酸化作用下頁巖超聲波透射試驗研究

賈金龍，王永發(fā)，李志國

(武漢工程大學資源與安全工程學院,武漢 430205)

中國南方海相頁巖氣資源豐富，其技術可采資源量達到8×1012～11×1012m3，約占中國頁巖氣資源量的3/4[1-2]。南方海相頁巖具有孔隙度和滲透率較低的特點，含水飽和度介于10%～95%[3]。頁巖儲層開發(fā)通常需要實施大規(guī)模的水力壓裂用于增強其導流能力，儲層壓裂處理后水返排率為10%～15%，頁巖儲層存在大量滯留水。含水頁巖的吸附、變形、強度等特征已引起學者關注[3-6]。

CO2是導致溫室效應的主要氣體，CO2注入頁巖儲層因競爭吸附優(yōu)勢可以置換與驅替CH4產出，同時實現(xiàn)提高頁巖氣儲層的采收率(CO2-ESG)與CO2地下封存的雙目標[7-8]。CO2驅油(CO2-EOR)、CO2提高煤層氣采收率(CO2-ECBM)等技術當前主要作為含油氣儲層開發(fā)后期的增產技術[9]。對于水力壓裂改造后的含水頁巖氣儲層而言，開采后期實施CO2-ESG技術，CO2與含水頁巖中的H2O反應生成碳酸(H2CO3)，H2CO3酸化作用下頁巖的孔隙結構、物理力學性質可能改變，進而影響頁巖儲層滲透性和CO2封存安全性。

隨著頁巖氣資源勘探開發(fā)需求的加大，超聲波測試技術已被應用于評估頁巖氣儲層孔隙結構、滲透性與力學性質等[10]。超聲波測試可獲得巖石豐富的內部結構、物理力學性質等特征信息，因其具有無損檢測的優(yōu)勢被廣泛用于各類巖石的孔裂隙結構、力學強度等研究。基于超聲波測試技術，學者們探討了不同因素影響下巖石的聲波特性，發(fā)現(xiàn)巖石的彈性波速度受巖石礦物成分、結構、孔隙、含水量、壓力和溫度等多因素的影響[11-15]。吳剛等[11]分析了水對巖石超聲性能的影響，發(fā)現(xiàn)飽水后花崗巖和石灰?guī)r的縱波波速相比自然狀態(tài)下降，而細砂巖的縱波波速稍有上升。Lin等[12]分析了煤巖受到有機溶劑蝕損作用后的超聲波特性，發(fā)現(xiàn)蝕損煤巖孔隙結構變化所導致的超聲波時域頻譜振幅降低13.5%～56.7%，波速下降39.1%～70.1%。李賢勝等[13]探討了巖石層理角度對聲波衰減系數(shù)和波速的影響，發(fā)現(xiàn)層理角度與波速呈負相關，與衰減系數(shù)呈正相關；隨著國家對頁巖氣資源勘探開發(fā)需求的加大，超聲波測試技術在頁巖氣儲層孔隙結構、力學特征等研究領域得到應用。熊健等[14]分析了高溫影響下頁巖的聲學特性，發(fā)現(xiàn)溫度增加至400 ℃以上，聲波速度不斷下降，衰減系數(shù)不斷增加，泊松比也呈增大趨勢，而彈性模量呈下降趨勢。孫建孟等[15]研究發(fā)現(xiàn)，頁巖中的氣體會造成聲波衰減，衰減會隨著含氣量的增加而增加，根據(jù)聲波衰減規(guī)律與頁巖中游離氣與吸附氣含量的關系，提出了聲波衰減表征頁巖中游離氣量與吸附氣量的方法。頁巖氣高效開發(fā)重大需求與“碳達峰、碳中和”目標的雙重背景下，CO2-ESG技術實施具有重要發(fā)展前景，利用超聲波無損檢測的優(yōu)勢，分析CO2與H2O反應生成H2CO3酸化作用下頁巖聲波的變化特征，具有重要的理論研究意義。

為此，以南方海相頁巖為研究對象，開展H2CO3酸化作用頁巖超聲波透射試驗研究，分析含水頁巖經過酸化作用后的聲波特性變化，探討導致聲波特性變化的原因，以期為CO2-ESG技術實施的聲學特性研究提供參考。

1 樣品與試驗設備

1.1 樣品與加工

試驗樣品采自江西修武盆地露頭海相頁巖，將采集的塊狀頁巖加工制備成直徑50 mm、高度 100 mm 的圓柱試樣。所選頁巖試樣的有機碳含量(TOC)質量分數(shù)變化范圍較大，介于1.3%～10.4%，平均為3.2%。樣品的礦物成分以石英(質量分數(shù)為24.5%～83.1%，平均58.4%)和黏土礦物為主(質量分數(shù)為10.1%～41.2%，平均23.2%)，含有少量長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等。黏土礦物中伊利石發(fā)育最為普遍且含量最高，質量分數(shù)為25.7%～31.8%，平均為28.5%。

