页岩吸附二氧化碳变形特性试验研究范文

本站小编为你精心准备了页岩吸附二氧化碳变形特性试验研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《煤炭学报》2015年第S2期

摘要:

选取四川省宜宾市下志留统龙马溪组页岩，基于自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”，开展了恒温条件下页岩吸附不同压力CO2的变形试验，以此探讨页岩吸附CO2的变形规律。试验结果表明:页岩吸附CO2的变形以膨胀变形为主，随CO2压力的增加，页岩膨胀变形量呈现先增大后减小的变化规律，在不同CO2压力作用下页岩的膨胀变形可以用超临界DR(SDR)模型的形式进行描述;页岩在不同压力CO2的作用下具有相似的变化趋势，即变形均经历3变形阶段:短暂压缩阶段，缓慢膨胀阶段，变形稳定阶段;页岩吸附变形体现出明显的方向性，即垂直层理比平行层理的变形量大。

关键词:

页岩;吸附;超临界二氧化碳;膨胀

针对我国页岩气储层黏土含量高［1］的特征，学术界［2］提出利用CO2代替水进行压裂，这种方法不仅可以强化页岩气开采(EGR)［3］，还可以利用页岩的吸附能力对CO2进行封存。注入CO2后，页岩吸附CO2［4－5］会引起页岩表面势能降低，导致页岩产生一定的膨胀［6］。这种膨胀不仅会对使用体积法测量页岩吸附量产生误差，影响对储层封存能力的判断;还会在使用CO2代替水进行压裂时，对储层产生一定的变化，使已压开的裂纹闭合(孔隙度降低)，引起储层渗透率降低，从而影响页岩气井的产量。因此，开展页岩吸附CO2变形的研究具有一定的意义。Busch等［7］采用澳大利亚页岩样品进行CO2浸泡，实验发现CO2对页岩的孔隙度有一定的改变。Kumar等［8］分别使用CO2，CH4，He测量了Mrcellus页岩的渗透率，间接证明了页岩吸附CO2会产生了一定的膨胀。但是，针对页岩吸附CO2膨胀变形规律的研究鲜有报道。因此，笔者选取四川盆地龙马溪组页岩，采用自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”，拟开展恒温条件下页岩吸附不同压力CO2的变形实验，以此探讨页岩吸附CO2的变形规律。

1页岩样品特征

试验所用的样品取自四川省宜宾市下志留统龙马溪组页岩。已有研究表明，四川盆地龙马溪组黑色页岩是一套富含有机质的烃源岩，能较好地代表南方龙马溪组页岩气储层特征［9］。前期实验测试得出样品的镜质组反射率(Ro)和有机碳含量(TOC)分别为2.54%和3.45%，在页岩气藏产生最有利条件范围(3%≥Ro≥1%，TOC含量≥2%)内［10］。样品的孔隙特征测试采用PoreMater－33全自动压汞仪，充汞压力为7.9～124110.0kPa，样品数为20个。页岩样品的孔隙度为1.56%～10.56%，平均孔隙度为3.91%，孔径大部分在1～50μm(图1)。

2实验装置及方法

2.1样品制备使用取芯设备钻取原岩岩芯，然后切割加工成尺寸为50mm×100mm圆柱体试件，选取3块表观完整，无肉眼可见裂缝的样品，依次用60，120，20，600，2000，3000目的砂纸将其表面打磨光滑。最后放入干燥箱，温度调至80℃干燥24h，冷却后用保鲜袋密封保存备用(图2)。

2.2试验设备试验采用自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”，如图3所示，该装置主要由水浴恒温系统、主体实验系统、增压系统、应变测量系统和数据采集系统等5部分组成。水浴恒温系统的控温精度是±(0.02～0.05)℃，控温范围为－5～95℃。在恒温水浴内设有加热管、温度传感器、温度调节器，且在该恒温水浴内设有循环水泵，保证加温的均匀性。主体实验系统由吸附槽、参比槽、温度传感器(美国Omega公司、PR－21系列、精度为±0.15℃)、压力传感器(美国Omega公司、PX－409系列、量程为0～24.13MPa，精度为满量程的0.03%)、管线和阀构成，该系统设计压力为24MPa。主体实验系统全部放置在恒温水浴内，实验气体在参比槽内进行恒温、稳压处理后进入吸附槽。温度传感器放置在参比槽内，压力传感器通过管线与参比槽相连。增压系统采用美国Teledyne公司的ISCO260D双柱塞增压泵，最大可提供51.7MPa的压力，该泵进气端接气瓶，出气端通过管线和阀连接参比槽。目前测量吸附变形的实验手段主要有3种:光学法，引伸计，应变仪。光学法精度最高、应变仪次之、引伸计精度最差。但是，光学法样品较小，代表性比较差，而Ferian等［11］使用应变仪测量了煤体的吸附变形量，得到了良好的实验结果。因此，本实验系统的应变测量系统采用东华的DH3818应变仪，量程为±19999×10－6，在0～50℃条件下的应变测量准确度为示值的0.5%，时间零点漂移≤3×10－6/2h，温度漂移≤1×10－6/℃。数据采集系统由计算机、LabVIEW虚拟仪器平台、各类传感器和DH3818应变仪组成。该设备使用体积法测量样品的吸附量，测量原理参照文献［12］。参比槽使用滴水法标定，自由空间使用He标定。He和CO2的压缩因子分别采用文献［13－14］提供的状态方程进行计算。

