超临界CO2作用下页岩变形及CO2运移规律研究

摘要

我国页岩气资源丰富，高效开发页岩气是我国充分利用资源、保障能源安全的重大战略需求。国内外学者研究表明，超临界CO2流体可有效避免粘土遇水膨胀问题，改善储层渗流通道，同时，其低粘特性能使储层产生诸多微裂缝，可最大限度地沟通天然裂缝，增强裂缝导流能力，提高采收率。然而，二氧化碳作用下页岩性质的改变及其在页岩中运移的情况直接影响压裂的效率和产量。
　　本文以重庆涪陵地区页岩为样品，主要开展了页岩吸附超临界CO2的规律、超临界CO2和He作用下页岩的变形规律与超临界CO2在页岩中运移的规律等方面的研究，取得的主要成果有：
　　①基于体积法和应力-应变计法的原理自行开发了一种高温高压气体作用下页岩变形测试技术及装备。可实现块状样品(有效尺寸为Φ50mm×100mm)在气体环境中的吸附和变形的同时测量。该系统最大实验气体压力可以达到35MPa，最高实验温度达到95℃，能够有效模拟页岩气储层所处的高温高压环境，通过误差分析得到该装备的最高误差在10％左右，满足实验测试的需求。
　　②原位测量了不同温度、压力、气体作用下页岩吸附-变形特性，明确了CO2作用下页岩的变形规律。低压条件下，页岩吸附CO2导致表面势能改变产生膨胀变形，其主体相密度远小于吸附相密度使变形量/吸附量随CO2压力的增加而线性增大；随着压力的升高，CO2变为超临界状态，其主体相密度与吸附相密度相当，吸附量与应变量不再随压力的增加明显增大，而此时气体压力作用下的压缩变形却逐渐增强，导致页岩膨胀变形随CO2压力的增加而降低。
　　③建立了CO2作用下页岩的吸附-变形、压力-变形双重计算模型。将页岩考虑成为横观各向同性材料，根据能量守恒、热力学和表面物理化学原理建立了基于CO2吸附密度的页岩吸附-变形计算模型；基于有效应力原理，并考虑孔隙压力对Biot系数的影响，建立了气体压力作用下页岩的压力-变形计算模型。与实验结果对比表明该模型能较准确地描述CO2作用下页岩的变形。
　　④揭示了页岩吸附变形对气体运移规律的影响机制。低压（低于3MPa）条件下，二氧化碳在页岩中的运移以扩散为主，所占比重随气体压力的增加而增大；但随二氧化碳压力的增加，页岩吸附变形增大，且气体分子间的碰撞加剧，导致二氧化碳扩散能力迅速降低，所占比重稳定在一个较低值，二氧化碳在页岩中的运移主要为渗流。因此，页岩变形作用下，二氧化碳在页岩中传输能力随压力的增大呈先降低再逐渐恢复的变化规律。
　　本文研究成果为吸附-变形奠定了基础研究，丰富了页岩气高效开发的新思路，具有一定的科学研究与理论意义。

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2 高温高压气体作用下页岩变形测量技术开发及装备研制

2.1功能需求分析

2.2测试原理

2.3 实验系统

2.4 试验方法及系统稳定性分析

2.5本章小结

3 二氧化碳作用下页岩的变形规律

3.1 页岩样品的特征

3.2 样品吸附二氧化碳的等温吸附曲线

3.3 二氧化碳作用下页岩的变形规律

3.4 二氧化碳作用下页岩变形的机理分析

3.5 本章小结

4 二氧化碳作用下页岩的变形模型

4.1 页岩的本构模型

4.2 吸附引起应变的数学模型

4.3 气体压力引起应变的数学模型

4.4 模型验证

4.5 本章小结

5 二氧化碳在页岩中的传输规律

5.1 页岩的渗透率、扩散系数

5.2二氧化碳在页岩中的渗透率、扩散系数

5.3 二氧化碳引起的变形对页岩流动特性影响分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录

A．作者攻读博士学位期间发表学术论文情况

B．作者攻读博士学位期间参加科研项目情况

C．作者攻读博士学位期间申请/授权专利情况