1.2 試驗原理

超聲波縱波與橫波在巖石中傳播的波速、幅值等參數(shù)，經過計算可得出衰減系數(shù)、泊松比、彈性模量等反映巖石的孔裂隙度、損傷、強度特性。采用脈沖波穿透法，分別測試超聲波的縱波和橫波在頁巖試樣中的傳播速度與振幅，聲波波速計算公式為[16]

(1)

式(1)中：v為波速，m/s；L為樣品長度，mm；Δt為聲波在樣品中的實際傳播時間，Δt=t2-t1，其中，t2為超聲波透過樣品時間，t1為換能器對零時間，μs。

測試超聲波在頁巖試樣、探頭對接時的首波峰值幅值(即振幅)，聲波衰減系數(shù)計算公式為[17]

α=(lnA0-lnA)/L

(2)

式(2)中：α為衰減系數(shù)，dB/m；A0為探頭對接首波振幅，V；A為通過頁巖試樣首波振幅，V。

根據(jù)超聲波縱、橫波速度值和頁巖的密度，頁巖力學性質參數(shù)計算公式為[16]

(3)

(4)

式中：vp、vs分別為縱波波速和橫波波速；ρ為樣品密度，g/cm3；μ為頁巖泊松比，無量綱；E為頁巖彈性模量，MPa。

1.3 試驗設備

試驗設備主要由酸化處理系統(tǒng)單元與超聲波測試系統(tǒng)單元所組成(圖1)。其中，酸化處理系統(tǒng)單元由CO2氣源、樣品反應室、溫度控制器、壓力表、管線及閥門等組成，為頁巖試樣提供所需的酸化處置條件；超聲波測試系統(tǒng)單元由超聲波參數(shù)分析儀、聲波收發(fā)探頭、換能器及樣品夾持器等組成，用于測試頁巖試樣的聲波參數(shù)。

P為壓力表圖1 試驗設備Fig.1 Test equipment

試驗采用的超聲波參數(shù)分析儀為DB-16E型巖石聲波參數(shù)儀，縱波與橫波測試分別應用凡士林、鋁箔進行耦合。聲波測試之前，應用標準的有機玻璃試樣(直徑50 mm、長度100 mm)對儀器檢查校準。樣品的壓密程度影響聲波測試結果，樣品壓密程度受到壓力大小的影響，為了消減樣品受到的壓力不等引起的聲波測試誤差，頁巖試樣聲波試驗均在夾持器施加的0.05 MPa恒定壓力下測試。

1.4 實驗流程

選取4個結構完整的頁巖試樣進行干燥處理、酸化處理的超聲波測試，試驗流程為：①制備圓柱試樣，樣品精度要求為：直徑允許偏差為±0.3 mm，端面不平整度誤差不得大于0.05 mm。測試樣品的幾何尺寸與重量；②樣品干燥處理與聲波測試，樣品105 ℃條件下干燥24 h，冷卻后應該用超聲波測試系統(tǒng)單元測試樣品的縱橫波波形、波速、振幅，計算樣品的縱、橫波衰減系數(shù)α、泊松比μ及彈性模量E等參數(shù)；③頁巖試樣酸化處理及聲波測試，干燥樣品放入裝有蒸餾水的燒杯中平衡水處理24 h，平衡水處理后的樣品置于CO2處理系統(tǒng)單元樣品反應室內，設置CO2注入壓力為4 MPa、試驗溫度為40 ℃，樣品酸化處理48 h后取出，測試樣品的縱橫波波形、波速、振幅，計算樣品的縱、橫波α、μ及E等參數(shù)。

2 實驗結果

2.1 聲波時域

干燥頁巖與酸化處理48 h頁巖的超聲波時域圖如圖2所示。其中，圖2(a)、圖2(b)分別為1號樣品縱波與橫波的時域圖，圖2(c)、圖2(d)分別為2號樣品縱波與橫波時域圖，圖2(e)、圖2(f)分別為3號樣品縱波與橫波時域圖，圖2(g)、圖2(h)分別為4號樣品縱波與橫波時域圖。

圖2 不同處置條件下頁巖試樣聲波時域圖Fig.2 Acoustic time domain diagram of shale specimens under different disposal conditions

