頁巖儲層超臨界CO2增透規律實驗

吳 迪，耿巖巖，肖曉春，苗 豐，翟文博

(遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

頁巖氣資源的高效開發，對中國能源安全具有重要的戰略意義[1]。頁巖氣主要賦存于富含有機質泥頁巖的儲層中，其儲層孔隙度和滲透率極低[2-4]，改造頁巖氣儲層，增加其滲透率成為實現頁巖氣高效開發的重要手段。通過力學或化學方法增加頁巖氣在儲層內部的流動通道，是增加頁巖氣儲層透氣性的有效方法。近年來，有學者提出超臨界CO2強化頁巖氣高效開采技術，注入超臨界CO2不但能增加頁巖氣儲層滲透性[5-6]，還能實現CO2的地質封存，減緩溫室效應[7-8]。Kizaki、Ishida等[9-10]通過對花崗巖對比壓裂研究表明，相同條件下超臨界CO2破裂壓裂點比水力破裂壓裂點更低，裂縫網絡更加復雜，具有更好的壓裂效果；湯積仁等[5]發現超臨界CO2可滲入頁巖內部，改變巖石內部孔隙結構，對頁巖強度具有劣化作用；吉佳豪[11]分析了有效應力對頁巖滲透率的影響，獲取了CO2壓裂頁巖過程中的力學和滲流參數，為頁巖氣開發提供了重要的實驗參數；劉國軍等[12]對致裂頁巖前后的滲透率進行比較，認為超臨界CO2改造儲層后，儲層滲透率明顯增大。

目前，國內外學者已對超臨界CO2強化頁巖氣高效開發進行了大量研究[13-15]，但對超臨界CO2與頁巖相互作用后，頁巖滲透性的影響規律研究報道較少。因此，該文開展了考慮孔隙壓力、溫度和超臨界CO2增透壓力影響的頁巖增透實驗研究，并采用非金屬超聲檢測分析儀對超臨界CO2作用前后的頁巖樣品進行了波速測定實驗，分析了超臨界CO2對頁巖儲層微觀孔隙結構的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 樣品制備

選取四川省長寧縣雙河鎮燕子村龍馬溪組露頭頁巖，進行樣品制備。由于頁巖滲透率極低，為減小實驗誤差，Trimmer等[16]認為圓餅狀樣品能降低測試時間，且不會對測試精度產生影響。因此，采用較短的圓柱樣品進行研究，樣品參數如表1所示。制備后對頁巖樣品進行打磨，確保兩端水平度偏差小于0.01 mm。最后，將樣品放入烘干箱中進行烘干(溫度為105 ℃，時間為24 h)，烘干后冷卻至室溫，用聚乙稀薄膜包好備用。

表1 樣品參數

1.2 實驗裝置

實驗采用自制室內巖石三軸滲流模擬實驗系統，包括注氣系統、壓力控制系統、控溫系統、滲流實驗系統和數據采集系統5個部分(圖1)。

圖1 試驗裝置

注氣系統包括高壓氣瓶、空氣壓縮機、增壓泵和壓力釜，最大實驗壓力為25 MPa；壓力控制系統包括壓力泵、穩壓罐，采用六通閥連接，最高實驗壓力為60 MPa；控溫系統包括水浴箱、加熱器，溫度控制范圍為-70～100 ℃；滲流實驗系統的最大實驗壓力為25 MPa；數據采集系統采用TP 700多路數據記錄儀，能夠時刻記錄實驗中的壓力變化。

1.3 實驗方案

通過控制變量法，對頁巖樣品進行了相同圍壓和軸壓下改變孔隙壓力、溫度、超臨界CO2增透壓力的超臨界CO2注入頁巖增透滲流實驗。實驗流程：增透前CH4滲流實驗—波速測定—超臨界CO2滲流增透實驗—波速測定—增透后CH4滲流實驗，具體實驗方案如表2所示。

表2 實驗方案

2 超臨界CO2增透實驗結果分析

通過測量增透前后頁巖中CH4氣體滲透率變化，進而標定超臨界CO2對于頁巖的增透效果。頁巖中CH4氣體的滲流可認為是單相牛頓流體通過連續多孔介質的運動，滲透率計算公式如下：

(1)

式中：K為CH4氣體滲透率，mD；Q為頁巖中氣體的流量，m3/s；μ為氣體黏度，Pa·s；A為頁巖橫截面積，m2；L為頁巖長度，m；p1為進氣端絕對壓力，MPa；p2為頁巖樣品出氣端絕對壓力，MPa。

