超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

摘要

深部煤层CO2地质封存与CH4强化开采(CO2-ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益.超临界CO2(ScCO2)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO2泄漏的风险.以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展"ScCO2-水-岩"地球化学反应模拟实验,探讨CO2煤层封存条件下ScCO2-水-顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响.结果表明:ScCO2-水-岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的"溶蚀坑"和"溶蚀缝";增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO2-水-岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系.对于胡底煤矿而言,ScCO2-水-岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO2泄漏,但在评价煤层CO2封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响.