超臨界二氧化碳浸泡對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)

倪紅堅(jiān), 郭 興, 丁 璐, 白 冰, 孫 曉, 楊全枝

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580; 2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075)

世界頁(yè)巖氣資源總量約為456×1012m3,中國(guó)頁(yè)巖氣資源極其豐富,資源量約為常規(guī)天然氣量的兩倍,對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行高效勘探開(kāi)發(fā)對(duì)于保障能源安全具有十分重要的意義[1-4]。頁(yè)巖氣藏低孔低滲,黏土和泥質(zhì)含量高,易發(fā)生水化膨脹而堵塞孔隙喉道,其特殊性決定了現(xiàn)階段高效開(kāi)發(fā)十分困難[5]。二氧化碳由于其無(wú)毒、不爆炸、廉價(jià)和溶解有機(jī)物等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛[6]。以頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)能源發(fā)展以及二氧化碳埋存作為減緩溫室氣體增加已經(jīng)引起能源企業(yè)、環(huán)境和公共組織以及相關(guān)學(xué)者和工程師的重視和研究[7]。超臨界二氧化碳具有高密度低黏度,對(duì)儲(chǔ)層無(wú)傷害、高效射流破巖、降低原油黏度和置換頁(yè)巖氣等優(yōu)點(diǎn),因而在開(kāi)采非常規(guī)頁(yè)巖油氣藏方面應(yīng)用前景十分廣闊[8-11]。研究表明,超臨界二氧化碳射流破巖效率顯著高于水射流,能獲得更高的鉆井速度[12-13]。二氧化碳井筒流動(dòng)及控制、高效破巖和井壁穩(wěn)定等基礎(chǔ)問(wèn)題的研究是超臨界二氧化碳勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和難點(diǎn)[14-16]。超臨界二氧化碳接觸下頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)是用其進(jìn)行鉆完井、壓裂等設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。筆者對(duì)不同壓力和溫度浸泡下頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)制闡釋,以期促進(jìn)相關(guān)開(kāi)采工藝與技術(shù)發(fā)展。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

二氧化碳浸泡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,主要包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄與控制系統(tǒng)、超臨界二氧化碳噴射致裂地層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、巖心浸泡測(cè)試裝置、TST3822E靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試儀、二氧化碳加熱裝置、增壓系統(tǒng)(全無(wú)油靜音空壓機(jī)、液體增壓泵)、二氧化碳?xì)馄俊⒍趸蓟厥昭b置、高壓管線(xiàn)等,另外巖心制取還需要的設(shè)備為巖石取芯機(jī)(Z1Z-200工程鉆機(jī))、雙端面磨平機(jī)。

圖1 二氧化碳浸泡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2soaking test system

巖心浸泡測(cè)試裝置是實(shí)驗(yàn)的最主要儀器,實(shí)驗(yàn)裝置適用于2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)巖心,最高可測(cè)巖石抗壓強(qiáng)度400 MPa。巖心夾持器耐壓80 MPa,耐溫300 ℃。內(nèi)部與溫度傳感器以及壓力傳感器相連,在超臨界二氧化碳噴射致裂地層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面板上顯示和控制溫度、壓力以及載荷。載荷傳感器可測(cè)巖心軸向受壓載荷,最高可測(cè)載荷20 t?？梢酝瓿蓭r心在超臨界二氧化碳條件下的浸泡實(shí)驗(yàn)以及巖石破碎實(shí)驗(yàn),測(cè)試裝置如圖2所示。

由于實(shí)驗(yàn)量較大且地下巖心取芯困難,因此本次實(shí)驗(yàn)所用兩批頁(yè)巖均取自四川宜賓長(zhǎng)寧地區(qū)。由于所取頁(yè)巖位置和深度有所差異,其物理化學(xué)性質(zhì)有較大差異。為了能夠從微觀(guān)角度為超臨界二氧化碳對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響的機(jī)制解釋提供一定的依據(jù),對(duì)頁(yè)巖樣品礦物成分進(jìn)行分析。頁(yè)巖呈灰黑色,具有比較明顯的平行層理。首先將頁(yè)巖樣品進(jìn)行研磨,呈粉末狀,制成測(cè)試樣品如圖3所示,然后對(duì)樣品用X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行礦物成分分析。

