页岩微观结构及力学特征变化规律研究

2022-11-21仲冠宇蒋廷学王海涛

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年5期

左罗，仲冠宇，蒋廷学，王海涛

1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京昌平 102206

2.中国石化石油工程技术研究院有限公司，北京昌平 102206

引言

中国页岩气资源丰富，是重要的接替性资源，根据不同沉积环境，一般可将页岩气分为3 类，即海相页岩气、海陆过渡相页岩气及陆相页岩气[1-2]。页岩气储层极其致密，一般无自然产能，必须通过大规模压裂才能实现商业开发。页岩气压裂基本采用水基压裂液，对水资源的消耗较大[3-5]，因此，大规模商业开发对区块周边水资源的依赖程度较高。国内海陆过渡相页岩气区块，特别是陆相页岩气区块大多处于水资源匮乏地区，不宜采用大规模水力压裂，但是为确保开发效果，仍然需要大规模压裂，因此，国内学者常推荐大规模无水或少水压裂，其中，以CO2部分或完全替代水的压裂方式为主。

目前，关于CO2压裂的研究及应用较多[6-8]，总体上比较缺乏CO2对页岩微观结构及力学特性影响的系统研究。汤积仁等开展了超临界CO2作用下页岩的损伤实验，研究结果表明，超临界CO2作用后页岩抗拉、抗压强度及弹性模量随时间呈降低趋势，认为超临界CO2会改变岩石骨架和孔隙结构，降低岩石颗粒间的胶结程度，从而劣化页岩力学性质，但没有研究泊松比的变化趋势[9]。郭冀隆等研究了CO2水-页岩相互作用，发现超临界CO2具有比N2更强的萃取能力，在有水的条件下比不含水时萃取能力高87%[10]。Qiao 等的研究表明，CO2水-页岩作用后单轴抗压强度、杨氏模量和脆性指数均下降了一半以上[11]。董建兴等通过数值模拟的方法研究了CO2-水-页岩的相互作用，表明CO2作用后两种页岩样品的渗透率分别提高了6.7%和10.0%[12]。黄飞等对龙马溪页岩开展了超临界CO2射流冲蚀实验，发现超临界CO2会腐蚀部分矿物，改变页岩微观结构，弱化页岩强度[13]。Jiang 等研究了超临界CO2在不同时间、温度及压力下对页岩微观结构的影响，研究结果表明，比表面积、孔隙度均与处理时间和压力呈正相关[14]。此外，相关研究表明，在有水环境中温度和压力增加将增大CO2的溶蚀能力[15-16]，超临界CO2作用会使岩石的孔径增大，比表面积减小[17-18]。

目前，比较缺乏不同相态CO2对页岩微观结构及力学特性的影响规律研究，对泊松比、脆性变化特征的论述也较少。因此，本文旨在通过相关实验对CO2作用下页岩微观结构及力学特性的变化特征进行深入研究，为CO2压裂设计及实践提供理论和技术支持。

1 实验方案设计

CO2压裂一般会涉及两种相态，即液态与超临界态，为研究这两种相态下CO2对页岩微观结构及力学特性的影响，并与滑溜水作用效果进行对比，采用超临界CO2、液态CO2及滑溜水分别对页岩进行浸泡，然后进行相关力学实验，同时设置对照实验组。为了尽量消除实验样品非均质性的影响，每一组设置3 个平行样。滑溜水浸泡时采用常温常压条件，超临界CO2浸泡时设置温度为45°C，压力10 MPa，以确保CO2处于超临界态；液态CO2浸泡时设置温度为25°C，压力为10 MPa，以确保CO2处于液态。具体实验设计参数见表1。

表1 实验设计参数Tab.1 Design parameters of experiment

2 实验样品及设备

2.1 实验样品

页岩样品取自重庆市武隆县龙马溪组页岩露头，该露头是渝东（南）地区海相下志留统龙马溪组页岩气储层的自然延伸，该页岩露头成分和物理化学性质等与页岩气储层具有较高的相似性。图1 为部分样品实物图。

