超临界CO_(2)作用下页岩抗拉强度的变化规律

CO_(2)地质封存过程中,抗拉强度是评估CO_(2)注入后岩石破裂压力以及裂纹扩展的重要参数。通过巴西劈裂试验研究了不同时间(10、20、30 d)超临界CO_(2)(60℃、20 MPa)作用下干湿页岩的抗拉强度,劈裂模量和破坏特征的变化规律。研究表明:(1)超临界CO_(2)作用弱化了页岩的抗拉强度和劈裂模量,弱化程度随着作用时间的增加而增大,湿页岩抗拉强度和劈裂模量的弱化程度比干页岩大。(2)原始页岩试样劈裂破坏后仅产生路径单一的直线型裂纹,超临界CO_(2)处理后的页岩破坏后裂纹形态多样化,且产生了多条次裂缝。(3)通过核磁共振测试分析发现,超临界CO_(2)作用后,页岩孔隙度的变化与页岩抗拉特性的变化具有较好的一致性,随着超临界CO_(2)处理时间的增加,页岩孔隙度逐渐增大,劈裂过程中页岩破裂压力越低,页岩抗拉强度和劈裂模量弱化更明显。页岩孔径分布的变化对于页岩抗拉强度也具有显著影响,页岩抗拉强度和劈裂模量与微孔孔隙度的变化呈现正相关关系,与中孔和大孔的孔隙度呈现负相关关系,中孔和大孔的孔隙度增大在弱化页岩抗拉强度中起主导作用。CO_(2)长期封存过程中,抗拉强度的减小可能导致在流体压力作用下页岩盖层更容易产生破坏,增加CO_(2)泄露的风险。因此,需要考虑页岩抗拉强度变化建立破坏准则,对地层压力进行合理控制,以保证CO_(2)封存的安全性。

超临界CO_(2)强化页岩气开采及地质封存一体化研究进展与展望

为了解决我国页岩气开发过程中使用水基压裂液造成的耗水量大和储层伤害等问题,提出了超临界CO_(2)强化页岩气高效开发及地质封存一体化(CO_(2)-ESGR)的技术思路;从超临界CO_(2)压裂、CO_(2)与CH4竞争吸附及CO_(2)-水-页岩的相互作用着手,研究了超临界CO_(2)压裂裂缝扩展规律、CO_(2)驱替CH4热力学与动力学原理,以及CO_(2)提高页岩气采收率和CO_(2)地质封存的机理;然后,对CO_(2)-ESGR技术全生命周期碳排放进行了分析,进而对CO_(2)-ESGR技术做出了展望。研究结果表明:①超临界CO_(2)压裂在页岩气储层中起裂压力更低,能够形成更复杂的裂缝网络;②CO_(2)在页岩中的吸附能力和吸附有序性远高于CH4,可以有效置换出CH4,进而提高页岩气的采收率;③页岩储层具备规模化封存CO_(2)的巨大潜力,封存机理主要包括吸附和矿化反应封存,选择合适的储层,CO_(2)封存量可以抵消页岩气开发与利用全生命周期的CO_(2)排放量,从而实现页岩气开发与利用全过程CO_(2)零排放甚至负排放;④今后,需研发绿色环保的CO_(2)增稠剂或者CO_(2)物理增黏技术,以提高CO_(2)携砂能力,进一步揭示CO_(2)在页岩储层中的物理、化学封存机制,同时推进CO_(2)-ESGR技术在煤层气、地热等其他非常规能源高效开发及CO_(2)封存领域的应用。结论认为,CO_(2)-ESGR技术为我国非常规油气、地热资源绿色高效开发开辟了一条新途径,该技术能够助力我国2030年碳达峰和2060年碳中和战略目标的实现。

