文摘

作为一个最重要的非常规油气资源,石油页岩中提取了冻结壁成功提高页岩油生产,减少环境污染、有害液体的结果在油页岩的原位转换处理。因此,冻结壁强度和渗透率的极其重要的减少有害化学物质渗透到地下水。然而,渗透率和冻结壁强度可以受到周期性的冻融循环。为了研究油页岩样品的损坏和变质特征不同的周期性的冻融循环后,定期油页岩样本冷冻和解冻多达48次,样品质量后,应力应变,冻融系数、单轴抗压强度、弹性模量、纵波速度的油页岩样品分别测量。根据测量结果,冻融循环的数量很大程度上影响了油页岩样品的物理和机械性能。单轴抗压强度和弹性模量的油页岩样本改变最大变异率为64%和65%,分别。同时,冻融系数测定油页岩样本指数下降的冻融循环次数增加,而纵波速度的测试样本范围从1602 m / s - 2464 m / s的新微孔隙内的油页岩样品。研究成果具有巨大意义的高效和安全的原位开采油页岩沉积。

1。介绍

油页岩是一个重要的非常规油气资源,及其在世界范围内储层体积是巨大的。根据世界能源理事会的最新报告1),油页岩资源的储备转换成页岩油到达 桶,在世界各地,这是4倍,成为世界石油资源。可以证实,有超过300个页岩矿床分布在40个国家,尽管最丰富的油页岩资源都位于美国(2]。增加原油的价格,新能源资源,如石油页岩,得到了进一步的关注,由于他们的巨大的生产和利用前景3,4]。因此,页岩油的各种生产技术被提出,如真正的原位(TIS)和原位改性(MIS)油页岩的转换(5]。此外,就地转换和页岩油的恢复主要是通过加热和化学活化,强烈地改变地下环境和油页岩的储层属性(6]。

在壳牌的原位干馏和转换过程,页岩油的干酪根热分解和转化成页岩油天然气,将收集和分离地面(7,8]。然而,狼狈的液体在花页岩或原位干馏过程中产生的蒸汽可能会渗入地下水;因此,冷冻墙作为地下障碍在油页岩网站(9]。此外,冻结技术应用于形成一个防水结构在地下的原位生产能源(10]。为了防止地下水进入油页岩网站和防止有害液体产生的原位蒸馏法从浸出现场,冻结壁已成功用于油页岩的原位转换处理(11,12]。最初,针对石油页岩储层封闭的集群冻结钻孔,便于快速形成的地下冷冻墙与预期的冷却剂的温度- 42.8°C。由于渗透性和冻结壁强度取决于石油页岩资源的物理和机械性能,页岩油的潜在生产能力时,还可能降低冻结壁的条件,如温度、压力、和围压变化。一旦冻结壁的强度和渗透率受到冻融条件下,地下水污染将直接和生产效率会随之减少。此外,冻结壁的变形和失败最终导致潜在的管道破坏,大大提高页岩油的生产成本(13,14]。因此,冻融条件的影响冻结壁的质量是非常重要的改善石油的开采页岩储层(15]。

在以前的研究中,伟大的进步周期性的冻融条件变化的影响其他岩石的机械和物理性能近年来了(16]。(17]从西班牙实施了一系列冻融实验对各种类型的花岗岩56个周期的时间间隔4 h, 8 h, 12 h在温度从12°C到20°C。随后,超声波波速的花岗岩样品测试后每一个冻融循环。测试结果显示,超声波速度的花岗岩样品随岩性和冻融循环,导致毛孔数量的增加和微裂隙由冻融作用引起的。•(18)还发现,硬度、综合实力、和安山岩样本的纵波速度降低后10冻融循环和50热冲击周期,而测量样品的孔隙率和吸水率增加。

