超臨界二氧化碳壓裂作用下頁巖的力學特征與孔隙度變化規律研究

李曜軒 張艷 王興義

摘 ? ? ?要：基于減少開采頁巖氣對地層損害的目的，研究超臨界二氧化碳壓裂作用下頁巖的宏觀力學特性和孔隙度十分必要。通過室內物理模擬超臨界二氧化碳壓裂頁巖過程，分析了超臨界二氧化碳注入頁巖后巖石力學特征與孔隙度的變化規律。研究結果表明：當頁巖所受圍壓一定的條件下，隨著超臨界二氧化碳注入壓力的增加，頁巖的抗壓強度、彈性模量隨之減小，泊松比增加，頁巖的力學參數抗壓強度、彈性模量、泊松比分別與實驗過程中注入超臨界二氧化碳壓力大小成二次多項式關系。超臨界二氧化碳注入頁巖巖芯后，樣品的質量減小，孔隙度顯著提高且最高增幅將近四倍，經分析發現頁巖的彈性模量、抗壓強度和泊松比與巖石孔隙度呈二次多項式關系，這表明超臨界二氧化碳可以很好地改善頁巖的物性特征。

關 ?鍵 ?詞：超臨界二氧化碳;壓裂液;頁巖;力學參數;孔隙度

中圖分類號：TE357.7 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0572-05

Abstract： In order to reduce the damage of shale formation， it is necessary to study the macroscopic mechanical properties and porosity of shale under supercritical carbon dioxide fracturing.In this paper， the physical simulation of supercritical carbon dioxide fracturing shale process was carried out in the room to analyze the rock mechanical characteristics and porosity changes after injecting supercritical carbon dioxide into the shale.The results showed that when the shale was under constant confining pressure， with the increase of supercritical carbon dioxide injection pressure， the compressive strength and elastic modulus of the shale decreased， Poisson's ratio increased， the mechanics parameters of the shale including compressive strength， elastic modulus and Poisson's ratio had respectively quadratic polynomial relation with the injection pressure of supercritical carbon dioxide in the process of experiment. After supercritical carbon dioxide was injected into the shale core， the quality of the sample decreased， and the porosity significantly increased， and the highest growth almost reached four times. The results proved the supercritical carbon dioxide fracturing is a good way to improve the physical characteristics of the shale.

Key words： Supercritical carbon dioxide; Fracturing fluid; Shale; mechanical parameters; Porosity

1 ?引 言

隨著我國頁巖氣開發的突破，頁巖氣技術的相關研究逐漸興起，但傳統開采油氣技術存在著環境污染和生態破壞等問題[1]，而采用超臨界二氧化碳作為壓裂液則可以完全避免地層污染。El Hajj等[2]發現超臨界二氧化碳注入開采后的碳酸鹽巖儲層可以通過其與碳酸鹽等的相互作用將儲層壓力升至露點壓力以上，并且可以通過二氧化碳與碳酸鹽的溶蝕作用和沉淀作用實現固碳的目標，從而加快油氣的再生。

實踐開采中利用超臨界二氧化碳流體作為壓裂液進行儲層壓裂改造有利于提高產量[3]，但其注入地層期間會對地層以及開采裝置造成一定影響。Pratanu Roy等[4]研究了超臨界二氧化碳注入井筒內產生的熱應力發現在50～80 ℃范圍內熱應力不會對井筒完整性產生影響。李曉江，李根生等[5]發現隨著在頁巖中注入超臨界二氧化碳流體溫度的升高，積聚壓力呈線性增加，且頁巖的低滲透率可以實現更大的堆積壓力。

當超臨界二氧化碳注入頁巖時，頁巖的力學參數和孔隙度會發生改變。趙仁保等[6]發現超臨界二氧化碳的溶蝕作用會導致巖石原生孔隙擴大并產生次生孔隙，使得巖石抗壓強度下降，孔隙度增加。朱子涵等[7]發現巖石中礦物的溶蝕作用和沉淀作用是儲層在壓裂液作用下巖石特性改變的直接原因。沈國軍等[8]采用巴西圓盤法來測定頁巖的抗拉強度、彈性模量和泊松比等力學性質。李慶輝，陳勉等[9]通過三軸壓縮頁巖實驗，獲得了不同應力條件下含氣頁巖的力學特征變化。趙陽等[10]測定了砂巖和深部煤巖等彈性模量和孔隙度的關系，得到其彈性模量與孔隙度呈冪律型和指數型關系。前人開展的實驗大多將巖石的力學特性與孔隙度分開研究，而對于超臨界二氧化碳壓裂作用下頁巖力學特征與孔隙度之間聯系的研究少有報道，故本文主要探究二者在超臨界二氧化碳壓裂作用下之間的規律。

