文摘

页岩裂缝渗透率确定天然气生产和深度有限公司是至关重要的₂隔离性能。此外,页岩裂缝渗透率演化后与超临界二氧化碳(Sc-CO的交互₂)应该被理解约束页岩储层渗透率和评价页岩地层的长期密封能力。在这个研究中,我们进行页岩裂缝和Sc-CO浸泡实验₂在不同时期,然后测量页岩裂缝渗透率和液压孔径不同应力状态下进化。此外,我们量化的化学成分、孔隙特征、断裂表面粗糙度交替通过x射线衍射、核磁共振、扫描电子显微镜和光学轮廓测量技术。我们的研究结果表明,与Sc-CO浸泡₂将大幅度地增加页岩裂缝渗透率和孔由于方解石和白云石溶蚀。这自由面溶解过程将消除矿物粒子在裂缝表面,导致更大的毛孔,山峰和山谷的断裂表面。这个过程可能会持续七天,在那之后,化学反应可能终止,rock-Sc-CO₂系统是稳定的。我们的结果说明Sc-CO₂改变了页岩裂缝渗透率通过特定的化学溶解矿物质微量分析。

1。介绍

页岩气生产蓬勃发展在过去的几十年,由于技术进步水平钻孔和多级压裂在四川盆地,中国1- - - - - -3]。作为主要技术在页岩气开发过程中,水力压裂实现通过注入大量的水和砂支撑剂(4- - - - - -6]。研究表明,潜在的缺点包括大规模消费的水,地下水污染,和可能的流体injection-induced地震事件(7- - - - - -10]。此外,粘土含量高的页岩地层及其与水的化学反应将引起肿胀现象,诱发渗透性增强性能不满意(11]。因此,提出了一些其他的压裂液代替常规水基压裂液,如氮和超临界二氧化碳(Sc-CO₂)[12,13]。Sc-CO₂可能是一个不错的选择由于其高密度和低粘度的特性在油藏条件下,在温度高于31.1°C和高于7.38 MPa的压力(14]。最近的研究也验证了Sc-CO₂可能会降低页岩储层破裂压力和创建复杂的裂缝网络由于其低粘度特性,有利于页岩储层渗透性增强[15- - - - - -19]。

Sc-CO后₂注入页岩地层,页岩性质可能改变由于压力(机械)和化学反应。研究页岩和Sc-CO之间的相互作用₂也在石油和天然气行业的一个热门话题。实验结果表明,Sc-CO的吸附₂诱发页岩基质肿胀,这改变了页岩的力学性能(20.- - - - - -22]。此外,实验结果发现页岩和Sc-CO之间的相互作用₂将大大减少页岩的力学性能,包括单轴抗压强度(UCS),抗拉强度和弹性模量23- - - - - -26]。一般学者解释这种弱化效应方面的微尺度结构变更(27- - - - - -29日]。实验结果发现,页岩的比表面积和孔隙度将增加Sc-CO治疗后₂通过溶解有机质的页岩30.]。核磁共振(NMR)测量与吉普斯兰盆地的页岩,澳大利亚,表明暴露于Sc-CO后的孔隙体积将会增加₂化学反应的结果,包括溶解和沉淀的高岭石,natrojarosite,石英、石膏31日]。而minelik等人发现,飞船在页岩和斜长石和粘土矿物发生反应,引起的有限公司₂封存在页岩方解石(32]。原位尤蒂卡页岩实验表明,有限公司₂将与Kergon illite-smectite粘土页岩,这意味着这些页岩中有更高的公司呢₂存储容量(33]。实验与鹰福特和曼柯斯页岩表明,石英含量增加与Sc-CO治疗后₂,而粘土和碳酸盐矿物的含量减少。因此,矿物碳化捕获可能长期公司的有效机制₂储存在页岩储层(34]。正如上面提到的,研究者试图分析Sc-CO之间的交互₂从机械方面和各种各样的页岩。作为主要的流体通道为页岩气生产过程中,裂缝渗透率页岩气生产中起着至关重要的作用,以及裂缝渗透率的演化仍知之甚少。