图1 实验样品实物图Fig.1 Physical image of experimental samples

2.2 实验设备

浸泡装置采用中科院上海高等研究院岩石-压裂液浸泡测试系统（图2），该系统主要由两部分组成：（1）高压反应釜，工作围压0～65 MPa，轴压0～40 MPa，测试温度20～120°C；（2）应变和声发射测试系统，其中，应变采集仪负责采集样品在实验过程中发生的变形特征，声发射监测系统负责采集岩-液反应释放的能量。

图2 岩石-压裂液浸泡测试系统Fig.2 Rock-fracturing fluid soaking and testing system

矿物组分分析采用德国Bruker AXSD8-Focus衍射仪进行测试分析；采用ZEISS SUPRA55 场发射扫描电子显微镜对样品微观结构进行分析；采用RMT-150C 多功能岩石力学实验系统，对测试岩样开展巴西劈裂实验；单轴、三轴压缩实验主要在MTS815.03 三轴实验系统上完成，该系统是由美国MTS 公司生产，主要技术参数：（1）垂直最大出力4 600 kN；（2）垂直活塞行程100 mm；（3）最大围压140 MPa；（4）应变率适应范围10-2～10-71/s；（5）疲劳频率0.001～0.500 Hz；（6）实验框架整体刚度11×109N/m。

3 实验结果及分析

3.1 矿物组成变化特征

未浸泡处理的页岩，矿物成分主要是石英，占矿物总量的69.79%，其次是伊利石和钠长石，伊利石和钠长石的含量相差不大。方解石、白云石和黄铁矿含量较少，总量不超过10.00%。岩样经过滑溜水、超临界CO2和液态CO2浸泡后矿物含量变化较小，总体上石英含量在65.00%～70.00%，伊利石含量在10.00%～15.00%，钠长石含量略低于伊利石的含量，约占9.00%～12.00%，方解石含量在3.00%左右，白云石和黄铁矿各占约1.00%～3.00%（表2）。总的来说，滑溜水、超临界CO2及液态CO2浸泡对页岩矿物组成的影响很小。

表2 不同浸泡条件下页岩全岩矿物分析结果Tab.2 Mineral analysis results under different soaking condition

3.2 微观结构变化特征

浸泡前沿着平行层理方向进行扫描观察，发现顺层层理缝发育，存在大量0.8～6.0 μm 的层间微裂隙和孔洞，矿物晶体间发育1.0 μm 左右的晶间孔，矿物晶体脱落形成的铸模孔，较大的矿物颗粒（尺度约0.5～1.0 μm）上可见粒内溶蚀孔，黄铁矿晶体聚集体间有微小的晶间孔隙及矿物颗粒胶结失效而形成的粒边缝（图3c）。

浸泡前沿着垂直层理面方向进行观察，可见层片状矿物定向排列，夹杂较大颗粒的矿物晶体，大颗粒矿物有光滑和锯齿形断面，矿物内部有溶蚀孔及矿物颗粒破碎产生的内部微裂隙，矿物和周围胶结面处有沿矿物表面发育的缝隙，石英晶体间发育了大量的粒间孔隙，片层状矿物内部发育顺层的粒内孔，片层状物质与周围胶结区域也发育顺层孔隙，另外还可见矿物颗粒脱落形成的铸模孔（图3e）。

图3 浸泡前页岩样品电镜扫描图Fig.3 SEM image of shale before processing

滑溜水浸泡120 h 后沿着平行层理方向进行扫描观察，可见大量微米级平行层理面的层状结构，沿层理方向发育顺层微裂隙，而且泥粒级颗粒碎屑较多，直径约为25.0～50.0 μm 的碎屑石英颗粒分散于泥质中；在平行层理面的断面上还可以观察到具有一定迂曲度的微裂缝，最大宽度在4.0 μm左右，碎屑物之间有大量蜂窝状粒间孔隙，如图4b所示。

图4 滑溜水浸泡120 h 后页岩样品电镜扫描图Fig.4 SEM image of shale after 120 hours processing in slickwater

