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研究发现超临界二氧化碳对页岩力学性质影响规律

2019-07-08   来源:中国石油大学学报(自然科学版)

  在页岩气开采中,超临界二氧化碳射流破岩效率显著高于水射流,能获得更高的钻井速度。超临界二氧化碳接触下的页岩力学性质数据是进行钻完井、压裂等设计的基础。


  近日,中国石油大学( 华东) 非常规油气与新能源研究院与陕西延长石油( 集团) 有限责任公司研究院的科研人员一起,揭示了超临界二氧化碳的温度和压力对页岩力学性质的影响。研究成果以《超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验》为题发表于《中国石油大学学报(自然科学版)》,倪红坚教授为论文第一作者。


  研究人员通过室内二氧化碳浸泡实验系统、岩心浸泡测试装置对不同压力和温度浸泡下页岩岩心力学性质变化进行实验研究和机制阐释。通过超临界二氧化碳浸泡岩心过程中应变变化实验、超临界二氧化碳浸泡应变对比实验、超临界二氧化碳浸泡对页岩力学参数影响的实验3种实验方案完成研究。


  研究发现:超临界二氧化碳浸泡初期,岩心发生膨胀,随后有所收缩,最后趋于平缓; 浸泡后页岩弹性模量和泊松比均增大; 在临界压力7.38 MPa附近,力学性质发生急剧变化,压力继续增大,力学性质变化平缓,弹性模量和泊松比平均增幅分别为43. 4%和36. 6%; 随着温度增加,弹性模量和泊松比逐渐增大,最大增幅分别为138. 4%和24. 7%。


  页岩力学性质变化对CO2压力变化不敏感,而CO2温度影响较为明显和复杂,研究人员对力学参数随温度变化给出了定量化描述如下:


  在较低二氧化碳浸泡温度下,页岩岩心膨胀,主要由于岩心微孔隙中二氧化碳吸附引起的溶剂化力以及天然裂缝中二氧化碳吸附引起的扩展作用导致; 随着浸泡时间和温度增加,岩心发生收缩,因为较低温度下超临界二氧化碳可以萃取结合水,使页岩黏土组分失去结合水而收缩导致,此外黏土组分的收缩反应是岩心收缩的另一个主要原因,并且随着浸泡时间增加,收缩反应逐渐减弱; 当温度继续升高之后,岩心又开始慢慢发生膨胀,主要由于高温使CO2浓度更小,并且促进了二氧化碳解析并抑制了其吸附,此时由于浸泡压力产生的扩展作用变大,造成岩心膨胀。


二氧化碳浸泡实验系统示意图


岩心浸泡测试装置


  责任编辑:宫在芹

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