以前的实验研究发现,裂缝渗透率可能增加或减少由于各种机械、化学和热过程(35,36]。裂缝渗透率通过自由面解散可能增加,而渗透率降低通过过程观察,如粘土矿物膨胀,压力的解决方案,机械压实和次生矿物沉淀(37- - - - - -41]。因此,深入了解裂缝渗透率的演化和断裂渗透率之间的联系和微尺度断裂表面交替有助于约束页岩的渗透率演化骨折由于Sc-CO₂浸泡。

本研究旨在了解页岩裂缝表面的改变以及如何Sc-CO后裂缝渗透率的演化₂浸泡。我们执行一系列浸泡后的裂缝渗透率测量页岩Sc-CO骨折₂1、3、5、7和14天。分析技术,包括x射线衍射分析(XRD)、表面轮廓测量扫描、核磁共振(NMR),用于了解矿物学,断裂表面粗糙度,孔隙体积分布改变由于Sc-CO₂浸泡。我们的研究结果提供了一个深入了解的交替Sc-CO的效果₂页岩裂缝渗透率。

2。样品和实验方法

试验研究包括几个部分:(a)与Sc-CO页岩样品浸泡₂的温度下50°C和10 MPa为1,3,5,7,和14天;(b)页岩裂缝渗透率有效正应力下测量范围从1到20 MPa;(c)为矿物学XRD测试分析,核磁共振测试页岩孔隙特征分析,为断裂表面粗糙度和表面轮廓测量扫描测试分析。

2.1。样品制备

页岩样品用于本研究收集从较低的志留纪地层在四川盆地,中国也在中国页岩气的主要产地。核心样本首先从页岩气区块钻一个直径25.4毫米。然后,页岩样品切成50.8毫米的长度。之后,岩石样本切谷劈成两半,光滑的断裂面,后来抛光磨料碳化硅(20粗燕麦粉,相当于830μm)来创建粗糙的断裂表面。准备的页岩样品如图1(一)。我们先前的研究结果表明,该方法创建断裂表面有类似断口粗糙度Sc-CO引起的骨折₂压裂(16]。页岩样品的矿物组成是列在表中1。主要矿物是石英,占总重量的44.13%。再往下,伊利石方解石占23.18%和19.61%。其他次要矿物包括白云石和钠长石,分别占8.59%和4.49%。此外,我们组矿物分为三个类别,tectosilicate,碳酸盐,根据他们的结构和层状硅酸盐,42]。

2.2。实验装置和程序

本研究主要包括两个实验设备:(一)Sc-CO₂浸泡系统和(b)渗透率测量装置。的Sc-CO₂浸泡系统如图1 (b),包括高压容器、恒温水浴,喷射泵,有限公司₂汽缸。高压容器的容量为50.0 MPa。水提供了一个恒定的温度环境的精度±0.05°C。喷射泵是一种ISCO 260 d注射器泵0.001到107毫升/分钟的速度和最大的流体压力在51.7 MPa。我们的实验设置水浴温度50°C和流体压力在10.0 MPa,使超临界二氧化碳的状态。浸泡时间设置为1,3,5,7,14天。

Sc-CO后₂浸泡Longmaxi页岩样品,我们使用渗透率测量装置测量裂缝渗透率在不同有效应力状态,从1.0到20.0 MPa。磁导率测量装置如图1 (c)。泵控制页岩的侧限应力骨折,和B泵控制轴向应力。泵C控制常数流体压力(200 kPa)在上游水库下游水库与大气。对我们的实验中,雷诺数可以估计通过以下方程: 在哪里ρ和μ分别是流体密度和动态粘度。u流速度和吗l是线性尺寸特征。实验装置和实验数据基础上,流体在骨折小于1.0,和立方定律可以用来描述线性达西流(43]。因此,立方定律是用来计算裂缝渗透率和液压孔(44]: 在哪里e_f是骨折液压孔;k裂缝渗透率;μ_f水的动态粘度;l骨折的接触长度;W裂缝的宽度;问是测量流量;ΔP_f是上游和下游水库之间的流体压差。

