超临界二氧化碳作用下页岩力学特性研究

作     者：陈钰婷 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢义玉

授予年度：2016年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：页岩 超临界二氧化碳 压裂 力学特性 声发射 

摘      要：高效开发页岩气是缓解我国能源供需矛盾、保障能源安全的重大战略需求。针对我国缺水地区粘土含量高的页岩气储层,现有水平井+多段压裂技术存在耗水量大、粘土遇水易膨胀的问题,研究团队提出采用超临界二氧化碳压裂开采页岩气的研究思路。然而,用二氧化碳替代常规水基压裂液进行页岩压裂时,在物理、化学等作用下二氧化碳必将对页岩体的物理力学特性产生重大影响,进而影响压裂裂缝的起裂与扩展机理,因此,开展超临界二氧化碳注入后页岩力学特性变化规律与机制研究是后续进行超临界二氧化碳压裂机理研究的前提与关键。本文以四川盆地志留系龙马溪组页岩为研究样本,采用自主研制的耐二氧化碳中间容器对其进行不同时间条件下的超临界二氧化碳浸泡试验,并通过劈裂试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验,获得浸泡前后页岩的力学性质及声发射特征的变化规律,进而结合XRD、SEM测试,从页岩矿物组成及微观结构方面分析了超临界二氧化碳对页岩力学特性的作用机制。取得的主要研究成果如下:(1)揭示了页岩力学性质随超临界二氧化碳浸泡时间的演化规律。超临界二氧化碳作用下,随浸泡时间的加长页岩抗拉强度的损失率分别为18.7%、19.55%、22.7%、27.7%、32.8%;三轴抗压强度的损失率分别为6.6%、9.1%、10.0%、13.8%、15.3%;单轴抗压强度的损失率分别为9.8%、15.9%、20.2%、21.3%、25.0%,各力学参数的损失量随浸泡时间呈增大的变化规律,但增大的幅度则呈减小趋势。表明超临界二氧化碳浸泡对页岩力学特性具有明显的劣化效应。(2)通过超临界二氧化碳浸泡前后页岩单轴压缩下的声发射试验,分析了超临界二氧化碳对页岩声发射特征的影响规律。浸泡后页岩的累计声发射计数平均值明显大于未浸泡页岩的累计声发射计数,且声发射能量大信号所占比例增大,表明超临界二氧化碳作用下页岩强度减弱,内部裂纹增加,且更容易产生大裂纹。(3)揭示了超临界二氧化碳劣化页岩力学特性的微观作用机制。浸泡前后页岩的XRD、SEM测试结果表明页岩中方解石、白云石、黄铁矿等矿物成分含量均随浸泡时间增长逐步下降,使页岩的胶结程度降低,黏聚力下降;且浸泡后页岩表面形貌较浸泡前更为粗糙,孔隙更为发育,出现了更为明显的蜂窝状孔隙,进而导致其力学特性发生不同程度的劣化。