2.3试验方法和方案本试验采用纯度为99.95%的CO2气体。根据现有研究结果，高有机质页岩的储层压力普遍在15MPa左右［15］，且储层温度高于CO2的临界温度。故笔者选取35℃的试验温度，CO2压力从0逐步加到15MPa，共设置9个压力测试点，每个压力测试点的平衡时间不少于24h。具体试验步骤如下:(1)使用氦气对整个系统进行24h的气密性检查，要求在24h内气体压力的改变值不能超过压力传感器的精度;(2)用工业无水酒精清洗样品表面，然后采用OmegaSG496工业胶水将应变片贴在样品表面，为了避免偶然误差，每个样品沿轴向(垂直于层理)和径向(平行于层理)各贴2片，共4片，如图3所示;(3)将样品安装在吸附槽内，连接好管路和数据采集系统;(4)打开恒温水浴加温至35℃并保持该温度。在此过程中，由于热应力的作用造成样品产生一定量的膨胀，因此，当应变仪显示样品变形稳定时，表明消除了温度对页岩变形的影响;(5)打开真空泵，对系统进行12～24h的真空处理。在此过程中，由于负压的作用造成孔隙和裂隙产生一定量的闭合，引起样品发生一定量的收缩，因此，当应变仪显示样品变形稳定时，表明抽真空已完成;(6)开始进行吸附－变形试验，步骤参照文献［12］。

3试验结果分析及讨论

3.1CO2压力对页岩变形的影响实验系统测定样品吸附CO2的等温吸附曲线如图4所示。可见，在CO2临界压力以下，样品吸附CO2比较接近Ⅰ型等温曲线，吸附量绝对值随CO2压力增加而增大，吸附量增加速率随CO2压力增加而减小;当CO2压力超过临界压力时，CO2逐渐发生相变。根据文献［14］给出的CO2状态方程可以了解，在这个阶段CO2的密度将剧增，由Gibbs定义的过剩吸附量可知，当CO2压力达到某一值，引起CO2密度随CO2压力的增长速率与主题相密度随CO2压力的增长速率相近时，吸附等温线出现最大值;继续升高CO2压力，吸附等温曲线下降。这与Pongtorn等［16］的研究结论一致。采用文献［17］的方法，根据式(1)将线应变转换为体积应变，得到页岩吸附CO2的体积应变曲线，如图5所示。式中，ε为体积应变;ε1为轴向应变;ε2为径向应变，压缩为负值，膨胀为正值。由于页岩吸附CO2，造成页岩表面势能降低，基于能量守恒原理可认为这部分势能转变为岩体弹性能，从而导致岩体膨胀［17］。由试验可知样品存在一个最大吸附量，也就存在一个最大膨胀应力，而在试验中，CO2压力是不断增加的，所以，如图6所示，样品在CO2压力与吸附膨胀应力的共同作用下，随CO2压力的增加，页岩体积应变呈现先增加后减小的趋势。CO2压力在4MPa时，3个样品的体积应变分别达到其最大体积应变的90.24%，94.02%，82.67%;CO2压力在6～8MPa达到其最大体积应变，分别为0.166%，0.160%，0.147%;CO2压力在15MPa左右时，样品体积应变在趋于稳定，分别为0.115%，0.1291%，0.138%，分别是最大体积应变的69.27%，80.33%，93.43%。由于高质量页岩层的初始含水饱和度不会超过45%［19］。因此，文献［18］采用四川盆地不同初始含水率的页岩进行吸附去离子水的实验，得到样品的膨胀量为0.358%～0.565%(图6)。与文献［18］的实验结果相比，本次页岩样品吸附CO2产生的最大膨胀量为前者的1/4～1/3，表明采用CO2代替水进行页岩储层改造可有效抑制页岩膨胀。