圖2 巖心浸泡測(cè)試裝置Fig.2 Core immersion test device

圖3 頁(yè)巖粉末和測(cè)試樣品Fig.3 Shale powder and test sample

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

制取巖心的標(biāo)準(zhǔn)性對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)有很大的影響,因此需要大量取芯,進(jìn)行精細(xì)的巖心加工,巖心端面的平行度決定了巖石力學(xué)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,選取符合標(biāo)準(zhǔn)的巖心作為實(shí)驗(yàn)樣品,本次實(shí)驗(yàn)取芯角度均為巖心軸向垂直頁(yè)巖層理方向。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的推薦,設(shè)計(jì)巖心直徑為25 mm,高徑比為2∶1,如圖4所示。

圖4 巖心設(shè)計(jì)Fig.4 Sample design

實(shí)驗(yàn)在測(cè)量巖心軸向和徑向應(yīng)變時(shí)采用電阻傳感器,所用的電阻應(yīng)變片為橫縱應(yīng)變一體片,阻值為120 Ω。一般使用502膠水進(jìn)行應(yīng)變片粘貼,涂膠量要嚴(yán)格控制,防止出現(xiàn)過(guò)多導(dǎo)致粘結(jié)力降低,而過(guò)少又導(dǎo)致巖心與應(yīng)變片之間粘結(jié)不牢脫落或者應(yīng)變變化傳遞誤差大等[17]。在貼完應(yīng)變片之后涂上一層硅膠,目的是減少外界因素對(duì)敏感應(yīng)變片的影響以及防止出現(xiàn)短路的現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)巖心成品如圖5所示。

圖5 巖心成品Fig.5 Core finished product

巖心浸泡實(shí)驗(yàn)基本流程:①通過(guò)軟件或面板調(diào)節(jié)浸泡容器溫度;②巖心應(yīng)變片引出線(xiàn)和應(yīng)變儀的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行連接和線(xiàn)路檢測(cè);③將制取并加工完成的巖心成品放入巖心夾持器并進(jìn)行應(yīng)變調(diào)零;④浸泡容器內(nèi)通入一定溫壓條件下的超臨界二氧化碳;⑤進(jìn)行預(yù)定時(shí)間的浸泡并對(duì)浸泡過(guò)程中的應(yīng)變進(jìn)行采集;⑥浸泡結(jié)束后,應(yīng)變清零,進(jìn)行頁(yè)巖的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),并同時(shí)采集頁(yè)巖的應(yīng)變和載荷數(shù)據(jù);⑦將巖心夾持器里面的二氧化碳排放至回收裝置,取出所壓碎的巖心,清理實(shí)驗(yàn)儀器,對(duì)實(shí)驗(yàn)后的巖心進(jìn)行記錄和存儲(chǔ);⑧將不同實(shí)驗(yàn)條件下浸泡后并做單軸壓縮實(shí)驗(yàn)后的巖心碎屑進(jìn)行分類(lèi)整理。

考慮到壓力和溫度對(duì)膠黏劑和巖心本身的影響,設(shè)置了應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn),采用控制變量法,應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)為將頁(yè)巖巖心浸泡在一定溫度和壓力條件下的超臨界二氧化碳中,但與浸泡實(shí)驗(yàn)不同的是連續(xù)進(jìn)行不同條件下的浸泡實(shí)驗(yàn),每隔1 h改變溫度(或者壓力)條件,多次讀取應(yīng)變數(shù)據(jù)取平均值得到不同溫度的應(yīng)變對(duì)比數(shù)據(jù),探尋不同浸泡溫度和壓力對(duì)頁(yè)巖巖心應(yīng)變變化的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1)超臨界二氧化碳浸泡巖心過(guò)程中應(yīng)變變化實(shí)驗(yàn)。在一定溫度和壓力條件下,對(duì)巖心在二氧化碳浸泡過(guò)程中隨時(shí)間變化的橫縱應(yīng)變變化進(jìn)行測(cè)試。

(2)超臨界二氧化碳浸泡應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別設(shè)置不同壓力和溫度條件下的應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)量在連續(xù)改變實(shí)驗(yàn)條件下的巖心橫縱應(yīng)變變化,每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)浸泡一定時(shí)間,直至應(yīng)變基本達(dá)到穩(wěn)定,記錄數(shù)據(jù)之后改變條件繼續(xù)浸泡,每隔一定時(shí)間進(jìn)行記錄并改變條件,連續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄,采用多次測(cè)量(3～5次)取平均值的方法。

