超過31.2 ℃時(shí)，CO2將處于超臨界狀態(tài)[6]。而深部頁(yè)巖2 000～3 000 m的儲(chǔ)層溫度高于60 ℃，壓力約為12 MPa[7]，非均質(zhì)性強(qiáng)、含氣性好、頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度大[8]?；旌蠚庾⑷腠?yè)巖儲(chǔ)層，CO2和少量N2以吸附態(tài)封存，大部分N2以游離態(tài)封存于儲(chǔ)層孔裂隙中。因此為減少CO2和N2混合氣體進(jìn)行分離提純的消耗，實(shí)現(xiàn)混合氣有效地質(zhì)封存，開展N2/CO2混合氣注入頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)相關(guān)研究是十分必要的。

王海濤等[9]探究了不同相態(tài)CO2對(duì)頁(yè)巖礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)液態(tài)、超臨界態(tài)CO2相比較滑溜水對(duì)礦物顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，孔隙增大易導(dǎo)致頁(yè)巖宏觀力學(xué)性質(zhì)受到劣化影響。湯積仁等[10]研究了SC-CO2(超臨界二氧化碳)對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性的影響，揭示了SC-CO2與頁(yè)巖的相互作用機(jī)制。張臣等[11]研究不同溫壓條件下CO2處理前后的頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)特征，揭示CO2劣化頁(yè)巖力學(xué)特性的作用機(jī)制。GUO等[12]研究了不同SC-CO2壓力下頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)，揭示SC-CO2浸泡對(duì)巖石破碎效率、井筒穩(wěn)定性和壓裂的影響。FENG等[13]研究了頁(yè)巖在SC-CO2環(huán)境下，不同吸附周期以及層理角度對(duì)頁(yè)巖破壞的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同吸附周期頁(yè)巖力學(xué)性能變化隨傾角的變化趨勢(shì)基本一致。LU等[14]確定了孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性能的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)大孔是控制頁(yè)巖力學(xué)性能的主要因素。倪紅堅(jiān)等[15]研究不同壓力和溫度條件下頁(yè)巖力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在臨界壓力附近頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。丁璐等[16]研究SC-CO2注入頁(yè)巖后的力學(xué)性能變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳弱化巖石力學(xué)性質(zhì)的能力更強(qiáng)，說明超臨界二氧化碳更有利于破巖。李曜軒等[17]研究了SC-CO2注入頁(yè)巖后巖石力學(xué)特性與孔隙度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳可以很好地改善頁(yè)巖的物性特征。梁潔等[18]研究了不同溫度SC-CO2作用下頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)以及不同溫度SC-CO2對(duì)頁(yè)巖作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)SC-CO2促進(jìn)微裂隙萌生，進(jìn)而劣化頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)。BAI等[19]研究了SC-CO2對(duì)傾斜分層頁(yè)巖力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)SC-CO2改變頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)，且對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響大于對(duì)基體的影響。YIN[20]等研究了亞臨界CO2和超臨界CO2飽和度對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖的力學(xué)弱化主要由CO2飽和度引起的微觀損傷所控制。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在以往的研究中主要集中在頁(yè)巖自身力學(xué)性質(zhì)及單一氣體對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響，對(duì)于深部頁(yè)巖注入N2/CO2混合氣體研究相對(duì)較少。因此，筆者開展不同濃度配比N2/CO2混合氣注入頁(yè)巖試驗(yàn)，研究混合氣中CO2濃度和相變對(duì)于頁(yè)巖力學(xué)特性的影響，研究成果可為加快CO2深部地質(zhì)封存發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料、裝置與方法

1.1 試樣的采集與制備

采用的頁(yè)巖試樣取自四川省燕子村龍馬溪組黑色露頭頁(yè)巖，參照國(guó)家《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，沿垂直層理方向制備?50 mm×25 mm和?50 mm×100 mm兩種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。截面平行度控制在±0.01 mm內(nèi)，如圖1所示。從已制備好試件中選出無明顯裂紋缺陷的試件，放入烘干箱中105 ℃的溫度下烘干10 h，用保鮮膜封裝并放入密封容器內(nèi)備用。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要包括基礎(chǔ)物性試驗(yàn)、N2/CO2混合氣注入頁(yè)巖試驗(yàn)、單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)4類，試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括注氣系統(tǒng)、真空泵、恒溫水浴箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分組成。注氣系統(tǒng)包括高壓氣瓶、增壓泵和空氣壓縮機(jī)。自主研發(fā)耐CO2壓力釜容積為880 mL，最高耐壓50 MPa；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀以及壓力傳感器。頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)所采用設(shè)備為TAW-2000壓力機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

