二氧化碳及其水/盐溶液作用下页岩的力学特性

第1章 绪论 1.1 工程背景及意义 随着经济的快速发展，全球能源消耗总量急剧上升。虽然传统的煤和石油仍为主要能源，但是天然气所占的比重越来越大。作为人口大国的中国，天然气在能源消耗中的比例仍然极低，依旧极大依赖传统的高污染能源（图1.1）。因此，大力开发并使用天然气是兼顾经济发展和环境保护的一个有效的方法。 图1.1 世界能源消耗和中国能源消耗（Stats，2015） 页岩气是一种典型非常规致密气藏。探测表明，中国拥有全世界*多的页岩气，约为36.1 万亿m3。我国《页岩气发展规划（2016—2020 年）》中提出“2020 年力争实现页岩气产量300 亿m3”“2030 年实现页岩气产量800～1 000 亿m3”。然而，2020 年我国页岩气的产量仅200 亿m3，因此页岩气高效开发是实现规划目标的重要保障之一。 我国页岩气储层致密、黏土矿物含量高，且富集区大多处于缺水地区。目前美国已拥有比较成熟的页岩气开采技术，主要采用水平井+ 多段压裂技术（唐颖等，2011，2010），但若完全将该技术套用在我国则存在下列问题：一是耗水量巨大，单口页岩气井需要“千方砂万方水”（1.5 万～3.0 万t 水），这对于我国水资源严重缺乏的西北及北方干旱半干旱地区无疑是一种挑战，水资源的缺乏将严重制约这些地区页岩气的工业化开采（钱伯章等，2013；陈莉等，2012）；二是我国页岩气储层含有黏土，水力压裂液中的水分与页岩层中的黏土矿物发生水化反应，使黏土水化膨胀，伤害储层，压裂形成的体积改造效果差，导致单井页岩气产量普遍较低，且产量递减快，采收率低（郑力会等，2013）。因此，必须发展与我国页岩气赋存特点相适应的新的开采技术。 研究发现，当CO2 的温度和压力分别处于31.1 ℃和7.38 MPa 以上时，CO2 将达到超临界态（supercritical phase）（Span et al.，1996）。超临界CO2 流体的性质介于气体与液体之间，既有气体的低界面张力和易扩散性，也有液体的高密度和溶解性好的特点，具有超强的流动、渗透和传递性能（表1.1）。因此，针对页岩气藏低孔、低渗、高吸附等特征及其复杂渗流现象，可利用超临界CO2 的低界面张力和高密度特性，将其作为压裂液及钻采流体，保护储层，置换页岩气，提高采收率，达到在强化页岩气高效开采的同时实现CO2 地下封存的目的，为我国页岩气高效开发开辟新途径（Middleton et al.，2015 ；李根生等，2013；王海柱等，2011）。 表1.1 不同相态的CO2 物性特点 超临界CO2 黏度低且无表面张力，具有较强的吸附驱替能力（李得飞，2012）。在开采过程中，随着超临界CO2 逐步渗入页岩，页岩的渗透性和膨胀性将发生改变，页岩的强度也随之发生改变。同时，超临界CO2 与钻井液及底层流体混合后，混合流体的组分及pH 会发生改变，这也会影响页岩的物理特性。页岩强度和膨胀性的变化会影响井壁稳定性、射流压裂增渗的效果及岩石中裂隙开闭等，而渗透性的变化会影响CO2 置换、驱替页岩气的效果。这些都直接影响了页岩气开采的效率。 尽管许多学者对页岩的物理性质（李庆辉等，2012；Vernik et al.，1992）及页岩吸水后的物理性质的变化做了很多研究（折海成等，2010；李天太等，2002； Hale et al.，1993），并取得了可喜的成果，但是对于页岩吸附CO2 后物理性质的变化，以及页岩吸收地层流体或钻井液并吸附CO2 后其物理性质的变化的相关研究还很缺乏。为此，本书以试验研究为主，结合地层环境特点，重点开展页岩分别经液体（主要为水和盐溶液）、气体（亚临界/超临界CO2）、亚临界/超临界CO2+ 水、亚临界/超临界CO2+NaCl 溶液中浸泡后力学特性的变化，同时采用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）和CT 扫描试验从微观角度揭示页岩力学特性变化的机理，为超临界CO2 强化页岩气开采和CO2 地质封存提供实验支撑。 