超临界二氧化碳压裂作用下页岩的力学特征与孔隙度变化规律研究

李曜轩 张艳 王兴义

摘      要：基于减少开采页岩气对地层损害的目的，研究超临界二氧化碳压裂作用下页岩的宏观力学特性和孔隙度十分必要。通过室内物理模拟超临界二氧化碳压裂页岩过程，分析了超临界二氧化碳注入页岩后岩石力学特征与孔隙度的变化规律。研究结果表明：当页岩所受围压一定的条件下，随着超临界二氧化碳注入压力的增加，页岩的抗压强度、弹性模量随之减小，泊松比增加，页岩的力学参数抗压强度、弹性模量、泊松比分别与实验过程中注入超临界二氧化碳压力大小成二次多项式关系。超临界二氧化碳注入页岩岩芯后，样品的质量减小，孔隙度显著提高且最高增幅将近四倍，经分析发现页岩的弹性模量、抗压强度和泊松比与岩石孔隙度呈二次多项式关系，这表明超临界二氧化碳可以很好地改善页岩的物性特征。

关  键  词：超临界二氧化碳;压裂液;页岩;力学参数;孔隙度

中图分类号：TE357.7       文献标识码： A       文章编号： 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

隨着我国页岩气开发的突破，页岩气技术的相关研究逐渐兴起，但传统开采油气技术存在着环境污染和生态破坏等问题[1]，而采用超临界二氧化碳作为压裂液则可以完全避免地层污染。El Hajj等[2]发现超临界二氧化碳注入开采后的碳酸盐岩储层可以通过其与碳酸盐等的相互作用将储层压力升至露点压力以上，并且可以通过二氧化碳与碳酸盐的溶蚀作用和沉淀作用实现固碳的目标，从而加快油气的再生。

实践开采中利用超临界二氧化碳流体作为压裂液进行储层压裂改造有利于提高产量[3]，但其注入地层期间会对地层以及开采装置造成一定影响。Pratanu Roy等[4]研究了超临界二氧化碳注入井筒内产生的热应力发现在50～80 ℃范围内热应力不会对井筒完整性产生影响。李晓江，李根生等[5]发现随着在页岩中注入超临界二氧化碳流体温度的升高，积聚压力呈线性增加，且页岩的低渗透率可以实现更大的堆积压力。

当超临界二氧化碳注入页岩时，页岩的力学参数和孔隙度会发生改变。赵仁保等[6]发现超临界二氧化碳的溶蚀作用会导致岩石原生孔隙扩大并产生次生孔隙，使得岩石抗压强度下降，孔隙度增加。朱子涵等[7]发现岩石中矿物的溶蚀作用和沉淀作用是储层在压裂液作用下岩石特性改变的直接原因。沈国军等[8]采用巴西圆盘法来测定页岩的抗拉强度、弹性模量和泊松比等力学性质。李庆辉，陈勉等[9]通过三轴压缩页岩实验，获得了不同应力条件下含气页岩的力学特征变化。赵阳等[10]测定了砂岩和深部煤岩等弹性模量和孔隙度的关系，得到其弹性模量与孔隙度呈幂律型和指数型关系。前人开展的实验大多将岩石的力学特性与孔隙度分开研究，而对于超临界二氧化碳压裂作用下页岩力学特征与孔隙度之间联系的研究少有报道，故本文主要探究二者在超临界二氧化碳压裂作用下之间的规律。

2  超临界二氧化碳注入压力条件下页岩力学特征的研究

2.1  实验样品与实验装置

根据国际岩石力学试样标准，现场岩心上套取一个25 mm的圆柱形样品，然后将样品的两端车平、磨光，使岩样的长径比为2.0～2.5。为避免实验过程中产生应力集中的现象，需要做到样品两端平面的不平整度误差不能大于0.05 mm（图1）。

本实验模拟装置为TAW-2000深水伺服岩石三轴试验系统[11]，模拟地层实际情况保持页岩试样所受围压不变，然后对页岩试样进行超临界二氧化碳孔隙压力持续加载，且实验过程中页岩试样所受的孔隙压力要小于施加于试样的围压值（图2）。

实验能监控采集整个实验过程的数据，包括轴向应力、孔隙压力、围压、轴向应变、径向应变及实验所需时间等等，通过获得的实验数据进行计算即可得到页岩在注入孔隙压力下的抗压强度、弹性模量及泊松比等岩石力学参数。

2.2  实验原理与计算

2.3  实验结果及分析

通过上述实验装置及试验方法可以计算出以下数据（如表1所示）。

实验测得的页岩抗压强度在76.65～219.58 MPa之间，平均值为169.68 MPa;泊松比为0.311～0.377之间，平均值为0.333;弹性模量数值在21.14～36.191 GPa之间，平均值为29.3 GPa。

根据表1数据，本次实验共测试4块页岩试样，压裂液注入压力从0增加到15 MPa，在页岩试样所受围压一定的条件下，随着压裂液注入压力的增加，页岩的抗压强度、弹性模量随之减小，泊松比反而增加（如图3-5所示）。