主要考慮N2/CO2混合氣中CO2濃度對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性的影響，試驗(yàn)方案見表1，試驗(yàn)溫度為45 ℃，氣體狀態(tài)方程[21]計(jì)算公式為

PV=nZRT

(1)

式中：P為氣體壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；Z為氣體壓縮因子；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為絕對(duì)溫度，K。

n=cV

(2)

式中，c為物質(zhì)的量濃度，mol/L。

分別計(jì)算不同試驗(yàn)方案混合氣中CO2濃度。利用NM-4B非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)注入混合氣后的試件進(jìn)行波速測(cè)量，計(jì)算頁(yè)巖波速衰減率和孔隙率。為研究N2/CO2混合氣作用頁(yè)巖力學(xué)特性變化規(guī)律，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表1。表1中試件編號(hào)N為浸泡后的單軸壓縮頁(yè)巖試件，試件編號(hào)J為浸泡后的巴西劈裂試件。

表1 N2/CO2混合氣注入頁(yè)巖試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme of injecting N2/CO2 mixture into shale

試驗(yàn)步驟如下：

1)對(duì)所有標(biāo)記好的試件進(jìn)行基礎(chǔ)物性試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)頁(yè)巖樣品放入耐高壓壓力釜后，將壓力釜放入45 ℃恒溫水浴箱中保溫1 h，檢查裝置密封性，啟動(dòng)真空泵抽真空2 h。

3)打開氣瓶閥門，按照試驗(yàn)方案先將CO2注入壓力釜至目標(biāo)壓力，再將N2注入壓力釜至壓力釜內(nèi)壓力達(dá)到試驗(yàn)預(yù)設(shè)壓力(總壓力)時(shí)，關(guān)閉閥門并保壓30 min。

4)待充分吸附24 h后，打開排氣閥，排盡氣體，取出試件，對(duì)其開展單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 N2/CO2混合氣作用后頁(yè)巖內(nèi)部劣化分析

利用NM-4B非金屬超聲檢測(cè)儀，通過式(3)計(jì)算得出不同試驗(yàn)方案條件下聲波通過頁(yè)巖試樣波速衰減率；每個(gè)頁(yè)巖試件進(jìn)行5次波速測(cè)量，取5次測(cè)量混合氣注入頁(yè)巖前后的波速平均值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的波速衰減率均值Δη和孔隙率均值Δφ。波速衰減率均值Δη和孔隙率均值Δφ均通過5次測(cè)量混合氣注入頁(yè)巖前后的波速平均值計(jì)算得出。結(jié)果見表2，擬合曲線如圖3所示。

圖3 孔隙率與不同濃度CO2關(guān)系Fig.3 Relationship between pore change rate and different concentrations of CO2

表2 不同方案下頁(yè)巖內(nèi)部縱波傳播速度、波速衰減率和孔隙率Table 2 Different options injection shale internal longitudinal wave propagation speed, wave velocity attenuation rate and porosity rate

(3)

式中：η為波速衰減率；v0為在初始頁(yè)巖中聲波傳播速度，m/s；vn為在不同方案下頁(yè)巖聲波傳播速度，m/s。

根據(jù)WYLLIE[22]時(shí)間平均方程，聲波在頁(yè)巖中傳播速度v與孔隙率φ之間關(guān)系式

(4)

式中：vmt為在純水中聲波傳播速度，m/s；vma為在頁(yè)巖骨架結(jié)構(gòu)中聲波傳播速度，m/s。

當(dāng)選擇相同層理頁(yè)巖進(jìn)行研究時(shí)，vmt和vma為定值，則孔隙率φ與波速衰減率η的關(guān)系[23]為

(5)