我们使用全岩粉的分数(< 74.0μXRD分析m)。Rigaku D / max - 2500 x射线衍射仪是用于确定矿物成分由于Sc-CO交替₂浸泡。页岩裂缝样品也由核磁共振分析系统特征,macromr12 - 150 h -我模型。核磁共振测量页岩的孔隙大小分布样品通过检测横向弛豫时间(或自旋自旋)T₂。孔隙大小的详细机制描述可以发现在45,46]。此外,SEM图像提供了一个直接可视化的毛孔,范和我们本研究中使用的仪器是广达600。Sc-CO后₂浸泡不同时期,断裂表面粗糙度也由Zygo特征^TMNewView光学表面光度仪(47]。均方根粗糙度参数,用于表示断口粗糙度,描述了剖面高度偏离均值线。

3所示。实验结果和讨论

在本部分中,我们提出页岩的渗透率测量结果与Sc-CO骨折后浸泡₂1、3、5、7和14天。然后,XRD结果显示表明在页岩矿物成分演化骨折。在那之后,由于Sc-CO样品孔隙度和孔隙体积交替₂浸泡。最后,SEM图像和断裂表面粗糙度是用来表明Sc-CO如何₂泡断裂表面结构变化和地形特征。

3.1。由于Sc-CO裂缝渗透率演化₂浸泡

裂缝渗透率演化结果如图2(一个)。由于裂缝渗透率是stress-dependent参数和裂缝渗透率测量的有效应力下1.0,5.0,10.0,15.0,和20.0 MPa。裂缝渗透率随有效正应力的增加,裂缝闭合的结果。在1.0 MPa的有效法向应力下,裂缝渗透率是5.96×10⁻¹²米²与Sc-CO骨折不治疗₂。浸泡时间范围从1、3、5、7、14天,裂缝渗透率降低到1.07×10⁻¹¹,1.64×10⁻¹¹,2.47×10⁻¹¹,3.84×10⁻¹¹和4.35×10⁻¹¹米²。因此,裂缝渗透率的增加7.3倍观察Sc-CO 14天后₂的有效正应力下1.0 MPa。同样,在20.0 MPa的有效法向应力下,裂缝渗透率是1.30×10⁻¹²米²对未经治疗的骨折。而与Sc-CO浸泡₂,裂缝渗透率增加到3.54×10⁻¹²,5.95×10⁻¹²,8.67×10⁻¹²,1.38×10⁻¹¹和1.55×10⁻¹¹米²后1、3、5、7和14天。此外,我们用立方定律计算断裂孔径从裂缝渗透率数据和情节在图的结果2 (b)。类似的趋势观察到由于裂缝渗透率和裂缝孔径在这个研究具有相同的物理意义。的有效正应力下1.0 MPa,骨折孔径增加从8.46μ米至11.35,14.05,17.21,21.45和22.85μm与Sc-CO浸泡后₂1、3、5、7和14天。的有效正应力下20.0 MPa,骨折孔径增加从3.95μ米至6.52,6.52,8.45,10.20,12.85和13.65μm与Sc-CO浸泡后₂1、3、5、7和14天。因此,我们的实验结果表明,与Sc-CO浸泡₂将在很大程度上增加了页岩裂缝渗透率和有效液压孔径。

在裂缝渗透率测量,法向应力应用于骨折增加从1.0到5.0,10.0和15.0,最后达到20.0 MPa。渗透率和有效的液压孔径减少骨折闭合的结果。参数骨折正常刚度通常用于描述骨折的能力抵抗正常关闭,定义是变化的速度在正常应力对裂缝闭合(48]: 在哪里u_n闭包是正常的位移(积极的),e_f是骨折孔径,σ_n应用于骨折有效的正常压力。