增透率計算公式為：

(2)

式中：ζ為增透率；K1為超臨界CO2增透前頁巖樣品滲透率，mD；K2為超臨界CO2增透后頁巖樣品滲透率，mD。

利用自主研制的超臨界CO2增透實驗系統進行室內模擬實驗，利用式(1)計算得到超臨界CO2增透前后頁巖中CH4滲透率隨孔隙壓力的變化關系，對數據進行擬合，結果如圖2所示。

由圖2可知：恒定溫度、圍壓和軸壓條件下，CH4滲透率隨孔隙壓力的增加逐漸降低，曲線呈負指數變化；超臨界CO2增透后的CH4滲透率要明顯高于增透前滲透率，以3號樣品為例，CH4滲透率可提高49.74%～103.98%，該結果表明超臨界CO2增透效果顯著，且增透效果隨孔隙壓力的增大而減小。

圖2 氣體滲透率隨孔隙壓力變化規律

2.1 超臨界CO2增透壓力對增透率的影響

恒溫下超臨界CO2的密度、黏度等均會隨著壓力的改變發生較大程度的變化，而密度、黏度等因素的改變會影響超臨界CO2改造頁巖儲層的增透效果。為探究其影響規律，對3、4號樣品進行45 ℃恒溫下不同壓力超臨界CO2增透實驗，結果見圖3。

圖3 不同增透壓力下超臨界CO2增透率隨孔隙壓力變化規律

由圖3可知，超臨界CO2對頁巖儲層的增透效果顯著，增透率均大于0.40，恒溫下隨孔隙壓力的增大曲線整體呈下降趨勢。在低壓階段，注入壓力為9.0 MPa時超臨界CO2增透效果好于8.0 MPa，孔隙壓力為6.0 MPa時增透率差值最大，為0.33。主要原因可能為：一是由超臨界CO2的本身性質所導致的，增透壓力的增加會使超臨界CO2的密度增加，使得超臨界CO2的溶解度提高[17]，在增透過程中超臨界CO2更易進入微小的孔裂隙中，溶解頁巖內部的有機礦物，從而增加微孔裂隙的擴展，增加頁巖的滲透率；二是頁巖本身具有明顯的層理面和天然裂縫，實驗樣品的層理平行頁巖兩端面，增透過程中，在超臨界CO2作用下層理裂縫會發生擴展，一定壓力范圍內隨著CO2壓力的增大，頁巖微裂隙擴展更加顯著，增加頁巖滲透率。

圖4為不同樣品在實驗溫度為45 ℃時CO2注入壓力隨時間變化曲線，曲線變化趨勢基本一致。隨著CO2流體的注入，注入腔體壓力在極短時間內到達5.0 MPa左右，此時CO2為氣態，可瞬間充滿整個腔體。注入腔體壓力緩慢增加，CO2流體在腔體增壓進入孔壁周圍的微孔裂隙內，當腔體內壓力達到7.4 MPa時CO2發生相態變化，由氣態轉變為超臨界狀態，流體可壓縮性變小，瞬時增壓速率增大，CO2流體壓力達到曲線峰值，頁巖出現裂化現象，腔體內壓力快速下降，頁巖樣品裂化壓力分別為10.78、25.51、32.56 MPa。有原生裂隙或大孔隙的樣品比無原生裂隙的樣品在超臨界CO2流體作用下更容易發生裂化。

圖4 注入壓力隨時間的變化曲線

2.2 溫度對增透率的影響

以恒定壓力注入超臨界CO2，頁巖儲層超臨界CO2增透效果隨溫度變化規律如圖5所示。

圖5 不同孔隙壓力下超臨界CO2增透率隨溫度變化規律

由圖5可知，孔隙壓力一定時，隨著溫度的升高，超臨界CO2增透率逐漸降低，35 ℃下平均增透率是55 ℃的2.26倍。主要有以下2方面原因：一是在低壓區超臨界CO2密度對溫度敏感性較大，隨著溫度的增加密度逐漸減小，降低了超臨界CO2對有機物的溶解度[17]，導致增透率減小；二是頁巖中富含黏土礦物和有機質，礦物之間相互約束，受溫度升高影響會在內部產生熱應力[18-21]。

熱應力與溫度的關系為：

σT=λΔT

(3)

λ=αTE/(1-2γ)

(4)