周期性的冻融循环下的岩石力学特性研究了杨、张,和寒冷天气的影响,冻结速度对岩石的变质特征是通过使用CT扫描设备(19- - - - - -21]。此外,冻土墙的温度变化和比热容的演化特征分析了杨et al。22]。武钢(23)分别测试饱和的恶化特点和干燥的岩石样本60冻融循环,超声纵波和横波速度测量的超声波测试人员。中国使用花岗岩样品来自吉林,刘(24)进行冻融试验20周期条件下当地的最低温度。试验结果表明,低温冻融循环对花岗岩的质量没有明显的影响,而这些周期有很大的影响强度,刚度,泊松比的测试样本。此外,Bellanger [25]分析了隧道冻胀力的计算方法对应于岩石样本的物理和机械性能。总的来说,几个有效的方法控制提出了软岩的冻结恶化,包括改变岩石的物理力学性质,挤压的孔隙水冷冻区,和增加隧道的内部温度26]。

在目前的研究中,周期性的冻融循环的影响削弱了油页岩的退化特性充分分析根据岩石样本的物理和机械性能的变化。研究油页岩样品的物理和机械特性将促进油页岩资源的开发和利用。此外,油页岩样品从华电油田是利用测量的物理和机械性能测试样品。冻融试验机和力学试验机是用来评估油页岩样品的损坏和变质特征条件下周期性的冻融循环,和周期的影响冻结解冻周期变化的机械和物理性能进行了研究。这些发现将有助于油页岩样品的全面研究,尤其是对油页岩矿床的开发和生产。

2。周期性的冻融循环的机制

冻融循环引用阶段性冻结或解冻的岩石和土壤,而温度低于零个或高于零,属于物理和地质过程的现象。-温度条件下,骨折的岩石和土壤的水将被冻结和扩展;因此,过度的压力产生的冰晶会累积在岩石裂缝。然而,冷冻冰内存在骨折将融化的温度上升,以及湿度和水滴沿着毛孔或毛细管通路结构表面的内部结构。因此,岩石裂缝的两堵墙的压力显著下降,骨折和岩石之间的两堵墙推回到中心。水分在结构表面和内部骨折将交替冻结和融化,这被称为周期性的冻融循环。如图1周期性的冻融循环过程中,岩石内部的裂痕将扩大,需求量增长;因此,石头由岩石颗粒(27]。

冻融岩石的恶化是一个集成的过程来自于物理、化学和力学现象。它是一个复杂的过程耦合的multifield温度,水,和力量,特别是能量转移,相变和迁移的水28]。冻融破坏和恶化的本质是岩石的成分,比如水,冰,和矿物质,具有不同的热物理性质29日]。由于不同的晶体取向有不同的热弹性特性,以及不同的收缩和膨胀率的各种矿物粒子,铸件热扩张在晶界是不平衡的,它适用于矿物颗粒和微孔之间的重力。弱胶结岩石颗粒会被这种内部岩石内部应力,导致局部破坏和恶化的矩阵。当温度降至冰点,水从液体到固体的转变,这个过程将产生通胀拉应力,这将导致一些软弱岩石颗粒的破坏。当温度上升时,岩石的孔隙裂隙水融化,冻结压力释放,水分迁移,最终断裂在当地损害区域互联,加重损伤。与周期性的冻融循环的增加,内部应力交替作用于岩体的骨架与外部的温度循环,导致不可逆转的恶化在岩石矩阵。

根据Lemaitre脆性损伤模型,恶化的特点可以指定油页岩样品的单轴压缩应变,见公式(1):

根据应力和应变之间的关系获得单轴压缩应力可以表示为

因此,油页岩样品的损伤本构方程可以表示为公式(3不同的冻融循环后):

除此之外,

最终, 在哪里表示油页岩的损伤程度,表示冻融周期,表示原始油页岩的弹性模量,表示冻油页岩的弹性模量,表示油页岩样品的初始应变,表示冻油页岩的应变。

它可以表明,油页岩样品的单轴抗压强度是受冻融循环影响,相反变化油页岩样品的物理和机械性能。因此,单轴抗压强度的变化,质量,冻融系数、应力和应变测试将讨论油页岩样品与不同冻融循环在目前的研究。