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。

多场耦合作用下页岩渗透特性实验研究

页岩气开采过程,其储层页岩渗透率受多重因素的影响。采用自主研发的多场耦合作用下不同相态CO2致裂驱替CH4实验装置,实验研究了有效应力、孔隙压力、温度以及吸附膨胀效应等因素对裂隙页岩体与型岩渗透特性的影响。结果表明:(1)页岩渗透率随有效应力增加呈负指数关系减小,且型岩对于有效应力变化具有更强的敏感性;(2)在相同应力状态下,由于吸附引起的差异性膨胀效应会降低页岩渗透率,不同气体作用下测得的页岩渗透率表现为He>N2>CO2。(3)两种页岩中渗透率随孔隙压力变化规律具有差异性。SC-CO2致裂页岩在低压条件下Klingkenberg效应不明显,渗透率随平均孔隙压力的增大而增大,型岩在低压阶段由于Klingkenberg效应对渗透率变化起主导作用,随着孔隙压力增加,其渗透率降低,在达到极小值后,随着孔隙压力的增加,Klingkenberg效应减弱,有效应力起主导作用,渗透率随孔隙压力增加而增加;(4)温度作用通过改变页岩的孔隙结构、力学性质等控制页岩渗透率的变化,随着温度增加,页岩渗透率降低。因此,在页岩气开采过程以及CO2强化页岩气开采过程需要考虑多因素耦合作用对页岩渗透率的影响。

不可采煤层CO2封存断层活化机制分析

基于断裂力学和莫尔-库伦准则,建立了不同初始应力状态下CO2注入煤层后储层、盖层岩石破裂准则以及断层活化失稳判据,对封存系统地层稳定性进行了分析,提出了确定CO2临界注入压力的解析方法,并对影响CO2封存安全性的参数(Shmin/Sv、储层盖层岩石弹模、泊松比、断层倾角等)进行了敏感性分析。结果表明:在进行地层稳定性预测时,应充分考虑煤层初始应力状态、吸附引起的差异性膨胀效应以及储层岩石力学性质的影响。煤岩泊松比越小,储层滑动倾向性越小;当Shmin/Sv(最小水平主应力与垂直应力之比)接近于1时,断层滑动的风险大为降低。研究成果可以为不可采煤层CO2封存工程储层压力控制以及安全评价提供科学依据。

页岩气吸附量校正及其吸附性影响因素

为探究页岩矿物组分、孔隙结构及其分形维数对页岩吸附特性的影响,开展龙马溪组、五峰组以及延长组页岩总有机碳(TOC)含量测试、X射线衍射(XRD)测试、低温N_(2)吸附测试,CH_(4)等温吸附实验,基于吸附相体积V_(a)恒定、吸附相密度ρ_(a)恒定2种方法对页岩气绝对吸附量进行了校正,并采用Langmuir模型对绝对吸附量进行了拟合,在此基础上获得了页岩矿物组分、孔隙结构以及Lang⁃muir模型参数之间的关系。结果表明:Langmuir模型能很好地拟合实验条件下CH_(4)在不同页岩上的吸附数据,且Langmuir模型对基于V_(a)恒定方法得到的页岩气绝对吸附量拟合结果精度更高。Langmuir体积V_(L)与页岩TOC、石英含量、比表面积、孔体积均呈正相关关系,与平均孔径呈负相关关系,与黏土矿物相关性较差;页岩孔隙结构分形维数D与其TOC含量、石英矿物含量、比表面积、孔体积呈正相关关系,与平均孔径呈负相关关系,与黏土矿物相关性较差;分形维数D与V_(L)呈正相关关系,与Langmuir压力P_(L)呈负相关关系,表明分形维数越大,页岩吸附能力越强。

Fractal-like adsorption kinetics of Pb^(2+) in rocks

The adsorption kinetics of Pb2+ in rocks has been studied using ion selective electrodes and atomic absorption spectrophotometer. The results showed that the adsorption process is a fractal-like reaction. The adsorption rate was relatively high before 30 minutes, and then dropped. The saturated adsorption capacity (a) of Pb2+ and kinetic parameters (b, α , D and k) increased with increasing initial concentrations of Pb2+. These parameters (except a) decreased while Na+ was present in the solution. Furthermore, the smaller the rocks were in grain size, the bigger these kinetic parameters would be, though the parameter a was almost constant.

Effects of temperature and pressure differences on water seepage in breccia

Effects of temperature and pressure differences on water seepage in breccia were investigated by using the physicochemical seepage instrument.The results show that the relationship of flow and pressure differences can be expressed by a linear equation,and the seepage coefficient is linearly correlated with temperature.The relation-ship between seepage flow and temperature could be described with the linear equation.The constant and tempera-ture seepage coefficient showed a linear relation with pressure.Binary quantitative equation for the seepage flow,temperature and pressure was obtained,and explained with experimental data and theoretical analysis.