海/陆相页岩微观力学性质压痕测试研究

页岩微观力学性质对页岩油气储层钻井、完井、压裂改造具有关键影响。利用X射线衍射、微观结构扫描电镜及压痕测试等手段对四川盆地海相页岩和内蒙古石拐盆地陆相页岩进行研究,结果表明：海相页岩由石英、方解石、白云石及黄铁矿等自生矿物组成,微观结构较为致密,维氏硬度平均值为2.43 kN/mm²,岩石坚硬、刚度大,储层破裂压力较高;陆相页岩由石英、钠长石、高岭石和蒙脱石等外源矿物组成,黏土矿物含量高是其显著特征,粒间孔隙发育,结构相对疏松,其维氏硬度平均值为0.80 kN/mm²,储层破裂压力较低。海相页岩不同方向上压痕位移差异大,易形成辐射裂缝(纹),其脆性强,储层压裂可采取低裂缝净压力以减小裂缝后期回弹;而陆相页岩不同方向上压痕位移相似且不易形成辐射裂缝,其脆性弱,储层压裂可考虑高裂缝净压力加载,以保障压裂裂缝残余宽度。     

页岩注入超临界CO2渗流及增透实验

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。     

CO2-水作用下页岩微观孔隙结构变化特征

为明确注CO₂提高页岩气开采过程中CO₂与水作用后对页岩微观孔隙结构的影响，采用X射线衍射、低温N₂吸附和低场核磁共振等实验方法，研究了原始页岩及纯盐水、注入压力为6和12 MPa的CO₂水溶液浸泡后页岩的矿物组成、孔径分布和微观孔隙结构变化特征，并结合分形理论，获取了孔表面和孔体积的分形特征，明确了页岩中吸附孔隙和渗流孔隙的变化特征。结果表明：CO₂水溶液浸泡后，页岩中石英含量增大，黏土矿物和碳酸盐含量降低；随着CO₂注入压力的增加，微孔比表面积和总比表面积减小，平均孔径、核磁孔隙度和大孔孔体积比例增大，表明在CO₂水溶液的溶解作用下微孔和介孔逐渐向大孔转化；低温N2吸附和核磁共振(NMR)获得的分形维数均随CO₂注入压力的增加逐渐降低，表明页岩在CO₂水溶液浸泡后孔隙结构的非均质性和复杂性降低；孔表面分形维数DL1、DN1和孔体积分形维数DL2、DN2与总比表面积和总孔质量体积呈正相关性...     

页岩储层超临界CO2压裂液滤失规律实验研究

压裂施工过程中,压裂液的滤失量是影响压裂裂缝几何形态和压裂效果的主要因素,但目前中国还没有对页岩储层超临界CO₂压裂液滤失规律实验方面的报道。因此,结合中国典型页岩气储层特征,研究了非线性滤失条件下,不同初始相态的CO₂压裂液在地层岩心中的滤失规律,在此基础上分析了CO₂压裂液滤失规律的主要影响因素,以及不同实验条件下CO₂压裂液的滤失机理。实验结果表明,CO₂压裂液的滤失规律受注入压力、压差、裂缝开启度及压裂液黏度等因素的影响,随着注入压力、压差、裂缝开启度的增大,CO₂压裂液滤失速率增大;不同滤失实验条件下,影响CO₂压裂液滤失规律的主导因素不同,当CO₂压裂液处于超临界状态(7.38 MPa,31.1℃)时,由于黏度较大,超临界CO₂压裂液的滤失系数相对较小。      

页岩油储集层二氧化碳吞吐纳米孔隙原油微观动用特征

采用低温氮气吸附实验分析页岩岩样孔径分布、比表面积和孔体积等参数,进而对弛豫时间(T₂)与孔径间的转换系数进行标定,在此基础上开展了页岩 CO₂吞吐核磁共振实验,从微观尺度研究了注气压力、焖井时间和裂缝对页岩孔隙中原油动用特征的影响,定量评价了孔径小于等于 50 nm 的小孔和孔径大于 50 nm 的大孔的动用程度。结果表明：非混相条件下大孔中原油的采出程度随注入压力的增加快速升高,混相条件下注入压力的增加对大孔采出程度的影响减弱;无论是否混相,小孔中原油的采出程度随注入压力的增加基本保持线性增长,且随着注气压力的增大,CO₂可动用孔径下限不断降低;随着焖井时间的增加,大孔中原油的采出程度增速逐渐降低,小孔中原油的采出程度增速呈先升后降趋势,实验条件下最佳焖井时间约为 10 h;裂缝的存在能够大幅提高小孔和大孔中原油的采出程度。     

