页岩储层超临界CO2增透规律实验

吴 迪，耿岩岩，肖晓春，苗 丰，翟文博

(辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

页岩气资源的高效开发，对中国能源安全具有重要的战略意义[1]。页岩气主要赋存于富含有机质泥页岩的储层中，其储层孔隙度和渗透率极低[2-4]，改造页岩气储层，增加其渗透率成为实现页岩气高效开发的重要手段。通过力学或化学方法增加页岩气在储层内部的流动通道，是增加页岩气储层透气性的有效方法。近年来，有学者提出超临界CO2强化页岩气高效开采技术，注入超临界CO2不但能增加页岩气储层渗透性[5-6]，还能实现CO2的地质封存，减缓温室效应[7-8]。Kizaki、Ishida等[9-10]通过对花岗岩对比压裂研究表明，相同条件下超临界CO2破裂压裂点比水力破裂压裂点更低，裂缝网络更加复杂，具有更好的压裂效果；汤积仁等[5]发现超临界CO2可渗入页岩内部，改变岩石内部孔隙结构，对页岩强度具有劣化作用；吉佳豪[11]分析了有效应力对页岩渗透率的影响，获取了CO2压裂页岩过程中的力学和渗流参数，为页岩气开发提供了重要的实验参数；刘国军等[12]对致裂页岩前后的渗透率进行比较，认为超临界CO2改造储层后，储层渗透率明显增大。

目前，国内外学者已对超临界CO2强化页岩气高效开发进行了大量研究[13-15]，但对超临界CO2与页岩相互作用后，页岩渗透性的影响规律研究报道较少。因此，该文开展了考虑孔隙压力、温度和超临界CO2增透压力影响的页岩增透实验研究，并采用非金属超声检测分析仪对超临界CO2作用前后的页岩样品进行了波速测定实验，分析了超临界CO2对页岩储层微观孔隙结构的影响。

1 实验装置及方法

1.1 样品制备

选取四川省长宁县双河镇燕子村龙马溪组露头页岩，进行样品制备。由于页岩渗透率极低，为减小实验误差，Trimmer等[16]认为圆饼状样品能降低测试时间，且不会对测试精度产生影响。因此，采用较短的圆柱样品进行研究，样品参数如表1所示。制备后对页岩样品进行打磨，确保两端水平度偏差小于0.01 mm。最后，将样品放入烘干箱中进行烘干(温度为105 ℃，时间为24 h)，烘干后冷却至室温，用聚乙稀薄膜包好备用。

表1 样品参数

1.2 实验装置

实验采用自制室内岩石三轴渗流模拟实验系统，包括注气系统、压力控制系统、控温系统、渗流实验系统和数据采集系统5个部分(图1)。

图1 试验装置

注气系统包括高压气瓶、空气压缩机、增压泵和压力釜，最大实验压力为25 MPa；压力控制系统包括压力泵、稳压罐，采用六通阀连接，最高实验压力为60 MPa；控温系统包括水浴箱、加热器，温度控制范围为-70～100 ℃；渗流实验系统的最大实验压力为25 MPa；数据采集系统采用TP 700多路数据记录仪，能够时刻记录实验中的压力变化。

1.3 实验方案

通过控制变量法，对页岩样品进行了相同围压和轴压下改变孔隙压力、温度、超临界CO2增透压力的超临界CO2注入页岩增透渗流实验。实验流程：增透前CH4渗流实验—波速测定—超临界CO2渗流增透实验—波速测定—增透后CH4渗流实验，具体实验方案如表2所示。

表2 实验方案

2 超临界CO2增透实验结果分析

通过测量增透前后页岩中CH4气体渗透率变化，进而标定超临界CO2对于页岩的增透效果。页岩中CH4气体的渗流可认为是单相牛顿流体通过连续多孔介质的运动，渗透率计算公式如下：

(1)

式中：K为CH4气体渗透率，mD；Q为页岩中气体的流量，m3/s；μ为气体黏度，Pa·s；A为页岩横截面积，m2；L为页岩长度，m；p1为进气端绝对压力，MPa；p2为页岩样品出气端绝对压力，MPa。