通过数据分析拟合得到的抗压强度、弹性模量、泊松比与超临界二氧化碳注入压力之间成二次多项式关系，且该关系式的相关性都在0.9以上。

随着地层中孔隙压力的加大，页岩地层中的岩石受力状态将发生改变，其力学特征也随之发生改变。在相同围压条件下，压裂液注入压力越高，岩石抗压强度越低，弹性模量随着抗压强度的降低而降低，泊松比反而增加，是因为岩心所受孔隙压力的增大抵消了一部分岩石所受的围压，且在超临界二氧化碳进入页岩地层后，使得地层孔隙压力增大，而上覆岩层压力为定值，对应岩石基质应力降低，岩石在横向变形比轴向变形增加的要多，所以泊松比随着压裂液注入压力的增加而增大。

3  超临界二氧化碳压裂作用下页岩孔隙度变化研究

3.1  实验装置及原理

本实验按照石油天然气国家标准SY/T5336- 2006测定页岩孔隙度[12]，采用玻意耳定律进行页岩孔隙度测定，试验采用装置如图6所示。

本实验通过超临界二氧化碳气测的岩石样品获得试验样品的孔隙度，气测孔隙度是通过测定岩样的外表体积和骨架体积两个参数来计算岩样的孔隙度。

3.2  孔隙度测试结果分析

根据上述实验原理计算得出页岩岩芯在压裂液作用前后孔隙度的实验数据如表2所示。

分析表2中数据，实验所用页岩样品在压裂液作用前其孔隙度范围在1.20%～1.70%之间，压裂液作用后孔隙度范围在1.70%～6.65%之间。压裂液作用后页岩总质量呈减小的趋势（如图7所示），孔隙度有不同程度的增大（如图8所示）。

从图7中可以看出，压裂液作用于页岩样品后，页岩样品的质量都略有减小。说明超临界二氧化碳进入页岩样品后发生了溶蚀作用，发生复杂的化学反应并带走样品的部分礦物组分，从而导致样品质量的减小。

从图8中可以看出，超临界二氧化碳作用于页岩岩芯后页岩孔隙度略有增加，从增加的幅度来看X-4层位岩心孔隙度最高增幅达396.27%，孔隙度增加将近4倍，说明压裂液能够很好地改善页岩的物性特征。

随着超临界二氧化碳压裂液作用与页岩地层时间的增加，页岩中的黏土矿物有可能脱出了结合水，使得颗粒骨架变小，导致页岩发生了溶蚀现象并被压裂液带走部分矿物溶质，原生的空隙被溶蚀之后体积变大，在页岩表面微观结构上形成新的孔隙、裂隙，原生孔隙和次生孔隙连通[13]，微裂缝结构连通性增加等等，也有利于页岩地层孔隙和渗透特性的增强。

通过分析超临界二氧化碳作用于页岩力学特征与岩石物性孔隙度参数的实验数据，如表3所示，发现页岩力学参数与孔隙度成二次多项式关系，如式（7）所示。

4 结 论

本文通过超临界二氧化碳压裂页岩实验分析发现：页岩抗压强度、弹性模量随注入孔隙压力的增加而减小，泊松比反而下降;超临界二氧化碳压裂后，页岩孔隙度显著增加;压裂后页岩的孔隙度分别与弹性模量、抗压强度、泊松比呈二次多项式关系，且其相关性分别为0.904 9、0.872 1和0.911。根据实验规律得到以下结论：

（1）超临界二氧化碳压裂液压裂页岩地层过程中，压裂液接触到的孔隙和裂隙等会被溶蚀，发生溶蚀作用的过程也是超临界二氧化碳进入地层中压力释放的过程，在这个过程中，页岩的力学参数发生改变，总体呈抗压强度及弹性模量下降，泊松比上升的趋势。

（2）超临界二氧化碳的溶蚀作用带走页岩的部分矿物组分，使得页岩地层的微观孔隙变大并形成新的孔隙，使得孔隙度升高且连通性增强，很好地改善了页岩地层的物性特征。

（3）实验样品质量的减小和微观孔隙度的增加使得页岩的宏观力学特征发生改变：由于超临界二氧化碳的注入，使得页岩的微观结构更加疏松，从而导致其抗压强度和弹性模量的下降。

参考文献：

[1] 金军，王冉.超临界 CO2 注入与页岩气储层相互作用的研究进展[J]. 断块油气田.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.超临界二氧化碳对致密砂岩力学特性影响的实验研究[J].中国海上油气，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] 赵仁保，等.二氧化碳埋存对地层岩石影响的室内研究[J].中国科学：技术科学，2010，53（4）：378-384.

[7] 朱子涵，等.储层中CO2—水—岩石相互作用研究进展[J].矿物岩石地球化学通报，2011，30（1）：104-112.

[8] 沈国军，等.汪清油页岩物理力学性质及裂缝起裂压力的研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（9）：1-4.

[9] 李庆辉，陈勉，等. 含气页岩破坏模式及力学特性的试验研究[J].   岩石力学与工程学报， 2012，31（S2）： 3763-3771.

[10]赵阳等.深部煤层顶板砂岩弹性模量与孔隙度关系模型研究[J]. 矿业科学学报，2019，4（3）：204-212.

[11]刘翌晨.深埋隧洞围岩性质及岩爆机理研究[D]. 河北工程大学 2017.

[12]陈旭.卸荷变形条件下岩石渗流-应力耦合特性三轴试验研究[D].华侨大学2015.

[13]李卓文，等.页岩油气储集空间差异及赋存方式比较研究[J].重庆科技学院学报（ 自然科学版），2015，17（5）：1-4.