3所示。在油页岩样品测试与周期性的冻融循环

3.1。准备测试油页岩样品

测试油页岩样本从华电盆地中恢复过来,吉林省,中国。所有测试样品的尺寸 ,和所有样品的干密度为1.4 g / m³。测试了油页岩样品的储层深度是600米,和煤层沉积时代华电属于新生代的第三纪(30.]。此外,测试样本由钻井和取心钻进方法在油页岩质量水实验室。薄样本,根据要求准备样品的高直径比2:1,提高测量误差符合要求。在目前的实验中,共有24块油页岩样品具有良好的完整性测试,测试样本,如图2。

与此同时,其他指定测试油页岩样品的物理参数如表所示1。干密度的测试是脱水48小时烘箱,而自然含水量和孔隙度与QKY-11同时测量瓦斯孔隙度检测器由南通实验仪器制造公司。油页岩样品的孔隙度可以根据固体体积和计算物理卷的样品进行测试。固体体积是来自标准曲线的平衡压力。

3.2。实验仪器

指定的试验装置和低温浴称为tds - 300冻融循环测试机,由苏州东华测试仪器制造有限公司,有限公司,如图3。测试机器的最低工作温度为-40°C,和周期性的冻融循环的油页岩样本可以由冻结在测试机和融化在水里。一旦冻结温度的测试样本被证实,油页岩样品的周期性的冻融循环将自动完成没有额外的操作。总体来说,有关需求周期性的冻融循环是合格的标准测量。

油页岩样品的机械和物理性能测定DNS100微机,由电子万能试验机控制,如图4。通用测试机主要用于测试拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂、和其他力学性能为所有类型的金属,非金属和复合材料。最大的力,抗拉强度、抗弯强度、抗压强度、弹性模量、断裂伸长、屈服强度等参数。与此同时,ZBL-U520超声波探测器、电子天平(公差为0.0001 g)的准确性,游标卡尺,干燥箱一直用于实验。

3.3。实验方法和建议

根据操作规范的常规岩石实验条件下周期性的冻融循环的水利、水电工程(sl264 - 2001),所有周期性的冻融实验-20°C冻结温度和20°C解冻温度。

实验程序如下:首先,油页岩样本冷冻试验装置4小时的温度为-20°C,然后被解冻的4小时水的温度20°C,即每个冻融时间步8小时。有8组油页岩样品的冻融试验,每组包括3样本。六组的样本处理周期性的冻融循环条件下与2,4,8、16、24、48小时,分别。周期性的冻融实验前,所有的油页岩样本放置在烤箱(温度为105°C) 48小时,旨在脱水所有的样品恒定重量(质量变化不大于0.1%,24小时)。然后,每个油页岩样品的质量可以称重并记录。如表所示2,完全,2 - 8组样本连续真空的4个小时,直到没有气泡存在于样品。

随后,油页岩样品放在蒸馏水48小时直到饱和;因此,每个油页岩样品的质量也可以称重并记录。油页岩样品在1组和2组准备的单轴抗压强度实验,和其余的样本被放置在冻融实验仪器周期性的冻融实验,如图5。设计了冻融循环后完成,测试了油页岩样品的质量变化将加权和记录。超声波检测和单轴压缩实验一旦油页岩样品的重量测量。总的来说,油页岩样本连续测试条件下周期性的冻融循环直到所有的实验都完全完成。周期性的冻融实验的流程图如图6。

3.4。单轴压缩试验在周期性的冻融循环后油页岩样品

一旦油页岩样本处理周期性的冻融循环条件下,与单轴压缩力学性能测定实验岩石力学实验室(位于建筑工程学院,吉林大学)。平均环境温度条件下,实验进行了使用DNS100微机控制电子万能试验机、应变和应力与电阻应变仪测量被收购了。与此同时,轴向加载速率控制和分配到0.5 MPa / s在所有实验。这个过程用于测试的力学性能测定油页岩样品如图7。