1.2 研究进展 1.2.1 页岩力学特性研究进展 对岩石力学特性的研究一般分为两种：实验室的样品分析和测井解释（Horsrud，2001）。测井解释需要高精度的声学设备，可获得的数据有限。而实验室的岩样分析除了取心和试验过程需要保持井底的应力、温度等，没有高精度设备也能获得较多数据。单轴压缩和三轴压缩测试作为*常用的两种实验室测试手段，已被广泛运用于砂岩（李术才等，2014；Rathnaweera et al.，2014；Wasantha et al.，2013；Yang et al.，2012；Karakul et al.，2010）、黏土岩（Wang et al.，2014； Zhao et al.，2013；Cevik et al.，2011）、煤岩（Peng et al.，2015；Gonzatti et al.， 2014；Jin et al.，2013；刘恺德等，2013）及页岩（Mishra et al.，2014；刘俊新等，2014；AL-Bazali，2013；Sarout et al.，2007）等力学特性的研究。 可作为页岩气勘探目标的黑色页岩是生成页岩气的源岩。作为一种沉积岩，黑色页岩具有明显的层理结构（Johnston et al.，1995）。页岩气成藏后由于复杂地应力、埋深、温度等的影响，黑色页岩具有各向异性（Blatt et al.，2006）。国外学者对黑色页岩展开了大量试验研究。Vernik 等（1992）研究了黑色页岩的各向异性特征和声学特性，结果表明，黑色页岩的微裂隙结构影响了其声学特性和各向异性特征。Moghadam 等（2012）通过三轴压缩试验测试并用破坏准则分析了Hekkingen 页岩的强度。Niandou 等（1997 ）对Tournemire 页岩进行三轴压缩测试，研究了其弹性变形、塑性变形和破坏特性。Masri 等（2014）采用三轴压缩试验研究了Tournemire 页岩在不同围压和不同温度下的力学特性，发现温度的升高会引起弹性模量和抗压强度的降低。国内关于黑色页岩的研究虽起步较晚，但是在力学特性等方面的研究在逐步加快。王鹏等（2013 ）通过模拟储层温度、围压，采用岩石力学实验仪对龙马溪组二段黑色页岩进行三维压缩实验，结果表明此种页岩属于脆性岩石。陈天宇等（2014）研究了不同围压、不同层理角度的牛蹄塘组黑色页岩的力学特性和破坏模式。李庆辉等（2012）采用三轴压缩试验研究了龙马溪组含气黑色页岩在不同应力条件下的力学特性，并与北美含气页岩进行了对比。 1.2.2 流体对页岩力学特性影响研究进展 作为一种黏土含量较高的层状岩石，页岩遇水会发生膨胀，产生水化现象。页岩周围的应力分布被改变，力学参数也发生改变，如强度降低、弹性模量减少、泊松比增加等。1970 年，Chenevert（1970）率先通过试验分析了泥页岩的力学性质随着水化作用的改变情况。分析得出，随着泥页岩吸水量的逐渐增多，岩石的强度会逐渐变小；泥页岩吸水量及水流动的距离与吸水时间有关，它们呈正比。Mody 等（1993）利用等效孔隙压力定量分析了纯水和含有Ca2+（Hale et al.，1993）、Na+ 及K+ 的水溶液对页岩强度的影响。Bol 等（1994）研究了17 种盐溶液中Pierre 页岩和Hutton 页岩的膨胀性等，结果表明：对于Pierre 页岩，*大的膨胀度出现在NaClO4 溶液中，而Hutton 页岩的*大膨胀度出现在Na3PO4 溶液中。Ewy（2014） 测试了有围压条件下NaCl 、CaCl2 和KCl 溶液对页岩的孔隙压力的影响，结果表明：CaCl2 溶液对孔隙压力的影响*大。