泥页岩稳定性的化学与力学耦合研究综述

泥页岩井壁失稳的化学与力学耦合作用是井壁稳定性研究中较为关注的问题。笔者对近年来国内外在这方面的研究现状进行了分析研究，将其理论与研究方法大致分为以下4类进行了详细的讨论：泥页岩内水的传输机理；总吸附水相关注；等效孔隙压力法；总水势的增量弹性理论。通过分析认为，在钻井液－页岩体系中，水和离子在水力压差和活度差的作用下进入（流出）页岩，从而影响井眼附近应力分布和页岩物性。这种影响可以粗略地通过渗透压或含水量的方式定量计入井壁稳定性力学分析中。然而，虽然泥页岩水化的力学与化学耦合研究已经开始，但由于问题的高度复杂性，已有的研究成果相互之间并不一致，而且每种理论和方法都有明显的缺陷，尚需更为副近真实的理论基础和进一步深化的机理研究。     

层理性页岩岩石力学特性数值模拟

为了探究层理性页岩在不同层理条件下的力学性质,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,基于岩石破裂过程分析系统RFPA^2D数值模拟软件,模拟了在不同层理密度、层理角度的情况下,页岩的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗张强度和断裂韧性的变化。随着页岩层理密度的增大,抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均出现不同程度减小,而泊松比呈现增大趋势;在层理密度不变的条件下,随着层理角度的增加,页岩的抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均呈现先减小再增大的趋势,而泊松比则先增加后减小。其中,抗压强度和弹性模量在层理角度约40°时出现最小值,抗张强度在层理角度约20°时出现最小值,断裂韧性在层理角度约30°时出现最小值。研究结果表明：层理密度、层理角度均对页岩的破坏形式和力学性质具有显著影响,且随着层理条件的改变,页岩的抗压强度、抗张强度、弹性模量和断裂韧性变化趋势相同,泊松比变化趋势则相反。     

泥页岩水化对岩石力学参数的影响

根据泥页岩吸水扩散系数测试方法,在模拟井下温度和压力条件下,测定了现场泥页岩岩心在不同钻井液体系中的吸水率,计算了泥页岩吸水扩散系数,并通过泥页岩水化前后岩石弹性模量、内摩擦角、粘聚力及岩石强度的变化,揭示了钻井液在泥页岩地层中的渗透运移规律,为保证现场正常钻进及井壁稳定提供了一定的理论依据。     

页岩储层的岩石力学特性

页岩储层岩石具有基质致密,微裂隙、层理面发育,岩石性脆等非常规地质特征,其力学性质与一般的致密砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石力学性质,利用MTS多功能岩石力学实验系统对取自四川盆地某区的M组页岩开展了三轴、单轴、巴西力学实验。结果表明：页岩岩石三轴平均抗压强度为265.75 MPa,平均杨氏模量为4.59×10⁴ MPa,平均泊松比为0.25,属于中硬地层;单轴垂向取样抗压强度（151.92 MPa）是水平取样抗压强度（为69.18 MPa）的2.2倍;页岩抗张强度较低,平均为2.94 MPa。综合分析页岩储层脆性指数后认为,M组页岩属于脆性岩石,储层脆性指数均超过50,有利于对页岩储层进行大型水力压裂;压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式,压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。     

纳米压痕技术在页岩力学性质表征中的应用进展

近年来,随着力学测试技术的不断发展,微观材料科学研究中广泛应用的纳米压痕技术被引入到页岩研究领域,成为测试页岩表面微观力学性质的重要手段.从微观视角去研究页岩的力学性能已成为当下的研究热点之一.为此,梳理了页岩样品的制备方法和压痕试验制度对测试结果的影响,详细论述了纳米压痕技术在页岩中微观力学和蠕变性能表征方面的应用现...     