因此,我们把断裂的关系正常关闭和有效正应力图3(一个),结果显示一个高度非线性正常关闭骨折由于有效正应力的行为增加。在最近的一次模型由Zangerl et al。49),提出了一种线性关系约束的对数之间的关系有效正应力和骨折正常关闭: 在哪里一个刚度特性和吗B引用对数的正常压力。因此,我们进一步情节的对数之间的关系有效正应力和骨折正常关闭图3 (b)提出了一种线性关系。

此外,它可以发现骨折孔径stress-dependent参数和骨折刚度也很大程度上受到有效正应力的影响。因此,正常的刚度之间的关系和有效的法向应力可以表示如下(50]: 在维k_n/ dσ_n是一个常数,称为“刚度特性”49,50]。因此,我们进一步情节骨折正常刚度之间的关系和有效正应力图所示3 (c)。之间的线性关系是观察骨折正常刚度和有效的正常压力。这个观察是一样的实验室和现场描述花岗岩骨折。

parameter-stiffness特点,dk_n/ dσ_n,应该是常数和独立的法向应力和可以用来描述骨折的正常的刚度。此外,我们计算dk_n/ dσ_n进化与浸泡时间骨折和情节这图3 (d)。结果表明,刚度特征值降低122.91毫米⁻¹73.57,67.93,69.17,63.93,和64.05毫米⁻¹与Sc-CO浸泡后₂1、3、5、7和14天。因此,骨折正常刚度随Sc-CO的浸泡时间增加而减小_2,这表明,与Sc-CO浸泡₂将减少正常的刚度。这个观察是按照接触Sc-CO的先前的研究₂将页岩能力及其力学性能恶化31日,34]。因此,将更容易压缩骨折和诱导裂缝孔径与Sc-CO浸泡后关闭₂。值得一提的是,刚度特性是63.93毫米⁻¹和64.05毫米⁻¹与Sc-CO浸泡后₂七天,分别。相似的价值观可能表明可能存在一个阈值的骨折正常刚度退化:与Sc-CO七天之后₂浸泡,骨折正常刚度将达到一个阈值,不会减少与Sc-CO进一步浸泡₂。

3.2。由于Sc-CO骨折矿物学进化₂浸泡

识别可能的化学反应发生在由于Sc-CO断裂面₂浸泡和探索裂缝渗透率演化的机制,我们还进行了XRD分析,量化矿物学成分演化[51]。如前所述,所有的矿石都分成三类:tectosilicate,碳酸盐,和层状硅酸盐,我们显示三组矿物学与浸泡时间图发展4(一)。结果表明,tectosilicate和层状硅酸盐含量略有增加,而碳酸盐矿物含量减少。由于Longmaxi页岩的主要碳酸盐矿物方解石和白云石,我们进一步情节方解石和白云石矿物进化与浸泡时间图4 (b)。结果还表明,方解石和白云石矿物含量降低与浸泡时间。矿物成分的改变应该与Sc-CO之间的复杂的化学反应₂和页岩矿物。先前的研究总结一些潜在的化学反应(26]:

在Sc-CO₂浸泡,H⁺可能存在时有限公司₂页岩样品满足原来的水,形成碳酸(H₂有限公司₃)。与此同时,方解石是一种稳定的碳酸钙(CaCO变形₃)。因此,方解石可能与H反应⁺在Ca和结果^{2 +,}通过这个过程,方解石矿物溶解。同样,白云岩是由钙镁碳酸盐,理想情况下,CaMg(有限公司₃)_2,它可能与H反应⁺在Ca和结果^{2 +}和毫克^{2 +}。因此,解散方解石和白云石Sc-CO的相对含量减少₂浸泡和诱导的相对增加tectosilicate和层状硅酸盐的内容。也值得一提,经过七天的浸泡,矿物含量没有发生巨大的变化,这是按照渗透率演化。因此,我们可能认为七天可能是一个化学反应终止阈值,和页岩裂缝成为稳定与Sc-CO经过七天的浸泡₂。