通過對比頁巖干燥處理、酸化處理兩種條件下的縱波與橫波的時域圖(圖2)與聲波測試基本參數(shù)(表1)可知，與干燥處理樣品相比，酸化處理樣品的首波縱波幅值由2.225～2.676 V下降至1.492～2.150 V，平均下降幅度為0.711V，首波橫波幅值范圍由0.245～0.640 V下降至0.090～0.284 V，平均下降幅度為0.285 V；干燥樣品與酸化處理樣品的首波縱波幅值強于首波橫波幅值，如1號樣品干燥處理后的首波縱波幅值和橫波幅值分別為2.676 V和0.245 V，酸化處理樣品的首波縱波幅值和橫波幅值分別為2.150 V和0.123 V，2號樣品干燥處理后的首波縱波幅值和橫波幅值分別為2.631 V和0.459 V，酸化處理樣品后的首波縱波幅值和橫波幅值分別為1.650 V和0.284 V；與干燥處理樣品相比，酸化處理樣品的縱波和橫波傳播時間延長，例如，1號樣品縱波和橫波傳播時間分別增加3.6 μs和6.4 μs，2號樣品縱波和橫波傳播時間分別增加3.7 μs和6.4 μs；干燥樣品與酸化處理樣品的橫波傳播時間大于縱波傳播時間，如1號樣品干燥處理后的縱波和橫波傳播時間分別為19.8 μs和30.3 μs，酸化處理樣品后的縱波和橫波傳播時間分別為23.4 μs和36.7 μs，2號樣品干燥處理后的縱波和橫波傳播時間分別為18.5 μs和28.5 μs，酸化處理樣品的縱波和橫波傳播時間分別為22.2 μs和34.9 μs；3號與4號樣品也呈出以上特征，由此可知，頁巖經過酸化處理樣品后縱波與橫波幅值下降、傳播時間延長，超聲波在頁巖內部的縱波穿透性比橫波強。

表1 頁巖超聲波透射試驗測試結果Table 1 Shale ultrasonic transmission test results

2.2 聲波頻域

超聲波頻譜特征可以反映出巖石內部結構信息的變化?；诟道锶~變換的方法，可以將時域信號按頻率順序展開變?yōu)轭l率函數(shù)，有利于發(fā)現(xiàn)時間域中被忽視的問題[14]。利用Origin軟件對聲波時域數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到不同處置條件下樣品的聲波頻域圖(圖3)，其中，圖3(a)、圖3(b)分別為1號樣品縱波與橫波的聲波頻域圖，圖3(c)、圖3(d)分別為2號樣品縱波與橫波的聲波頻域圖，圖3(e)、圖3(f)分別為3號樣品縱波與橫波的聲波頻域圖，圖3(g)、圖3(h)分別為4號樣品縱波與橫波的聲波頻域圖。

圖3 不同處置條件下頁巖試樣的聲波頻域圖Fig.3 Acoustic frequency domain plots of shale specimens under different disposal conditions

通過對比頁巖試樣頻域信號可知，縱波與橫波的信號能量集中在頻率0.17 MHz附近，主頻突出。與干燥樣品相比，酸化處理樣品的縱波與橫波頻譜曲線變化明顯，頻域內最大振幅下降，信號能量被吸收，橫波比縱波表現(xiàn)出該特點更為顯著。部分樣品(如2號、3號樣品)聲波頻譜曲線的主頻發(fā)生畸變，主頻向低頻方向發(fā)生偏移(如4號樣品橫波)。巖石內部的孔裂隙是影響聲波頻譜曲線主頻、頻域內最大振幅及發(fā)生畸變的主要因素，孔裂隙度增大或者內部結構出現(xiàn)破壞裂紋，聲波通過巖體發(fā)生反射、折射和散射的次數(shù)增加，從而導致聲波傳播路徑逐漸延長，聲波速度降低，聲波能量衰減程度增加。巖體孔裂隙起到低通濾波器作用，聲波中的高頻成分逐漸被吸收，低頻成分所占比例增加，主頻向低頻方向偏移，頻譜曲線畸變程度增加。由此可見，與干燥樣品相比，頁巖試樣經過酸化處后孔裂隙度增大或者內部結構出現(xiàn)破壞裂紋。

2.3 聲波速度

基于頁巖試樣超聲波透射試驗得出的聲波傳播時間，結合樣品長度，利用式(1)計算得出超聲波在樣品內的縱波波速與橫波波速，進一步計算得出縱橫波速比，如圖4所示。

圖4 超聲波在頁巖內的縱波波速、橫波波速及波速比Fig.4 P-wave velocity,S-wave velocity,and P-S wave velocity ratio of ultrasound in shale