(3)超臨界二氧化碳浸泡對(duì)頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)。在不同CO2壓力和溫度條件下對(duì)頁(yè)巖巖心進(jìn)行浸泡,然后在浸泡環(huán)境中進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和載荷等數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,剔除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn),每組實(shí)驗(yàn)取3組數(shù)據(jù)結(jié)果,采用求平均值的方法得到浸泡之后頁(yè)巖巖心彈性模量和泊松比參數(shù)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)的推薦,進(jìn)行彈性模量和泊松比的計(jì)算。

彈性模量體現(xiàn)了材料的剛性,值越大代表材料越能抵抗外界拉壓造成的形變。彈性模量定義為彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率,表達(dá)式為

(1)

式中,λ為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)斜率,即彈性模量;σstress為正向應(yīng)力值;εstrain為正向應(yīng)變值。

泊松比等于橫向膨脹量除以軸向壓縮量。對(duì)于各向同性彈性材料,泊松比的取值一般為-1～0.5。對(duì)于大多數(shù)的材料,比如巖石,取值在0～0.5范圍內(nèi)。假設(shè)材料沿軸向拉伸或者壓縮(圖4中的X軸),則

(2)

式中,υ為泊松比;εtrans為橫向應(yīng)變(軸向壓縮為正,軸向拉伸為負(fù));εaxial為軸向應(yīng)變(軸向拉伸為正,軸向壓縮為負(fù))。

2.2 巖心浸泡過(guò)程應(yīng)變變化

二氧化碳浸泡條件為溫度60 ℃和壓力8 MPa。將頁(yè)巖巖心成品放入巖心夾持器,注入超臨界二氧化碳并使其達(dá)到浸泡條件,巖心在二氧化碳環(huán)境中浸泡時(shí)間為120 min,浸泡開(kāi)始后連續(xù)記錄浸泡期間巖心的應(yīng)變變化。每隔5 min取一組應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn),采用多次讀數(shù)取平均值的方法,得到如圖6所示的應(yīng)變變化。

由圖6可以發(fā)現(xiàn),浸泡開(kāi)始階段應(yīng)變急劇增大,到達(dá)最高點(diǎn)后開(kāi)始緩慢減小,約1 h之后達(dá)到相對(duì)平衡,基本不再變化。由于超臨界二氧化碳密度大但黏度低,表面張力幾乎為0,很容易進(jìn)入頁(yè)巖納米級(jí)的微孔隙中,由于CO2吸附引起的微孔隙內(nèi)額外壓力也稱(chēng)為溶劑化力[18],導(dǎo)致頁(yè)巖發(fā)生膨脹。巖心具有平行于兩端面的層理和天然微裂縫,在二氧化碳?xì)怏w壓力作用下層理裂縫會(huì)發(fā)生一定的擴(kuò)展,因此在巖心縱向上的應(yīng)變會(huì)明顯大于橫向上的應(yīng)變。?zgen等[19-20]認(rèn)為煤中的黏土組分對(duì)CO2吸附速率比有機(jī)組分更快,CO2會(huì)使有機(jī)組分發(fā)生膨脹,而使黏土組分發(fā)生收縮[21-22]。從圖6中還可看出,橫、縱應(yīng)變?cè)谶_(dá)到最大值后降幅較大,說(shuō)明黏土組分收縮的影響很大,這是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程。

圖6 浸泡過(guò)程中的應(yīng)變變化Fig.6 Strain changes in soaking procedure

2.3 浸泡壓力對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響

首先將本批灰黑色的層理性頁(yè)巖樣品進(jìn)行研磨,呈粉末狀,制成測(cè)試樣品,對(duì)樣品用X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行礦物成分分析,得到其主要礦物成分,其中石英占50%,方解石占19%,白云石占18%,黏土礦物含量占10%,斜長(zhǎng)石和黃鐵礦含量較少,分別為2%和1%。本批巖心黏土礦物含量為10%,含量較高。

2.3.1 應(yīng)變對(duì)比結(jié)果

首先以不銹鋼(2Cr13)標(biāo)準(zhǔn)巖心,在35 ℃浸泡溫度下,測(cè)量不同壓力下的橫、縱應(yīng)變,每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)浸泡60 min,之后增大壓力繼續(xù)浸泡,每隔60 min進(jìn)行記錄并增大壓力,連續(xù)實(shí)驗(yàn)并記錄,得到不銹鋼巖心的橫、縱應(yīng)變數(shù)據(jù),即膠黏劑隨壓力變化的應(yīng)變變化,如圖7所示。