超临界CO2/H2O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验研究

针对页岩储层压裂后一次衰竭开发原油采收率低的问题,基于页岩储层的低孔、超低渗透特征,提出了超临界CO2/H2O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验方法。通过自主设计的室内岩心实验评价超临界CO2/H2O混合流体吞吐页岩油的效果,并对实验过程中注入介质、焖井时间、注入压力、吞吐轮次对提高采收率的影响规律进行研究,同时通过核磁共振技术明确超临界CO2/H2O混合流体对不同孔隙类型中原油的动用程度。结果表明：超临界CO2/H2O混合流体吞吐可以有效提高页岩油采收率;对于物性较差的页岩岩心,焖井时间对提高采收率有较大影响;注入压力与超临界CO2/H2O混合流体的扩散速度和渗流能力密切相关,混相条件下提高采收率效果显著;增加吞吐轮次大孔隙中的原油动用效果较好,但无法通过增加吞吐轮次动用更多微小孔隙中的原油。     

含裂缝的硬脆性泥页岩理化及力学特性研究

硬脆性泥页岩的理化及力学特征对深入研究深部地层泥页岩井壁稳定机理、裂缝性泥页岩漏失等问题具有至关重要的意义.采用泥浆化学、微观结构扫描及岩石力学试验手段,对某工区易失稳泥页岩地层的理化及力学特性进行了系统的研究和分析.结果表明,该工区泥页岩属于硬脆性泥页岩,粘土矿物以伊利石为主,基本不含蒙脱石,具有低膨胀易分散的特性,...     

地层水物化作用下的泥页岩破裂压力计算

钻井过程中,钻井液与井壁围岩的接触产生水化作用会导致井壁围岩变形,引发井壁缩颈坍塌、破裂等事故。根据弹塑性力学和岩石力学相关理论,应用最大张应力准则,在黄氏模型的基础上考虑了钻井液在岩石孔隙中的渗流而在井壁围岩所产生的附加应力场、岩石的孔隙度和钻井液水化作用的影响,建立了泥页岩破裂压力模型,结合现场压裂实验数据和不同含水率泥页岩岩心三轴压缩实验结果,计算得到了泥页岩破裂压力的预测值、泥页岩含水率与抗张强度和破裂压力的关系曲线。结果表明：本文模型预测值和实测值相比,误差为3.65%,更加接近实测地层破裂压力,破裂压力和抗张强度均随着含水率的升高而降低,说明水软化了泥页岩,降低了它的力学性能。     

考虑水化损伤作用的页岩动态自吸模型

页岩自吸作用是影响其钻井、压裂等工程措施的重要基础现象。不同于砂岩、碳酸盐岩地层,页岩黏土矿物发育,水相介质侵入页岩后与黏土接触诱发水化结构损伤,促进自吸。因此,若忽略自吸过程中的水化损伤,不符合页岩实际吸水状态,从而影响钻完井工程设计。为此,基于室内试验手段,建立了水化结构损伤定量表征方法,并以水化损伤演变规律为依据,在建立动态自吸毛细管力与动态迂曲度计算公式的基础上,构建了页岩动态自吸模型。页岩动态自吸模型预测的自吸曲线与实际自吸曲线吻合程度较好,验证了所构建模型的准确性。利用所构建的页岩动态自吸模型系统分析了影响页岩动态自吸的因素,结果表明,水化作用对页岩自吸具有显著促进作用。在强水化作用下,页岩孔隙度增大、迂曲度降低,具备更强的驱动力与更小的流动阻力,导致自吸量与自吸速率明显增大,表明水化损伤是影响页岩自吸的主要因素。研究结果深化了对页岩自吸机制的认识,为页岩地层钻完井工程制定合理技术措施提供了理论依据。     

二氧化碳-水-岩作用机理及微观模拟方法研究进展

系统综述CO₂-水-岩复杂作用机理、多孔介质反应输运(溶解、沉淀及沉淀运移)微观模拟、CO₂-水-岩系统微观模拟3个方面的研究进展,指出目前研究存在的主要问题并提出了关于未来研究方向的建议。CO₂注入储集层后,不仅存在常规渗流体系的流动和传质作用,还会产生溶解、沉淀及沉淀运移等特殊物理化学现象,其耦合作用导致多孔介质的孔渗参数变化规律复杂。孔隙尺度的微观渗流模拟,可以得到孔喉三维空间内的详细信息,且能显性观察到多孔介质流-固界面随反应的变化。目前研究主要在复杂作用机理解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征(晶体成核和矿物脱落)、沉淀-流体相互作用模拟方法、多物理化学过程耦合渗流机制等方面存在局限。未来研究中,需要创新实验方法对“溶解—沉淀—沉淀运移”解耦合,提高矿物地球化学反应相关参数实验测试的准确度,在不同沉淀机理可靠表征的基础上,建立沉淀-流体相互作用模拟方法,并有机耦合各个物理化学过程,最终实现对CO₂-水-岩系统中“溶解—沉淀—沉淀运移”的耦合渗流模拟。     