3.5。超声波检测周期性的冻融循环后油页岩样品

为了调查的影响,周期性的冻融循环恶化油页岩样品测量的特点,测量样品的超声传播速度一直在通过超声波检测frozen-thawed样本,如图8。超声波传播速度与各种材料不同,这是高度相关的密度测量样本。虽然油页岩样品内的骨折是延长内部压力源于周期性的冻融,油页岩样品的密度是改变。此外,油页岩样品无损和超声纵波检测已经完成不同冻融循环后,和周期性的冻融循环对纵波速度的影响油页岩样本随后分析和记录。

4所示。结果和讨论

4.1。周期性的冻融循环对油页岩样品的质量变化

测量了样品的质量变化前后不同的周期性的冻融周期已经见表3。测试结果表明,测量每个样品的质量是提高周期性的冻融循环后,和样品编号OS-6-2质量的最大变化,上升到4.38%。可以暗示,测量了样品的内部微孔增加,和新的微孔内部的油页岩出现由于冻胀现象,融化收缩的影响。因此,水迁移到内部岩石裂缝,导致油页岩样品的质量增加。此外,每组的平均质量变化率油页岩样品增加而周期性的冻融周期不到24。然而,测量了样品的平均质量变化率将与周期性的冻融循环的增加略有下降而冻融周期超过24。它可以表明,微孔的扩张受阻,油页岩样品内的骨折是挤压;因此,水分很难进入油页岩样品内的骨折。

在本质上,岩石的裂隙水的体积占据矩阵通过岩石裂缝或外部水进入冰后将增加大约9%冻结。此外,冰裂缝的两侧施加压力,导致裂缝的深度和宽度的增加。冰融化时,生成的水会流到新的裂缝。水将refrozen当温度下降时,它可以放大在油页岩样品内部裂缝。因此,周期性的冻融循环将削弱油页岩样品,直到被完全摧毁。

4.2。周期性的冻融循环对油页岩样品的应力-应变

如图9的应力-应变曲线测试油页岩样品测试结果的基础上得到各种周期性的冻融循环后单轴抗压强度。干燥岩石样本的应力和应变,饱和样品,测量获得的样本和检查。此外,油样品的杨氏模量是由压缩应力和纵向应变的比值;因此,所有样品的压缩应力和纵向应变应该准确的证实。此外,所有测试结果对周期性的冻融试验应重复测量3次,以减少测量的不确定性。

可以推断,破坏和恶化对油页岩样品的力学性能可以受到周期性的冻融循环。由于油页岩样品的硬度低,过度油页岩样品内存在骨折;因此,石油样品的应力-应变变化是由冻融循环。当冻融循环的数量是48,油页岩样品的力学性能恶化是最大的。尽管油页岩样品的个体差异导致不同对应力-应变的测试样本的影响,恶化的油页岩样本可以获得的应力-应变所示。

在周期性的冻融循环的影响下,有一个单轴抗压强度明显下降,下降趋势也很明显,特别是在最初的冻融过程的周期。比较油页岩样品的应力-应变变化前后周期性的冻融过程中,可以找到类似的变化趋势在周期性的冻融过程中,可分为三个阶段:压力阶段,弹性变形阶段,裂纹扩展阶段。

4.3。冻融循环对油页岩样品的冻融系数

岩石抵抗冻融破坏和恶化的能力由冻融系数可以表示。根据岩石测试的规范水利水电工程(sl264 - 2001),岩石冻融系数的公式如下所示: 在哪里冻融系数,冻融后的饱和单轴抗压强度测试(MPa),然后呢是周期性的冻融前的饱和单轴抗压强度测试(MPa)。冻融系数测试的油页岩样本如表所示4。

根据测量结果表4油页岩样品的冻融系数显著减少数量增加的冻融循环。在第一个2冻融周期,测试样本的冻融系数迅速降低。随后,冻融系数的样品继续减少。然而,冻融系数的降低率显著减少在最初2冻融循环。可以推断,油页岩样品内部的孔隙空间已逐渐减少,和样品将在冻融过程中压缩;因此,油页岩样品的冻融系数降低。

