ScCO2压裂页岩缝内微支撑剂弹塑性压嵌实验研究

作     者：程鹏 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张成朋

授予年度：2022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：微支撑剂 超临界CO2 嵌入与破碎 微观力学 弹塑性模型 

摘      要：超临界CO(ScCO)作为无水压裂液,已尝试应用于水敏性页岩气储层改造,其可有效缓解水基压裂液引起的诸如大量水资源消耗、地下水污染和页岩储层渗透性损伤等问题,同时具有产生复杂缝网、强竞争吸附能力、促进CO地质封存等优点。但由于超低粘度ScCO携砂能力有限,无法携带传统尺寸支撑剂进入压裂裂缝。此外,传统尺寸支撑剂颗粒较大,无法进入大量压裂次级裂缝和天然裂缝中,造成有效支撑压裂缝网体积远低于改造体积,降低了ScCO压裂效果。因此,前人提出将ScCO压裂与微支撑剂相结合的方式应用于页岩气储层改造中。本文针对传统尺寸支撑剂和微支撑剂在岩石表面的嵌入和破碎行为进行了对比实验研究,讨论了支撑剂粒径、铺置层数、岩石类型和状态等因素对支撑剂嵌入量和破碎率的影响。借助三维形貌光学扫描和超景深三维显微分析等技术对支撑剂嵌入量和破碎率进行了表征分析。此外,本文对页岩样品开展了一系列纳米压痕实验,探究不同页岩基质矿物的微观力学性质。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)技术分析了ScCO和水溶浸作用前后页岩基质微观力学性质的变化机理。最后,本文基于应力平衡条件、“扩展腔半经验模型和半无限空间体模型,同时利用页岩基质微观力学参数,建立了微支撑剂弹塑性嵌入本构方程,并根据微支撑剂嵌入实验结果对其进行了验证。利用所建模型对微支撑剂在干燥页岩及ScCO和水溶浸页岩表面的嵌入深度进行了对比研究。主要研究成果如下:(1)在铺置浓度相同,支撑剂粒径减小时,由于支撑剂应力集中现象降低,且小粒径支撑剂颗粒内部缺陷较少,导致破碎率与嵌入量降低。尤其对于325目微支撑剂而言,在各实验工况条件下均无明显的嵌入与破碎发生。对于同一粒径支撑剂而言,随着铺置层数的增多,单个支撑剂所承受的应力降低,支撑剂的嵌入量和破碎率将减小。此外,页岩基质的力学强度越高,岩石与支撑剂的力学强度差异增大,支撑剂越容易发生破碎,而不容易产生嵌入行为。(2)利用纳米压痕技术可获得可靠的页岩基质矿物微观力学参数,如石英、方解石、白云石和粘土矿物在ScCO和水溶浸前的弹性模量E分别为101.60 GPa、64.61GPa、125.04 GPa和53.93 GPa,不同矿物网格纳米压痕数据的离散性表明页岩微观力学性质具有较强的非均质性。ScCO和水溶浸后,由于溶解作用引起的晶体结构变化,不同的页岩矿物发生了不同程度的弹性模量E和硬度H值的降低,不同矿物的含量也发生了不同程度的变化。h/h和W/W的值可以结合P-h曲线所围成的滞回环来定性分析压痕过程中所产生的主要功和不可逆变形量。从压痕形貌观察,与其他矿物不同的是,粘土矿物中产生了大量微裂缝,这与压痕中产生明显的塑性变形量和其层状晶体结构密切相关。(3)基于微观力学参数计算获得的支撑剂临界嵌入深度d和d表明实验中微支撑剂处于弹塑性嵌入阶段,结合微支撑剂嵌入实验研究结果,验证了支撑剂弹塑性嵌入本构模型的准确性和可行性。利用所建模型对比分析了微支撑剂在干燥页岩及ScCO和水溶浸页岩表面的嵌入深度,由于ScCO和水与页岩基质的化学反应引起微观力学强度的降低,从而导致微支撑剂嵌入深度的增大,例如在弹塑性变形阶段,闭合应力为50 MPa时,微支撑剂在溶浸页岩表面嵌入深度增加了约10%。