再用頁(yè)巖巖心在相同浸泡溫度下,測(cè)其在不同浸泡壓力下的應(yīng)變變化,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理,頁(yè)巖巖心隨浸泡壓力變化的應(yīng)變變化減去膠黏劑隨浸泡壓力變化的應(yīng)變變化,即消除膠黏劑的影響得到巖心的真實(shí)應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

由圖8可以看出,開(kāi)始較小壓力浸泡下,巖心橫縱向都處于膨脹狀態(tài)。主要由于CO2進(jìn)入納米級(jí)的微孔隙中引起的溶劑化力[23]導(dǎo)致巖心膨脹,縱應(yīng)變較大,主要由于巖心存在平行于端面的層理和天然裂縫,在氣體壓力下引起的擴(kuò)展作用導(dǎo)致。隨著壓力增大和浸泡進(jìn)行,橫縱應(yīng)變均減小,尤其在臨界壓力(7.38 MPa)附近,急劇減小,這與CO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài),流體性質(zhì)發(fā)生突變有關(guān),此時(shí)收縮反應(yīng)占據(jù)主要影響?？v向降幅更大,說(shuō)明天然裂縫和層理與CO2接觸面積更大,收縮反應(yīng)更為劇烈。隨著壓力和時(shí)間增加,尤其進(jìn)入超臨界狀態(tài)之后,CO2可以在較低的壓力下達(dá)到飽和,因此增大壓力并不能起到明顯的促進(jìn)作用。

圖7 35 ℃條件下不銹鋼巖心應(yīng)變變化Fig.7 Strains of stainless steel core at 35 ℃

圖8 35 ℃條件下頁(yè)巖巖心應(yīng)變變化Fig.8 Strains of shale core at 35 ℃

2.3.2 力學(xué)參數(shù)結(jié)果

以60 ℃、浸泡120 min的實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)(即大氣壓下)和不同壓力下的浸泡實(shí)驗(yàn),浸泡之后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別求彈性模量和泊松比,結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出,二氧化碳浸泡使頁(yè)巖彈性模量和泊松比均增大,彈性模量和泊松比平均增幅分別為43.4%和36.6%。在超臨界二氧化碳臨界點(diǎn)(臨界壓力7.38 MPa,臨界溫度31.26 ℃)附近都發(fā)生明顯的波動(dòng),這與二氧化碳在臨界壓力前后其性質(zhì)變化有關(guān),臨界壓力之后,整體變化趨勢(shì)平穩(wěn)。

浸泡壓力對(duì)天然裂縫和微孔隙造成的擴(kuò)展作用、黏土組分的收縮反應(yīng)和二氧化碳吸附造成的溶劑化力等綜合作用對(duì)頁(yè)巖結(jié)構(gòu)影響復(fù)雜;Radlinski等[22]認(rèn)為煤在CO2浸泡下的彈性模量變化與黏土基質(zhì)收縮有關(guān)。黏土組分相比于其他組分更軟[23],能夠更好地對(duì)壓力進(jìn)行緩沖,收縮后使同樣壓力載荷下產(chǎn)生的應(yīng)變變小,即彈性模量增大;平行于端面的天然裂縫和層理性使巖心縱向上與CO2有更大接觸面積,其收縮反應(yīng)造成的收縮遠(yuǎn)大于橫向,因此同等載荷作用下,巖石達(dá)到破碎時(shí)縱向壓縮量會(huì)相對(duì)更小,導(dǎo)致泊松比增大;但隨著壓力不斷增大,力學(xué)性質(zhì)變化平緩,主要由于二氧化碳達(dá)到超臨界后由于其特殊性質(zhì)在較低的壓力下在巖心內(nèi)部達(dá)到飽和,即使壓力增大,其對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響變化平緩。

圖9 不同浸泡壓力下的巖心力學(xué)性質(zhì)變化Fig.9 Variation of mechanical property of shale with soaking pressure