4.4。单轴抗压强度和弹性模量的变化

如表所示5,平均单轴抗压强度和弹性模量降低的冻融循环次数增加,最大抗压强度和弹性模量从新鲜和干燥获得油页岩样品。由于油页岩样品的孔隙矩阵是由岩石颗粒,新鲜和干燥油页岩样品没有水分孔隙体积内,引起油页岩样品的抗压强度和弹性模量最大化,达到10.39 MPa和4.37的绩点,分别。一旦测试油页岩样品已经被一些周期性的冻融处理周期,油页岩样品的抗压强度和弹性模量逐渐减少。可以推断,孔隙体积内的水是周期性的冻结和融化;因此,岩石颗粒之间的联系已经破碎的岩石颗粒的相互作用力,从而导致减少的平均抗压强度和弹性模量。测试了油页岩样品处理24周期性的冻融循环表现出最小抗压强度和弹性模量在所有的测试油页岩样本,分别只是3.69 MPa和1.49的绩点,。

与此同时,油页岩样品的单轴抗压强度变化与冻融循环的数量。如图10油页岩的单轴抗压强度大大地受到周期性的冻融循环。它可以暗示油页岩样品的单轴抗压强度指数与冻融循环数的增加减少。在第一个2冻融循环,单轴抗压强度显著下降;然后,振幅降低,最终,单轴抗压强度仅略减少剩下的冻融循环。油页岩样品之后经历了24个冻融循环,单轴抗压强度的最大变化速率达到了64%。

根据实验结果,单轴抗压强度之间的关系和冻融循环可以安装的数量 在哪里单轴抗压强度(MPa),冻融循环的数量,相关系数是0.98587。

此外,测试了油页岩样品的弹性模量不同的冻融循环条件下获得的。如图11油页岩样品的弹性模量呈指数级的增加减少冻融周期,和最大弹性模量大约是4 GPa,而测试油页岩样品的最小弹性模量大约是1.5的绩点。处理后的油页岩样品24冻融循环,弹性模量的最大变化速率达到了65%,这是极大地影响和决定了冻融循环的数量。

根据获得的弹性模量结果,弹性模量之间的关系和冻融循环可以安装 在哪里弹性模量(GPa),冻融循环的数量,相关系数是0.98423。

4.5。冻融循环对纵波速度的影响油页岩样品

根据波速测试获得油页岩样本,纵波速度的处理油页岩样本如图12。与周期性的冻融周期的增加,油页岩样品的纵波速度大大降低。周期性的冻融循环的纵波速度有显著影响油页岩样品进行测试。如表所示6已进行,一旦油页岩样本24周期性的冻融循环,1602 m / s的最小波速可以完成。

由于周期性的冻融循环的性能测量油页岩样本,冷冻冰颗粒在骨折将融化,而温度上升;否则,将反复冷冻水或湿气,扩大油页岩样品内的骨折。因此,油页岩样品的密度是减少由于测量样品的孔隙体积增加。然而,积极波速随测量材料的密度;因此,纵波速度的增加降低了周期性的冻融循环。

5。结论

周期性的冻融循环条件下,油页岩样品的物理和机械性能显著不同,和相关结论和结果可以得到:(1)周期性的冻融周期大大影响油页岩样品的物理和机械性能。一旦油页岩样本冷冻和解冻24周期、最大抗压强度和弹性模量是10.39 MPa和4.37的绩点,分别除了最大变异率的单轴抗压强度和弹性模量达到64%和65%,分别(2)测量油页岩样品的冻融系数指数下降的冻融循环次数增加,而纵波速度的测试样本范围从1602 m / s - 2464 m / s,由于油页岩样本内的新作用

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

无利益冲突出口提交的手稿。

作者的贡献

批准所有作者出版的手稿。

确认

本研究支持的基础研究基金为中央大学(项目编号2021 cdjqy - 028和No.2019CDXYZH0019),中国重庆省自然科学基金(批准号cstc2019jcyj-msxmX0633),特殊项目由重庆博士后科学基金资助(项目号Xm2017068)。