式中，A，B均為定值。

波速衰減率與孔隙率成正比關(guān)系，當(dāng)波速衰減率越大，則巖樣孔隙就越大。方案1中頁(yè)巖試樣波速v為4 481.01 m/s，vmt取1 497 m/s，vma取4 615 m/s，其他方案中v分別取試驗(yàn)測(cè)量值4 438.53、4 397.54、4 345.26、4 364.91、4 411.12 m/s，利用式(6)計(jì)算不同方案巖樣孔隙率：

(6)

計(jì)算不同方案巖樣孔隙率分別為34.91%，67.77%、110.6%、94.42%、56.82%，并將孔隙率與不同濃度CO2進(jìn)行擬合，其關(guān)系式為

Δφ=37.26+11.14c-0.12c2-0.02c3

(7)

決定系數(shù)R2=0.951 5，擬合效果較好。巖樣孔隙的變化可反映巖樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度，可通過孔隙變化率進(jìn)行表征，結(jié)合圖3可知，頁(yè)巖孔隙變化率隨CO2濃度增加和相變呈先增大后降低的變化趨勢(shì)，巖樣整體損傷程度與其變化一致。頁(yè)巖劣化程度與混合氣中CO2濃度和相態(tài)有關(guān)，經(jīng)過CO2處理后，CO2吸附引發(fā)范德華力[24]使頁(yè)巖基質(zhì)膨脹，使頁(yè)巖處于低自由能狀態(tài)；SC-CO2具有較強(qiáng)的弱化和塑性作用，萃取頁(yè)巖中低分子化合物；但因N2屬于不凝性氣體，CO2壓縮系數(shù)較小，N2會(huì)使混合氣中CO2密度降低[25]，減少CO2吸附量；當(dāng)CO2處于超臨界狀態(tài)時(shí)，SC-CO2更多體現(xiàn)出溶解有機(jī)礦物質(zhì)能力，SC-CO2越接近相變點(diǎn)，溶解有機(jī)礦物質(zhì)能力越強(qiáng)，改變頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)，增大頁(yè)巖孔裂隙萌生和擴(kuò)展概率，促進(jìn)新微裂隙產(chǎn)生，而頁(yè)巖孔隙所產(chǎn)生的損傷改變頁(yè)巖孔隙連續(xù)性，孔隙體積越大，越能促進(jìn)頁(yè)巖內(nèi)部孔隙裂紋發(fā)育，從而進(jìn)一步影響頁(yè)巖劣化程度。

2.2 N2/CO2混合氣作用后頁(yè)巖力學(xué)特性

2.2.1N2/CO2混合氣作用后頁(yè)巖強(qiáng)度

通過單軸壓縮試驗(yàn)得到不同方案頁(yè)巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖4所示。CO2處理后的頁(yè)巖形成較大孔隙，使頁(yè)巖試件壓實(shí)過程在進(jìn)入彈性階段之前越來越長(zhǎng)，且壓實(shí)過程隨混合氣中CO2濃度增加和相變而延長(zhǎng)；由應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可知，對(duì)比方案2和方案6，頁(yè)巖在方案6下的壓實(shí)階段曲線比方案2略長(zhǎng)，SC-CO2使其內(nèi)部形成較大孔隙；方案2中頁(yè)巖的彈性階段較方案6的短，表明SC-CO2對(duì)頁(yè)巖劣化作用更強(qiáng)；經(jīng)混合氣處理后頁(yè)巖彈性階段均比原樣頁(yè)巖短，表明混合氣處理后頁(yè)巖脆性高，其強(qiáng)度達(dá)到峰值速度更快，在到達(dá)峰值強(qiáng)度后，隨外載荷繼續(xù)增加，頁(yè)巖試樣瞬間斷裂，發(fā)生失穩(wěn)破壞。通過試驗(yàn)獲取頁(yè)巖力學(xué)特性等相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 不同方案下頁(yè)巖力學(xué)特性參數(shù)Table 3 Pallet mechanics characteristics parameters under different solutions

圖4 不同方案下頁(yè)巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Different plans next rock single-axis compression stress-strain curve