增透率计算公式为：

(2)

式中：ζ为增透率；K1为超临界CO2增透前页岩样品渗透率，mD；K2为超临界CO2增透后页岩样品渗透率，mD。

利用自主研制的超临界CO2增透实验系统进行室内模拟实验，利用式(1)计算得到超临界CO2增透前后页岩中CH4渗透率随孔隙压力的变化关系，对数据进行拟合，结果如图2所示。

由图2可知：恒定温度、围压和轴压条件下，CH4渗透率随孔隙压力的增加逐渐降低，曲线呈负指数变化；超临界CO2增透后的CH4渗透率要明显高于增透前渗透率，以3号样品为例，CH4渗透率可提高49.74%～103.98%，该结果表明超临界CO2增透效果显著，且增透效果随孔隙压力的增大而减小。

图2 气体渗透率随孔隙压力变化规律

2.1 超临界CO2增透压力对增透率的影响

恒温下超临界CO2的密度、黏度等均会随着压力的改变发生较大程度的变化，而密度、黏度等因素的改变会影响超临界CO2改造页岩储层的增透效果。为探究其影响规律，对3、4号样品进行45 ℃恒温下不同压力超临界CO2增透实验，结果见图3。

图3 不同增透压力下超临界CO2增透率随孔隙压力变化规律

由图3可知，超临界CO2对页岩储层的增透效果显著，增透率均大于0.40，恒温下随孔隙压力的增大曲线整体呈下降趋势。在低压阶段，注入压力为9.0 MPa时超临界CO2增透效果好于8.0 MPa，孔隙压力为6.0 MPa时增透率差值最大，为0.33。主要原因可能为：一是由超临界CO2的本身性质所导致的，增透压力的增加会使超临界CO2的密度增加，使得超临界CO2的溶解度提高[17]，在增透过程中超临界CO2更易进入微小的孔裂隙中，溶解页岩内部的有机矿物，从而增加微孔裂隙的扩展，增加页岩的渗透率；二是页岩本身具有明显的层理面和天然裂缝，实验样品的层理平行页岩两端面，增透过程中，在超临界CO2作用下层理裂缝会发生扩展，一定压力范围内随着CO2压力的增大，页岩微裂隙扩展更加显著，增加页岩渗透率。

图4为不同样品在实验温度为45 ℃时CO2注入压力随时间变化曲线，曲线变化趋势基本一致。随着CO2流体的注入，注入腔体压力在极短时间内到达5.0 MPa左右，此时CO2为气态，可瞬间充满整个腔体。注入腔体压力缓慢增加，CO2流体在腔体增压进入孔壁周围的微孔裂隙内，当腔体内压力达到7.4 MPa时CO2发生相态变化，由气态转变为超临界状态，流体可压缩性变小，瞬时增压速率增大，CO2流体压力达到曲线峰值，页岩出现裂化现象，腔体内压力快速下降，页岩样品裂化压力分别为10.78、25.51、32.56 MPa。有原生裂隙或大孔隙的样品比无原生裂隙的样品在超临界CO2流体作用下更容易发生裂化。

图4 注入压力随时间的变化曲线

2.2 温度对增透率的影响

以恒定压力注入超临界CO2，页岩储层超临界CO2增透效果随温度变化规律如图5所示。

图5 不同孔隙压力下超临界CO2增透率随温度变化规律

由图5可知，孔隙压力一定时，随着温度的升高，超临界CO2增透率逐渐降低，35 ℃下平均增透率是55 ℃的2.26倍。主要有以下2方面原因：一是在低压区超临界CO2密度对温度敏感性较大，随着温度的增加密度逐渐减小，降低了超临界CO2对有机物的溶解度[17]，导致增透率减小；二是页岩中富含黏土矿物和有机质，矿物之间相互约束，受温度升高影响会在内部产生热应力[18-21]。

热应力与温度的关系为：

σT=λΔT

(3)

λ=αTE/(1-2γ)

(4)

