不同相态CO2-水-页岩相互作用实验研究

摘要

随着我国社会经济的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求也越来越大。页岩气作为一种非常规天然气能源，在我国的储量十分丰富，能有效地解决我国目前面临的能源短缺问题。针对目前水力压裂技术存在耗水量大且页岩中粘土矿物遇水易膨胀导致页岩气产量不高的问题，超临界 CO2强化页岩开采技术出现在我们的视野。超临界 CO2强化页岩开采技术的应用不仅能提高页岩气产量，还能实现CO2的封存，保证经济与环境的双重收益。当把 CO2作为常规压裂液对页岩进行压裂时，在储层条件下CO2-水-页岩之间的相互作用会影响到页岩储层的压裂效果及页岩气的采收率。因此，研究不同相态CO2-水-页岩相互作用对页岩矿物组分、微观结构及力学特性的影响规律是后续进行超临界 CO2强化页岩开采过程中CO2压裂机理以及流体渗流机制研究的前提。　　本文选取四川长宁地区上奥陶统五峰组页岩为实验样品，采用低温氮气吸附、核磁共振、XRF分析、XRD分析、扫描电镜SEM、MTS力学测试系统及声发射AE 采集系统等表征测试方法，对不同相态 CO2-水-页岩作用后页岩矿物组分、元素含量、微观孔隙结构以及力学特性参数的变化规律进行了研究。得到了以下研究成果：　　（1）通过XRD和XRF表征测试，发现页岩矿物组分由石英、方解石和白云石等碳酸盐、黏土矿物以及黄铁矿等矿物组成；元素主要以O、Si两种元素为主。不同相态CO2-水-页岩作用后，由于页岩中黏土矿物和碳酸盐会发生溶蚀、沉淀作用，导致石英、白云石等矿物含量增加，方解石、粘土矿物等含量减少；同时页岩中O、Si元素含量增加，金属元素如Ca、Fe等含量减少。　　（2）通过低温氮气吸附和核磁共振测试分析，发现不同相态 CO2-水-页岩作用后，页岩的比表面积和孔容都呈现出减小的趋势，平均孔径则有一定程度的增加；页岩微孔和中孔的占比降低，大孔数量增加；微孔数量的变化决定了页岩比表面积的减小程度。　　（3）对页岩试件进行单轴抗压实验，发现相较于原始试件，不同相态 CO2-水-页岩相互作用后页岩试件的单轴抗压强度、弹性模量都呈现下降的趋势。这主要原因是页岩的微观结构的变化会导致页岩力学特性发生变化。　　（4）通过对页岩单轴压缩下的声发射实验分析，发现相较于原始试件，不同相态CO2-水-页岩相互作用后页岩破坏过程中声发射信号明显增多，累计声发射计数变大，破坏时的能量强度变高，表明CO2-水-页岩相互作用后，页岩抗压强度减弱，内部裂纹增多并贯通，破坏程度更高。

目录

1 绪 论

1.1选题背景

1.1.1页岩气的发展历程

1.1.2超临界CO2压裂技术

1.2国内外研究现状

1.2.1页岩气开发研究现状

1.2.2页岩微观机构与矿物成分表征

1.2.3页岩力学性质及其脆性评价

1.2.4 CO2-水-页岩相互作用机理研究

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2 样品制备与实验方案

2.1实验样品地质概况

2.2试件的加工和制备

② 矿物成分和微观结构析实验的试样制备 矿物成分和微观结构析实验的试样制备

2.3实验设备和方案

2.3.1页岩的微观结构及矿物成分的表征实验

2.3.2 不同相态CO2-水-页岩浸泡实验

2.3.3页岩单轴抗压强度及声发射实验

3不同相态CO2-水-页岩作用对页岩矿物组分的影响

3.1.1 有机碳量分析

3.1.2热成熟度分析

3.2页岩矿物成分分析

3.3 页岩元素含量分析

3.4本章小结

4 不同相态CO2-水-页岩作用对页岩微观结构的影响

4.1电镜扫描(SEM)测试

4.2.1吸附/解吸等温线

4.2.2页岩孔隙结构参数分析

4.3核磁共振实验分析

4.4本章小结

5 不同相态CO2-水-页岩作用对页岩力学特性的影响

5.1.1页岩单轴抗压强度

5.1.2页岩的弹性模量

5.2页岩破坏模式

5.3页岩破坏过程中的声发射研究

5.4本章小结

6 结论与建议

6.1主要结论

6.2建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