3.2页岩吸附CO2膨胀变形的描述目前，学术界对样品的吸附膨胀变形进行了大量的描述，但是几乎都是研究煤的。吴世跃［20］、周军平［21］、Pan［22］等基于能量守恒原理，在吸附量和变形量线性相关的前提下，假设煤样的吸附服从Langmuir模型，推导了吸附膨胀模型，该模型需要较多参数，使用起来比较复杂;而Levine［23］直接采用Langmuir吸附模型的形式对煤样吸附低压CO2的变形进行高质量的拟合，说明吸附模型的形式是可以直接对吸附变形进行描述的。现有关于吸附膨胀的研究都是假设样品吸附服从Langmuir模型，而实际上Langmuir模型无法较好的描述6MPa以上CO2的吸附情况。这是由于Lang-muir模型无法描述CO2的相变，而超临界DR模型(SDR)［24－25］却能够通过引入密度对CO2超临界吸附进行描述。超临界DR模型是在常规DR模型上建立的，常规DR模型如式(2)所示。由表2和图7可知，式(5)能很好地描述页岩吸附CO2的膨胀变形。

3.3页岩变形与时间的关系图8为样品35－1的线应变与压力和时间的关系曲线，从图8可以看出页岩在不同CO2压力的作用下具有相似的变化趋势，即变形均经历3个变形阶段:短暂压缩阶段;缓慢膨胀阶段;变形稳定阶段。如图9所示，以1.98MPa测试压力点为例对这3个变形阶段进行分析。(1)短暂压缩阶段。由于在该阶段只有少量CO2通过大孔和一部分裂隙进入中孔和微孔发生吸附，样品在短时间内发生吸附膨胀量比较小，产生的膨胀应力还不足以平衡气体压力产生的围压，因此，在此阶段，样品的变形主要是CO2围压的作用，且从图9可以看出这种压缩变形在CO2压力加载瞬间即完成。(2)缓慢膨胀阶段。在这个阶段，随着时间的增加，一方面样品缓慢的吸附CO2，使样品的孔隙表面势能降低，表面层厚度增大，同时游离CO2进入孔隙和裂隙，促使体积增大，从而使样品产生膨胀变形;另一方面，在压力的作用下CO2气体挤开进入大于或等于其本身分子尺度的裂隙，使样品发生膨胀变形。在这一过程中，应变量的绝对值随时间而变大，应变速率随时间而减小。(3)变形稳定阶段。当样品吸附CO2逐渐接近饱和，产生的膨胀应力和CO2的围压相平衡时，样品的变形趋于稳定。

3.4页岩吸附变形的各向异性如图8所示，页岩样品的轴向(垂直层理方向)应变和径向(平行层理方向)应变在整体变化趋势上呈现一致性，但是在变形量上表现出了显著的方向性，垂直层理的应变比平行层理的应变大，即页岩吸附变形具有各向异性。为了进一步反映这种变形的各向异性，计算了本次试验中3个样品在不同压力下的应变差(轴向应变与径向应变的差值)，结果见表3。出现这种各向异性的原因即在于页岩是含有石英、钠长石、白云母等大量硅酸盐的沉积岩，具有薄片层状的节理，其中的孔隙、裂隙主要沿平行层理方向发育，而页岩吸附膨胀主要是孔隙及裂隙变形、体积增大或表面层增厚，因此这些变形主要反映在垂直孔隙、裂隙延展的方向上［17］。

4结论

(1)页岩吸附CO2的变形主要以膨胀变形为主，随CO2压力的增加，页岩膨胀变形量呈现先增大后减小的变化规律，最大膨胀变形量为1.478×10－3～1.66×10－3，为页岩吸附去离子水产生膨胀变形量的1/4～1/3，表明采用CO2代替水进行页岩储层改造可有效抑制页岩膨胀。(2)在CO2压力作用下页岩的膨胀变形可以采用引入CO2密度的超临界DR(SDR)模型的形式进行描述。(3)页岩在不同CO2压力的作用下具有相似的变化趋势，即变形均经历以下3个变形阶段:短暂压缩阶段;缓慢膨胀阶段;变形稳定阶段。(4)页岩在垂直层理和平行层理的吸附变形具有类似的变化趋势，但是在变形量上有明显的方向性，即垂直层理比平行层理的变形量大。

展望:本文仅开展了相同温度条件下页岩吸附变形试验。下一步计划进行不同温度条件下页岩吸附变形试验，以此建立页岩吸附变形模型，揭示页岩吸附变形机理。

作者：敖翔 卢义玉 汤积仁 黄飞 廖引 贾云中 单位：重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室