2 ?超臨界二氧化碳注入壓力條件下頁巖力學特征的研究

2.1 ?實驗樣品與實驗裝置

根據國際巖石力學試樣標準，現場巖心上套取一個25 mm的圓柱形樣品，然后將樣品的兩端車平、磨光，使巖樣的長徑比為2.0～2.5。為避免實驗過程中產生應力集中的現象，需要做到樣品兩端平面的不平整度誤差不能大于0.05 mm（圖1）。

本實驗模擬裝置為TAW-2000深水伺服巖石三軸試驗系統[11]，模擬地層實際情況保持頁巖試樣所受圍壓不變，然后對頁巖試樣進行超臨界二氧化碳孔隙壓力持續加載，且實驗過程中頁巖試樣所受的孔隙壓力要小于施加于試樣的圍壓值（圖2）。

實驗能監控采集整個實驗過程的數據，包括軸向應力、孔隙壓力、圍壓、軸向應變、徑向應變及實驗所需時間等等，通過獲得的實驗數據進行計算即可得到頁巖在注入孔隙壓力下的抗壓強度、彈性模量及泊松比等巖石力學參數。

2.2 ?實驗原理與計算

2.3 ?實驗結果及分析

通過上述實驗裝置及試驗方法可以計算出以下數據（如表1所示）。

實驗測得的頁巖抗壓強度在76.65～219.58 MPa之間，平均值為169.68 MPa;泊松比為0.311～0.377之間，平均值為0.333;彈性模量數值在21.14～36.191 GPa之間，平均值為29.3 GPa。

根據表1數據，本次實驗共測試4塊頁巖試樣，壓裂液注入壓力從0增加到15 MPa，在頁巖試樣所受圍壓一定的條件下，隨著壓裂液注入壓力的增加，頁巖的抗壓強度、彈性模量隨之減小，泊松比反而增加（如圖3-5所示）。

通過數據分析擬合得到的抗壓強度、彈性模量、泊松比與超臨界二氧化碳注入壓力之間成二次多項式關系，且該關系式的相關性都在0.9以上。

隨著地層中孔隙壓力的加大，頁巖地層中的巖石受力狀態將發生改變，其力學特征也隨之發生改變。在相同圍壓條件下，壓裂液注入壓力越高，巖石抗壓強度越低，彈性模量隨著抗壓強度的降低而降低，泊松比反而增加，是因為巖心所受孔隙壓力的增大抵消了一部分巖石所受的圍壓，且在超臨界二氧化碳進入頁巖地層后，使得地層孔隙壓力增大，而上覆巖層壓力為定值，對應巖石基質應力降低，巖石在橫向變形比軸向變形增加的要多，所以泊松比隨著壓裂液注入壓力的增加而增大。

3 ?超臨界二氧化碳壓裂作用下頁巖孔隙度變化研究

3.1 ?實驗裝置及原理

本實驗按照石油天然氣國家標準SY/T5336- 2006測定頁巖孔隙度[12]，采用玻意耳定律進行頁巖孔隙度測定，試驗采用裝置如圖6所示。

本實驗通過超臨界二氧化碳氣測的巖石樣品獲得試驗樣品的孔隙度，氣測孔隙度是通過測定巖樣的外表體積和骨架體積兩個參數來計算巖樣的孔隙度。

3.2 ?孔隙度測試結果分析

根據上述實驗原理計算得出頁巖巖芯在壓裂液作用前后孔隙度的實驗數據如表2所示。

分析表2中數據，實驗所用頁巖樣品在壓裂液作用前其孔隙度范圍在1.20%～1.70%之間，壓裂液作用后孔隙度范圍在1.70%～6.65%之間。壓裂液作用后頁巖總質量呈減小的趨勢（如圖7所示），孔隙度有不同程度的增大（如圖8所示）。

從圖7中可以看出，壓裂液作用于頁巖樣品后，頁巖樣品的質量都略有減小。說明超臨界二氧化碳進入頁巖樣品后發生了溶蝕作用，發生復雜的化學反應并帶走樣品的部分礦物組分，從而導致樣品質量的減小。