3.3。核磁共振孔隙体积变化的描述

NMR方法提供的信息Sc-CO前后页岩的孔隙体积分布₂浸泡。如图5毛孔,可分为三类:微孔隙与孔隙宽度小于2纳米,中孔与孔之间的宽度2和50 nm,和大孔隙宽度大于50 nm。它可以很容易地观察到,随着浸泡时间的增加,更多的毛孔较大的宽度。此外,我们绘制孔隙宽度分布在不同浸泡时间图6(一)。中孔是主导Longmaxi页岩的孔隙大小,含量高于60%。随着浸泡时间的增加,大孔隙的比例从26.89%未经处理的样品增加到27.11%,29.05%,30.21%,32.15%,32.42%,与Sc-CO浸泡₂1、3、5、7和14天。同时,中孔和微孔隙的比例略有下降由于孔隙宽度的增加,这意味着孔隙宽度分布曲线向右移动。这个观察也是按照平均孔隙宽度,结果如图6 (b)。随着浸泡时间的增加,平均孔隙宽度从11.05 nm未经处理的样品增加到12.35,14.09,15.88,16.44,和16.69 nm和Sc-CO浸泡后₂1、3、5、7和14天。平均孔隙宽度结果还验证我们的以前的观测与Sc-CO,经过七天的浸泡₂,化学反应终止后七天的浸泡后的孔隙宽度几乎相同的孔隙宽度样品经过14天的浸泡。

3.4。断裂表面的SEM分析进化

我们还展示了SEM断口表面与Sc-CO浸泡后的图像₂各种各样的天。应该提到与Sc-CO浸泡后的断裂表面进行扫描₂但在裂缝渗透率测试。SEM图像列于图7。这些图像被抓获的高电压20 kV,放大1500倍。未经处理的页岩样品,我们不能看到任何大孔范围内。经过一天的浸泡Sc-CO₂,一些大毛孔可以观察到的范围(标有绿色边界)。这些孔的结果可能是方解石和白云石矿物的溶解。此外,随着浸泡时间,很明显,大毛孔所示扫描范围。浸泡的情况下,次为三到五天,有趣的是一些未溶解的矿物质在毛孔内,我们与红色边界标志。这些矿物质可能需要更多的时间来解散,我们看不到这些inner-pores矿物质后浸泡时间超过七天。

3.5。断裂表面粗糙度进化

光学轮廓测量方法被用来量化页岩裂缝粗糙度与Sc-CO进化由于浸泡₂在渗透率测试和压缩效应,如图8。黑色的方块和红色的圈图8代表浸泡后的均方根粗糙度和渗透性测试。结果表明,均方根粗糙度增加从26.19μ米至29.33,33.14,35.12,39.14和40.12μm与Sc-CO浸泡后₂1、3、5、7和14天。断口粗糙度应该碳酸盐矿物溶蚀的结果,方解石和白云石矿物的溶解和删除。去除矿物质离开孔隙空间的断裂表面,从而创造更多的山谷和均方根粗糙度增加。在渗透率测量后,均方根粗糙度降低到20.21,23.22,26.54,28.33,30.32和29.14μ米,红圈图如图所示8。减少粗糙度是机械的结果减少裂缝渗透率测量测试期间表面微凸体的有效正应力从0增加到最大值为20.0 MPa。有效正应力的增加压缩断口表面粗糙,导致塑性变形或损坏,无法恢复。减少均方根粗糙度也绘制在图8蓝色的三角形。有趣的是注意到,严重降低粗糙度和可能的断裂表面微凸体损伤随浸泡时间的增加所示。这个观察是按照我们之前的分析骨折刚度特征。Sc-CO的浸泡₂页岩骨折更容易损坏,正常的刚度的降低是观察(图3 (d))。

4所示。影响Sc-CO₂压裂和潜在的公司₂封存

我们的实验观察表明,与Sc-CO浸泡₂增加的裂缝渗透率和相应的断裂孔径∼∼7.3倍2.7倍后14天。XRD和SEM结果表明,页岩裂缝渗透率增加结果方解石和白云石矿物溶解和更多的孔隙空间中创建的断裂表面。另一个关键问题是Sc-CO阈值的时间_2,和页岩的反应可能会持续七天。页岩裂缝渗透率将保持稳定,断裂表面粗糙度不会改变太多。这些观察结果可能Sc-CO加深我们的理解₂作为页岩气水力压裂的压裂液和潜在的公司₂封存在页岩储层。