根據(jù)表3擬合得到頁(yè)巖單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度隨CO2濃度變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同方案頁(yè)巖峰值強(qiáng)度變化擬合曲線Fig.5 Fitting curves of shale peak strength changes in different schemes

從表中可以得到方案1頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度為122.13 MPa，抗拉強(qiáng)度為5.95 MPa；在經(jīng)過其他方案處理后，頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度為37.74～107.7 MPa，將抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到抗壓強(qiáng)度隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(8)

R2=0.857 4，擬合效果較好；抗拉強(qiáng)度為0.87～4.42 MPa，將抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到抗拉強(qiáng)度隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(9)

R2=0.950 1，擬合效果較好。

在恒溫恒壓下，隨混合氣中CO2濃度增加和相變，單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先降低后增加的變化趨勢(shì),頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度損率Dc計(jì)算公式為

(10)

計(jì)算單軸抗壓強(qiáng)度損失率分別為13.3%、37.5%、69.1%、62.04%、49.3%，抗拉強(qiáng)度損失率分別為25.7%、35.3%、85.4%、72.4%、49.4%。

抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系擬合式為

(11)

結(jié)合圖5、圖6可知CO2越接近相變點(diǎn)，溶解有機(jī)礦物質(zhì)能力越強(qiáng)，頁(yè)巖內(nèi)部孔隙體積越大，導(dǎo)致頁(yè)巖劣化更嚴(yán)重，從而降低頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度。

圖6 孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合曲線Fig.6 Fitting curve of relationship between porosity and compressive strength

2.2.2N2/CO2混合氣作用頁(yè)巖彈性常數(shù)變化

根據(jù)表3擬合得到頁(yè)巖彈性模量E、泊松比變化曲線，如圖7所示，方案1中頁(yè)巖彈性模量為32.48 GPa，泊松比為0.34；經(jīng)不同方案注入后頁(yè)巖彈性模量分別為36.22、40.65、50.25、47.31、42.8 GPa，將彈性模量進(jìn)行擬合，得到彈性模量隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(12)

R2=0.938 8，擬合效果較好；泊松比分別為0.32、0.3、0.27、0.28、0.29，將泊松比進(jìn)行擬合，得到泊松比隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(13)

R2=0.985 4，擬合效果較好。

計(jì)算彈性模量增幅分別為11.5%、37.5%、54.7%、45.7%、31.8%，泊松比損失率分別為5.9%、11.8%、20.6%、17.6%、14.7%。

混合氣中不同CO2濃度對(duì)頁(yè)巖初始孔隙及微裂紋造成損傷擴(kuò)展程度不同。SC-CO2溶蝕黏土中有機(jī)礦物質(zhì)對(duì)頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)有相對(duì)復(fù)雜的影響。SC-CO2溶解黏土組分中有機(jī)礦物質(zhì)，使石英含量相對(duì)增加，因此方案4、5、6中頁(yè)巖彈性模量隨石英含量增加而增加，泊松比隨石英含量增加而減小。彈性模量隨CO2濃度的增加和相變，呈先增大后降低的變化規(guī)律；泊松比則隨CO2濃度增加和相變呈先降低后增加的變化規(guī)律[26](圖7)。

圖7 不同方案頁(yè)巖彈性模量、泊松比擬合曲線Fig.7 Fitting curves of shale elastic modulus and Poisson’s ratio in different schemes