滑溜水浸泡120 h 后沿着垂直层理方向进行扫描观察，发现垂直层理断面上有明显的顺层矿物定向排列的现象，顺层矿物之间存在大量平行的顺层裂缝和溶蚀孔洞，还可以看到部分粒边孔隙发育。此外，还观察到由于矿物颗粒脱落形成的铸模孔，部分铸模孔边界不清晰。与浸泡前相比，散落于岩样表面的碎屑物质更少，孔隙、裂缝结构变得更为明显。

经过120 h 液态CO2浸泡后，观察平行层理面断面，发现矿物颗粒之间、矿物颗粒聚之间的孔隙明显增大，孔隙轮廓也更加清晰，浸泡后观察到大量的矿物颗粒出现分层现象（图5b），该现象在浸泡前并未观察到（即使放大50 000 倍）。垂直层理方向上，观察到矿物颗粒与周围基质结合紧密，浸泡后顺层缝内矿物溶蚀，矿物颗粒呈松散状，部分区域可观察到颗粒内部张开，呈藻状堆积体，粒内分散，形成大量狭长微裂缝（图5d）。总体上液态CO2浸泡具有溶蚀、分散矿物颗粒、清洗开度较大的裂缝的作用，间接增加了页岩孔隙度，且在平行层理方向上表现更为明显。

图5 液态CO2 浸泡120 h 后页岩样品电镜扫描图Fig.5 SEM image of shale after 120 hours processing in liquid CO2

用超临界CO2浸泡120 h 后，观测发现和液态CO2浸泡后结果相似，即浸泡后大量的矿物颗粒开裂并出现分层现象，但不如液态CO2浸泡结果明显；矿物颗粒内部发育有溶蚀孔，粒间孔隙和粒边缝明显发育，碎屑状和角砾状颗粒之间发育大量孔隙；垂直层理断面上可观察到片层矿物颗粒的定向排列，有明显的层理构造；电镜下见黑色有机质条带，有机质上发育有气孔，另外也可观察到粒间和粒边缝发育；整体上讲，和未浸泡的页岩样品对比，虽然可见矿物颗粒分层现象，但和液态CO2比较，超临界CO2对原始孔隙结构的改变不明显（图6）。

图6 超临界CO2 浸泡120 h 后页岩样品电镜扫描图Fig.6 SEM image of shale after 120 hours processing in SC-CO2

3.3 CO2 对页岩力学特征的影响

3.3.1 浸泡时间对弹性模量和泊松比的影响

对比3 种介质处理下的岩石力学参数可发现，在单轴实验条件下，作用初期液态CO2对泊松比影响较大，24 h 后泊松比增幅达75.00%，而超临界CO2和滑溜水作用下，24 h 后泊松比增幅分别约为5.50%、3.30%（图7）。滑溜水对单轴弹性模量影响较大，处理24 h 后弹性模量减小约39%，而超临界CO2和液态CO2处理24 h 后弹性模量均减小约30%（图8）。在三轴实验条件下，液态CO2及滑溜水初期对泊松比影响较大，作用24 h 后泊松比分别减小约23.80%、18.85%，超临界CO2作用24 h后泊松比减小约5.70%（图9）；3 种介质对三轴弹性模量影响较小，趋势不明显（图10）。页岩气储层处于三向应力作用下，因此，三轴岩石力学数据更能反映真实情况，从三轴数据分析可看出，在弹性模量基本不变情况下，3 种介质作用后均能减小泊松比，使页岩储层脆性特征增强，其中，作用初期（24 h 内）液态CO2及滑溜水作用更明显，但随着作用时间的增长滑溜水作用会减弱，超临界CO2作用逐步增强（图9，图10）。考虑到液态CO2接触储层后会很快进入超临界状态，因此，整体上来看与滑溜水相比CO2作用下页岩脆性增加幅度更明显，更利于起裂及形成复杂裂缝。

图7 单轴实验泊松比随浸泡时间变化曲线Fig.7 Poisson′s ratio changing curve with immersion time under uniaxial experiment

图8 单轴实验弹性模量随浸泡时间变化曲线Fig.8 Elastic modulus changing curve with immersion time under uniaxial experiment

图9 三轴实验泊松比随浸泡时间变化曲线Fig.9 Poisson′s ratio changing curve with immersion time under triaxial experiment

