天然气地球科学
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天然气地球科学 ›› 2019, Vol. 30 ›› Issue (10): 1406–1414.doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.07.009

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页岩注入超临界CO2渗流及增透实验

吴迪1(),翟文博1,梁冰1(),孙可明1,肖晓春1,刘雪莹2,苗丰1   

  1. 1. 辽宁工程技术大学力学与工程学院, 辽宁 阜新 123000
    2. 华侨大学福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心，福建 厦门 361021
  • 收稿日期:2019-04-02 修回日期:2019-07-05 出版日期:2019-10-10 发布日期:2019-11-06
  • 通讯作者: 梁冰 E-mail:wudi202@126.com.;lbwqx@163.com.
  • 作者简介:吴迪（1981-），男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事孔隙介质多场耦合渗流的教学与研究. E-mail：wudi202@126.com.
  • 基金资助:
    国家科技重大专项(2017ZX05037-001);国家自然科学基金项目(51974147);辽宁省科技厅项目(20170540411);LJ2019JL020）联合资助.

Study on supercritical CO2 seepage and antireflection of shale injection

Di Wu1(),Wen-bo Zhai1,Bing Liang1(),Ke-ming Sun1,Xiao-chun Xiao1,Xue-ying Liu2,Feng Miao1   

  1. 1. School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
    2. Fujian Research Center for Tunneling and Urban Underground Space Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China
  • Received:2019-04-02 Revised:2019-07-05 Online:2019-10-10 Published:2019-11-06
  • Contact: Bing Liang E-mail:wudi202@126.com.;lbwqx@163.com.

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摘要：

以四川省长宁县双河镇燕子村龙马溪组页岩为研究对象，采用自行研制的三轴渗流装置，开展了考虑注入压力和体积应力影响的页岩中超临界CO2渗流及增透规律实验研究。结果表明：页岩中超临界CO2渗透率随着孔隙压力增大呈现先减小后增大趋势，当孔隙压力较小时存在Klinkenberg效应；随体积应力的增大渗透率逐渐减小，曲线基本呈现负指数变化规律。开展不同增透条件下页岩中CH4渗流实验，宏观量化分析超临界CO2注入压力对于页岩增透效果的影响，可以得出随着超临界CO2注入压力的增加，CH4渗透率呈现上升趋势，但增长幅度先上升后下降，即超临界CO2注入压力为9.5MPa时增透效果最为明显。通过微观分析页岩元素含量得出超临界CO2可以萃取和溶解页岩中的O、Ca、Mg等矿物元素，有效促进页岩内部微孔隙的发育，致使页岩渗透能力增强。

关键词: 页岩, 超临界, CO2渗透率, 增透规律, 微观分析

Abstract:

In this paper, taking the Longmaxi Formation shale in Yanzicun of Shuanghe Town, Changning County, Sichuan Province as the object of study, the supercritical CO2 percolation and antitransmittance regularity tests in shale considering the influence of injection pressure and volume stress are carried out by using a triaxial percolation apparatus developed by ourselves. The experimental results show that the supercritical CO2 permeability in shale decreases first and then increases with the increase of pore pressure. When the pore pressure is small, the Klinkenberg effect is obvious, and the permeability decreases with the increase of volume stress. The curve basically presents the law of negative exponential change. CH4 percolation experiments were carried out in shale under different antireflection conditions, and macroscopic quantitative analysis of supercritical CO2 was carried out. The effect of injection pressure on the antitransmittance of shale was analyzed. It can be concluded that with the increase of supercritical CO2 injection pressure, the permeability of CH4 increases, but the increasing range increases first and then decreases. That is, supercritical CO2 injection pressure of 9.5MPa is the most obvious antireflection effect. According to the microanalysis of shale element content, supercritical CO2 can extract and dissolve mineral elements such as O, Ca, Mg in shale, promote the development of micropores in shale effectively, and enhance the permeability of shale.

Key words: Shale, Supercritical, Carbon dioxide permeability, Antireflection law, Micro-analyze

中图分类号: 

  • TE35

图1

整体实验装置示意"

图2

试件实物图"

表1

超临界CO2增透实验方案"

组别 第一组 第二组 第三组 第四组 第五组
孔隙压力/MPa 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5
围压/MPa 8 9 10 11 12

图3

实验用SEM和能谱仪"

表2

40℃超临界CO2密度、黏度随压力变化数据"

温度/K 压力/MPa 密度/（kg/m3） 黏度/（μPa·s）
313.15 7.5 231.53 20.452
313.15 8.5 353.91 26.134
313.15 9.5 580.01 42.912
313.15 10.5 660.15 51.336
313.15 11.5 702.17 56.473

图4

超临界CO2渗透率随体积应力变化数据"

图5

超临界CO2渗透率随孔隙压力变化数据"

图6

超临界CO2作用前后页岩中CH4渗透率随孔隙压力变化曲线"

表3

增透后页岩渗透率随孔隙压力变化数据"

组别 孔隙压力/MPa 2 3 4 5 6 7 8
原始试件 CH4渗透率/（ × 10-2μm2） 0.8 0.3 0.4 0.6 1.2 1.8 3.2
第一组增透 1.8 1.1 1.2 1.4 2.2 2.7 4.2
第二组增透 2.5 1.8 1.7 2.3 3.5 5.7 9.1
第三组增透 3.1 2.4 2.7 4.0 3.4 9.2 12.0
第四组增透 3.4 2.5 2.4 4.7 5.5 9.6 14.0
第五组增透 5.6 2.6 2.9 5.4 6.3 12.0 17.0

图7

超临界CO2作用前后页岩中CH4渗透率随体积应力变化曲线"

表4

增透后页岩渗透率随体积应力变化数据"

组别 体积应力/MPa 9 12 15 18 21 24 27
原始试件 渗透率/（ × 10-2μm2） 5.8 4.4 3.0 2.0 1.2 1.1 1.0
第一组增透 7.1 6.2 4.1 3.0 2.0 1.9 1.8
第二组增透 7.4 5.8 5.0 3.3 3.0 2.8 2.5
第三组增透 8.0 6.3 4.8 4.0 3.3 3.0 3.1
第四组增透 9.3 6.4 5.1 4.5 4.0 3.6 3.5
第五组增透 10.0 7.0 5.7 5.0 4.5 4.4 4.0

图8

超临界CO2作用前后页岩截面微观结构示意"

图9

不同压力作用下同一位置1 000倍ImageJ处理"

表5

页岩超临界CO2处理前后的矿物组成元素对比分析"

元素含量/% 样品 7.5MPa增透 8.5MPa增透 9.5MPa增透 10.5MPa增透 11.5MPa增透
CK 3 3 4 4 5 5
OK 10 9 8 6 5 4
AlK 4 4 4 5 5 5
SiK 47 46 46 47 47 47
CaK 27 26 25 22 21 20
MgK 6 5 5 2 2 1
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