2.2.3N2/CO2混合氣作用后頁(yè)巖聲發(fā)射特征

圖8為經(jīng)不同方案注入后頁(yè)巖應(yīng)力-能量及累積能量關(guān)系圖。由圖8可知，在原生裂隙閉合后，頁(yè)巖進(jìn)入彈性階段，產(chǎn)生新微裂紋；隨著外載荷不斷加大，聲發(fā)射能量略有增加，在彈性階段結(jié)束時(shí)，由于試件起裂，聲發(fā)射能量相對(duì)較大，累積能量呈階梯狀瞬間上升，此時(shí)頁(yè)巖強(qiáng)度即為起裂應(yīng)力σci；頁(yè)巖進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展得更為劇烈，聲發(fā)射能量增加幅度更大[27]，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段結(jié)束時(shí)，由于試件內(nèi)部損傷，累積能量再次呈階梯狀瞬間上升，此時(shí)頁(yè)巖強(qiáng)度即為損傷應(yīng)力σcd；方案1中頁(yè)巖在起裂和破壞時(shí)聲發(fā)射能量比其他方案中的頁(yè)巖高。隨CO2濃度的增加和相變，頁(yè)巖聲發(fā)射信號(hào)集中在彈性變形階段后半段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展至破壞階段；混合氣注入后的頁(yè)巖基本在達(dá)到裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，隨外載荷持續(xù)增加，累積能量開始上升，到達(dá)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，聲發(fā)射能量再次瞬間升高，累積能量大幅度上升，頁(yè)巖內(nèi)部孔隙及微裂縫不斷延展并貫通，伴隨著宏觀裂紋產(chǎn)生，直至頁(yè)巖試件失穩(wěn)斷裂破壞，頁(yè)巖應(yīng)力及累積能量均達(dá)到最大值，但由于每個(gè)頁(yè)巖試件存在差異，能量峰值出現(xiàn)在裂紋不穩(wěn)定發(fā)展至破壞階段。從能量角度分析，造成頁(yè)巖內(nèi)部損傷所需耗散能越大，頁(yè)巖損傷應(yīng)力越高，從而形成更多的斷裂面。SC-CO2越接近相變點(diǎn)，頁(yè)巖脆性越高，越易破碎，這與波速測(cè)量及單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相同。

圖8 不同方案頁(yè)巖應(yīng)力-能量及累積能量關(guān)系曲線Fig.8 Shale stress-energy and cumulative energy relationship curves of different schemes

結(jié)合圖8可知，在頁(yè)巖彈性階段及裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段結(jié)束瞬間，聲發(fā)射能量或累積能量發(fā)生突變瞬時(shí)，此時(shí)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力。結(jié)合表4、圖9可看出，在恒溫恒壓條件下，頁(yè)巖峰值應(yīng)力、起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力受CO2濃度和相態(tài)變化影響大。SC-CO2越接近相變點(diǎn)，孔隙增幅越大，從而導(dǎo)致裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力降低幅度越大；如圖10所示，處理后頁(yè)巖表現(xiàn)出明顯脆性破壞特征，與李存寶[28]的結(jié)果近似。其主要破壞模式為劈裂破壞。

表4 不同方案頁(yè)巖峰值應(yīng)力、裂紋起裂應(yīng)力和裂紋損傷應(yīng)力Table 4 Different schemes of shale peak stress,crack initiation stress and crack damage stress

圖9 不同方案頁(yè)巖峰值應(yīng)力、起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter plots of peak stress, initiation stress and damage stress of shale in different schemes

圖10 不同方案頁(yè)巖破壞模式Fig.10 Shale failure mode diagrams of different scheme

2.2.4N2/CO2混合氣作用頁(yè)巖損傷分析

按照彈性模量降低定義損傷變量，即初始試件彈性模量為E0，損傷后其降低為ED，則此時(shí)損傷變量為

(14)

根據(jù)表3可計(jì)算出經(jīng)混合氣處理后頁(yè)巖的損傷因子分別為0.115、0.375、0.547、0.457、0.318，并將損傷因子與CO2濃度關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同方案下頁(yè)巖損傷因子變化擬合曲線Fig.11 Different options under page rock damage factor change fitting curve

經(jīng)不同方案處理后頁(yè)巖的損傷因子隨CO2濃度的增加和相變呈先增大后降低的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步將損傷因子進(jìn)行擬合，得到損傷因子隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線如式(15)所示：

(15)

R2=0.919 8，擬合效果較好。

3 討 論

針對(duì)CCS捕集高純度CO2總成本高的工程難題，實(shí)際工程中建議實(shí)施CO2和N2混合共注[29]。目前簡(jiǎn)化CO2提純工程，擴(kuò)大CCS工程中所允許非純凈CO2組分與CO2濃度是CCS發(fā)展的必然趨勢(shì)。