式中：σT为热应力，MPa；λ为热应力系数；αT为体膨胀系数；E为平均弹性模量，GPa；γ为泊松比；ΔT为温度变化，℃。

当体积应力和孔隙压力一定，且考虑热应力时，页岩的有效应力为体积应力与孔隙压力、热应力差：

σi=σ1-σp-σT

(5)

式中：σi为有效应力，MPa；σ1为体积应力，MPa；σp为孔隙压力，MPa。

在35～55 ℃温度范围内，热应力随温度的升高而增大，有效应力随温度升高而减小，抑制了超临界CO2增透页岩样品效果。

3 波速变化及对增透率的影响

为了反映超临界CO2增透前后页岩内部孔裂隙变化情况，引入声波传播速度衰减率。

(6)

式中：η为波速衰减率，%；νn为超临界CO2增透后声波在页岩样品中的传播速度，km/s；ν0为超临界CO2增透前声波在页岩样品中的传播速度，km/s。

实验利用非金属超声检测分析仪对不同温度条件下超临界CO2增透前后的页岩样品进行了波速测定，结果如图6所示。由图6可知，增透后波速明显小于增透前的波速。这是因为声波在不同介质中的传播速度不同，在固体中传播速度最大，在气体中传播速度最小，声波通过页岩速度变慢，表明声波传播路径上的页岩内部有新孔隙、裂隙扩展或生成，证明超临界CO2可以改变页岩储层内部结构，从而增加页岩渗透率，达到增透效果。

图6 页岩样品增透前后波速

通过式(6)计算得到不同温度下超临界CO2增透后页岩样品波速衰减率，如图7所示。由图7可知，随温度的增加，超临界CO2增透后页岩样品的波速衰减率呈下降趋势，与图5中孔隙压力影响下超临界CO2增透率随温度变化规律一致。

图7 超临界CO2增透前后波速衰减率随温度变化规律

页岩孔隙度与波速衰减率[22]的关系为：

(7)

式中：νt为声波在流体中的传播速度，km/s；νma为声波在页岩骨架中的传播速度，km/s；φ为孔隙度。

孔隙度的改变影响页岩的渗透率，在同一样品中，νt、νma和ν0为定值，在所测波速哀减率有效取值范围内，页岩孔隙度与波速衰减率随着温度的增加而下降，温度由35 ℃升高至55 ℃，波速衰减率降低0.15个百分点，孔隙度降低0.90个百分点。在相同孔隙压力作用下，孔隙度与增透率变化趋势一致。图8为超临界CO2增透页岩样品在2 MPa孔隙压力下增透率与波速衰减率的变化关系。

图8 2 MPa孔隙压力下气体增透率与波速衰减率关系

由图8可知，在2 MPa孔隙压力下超临界CO2增透率与波速衰减率呈正相关性，说明超临界CO2增透页岩样品后对原有微裂隙、孔隙进行了扩展，增加了页岩气储层的孔隙度，起到了良好的增透效果。根据超临界CO2增透率与波速衰减率的关系，在测定超临界CO2作用前后页岩样品波速的基础上，可通过波速衰减率预估超临界CO2增透率。

4 结 论

(1) 向页岩样品中注入超临界CO2，充分作用后，CH4渗透率明显上升，以3号样品为例，CH4渗透率最大提高103.98%，表明超临界CO2的注入对于页岩有明显的增透效果；页岩储层CH4渗透率随孔隙压力增加呈负指数变化，增透效果随渗流气体孔隙压力的增大而减小。

(2) 随着超临界CO2注入压力的持续增加，波速衰减率增大，页岩储层原有的微裂隙、孔隙不断扩展，促进了内部微孔裂隙发育。随着超临界CO2注入压力逐渐增加至10.0 MPa以上，页岩样品出现裂化现象，页岩的裂化与自身内部原生裂隙或大孔隙有关。

(3) 实验温度为35～55 ℃，页岩增透后内部孔隙度、波速衰减率均随温度的升高而降低，孔隙度降低、波速衰减率分别降低0.90、0.15个百分点，表明相同注入压力条件下超临界CO2对于页岩的增透效果随着温度的增加而降低，波速衰减率与温度呈线性递减关系。