在一定溫度條件下,并不是壓力越高二氧化碳對(duì)井周頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響越大,當(dāng)?shù)竭_(dá)超臨界狀態(tài)之后二氧化碳?jí)毫Φ挠绊戁呌诜€(wěn)定。

2.4 浸泡溫度對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響

本批灰黑色的層理性頁(yè)巖,其主要礦物成分石英占59%,比之前的巖心石英含量增加了9%;方解石占16%,比之前的巖心方解石含量減少了3%;白云石占15%,比之前的巖心白云石含量減少了3%;黏土礦物含量占8%,比之前的巖心黏土含量減少了2%;斜長(zhǎng)石和黃鐵礦含量較少,都為1%,其中斜長(zhǎng)石相比之前巖心減少了1%。不難看出,本批巖心黏土礦物整體含量依舊較高。

2.4.1 應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)

首先以不銹鋼(2Cr13)標(biāo)準(zhǔn)巖心,在大氣壓條件下,測(cè)量得到不同溫度下不銹鋼巖心的原始應(yīng)變數(shù)據(jù),采用多次讀數(shù)取平均值的方法,再減去不銹鋼在不同溫度下的理論膨脹應(yīng)變,得到溫度對(duì)膠黏劑的影響如圖10所示。

同樣實(shí)驗(yàn)條件下,用頁(yè)巖巖心代替不銹鋼巖心,測(cè)得不同溫度下的頁(yè)巖巖心應(yīng)變,減去膠黏劑隨溫度變化的應(yīng)變,即消去溫度對(duì)膠黏劑影響,得到頁(yè)巖本身在不同溫度下的應(yīng)變變化,結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?溫度增加,巖心膨脹,與常規(guī)認(rèn)識(shí)一致,說(shuō)明了應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法的正確性。

圖10 膠黏劑應(yīng)變隨溫度變化Fig.10 Variation of adhesive strain with temperature

圖11 頁(yè)巖巖心應(yīng)變隨溫度變化Fig.11 Variation of shale core strain with temperature

在一定二氧化碳浸泡壓力(30 MPa)下,測(cè)量不同浸泡溫度下頁(yè)巖巖心應(yīng)變,每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)浸泡60 min,之后增大溫度繼續(xù)浸泡,每隔60 min進(jìn)行記錄并增大溫度,連續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄,減去膠黏劑隨溫度變化的應(yīng)變和頁(yè)巖本身隨溫度變化的應(yīng)變,即消去溫度對(duì)膠黏劑和頁(yè)巖本身影響,得到二氧化碳浸泡溫度對(duì)頁(yè)巖巖心應(yīng)變的影響,結(jié)果如圖12所示。

圖12 30 MPa條件下頁(yè)巖巖心應(yīng)變隨浸泡溫度變化Fig.12 Variation of shale core strain with soaking temperature at 30 MPa

從圖12可以看出,在較低二氧化碳浸泡溫度下,頁(yè)巖巖心膨脹,主要由于巖心微孔隙中二氧化碳吸附引起的溶劑化力以及天然裂縫中二氧化碳吸附引起的擴(kuò)展作用導(dǎo)致;隨著浸泡時(shí)間和溫度增加,巖心發(fā)生收縮,因?yàn)檩^低溫度下超臨界二氧化碳可以萃取結(jié)合水,使頁(yè)巖黏土組分失去結(jié)合水而收縮導(dǎo)致,此外黏土組分的收縮反應(yīng)是巖心收縮的另一個(gè)主要原因,并且隨著浸泡時(shí)間增加,收縮反應(yīng)逐漸減弱;當(dāng)溫度繼續(xù)升高之后,巖心又開(kāi)始慢慢發(fā)生膨脹,主要由于高溫使CO2濃度更小,并且促進(jìn)了二氧化碳解析并抑制了其吸附[24-25],此時(shí)由于浸泡壓力產(chǎn)生的擴(kuò)展作用變大,造成巖心膨脹。不難說(shuō)明二氧化碳溫度對(duì)頁(yè)巖性質(zhì)的影響是比較復(fù)雜的。應(yīng)變結(jié)果和分析為超臨界二氧化碳浸泡壓力對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供了機(jī)制上的有力支撐。

2.4.2 力學(xué)參數(shù)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)以浸泡壓力20 MPa、浸泡120 min為實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)(即未浸泡)和不同溫度的浸泡實(shí)驗(yàn),浸泡一定時(shí)間之后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到頁(yè)巖的彈性模量和泊松比隨二氧化碳浸泡溫度變化規(guī)律,如圖13所示。

