页岩矿物对压裂液溶液的自吸实验及机理研究

摘要

大规模水平井水力压裂是国内外页岩气开采的关键技术，工程实践表明压裂液返排率普遍较低且不同区块差异性较大，由于压裂液成分复杂，长期存在于地下有可能污染地下水，前人研究表明页岩自吸作用是造成压裂液返排率低的主要原因，但是目前自吸机理与影响因素尚未明晰。为了探索页岩储层对压裂液的自吸机理及影响因素，本文开展了不同尺寸大小、不同矿物类型岩块在不同实验条件下的自吸实验，根据实验结果并结合岩块矿物表面特征分析与溶液化学性质测试，得到了岩块自吸作用的主要影响因素，建立了适宜的自吸模型，并探讨了不同页岩矿物成分对压裂液溶液的自吸机理。主要得到以下研究成果： （1）不同因素对岩块自吸的影响有：尺寸（比表面积）对岩块自吸率的影响表现为比表面积越大，自吸率越大；矿物种类对岩块自吸率影响表现为蒙脱石的自吸率最大，高于绿泥石、高岭石、石英、长石，原因在于蒙脱石具有较高的吸水膨胀性；温度对岩块自吸的影响表现为温度越高，自吸率越高，自吸速率越大，原因在于温度越高，矿物内部矿物颗粒之间的层间距越大，水分子动能也越大；溶液对岩块自吸的影响表现为KCl溶液浓度越高，岩块自吸率与自吸速率均越小，原因是K+抑制岩块水化作用，导致岩块自吸量减小。 （2）自吸模型选择与建立：经拟合、验证，自吸模型V=K√t可有效反映本实验中岩块自吸率随时间的变化规律。以蒙脱石为主的类型III岩块自吸率变化表现为上升、缓慢上升、下降三个阶段，原因是上升阶段以微裂隙孔隙吸水为主，缓慢上升阶段以蒙脱石矿物本身吸水为主且微裂隙孔隙吸水减少，而下降阶段矿物吸水膨胀排挤微裂隙孔隙水。 （3）自吸过程中的水-岩变化：岩块吸水后蒙脱石矿物膨胀导致岩块微裂隙孔隙减小并趋于闭合，同时由于可溶矿物溶解观察到在岩块表面存在次生溶隙。温度越高，Na+、Al3+、Ca2+、Mg2+溶解量越大；KCl对Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+的溶解有抑制作用；相同实验时间内，岩块质量越大，K+、Na+、Al3+、Ca2+、Mg2+溶解量越多。通过水文地球化学分析，推测出溶液中的Na+来自钠长石矿物溶解，K+来自斜长石溶解，Ca2+、Mg2+来自蒙脱石溶解，而Al3+来自钠长石、斜长石及蒙脱石溶解。 实验研究了页岩气开采过程中页岩吸水机理、压裂液返排规律、水-岩反应，为今后指导页岩气开采与防治地下水污染提供了一定理论依据。

目录

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2.1页岩储层特征

1.2.2水力压裂液组分与化学性质

1.2.3水-岩化学反应

1.2.4自吸模型

1.3研究内容与技术路线

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3拟解决的关键问题

1.3.4创新之处

1.3.5技术路线图

2实验材料制备与测试

2.1岩石样品制备与理化性质测试

2.1.1矿物成分测试

2.1.2实验岩块制备

2.1.3岩样表面特征分析

2.1.4岩样渗透率分析

2.2压裂液溶液配置

2.3本章小节

3岩块自吸实验

3.1.1 实验岩块与溶液材料

3.1.2实验设备仪器

3.2实验方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1尺寸对岩块自吸的影响

3.3.2矿物对岩块自吸的影响

3.3.3温度对岩块自吸的影响

3.3.4溶液对岩块自吸的影响

3.4本章小结

4岩块自吸模型

4.1自吸模型选择

4.2自吸模型V=K√t建立

4.2.2类型Ⅰ岩块自吸模型建立

4.2.3类型Ⅲ岩块自吸模型建立

4.3本章小节

5岩块自吸过程中的水-岩变化

5.1矿物成分及形态分析

5.1.1矿物成分

5.1.2矿物表面形态变化

5.2溶液离子组分分析

5.2.1尺寸对水-岩反应的影响

5.2.2温度对水-岩反应的影响

5.2.3K+对水-岩反应的影响

5.3水-岩化学反应

5.4本章小节

6结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

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