单轴压缩下页岩的声发射特征研究

随着社会对能源需求的日益增长,页岩气作为一种新型清洁能源受到全球热点关注。本文以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,通过对页岩进行了单轴压缩条件下声发射试验,并使用MATLAB对页岩的累积能量进行统计分析,研究了页岩的力学特性和声发射特征。研究结果表明:(1)通过单轴压缩试验,得到的页岩峰值强度在125.34 MPa~147.80 MPa,弹性模量在4.09 GPa~6.73 GPa。(2)单轴压缩下,页岩的声发射计数、累计能量与其应力之间具有良好的关联性。(3)页岩的声发射能量分布服从幂减定律p(E)~E~(-γ),γ的分布主要集中在0.5附近。     

超临界CO_2射流特性数值模拟研究

在利用超临界CO_2射流开采非常规油气资源过程中,工况参数的变化对超临界CO_2射流作业效果有较大影响。为揭示参数变化对超临界CO_2射流特性的影响规律,利用计算流体力学方法模拟了不同喷嘴直径、注入排量、围压和流体温度下超临界CO_2射流特性并进行了对比分析。研究结果表明:喷嘴直径和注入排量对超临界CO_2射流冲击性能的影响明显强于围压和流体温度;超临界CO_2射流等速核长度随喷嘴直径、注入排量和温度的增加而增加,随围压的增加而减小,但围压的增加也使超临界CO_2射流流体密度增大,有利于射流冲击作业;围压和流体温度对超临界CO_2淹没射流和淹没水射流速度特性的影响存在明显差别。研究结果进一步加深了对超临界CO_2射流特性的认识,为超临界CO_2射流技术在钻井和喷射压裂作业中的应用提供了理论参考。     

超临界CO2作用下无烟煤结构响应特征及高压吸附机理

中国深部煤层气资源丰富,将CO₂注入深部煤层,在提高煤层气采收率同时,还可实现CO₂地质封存(CO₂-ECBM)。通常,深部煤层CO₂处于超临界态并显著影响煤体吸附能力,但对于超临界CO₂作用下煤体结构演化及吸附机理尚不清晰。为此,以山西晋城成庄矿二叠系山西组三号煤层为研究对象,开展了无烟煤对超临界CO₂的高压吸附实验,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射光电子能谱(XPS)测试及比表面积(BET)测试,分析了超临界CO₂高压吸附引起的无烟煤化学结构与孔隙结构响应特征,最后揭示了无烟煤对超临界CO₂的高压吸附特性及吸附机理。研究结果表明：(1)超临界CO₂高压吸附存在突变点,35℃时突变点位于临界压力(8 MPa)附近,在突变点处的吸附能力最小;(2)超临界CO₂可使芳香环枝接官能团、醚氧键、羟基氢键断裂,脂肪结构甲基脱落,可为CO₂提供...     

超临界CO2协助聚烯烃功能化接枝改性的研究进展

综述了超临界CO2(SC-CO2)协助聚烯烃后功能化接枝改性过程中的溶胀条件和渗透机理。SC-CO2协助固相接枝技术能明显改善接枝产物的均匀性,使后处理工艺简单,是很有发展前景的聚烯烃功能化改性的方法。     

超临界二氧化碳+水交替驱注入井极限关井时间计算

针对超临界CO₂+水交替驱注入井在关井之后形成水合物冻堵段的问题,采用数值模拟和室内实验方法,计算了注入井的极限关井时间。结果表明：在后注水的情况下,地层内CO₂会向注入井端发生反向扩散,CO₂反向扩散到井底的时间为1.6～32.3d,射孔孔眼内的扩散时间为1.0～4.5d;后注气时,极限关井时间主要受渗透率、累计注气量、地层深度影响,极限关井时间为20.0～30.0d;CO₂水合物生成的诱导时间一般低于30min,远低于后注水和后注气时井筒内CO₂和水进入到冻堵位置的时间。该研究结果对CO₂驱的广泛应用具有重要意义。