式中：σT為熱應力，MPa；λ為熱應力系數；αT為體膨脹系數；E為平均彈性模量，GPa；γ為泊松比；ΔT為溫度變化，℃。

當體積應力和孔隙壓力一定，且考慮熱應力時，頁巖的有效應力為體積應力與孔隙壓力、熱應力差：

σi=σ1-σp-σT

(5)

式中：σi為有效應力，MPa；σ1為體積應力，MPa；σp為孔隙壓力，MPa。

在35～55 ℃溫度范圍內，熱應力隨溫度的升高而增大，有效應力隨溫度升高而減小，抑制了超臨界CO2增透頁巖樣品效果。

3 波速變化及對增透率的影響

為了反映超臨界CO2增透前后頁巖內部孔裂隙變化情況，引入聲波傳播速度衰減率。

(6)

式中：η為波速衰減率，%；νn為超臨界CO2增透后聲波在頁巖樣品中的傳播速度，km/s；ν0為超臨界CO2增透前聲波在頁巖樣品中的傳播速度，km/s。

實驗利用非金屬超聲檢測分析儀對不同溫度條件下超臨界CO2增透前后的頁巖樣品進行了波速測定，結果如圖6所示。由圖6可知，增透后波速明顯小于增透前的波速。這是因為聲波在不同介質中的傳播速度不同，在固體中傳播速度最大，在氣體中傳播速度最小，聲波通過頁巖速度變慢，表明聲波傳播路徑上的頁巖內部有新孔隙、裂隙擴展或生成，證明超臨界CO2可以改變頁巖儲層內部結構，從而增加頁巖滲透率，達到增透效果。

圖6 頁巖樣品增透前后波速

通過式(6)計算得到不同溫度下超臨界CO2增透后頁巖樣品波速衰減率，如圖7所示。由圖7可知，隨溫度的增加，超臨界CO2增透后頁巖樣品的波速衰減率呈下降趨勢，與圖5中孔隙壓力影響下超臨界CO2增透率隨溫度變化規律一致。

圖7 超臨界CO2增透前后波速衰減率隨溫度變化規律

頁巖孔隙度與波速衰減率[22]的關系為：

(7)

式中：νt為聲波在流體中的傳播速度，km/s；νma為聲波在頁巖骨架中的傳播速度，km/s；φ為孔隙度。

孔隙度的改變影響頁巖的滲透率，在同一樣品中，νt、νma和ν0為定值，在所測波速哀減率有效取值范圍內，頁巖孔隙度與波速衰減率隨著溫度的增加而下降，溫度由35 ℃升高至55 ℃，波速衰減率降低0.15個百分點，孔隙度降低0.90個百分點。在相同孔隙壓力作用下，孔隙度與增透率變化趨勢一致。圖8為超臨界CO2增透頁巖樣品在2 MPa孔隙壓力下增透率與波速衰減率的變化關系。

圖8 2 MPa孔隙壓力下氣體增透率與波速衰減率關系

由圖8可知，在2 MPa孔隙壓力下超臨界CO2增透率與波速衰減率呈正相關性，說明超臨界CO2增透頁巖樣品后對原有微裂隙、孔隙進行了擴展，增加了頁巖氣儲層的孔隙度，起到了良好的增透效果。根據超臨界CO2增透率與波速衰減率的關系，在測定超臨界CO2作用前后頁巖樣品波速的基礎上，可通過波速衰減率預估超臨界CO2增透率。

4 結 論

(1) 向頁巖樣品中注入超臨界CO2，充分作用后，CH4滲透率明顯上升，以3號樣品為例，CH4滲透率最大提高103.98%，表明超臨界CO2的注入對于頁巖有明顯的增透效果；頁巖儲層CH4滲透率隨孔隙壓力增加呈負指數變化，增透效果隨滲流氣體孔隙壓力的增大而減小。

(2) 隨著超臨界CO2注入壓力的持續增加，波速衰減率增大，頁巖儲層原有的微裂隙、孔隙不斷擴展，促進了內部微孔裂隙發育。隨著超臨界CO2注入壓力逐漸增加至10.0 MPa以上，頁巖樣品出現裂化現象，頁巖的裂化與自身內部原生裂隙或大孔隙有關。

(3) 實驗溫度為35～55 ℃，頁巖增透后內部孔隙度、波速衰減率均隨溫度的升高而降低，孔隙度降低、波速衰減率分別降低0.90、0.15個百分點，表明相同注入壓力條件下超臨界CO2對于頁巖的增透效果隨著溫度的增加而降低，波速衰減率與溫度呈線性遞減關系。