圖13 頁(yè)巖巖心彈性模量和泊松比隨浸泡溫度的變化Fig.13 Variation of elastic modulus and Poissons ratio of shale core with soaking pressure

未浸泡巖心彈性模量為26.8 GPa,超臨界二氧化碳浸泡之后巖心彈性模量明顯增大,并且隨著浸泡溫度的增加,彈性模量不斷增大,最大增幅為138.4%。Radlinski等[22]認(rèn)為煤在二氧化碳浸泡下的彈性模量變化與黏土基質(zhì)收縮常數(shù)有關(guān),頁(yè)巖礦物成分分析顯示巖心含有較高的黏土礦物,也就是說(shuō)浸泡后彈性模量增加是由黏土組分吸附二氧化碳后發(fā)生的的收縮反應(yīng)引起,黏土組分比方解石等更軟,能夠更好地對(duì)壓力進(jìn)行緩沖,收縮后使同樣壓力載荷下產(chǎn)生的應(yīng)變變小,即彈性模量增大。

未浸泡巖心泊松比為0.162,超臨界二氧化碳浸泡之后巖心泊松比明顯增大,并且隨著浸泡溫度的增加,泊松比不斷增大,但增幅先增大后減小,最大增幅為24.7%。平行于端面的天然裂縫和層理在浸泡過(guò)程中由于氣體壓力作用導(dǎo)致擴(kuò)展,使浸泡初期縱向上膨脹,但正是由于其相比橫向上與二氧化碳更大的接觸面積,其收縮反應(yīng)造成的收縮遠(yuǎn)大于橫向,因此會(huì)使縱向上的收縮更大,當(dāng)浸泡之后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí),同等載荷作用下,縱向應(yīng)變壓縮量會(huì)相對(duì)更小,導(dǎo)致泊松比增大。

2.4.3 力學(xué)參數(shù)擬合

在一定壓力條件下,溫度越高,二氧化碳對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)影響越大,即超臨界二氧化碳溫度變化對(duì)頁(yè)巖地層井周巖石性質(zhì)影響是比較復(fù)雜比較明顯的,需要足夠重視,有必要對(duì)參數(shù)隨溫度變化進(jìn)行定量描述,以便于進(jìn)行超臨界二氧化碳鉆完井和壓裂的相關(guān)理論計(jì)算和研究。

通過(guò)L-M method對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,首先對(duì)彈性模量隨溫度變化關(guān)系進(jìn)行一階指數(shù)增長(zhǎng)擬合,然后對(duì)泊松比隨溫度變化關(guān)系進(jìn)行Boltzmann函數(shù)S擬合,擬合曲線(xiàn)如圖14所示?？梢钥闯銎湔`差系數(shù)接近1,說(shuō)明擬合度良好。

圖14 頁(yè)巖巖心彈性模量和泊松比隨二氧化碳 溫度變化擬合曲線(xiàn)Fig.14 Fitting curves of variation of modulus of elasticity and Poissons ratio of shale core with carbon dioxide temperature

3 結(jié) 論

(1)在巖心浸泡過(guò)程中,浸泡初期應(yīng)變急劇增大,到達(dá)最高點(diǎn)后緩慢減小,約1 h后達(dá)到相對(duì)平衡,2 h后基本不再變化,縱向應(yīng)變變化大于橫向。

(2)在壓力應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,在較小浸泡壓力下巖心發(fā)生膨脹,隨著浸泡進(jìn)行和增壓,應(yīng)變?cè)谂R界壓力附近急劇減小,繼續(xù)增壓后應(yīng)變變化平緩。

(3)在溫度應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,隨著浸泡進(jìn)行和升溫,巖心先膨脹,后有所收縮,最后恢復(fù)膨脹。

(4)二氧化碳浸泡后頁(yè)巖彈性模量和泊松比均增大,平均增幅分別為43.4%和36.6%;在臨界壓力附近力學(xué)性質(zhì)急劇變化,壓力繼續(xù)增大,力學(xué)性質(zhì)變化平緩。

(5)二氧化碳浸泡后頁(yè)巖彈性模量和泊松比均增大;隨著浸泡溫度增加,彈性模量和泊松比逐漸增大,最大增幅分別為138.4%和24.7%。