對比分析干燥樣品與酸化處理樣品的聲波波速可知，相比于頁巖干燥樣品，酸化處理樣品的縱波與橫波波速均下降(圖5)。縱波波速范圍由4 958～5 419 m/s下降至3 747～4 498 m/s，最大降低值為1 244 m/s[圖5(a)]。橫波波速范圍由3 226～3 504 m/s下降至2 385～2 865 m/s，最大降低值為865 m/s[圖5(b)]。干燥樣品與酸化處理樣品的縱橫波速度比范圍分別為1.531～1.547和 1.567～1.571，縱橫波速度比平均值分別為1.537和1.569，酸化處理樣品縱橫波速度比大于干燥樣品的縱橫波速度比，同一處理條件下樣品的縱橫波速度比較接近。頁巖內部為非均質散射體，其孔隙及裂隙發(fā)育程度是影響波速的重要因素，聲波穿透時間增加，波速下降，可推測樣品內部孔隙裂隙增多。結合頁巖試樣的聲波頻域分析結果，進一步表明了頁巖試樣經過酸化處理后孔裂隙度增大或者內部結構出現(xiàn)破壞裂紋。

2.4 聲波衰減系數(shù)

基于超聲波透射試驗測得的首波峰值幅值，結合樣品長度，利用式(2)計算得出超聲波衰減系數(shù)，如圖5所示。

圖5 聲波衰減系數(shù)Fig.5 Acoustic attenuation coefficient

由圖5可知，干燥樣品的縱波與橫波衰減系數(shù)范圍分別為2.74～4.58和28.40～19.24，平均值分別為3.60和22.85。酸化處理樣品的縱波與橫波衰減系數(shù)分別為6.35～12.19和27.37～41.37，平均值分別為8.58和34.23。由此可見，同一處理方式下橫波衰減系數(shù)大于縱波衰減系數(shù)。與干燥樣品相比，酸化處理樣品的縱波與橫波衰減系數(shù)均增大，縱波衰減系數(shù)增大2.38倍，橫波衰減系數(shù)增大1.50倍。衰減系數(shù)可以很好地描述聲波的衰減特征，酸化處理樣品的縱波與橫波衰減系數(shù)增大，再一次說明了頁巖試樣經過酸化處理后孔裂隙度增大或者內部結構出現(xiàn)破壞裂紋。

3 討論

3.1 酸化作用下水頁巖孔裂隙變化對聲波特性影響

3.2 酸化作用下頁巖力學軟化對聲波特性影響

與干燥處理的頁巖試樣相比較，酸化作用下頁巖試樣發(fā)生水化與地球化學反應，頁巖孔裂隙度增大或者內部出現(xiàn)破壞裂紋，其直接反映為力學性質發(fā)生變化。根據(jù)力學特性參數(shù)與聲波速度比的關系，由式(3)、式(4)得出不同處置條件下頁巖的泊松比與彈性模量(圖6)。與干燥處理的頁巖試樣相比較，酸化作用下頁巖試樣的泊松比增大，平均增大0.092。彈性模量降低，平均降低2.876 GPa。由此可見，水化與地球化學反應共同作用下，頁巖試樣力學性質發(fā)生軟化，進一步證實了酸化作用下頁巖試樣孔裂隙度增大或內部甚至破壞裂紋，引起聲波性質發(fā)生改變。

圖6 不同處置方式下的頁巖力學性質特征Fig.6 Characterization of shale mechanical properties under different disposal methods

4 結論

(1)與干燥處理頁巖相比較，酸化處理頁巖的縱波和橫波傳播時間延長，縱波與橫波幅值均呈現(xiàn)明顯的下降特征，且樣品在同一種處理條件下首波縱波幅值強于首波橫波幅值，即超聲波在頁巖內部的縱波穿透性比橫波強。

(2)與干燥處理頁巖相比較，酸化處理頁巖的頻域內最大振幅下降，主頻向低頻方向發(fā)生偏移，且部分樣品的主頻發(fā)生畸變。

(3)與干燥處理頁巖相比較，酸化處理頁巖的縱波與橫波波速均下降，最大降低值分別為 1 244 m/s 與865 m/s。干燥頁巖與酸化處理頁巖的縱橫波速度比平均值分別為1.537和1.569，酸化處理頁巖的縱橫波速度比大于干燥樣品的縱橫波速度比。酸化處理頁巖的縱波與橫波衰減系數(shù)均增大。

(4)酸化作用下頁巖發(fā)生水化作用與地球化學反應，導致頁巖孔裂隙度增大或者內部結構出現(xiàn)破壞裂紋，力學性質軟化，為引起聲波特性變化的重要原因。