Sc-CO₂提出了流体作为页岩储层水力压裂的压裂液候选人由于其操作的可能性降低破裂压力和创建复杂的裂缝网络(16,19]。水力压裂作业期间,液体注射可能会持续一到两周根据储层体积。根据结果在我们的研究中,在创建液压骨折在页岩储层,裂缝渗透率由于连续Sc-CO可能增加好几倍₂注入通过碳酸盐矿物溶解过程。然而,fracturing-induced骨折很容易压缩深度以来由于地应力可能大于5000 m,并有效的正常压力可能大于100.0 MPa。的页岩Sc-CO骨折₂将减少骨折刚度,这可能会引起更大的裂缝闭合的原位应力状态。因此,应该执行一些最后的步骤如支撑剂注入保持骨折开放和有效的页岩气生产。

至于深地质有限公司₂封存,低渗透率页岩可以形成目标,因为它具有较高的吸收能力有限公司₂在页岩矩阵。一个决定公司的关键因素₂封存是一个成功是水库的长期的密封性能。因此,骨折和错误应该避免密封水库。当我们在这项研究中,观察到页岩裂缝渗透率会增加几倍,这些骨折可能为公司工作₂泄漏路径。一方面,这些骨折和错误之前应该仔细理解大规模注入的有限公司₂通过地质调查到水库。另一方面,深有限公司₂封存是一个long-timescale项目,该项目旨在密封有限公司₂地下数百和数千年。如果浸泡的化学反应终止后好几天有限公司₂和页岩和公司之间的相互作用₂在特定时间后弱,远低于整个项目的时间表,公司的影响₂浸泡在页岩裂缝渗透率演化可能忽视了在考虑整个项目设计。最后但并非最不重要,地质有限公司₂封存是一个复杂的过程,原始含水量水库中不容忽视,这可能会加快页岩和Sc-CO之间的化学反应_2,和进一步的研究是有意义的话题。

5。结束语

我们执行一系列页岩裂缝与Sc-CO浸泡测试₂和测量各种应力状态下的裂缝渗透率演化Sc-CO的影响进行调查₂浸泡在页岩裂缝渗透率演化。一些补充测试技术相结合来确定骨折矿物组成、孔隙特征、孔隙结构、断口粗糙度交替从微尺度方面。我们的实验观察表明,与Sc-CO浸泡₂可能会增加页岩裂缝渗透率通过方解石和白云石矿物的化学溶解,创造更多的大孔隙的表面裂缝。骨折孔径增加按照观察断裂表面粗糙度交替,形成高峰和低谷。这个化学反应的过程可能持续近7天,之后页岩骨折和Sc-CO之间的化学相互作用₂液体可能被忽视和整个系统变得稳定。此外,与Sc-CO浸泡₂页岩裂缝的刚度降低,这使得更容易骨折压缩由于有效正应力(关闭)。我们的研究结果验证使用Sc-CO的可能性₂作为压裂液可能会进一步增加页岩裂缝渗透率和储层渗透率将水力压裂。由于其相对较短的时间尺度,这个过程可能不是那么重要在考虑长期的深度有限₂封存。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果绘制在文章中,和原始数据文件可以通过联系相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的这方面的工作。

确认

朝晖路承认中国的国家自然科学基金的资助(52074059号),重庆市杰出青年科学基金(cstc2021jcyj-jqX0007)和绩效激励指导重庆特殊项目研究机构(cstc2020jxjl90001)。裴他承认中国的国家自然科学基金的资助(52004047)。Yunzhong贾承认开放项目的支持国家和地方联合工程研究中心的页岩气勘探和开发,重庆地质矿产研究院(项目号yyqgdzx - 202002)。