從圖8中可以看出，超臨界二氧化碳作用于頁巖巖芯后頁巖孔隙度略有增加，從增加的幅度來看X-4層位巖心孔隙度最高增幅達396.27%，孔隙度增加將近4倍，說明壓裂液能夠很好地改善頁巖的物性特征。

隨著超臨界二氧化碳壓裂液作用與頁巖地層時間的增加，頁巖中的黏土礦物有可能脫出了結合水，使得顆粒骨架變小，導致頁巖發生了溶蝕現象并被壓裂液帶走部分礦物溶質，原生的空隙被溶蝕之后體積變大，在頁巖表面微觀結構上形成新的孔隙、裂隙，原生孔隙和次生孔隙連通[13]，微裂縫結構連通性增加等等，也有利于頁巖地層孔隙和滲透特性的增強。

通過分析超臨界二氧化碳作用于頁巖力學特征與巖石物性孔隙度參數的實驗數據，如表3所示，發現頁巖力學參數與孔隙度成二次多項式關系，如式（7）所示。

4 結 論

本文通過超臨界二氧化碳壓裂頁巖實驗分析發現：頁巖抗壓強度、彈性模量隨注入孔隙壓力的增加而減小，泊松比反而下降;超臨界二氧化碳壓裂后，頁巖孔隙度顯著增加;壓裂后頁巖的孔隙度分別與彈性模量、抗壓強度、泊松比呈二次多項式關系，且其相關性分別為0.904 9、0.872 1和0.911。根據實驗規律得到以下結論：

（1）超臨界二氧化碳壓裂液壓裂頁巖地層過程中，壓裂液接觸到的孔隙和裂隙等會被溶蝕，發生溶蝕作用的過程也是超臨界二氧化碳進入地層中壓力釋放的過程，在這個過程中，頁巖的力學參數發生改變，總體呈抗壓強度及彈性模量下降，泊松比上升的趨勢。

（2）超臨界二氧化碳的溶蝕作用帶走頁巖的部分礦物組分，使得頁巖地層的微觀孔隙變大并形成新的孔隙，使得孔隙度升高且連通性增強，很好地改善了頁巖地層的物性特征。

（3）實驗樣品質量的減小和微觀孔隙度的增加使得頁巖的宏觀力學特征發生改變：由于超臨界二氧化碳的注入，使得頁巖的微觀結構更加疏松，從而導致其抗壓強度和彈性模量的下降。

參考文獻：

[1] 金軍，王冉.超臨界 CO2 注入與頁巖氣儲層相互作用的研究進展[J]. 斷塊油氣田.2018，25（3）：363-366.

[2] El Hajj，Odi，et al.Carbonate Reservoir Interaction with Supercritical Carbon Dioxide [R].International Petroleum Technology Conference， 2013.

[3] 侯冰等.超臨界二氧化碳對致密砂巖力學特性影響的實驗研究[J].中國海上油氣，2018，30（5）：110-115.

[4] Pratanu Roy， Stuart D.C. Walsh， et al.Studying the Impact of Thermal Cycling on Wellbore Integrity during CO2 Injection [R].American Rock Mechanics Association，2016.

[5] Xiaojiang Li，Gensheng Li，et al.Thermodynamic Behavior of Liquid- supercritical CO2 Fracturing in Shale[R].Unconventional Resources Technology Conference，2017.

[6] 趙仁保，等.二氧化碳埋存對地層巖石影響的室內研究[J].中國科學：技術科學，2010，53（4）：378-384.

[7] 朱子涵，等.儲層中CO2—水—巖石相互作用研究進展[J].礦物巖石地球化學通報，2011，30（1）：104-112.

[8] 沈國軍，等.汪清油頁巖物理力學性質及裂縫起裂壓力的研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（9）：1-4.

[9] 李慶輝，陳勉，等. 含氣頁巖破壞模式及力學特性的試驗研究[J]. ? 巖石力學與工程學報， 2012，31（S2）： 3763-3771.

[10]趙陽等.深部煤層頂板砂巖彈性模量與孔隙度關系模型研究[J]. 礦業科學學報，2019，4（3）：204-212.

[11]劉翌晨.深埋隧洞圍巖性質及巖爆機理研究[D]. 河北工程大學 2017.

[12]陳旭.卸荷變形條件下巖石滲流-應力耦合特性三軸試驗研究[D].華僑大學2015.

[13]李卓文，等.頁巖油氣儲集空間差異及賦存方式比較研究[J].重慶科技學院學報（ 自然科學版），2015，17（5）：1-4.