图10 三轴实验弹性模量随浸泡时间变化曲线Fig.10 Elastic modulus changing curve with immersion time under triaxial experiment

3.3.2 浸泡时间对抗压强度的影响

单轴抗压强度均随浸泡时间的增长而呈逐渐降低的趋势，浸泡120 h 后，滑溜水处理的样品抗压强度降低幅度最大（图11），达到30.2%，超临界CO2和液态CO2处理后的抗压强度降幅相对较小，分别为14.2%和18.2%。

图11 单轴抗压强度随浸泡时间变化曲线Fig.11 Uniaxial peak of compressive strength varying with immersion time

三轴抗压强度同样随浸泡时间的增长而呈逐渐降低的趋势，浸泡120 h 后，滑溜水处理的样品抗压强度降低幅度最大（图12），达到13.6%，超临界CO2和液态CO2处理后的抗压强度降幅相对较小，分别为5.6%和4.9%，考虑系统误差及样品非均质性的影响，推测储层条件下3 种介质对页岩抗压强度影响均较小。

图12 三轴抗压强度随浸泡时间变化曲线Fig.12 Triaxial peak of compressive strength varying with immersion time

3.3.3 浸泡时间对抗拉强度的影响

整体上3 种介质处理后随着浸泡时间的增长，抗拉强度逐渐减小，其中，超临界CO2对页岩抗拉强度弱化程度最低，液态CO2次之，滑溜水对页岩抗拉强度的影响最大，浸泡120 h 后，抗拉强度降低幅度分别为37.8%、60.6%、71.5%；但在作用初期（24 h 内）液态CO2与滑溜水的弱化程度相当（图13）。

图13 抗拉强度随浸泡时间变化曲线Fig.13 Tensile strength varying with immersion time

3.4 分析与讨论

超临界CO2具有低黏度、高密度特点，拥有极强的扩散和溶解性，易萃取小分子量物质，能够萃取页岩中的部分有机质[19]，使有机质自身结构或有机质与其他矿物之间形成的固有结构发生变化；此外，超临界CO2与页岩中的束缚水结合后会形成酸性流体，可以溶解某些矿物或对其产生沉淀作用[20-21]，从而引起页岩微观结构的改变，而页岩微观结构的改变势必影响其宏观物性特征，比如孔渗及岩石力学特征等。与超临界CO2相比，液态CO2与页岩中的水分结合后同样具有溶蚀能力，虽然其萃取效应较弱，但液态CO2的温度较低，可使页岩中的水分冷凝结晶，产生膨胀致裂作用，改变页岩微观结构。

CO2浸泡不同时间后单轴压缩条件下页岩的泊松比呈增大趋势，这与相关实验结果一致[22]，具体原因比较复杂，可能是由页岩吸附CO2后实验样品纵横向的膨胀程度差异引起，还有可能是页岩样品纵向层理（缝）较多，CO2进入后导致这些层理（缝）结构被提前破坏，在压缩实验时容易率先产生横向的剪切滑移，而这种微量的剪切滑溜容易被算入横向应变中去，即表现为横向应变增大，故泊松比有增大的现象。在三轴压缩条件下微量的剪切滑移被限制，而页岩与处理介质接触越久，其微观结构被破坏得越多，纵向上的弱支撑空间会增多，因此，压缩时纵向应变会较未处理的样品更大，故泊松比有减小的趋势。弹性模量整体有减小的趋势，可能与压密阶段的应变变长有关[14，23]。

超临界CO2及液态CO2对页岩岩石力学特征参数的影响，归根结底是超临界CO2及液态CO2作用后页岩改变了页岩的微观结构。在岩石力学实验加压的初始阶段，页岩应变主要来自孔裂隙的压密，经过超临界CO2及液态CO2作用后的页岩微观孔隙空间增大，因此，处理后的页岩样品在压密阶段的应变较长[24]，在相同应力条件下弹性模量将减小。此外，页岩富含纳米级孔隙，具有较强的气体吸附能力，页岩吸附CO2后会产生膨胀性形变，不同矿物间的差异性膨胀会产生微裂纹，这些微裂纹显然会减弱页岩的力学强度，使其呈现多种变形破坏特征。