Zhang 等（2004）用重量膨胀测试法研究了Pierre 页岩和Arco 页岩在去离子水和不同浓度NaCl、CaCl2 溶液中的膨胀性，结果表明：去离子水能够产生*大的膨胀度，不同页岩膨胀性相差很大。Al-Bazali 等（2008）采用声波测试法研究了页岩在不同离子溶液中的离子吸收情况，并测试了不同离子对页岩强度的影响。结果表明，页岩吸收离子后强度增大，吸水后强度减小。Makhanov 等（2014）研究了压裂液对页岩吸水的影响，结果发现页岩吸水具有各向异性，而且表面活性剂能够减缓页岩吸水。 国内关于页岩水化等的研究起步较晚。樊世忠等（1982）分析了新疆库车地区泥页岩井壁稳定问题，井壁不稳定的主要原因是页岩吸水变形降低了岩石的胶结应力。黄荣樽等（1995）通过建立地层水化模型，提出了水化作用下井眼周围泥页岩应力的计算方法，得到了泥页岩吸水膨胀后的应力分布。杜德林等（1996）研究了不同浓度的NaCl、CaCl2 和KCl 溶液对页岩膨胀性和毛细效应的影响。刘平德等（2000）和罗健生等（1999）分析了水对页岩强度和地层孔隙压力的影响，基于岩石强度准则得到避免泥页岩井壁失稳的合理的钻井液。梁大川等（1999） 分析了钻井液如何影响井壁稳定性，钻井液通过扩散、对流和渗透三种方式进入泥页岩：改变地层孔隙压力、改变近井壁页岩含水量和胶结完整性。李天太等（2002）在不同活度的水溶液中对Arco 页岩和Tournemire 页岩进行试验，定量分析了水溶液活度对页岩膨胀的影响。徐同台等（2004）讨论了泥页岩中晶态黏土矿物种类和含量、非黏土矿物、阳离子种类、泥页岩的埋深及外界温度与压力等因素对泥页岩在清水中膨胀率的影响。和冰（2009 ）对水化后的泥页岩的力学性能参数进行试验，得出了其随含水量的变化规律，并回归出泥页岩的强度参数与含水量的关系。折海成等（2010）从物理化学作用和力学作用两个方面分析了裂缝吸水后对泥页岩强度的影响，并结合岩石力学、细观断裂力学理论计算出了初裂强度。尹增苇等（2013）通过离心法测定出了KCl 和有机盐溶液对页岩水化膨胀的抑制性随浓度变化的规律。 气体在页岩中的存储方式主要有三种：游离态、吸附态和溶解态。其中吸附气体含量占主要部分（Speight，2013；Vermylen，2011）。页岩中含有的有机质使其吸附/解吸能力较强（Heller et al.，2014；李武广等，2012；Chareonsuppanimit et al.，2012）。有机质中微孔隙结构十分发达，能像海绵一样将气体吸附在其表面或内部。有机质作为吸附气的核心载体，总有机碳（total organic carbon，TOC） 的多少会导致吸附气含量的变化，TOC 越高，吸附气含量越大（聂海宽等，2009）。成熟度决定了有机质所处的生烃演化阶段和生气量的多少。热成熟度越高，吸附气含量越大（熊伟等，2012）。 国内外许多学者就煤岩吸附/解吸气体后产生的膨胀/收缩效应进行了较为深入的研究（郭平等，2014；周军平等，2011；Perera et al.，2011；Connell et al.， 2009；Bustin et al.，2008）。但是，页岩与煤岩在结构组分上差异较大。页岩是具有细密颗粒、黏土含量高的沉积岩，而煤岩是一种由无机物和有机物混合而成的多孔岩石（White et al.，2005）。由于页岩的TOC 相对煤岩偏低（一般小于10%， 而煤岩有50%～60%），结构为层状，其吸附/解吸所产生膨胀/收缩大小比煤岩小很多（Liu et al.，2013；Kumar et al.，2004）。尽管如此，页岩因吸附/解吸而产生的强度的改变仍然很明显（Choi et al.，2012）。Gibbs（1878）和Griffith（1921） 获得了物体的强度与被吸附物的化学势之间的关系：当被吸附气体比原本气体更为活跃时（化学势更高），该物体的张应力将会变小，强度也会降低。Rebinder （192