王海濤[9]和YIN等[20]研究不同相態(tài)CO2及飽和度對(duì)頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)影響。綜合對(duì)比分析，相似之處在于不同相態(tài)CO2均可使頁(yè)巖原有孔裂隙發(fā)生改變，一定程度上促進(jìn)頁(yè)巖內(nèi)壓縮裂紋萌生和擴(kuò)展，結(jié)合AE(聲發(fā)射技術(shù))結(jié)果，由于CO2萃取頁(yè)巖中礦物有機(jī)質(zhì)，使孔隙增大，此時(shí)孔隙體積越大的試件在外載荷作用下破壞過程更易產(chǎn)生高能聲發(fā)射信號(hào)，力學(xué)參數(shù)變化趨勢(shì)相似。而差異之處在于前者由于CO2相態(tài)的改變，頁(yè)巖在破壞形式上亦發(fā)生了改變，由剪切破壞變化為拉伸破壞；所研究的頁(yè)巖在混合氣作用下，隨CO2濃度升高，CO2相態(tài)發(fā)生改變，主要破壞模式為劈裂破壞，受CO2相態(tài)變化影響不大。

GUO和倪紅堅(jiān)等[12,15]研究恒溫條件下，不同壓力CO2對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響。綜合對(duì)比分析，相似之處在于CO2越接近臨界條件，對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性影響越強(qiáng)；而差異之處在于前者研究發(fā)現(xiàn)，恒溫條件下的頁(yè)巖，隨CO2壓力升高，彈性模量和泊松比增大；在CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)后，頁(yè)巖彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)變化平緩，即隨CO2壓力增大，對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響相對(duì)趨于穩(wěn)定。而本文研究發(fā)現(xiàn)的恒溫恒壓條件下，混合氣中不同濃度CO2對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特性影響大；隨混合氣中CO2濃度升高，彈性模量增大，泊松比降低，且存在極值點(diǎn)而非單調(diào)遞增。

經(jīng)與前人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論，發(fā)現(xiàn)CO2和N2混合氣相比于純凈CO2，其優(yōu)勢(shì)在于既可極大程度減少分離提純時(shí)的能源消耗，又可實(shí)現(xiàn)CO2有效地質(zhì)封存。但由于文中試驗(yàn)方案是在恒溫條件下進(jìn)行的，后續(xù)工作將進(jìn)一步開展溫度變化對(duì)于N2/CO2混合氣注入頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響的相關(guān)研究，為CO2和N2混合共注封存的適用性和安全性提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)N2/CO2混合氣可以改變頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)CO2處于氣態(tài)時(shí)，隨CO2濃度增加，頁(yè)巖吸附CO2引起孔隙內(nèi)產(chǎn)生范德華力，導(dǎo)致頁(yè)巖基質(zhì)膨脹，天然孔裂隙擴(kuò)展，孔隙率增幅加大，強(qiáng)度降低；當(dāng)CO2處于超臨界狀態(tài)時(shí)，SC-CO2溶解頁(yè)巖中有機(jī)礦物質(zhì)，孔隙率變化隨SC-CO2濃度的增加而減小，頁(yè)巖強(qiáng)度衰減率降低?；旌蠚庵蠸C-CO2濃度為11.33 mol/L時(shí)，此時(shí)溶解頁(yè)巖中有機(jī)礦物質(zhì)能力最強(qiáng)，頁(yè)巖內(nèi)部孔隙最大，脆性最高，力學(xué)性質(zhì)劣化效果最明顯。

2)N2/CO2作用后頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比均出現(xiàn)不同程度的降低，彈性模量增加；隨CO2濃度的增加和相變，頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比呈先降低后增加，彈性模量呈先增加后降低的變化規(guī)律；孔隙率為34.91%～110.6%；單軸抗壓強(qiáng)度損失率為37.5%～69.1%，抗拉強(qiáng)度損失率為35.3%～85.4%，彈性模量增幅37.5%～54.7%，泊松比損失率為11.8%～20.6%。

3)N2/CO2與頁(yè)巖之間的物理和化學(xué)作用造成頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)變化，頁(yè)巖裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力均隨CO2濃度的增加和相變，呈先降低后增加的變化規(guī)律。由彈性模量測(cè)得的損傷變量與波速測(cè)量、聲發(fā)射試驗(yàn)對(duì)比可知，損傷變量隨混合氣中CO2濃度的增加和相變呈先增大后降低的變化規(guī)律。