頁巖吸附二氧化碳變形特性試驗研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了頁巖吸附二氧化碳變形特性試驗研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《煤炭學(xué)報》2015年第S2期

摘要:

選取四川省宜賓市下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，基于自主研發(fā)的“高溫高壓頁巖吸附膨脹儀”，開展了恒溫條件下頁巖吸附不同壓力CO2的變形試驗，以此探討頁巖吸附CO2的變形規(guī)律。試驗結(jié)果表明:頁巖吸附CO2的變形以膨脹變形為主，隨CO2壓力的增加，頁巖膨脹變形量呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，在不同CO2壓力作用下頁巖的膨脹變形可以用超臨界DR(SDR)模型的形式進行描述;頁巖在不同壓力CO2的作用下具有相似的變化趨勢，即變形均經(jīng)歷3變形階段:短暫壓縮階段，緩慢膨脹階段，變形穩(wěn)定階段;頁巖吸附變形體現(xiàn)出明顯的方向性，即垂直層理比平行層理的變形量大。

關(guān)鍵詞:

頁巖;吸附;超臨界二氧化碳;膨脹

針對我國頁巖氣儲層黏土含量高［1］的特征，學(xué)術(shù)界［2］提出利用CO2代替水進行壓裂，這種方法不僅可以強化頁巖氣開采(EGR)［3］，還可以利用頁巖的吸附能力對CO2進行封存。注入CO2后，頁巖吸附CO2［4－5］會引起頁巖表面勢能降低，導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生一定的膨脹［6］。這種膨脹不僅會對使用體積法測量頁巖吸附量產(chǎn)生誤差，影響對儲層封存能力的判斷;還會在使用CO2代替水進行壓裂時，對儲層產(chǎn)生一定的變化，使已壓開的裂紋閉合(孔隙度降低)，引起儲層滲透率降低，從而影響頁巖氣井的產(chǎn)量。因此，開展頁巖吸附CO2變形的研究具有一定的意義。Busch等［7］采用澳大利亞頁巖樣品進行CO2浸泡，實驗發(fā)現(xiàn)CO2對頁巖的孔隙度有一定的改變。Kumar等［8］分別使用CO2，CH4，He測量了Mrcellus頁巖的滲透率，間接證明了頁巖吸附CO2會產(chǎn)生了一定的膨脹。但是，針對頁巖吸附CO2膨脹變形規(guī)律的研究鮮有報道。因此，筆者選取四川盆地龍馬溪組頁巖，采用自主研發(fā)的“高溫高壓頁巖吸附膨脹儀”，擬開展恒溫條件下頁巖吸附不同壓力CO2的變形實驗，以此探討頁巖吸附CO2的變形規(guī)律。

1頁巖樣品特征

試驗所用的樣品取自四川省宜賓市下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖。已有研究表明，四川盆地龍馬溪組黑色頁巖是一套富含有機質(zhì)的烴源巖，能較好地代表南方龍馬溪組頁巖氣儲層特征［9］。前期實驗測試得出樣品的鏡質(zhì)組反射率(Ro)和有機碳含量(TOC)分別為2.54%和3.45%，在頁巖氣藏產(chǎn)生最有利條件范圍(3%≥Ro≥1%，TOC含量≥2%)內(nèi)［10］。樣品的孔隙特征測試采用PoreMater－33全自動壓汞儀，充汞壓力為7.9～124110.0kPa，樣品數(shù)為20個。頁巖樣品的孔隙度為1.56%～10.56%，平均孔隙度為3.91%，孔徑大部分在1～50μm(圖1)。

2實驗裝置及方法

2.1樣品制備使用取芯設(shè)備鉆取原巖巖芯，然后切割加工成尺寸為50mm×100mm圓柱體試件，選取3塊表觀完整，無肉眼可見裂縫的樣品，依次用60，120，20，600，2000，3000目的砂紙將其表面打磨光滑。最后放入干燥箱，溫度調(diào)至80℃干燥24h，冷卻后用保鮮袋密封保存?zhèn)溆?圖2)。

2.2試驗設(shè)備試驗采用自主研發(fā)的“高溫高壓頁巖吸附膨脹儀”，如圖3所示，該裝置主要由水浴恒溫系統(tǒng)、主體實驗系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5部分組成。水浴恒溫系統(tǒng)的控溫精度是±(0.02～0.05)℃，控溫范圍為－5～95℃。在恒溫水浴內(nèi)設(shè)有加熱管、溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)器，且在該恒溫水浴內(nèi)設(shè)有循環(huán)水泵，保證加溫的均勻性。主體實驗系統(tǒng)由吸附槽、參比槽、溫度傳感器(美國Omega公司、PR－21系列、精度為±0.15℃)、壓力傳感器(美國Omega公司、PX－409系列、量程為0～24.13MPa，精度為滿量程的0.03%)、管線和閥構(gòu)成，該系統(tǒng)設(shè)計壓力為24MPa。主體實驗系統(tǒng)全部放置在恒溫水浴內(nèi)，實驗氣體在參比槽內(nèi)進行恒溫、穩(wěn)壓處理后進入吸附槽。溫度傳感器放置在參比槽內(nèi)，壓力傳感器通過管線與參比槽相連。增壓系統(tǒng)采用美國Teledyne公司的ISCO260D雙柱塞增壓泵，最大可提供51.7MPa的壓力，該泵進氣端接氣瓶，出氣端通過管線和閥連接參比槽。目前測量吸附變形的實驗手段主要有3種:光學(xué)法，引伸計，應(yīng)變儀。光學(xué)法精度最高、應(yīng)變儀次之、引伸計精度最差。但是，光學(xué)法樣品較小，代表性比較差，而Ferian等［11］使用應(yīng)變儀測量了煤體的吸附變形量，得到了良好的實驗結(jié)果。因此，本實驗系統(tǒng)的應(yīng)變測量系統(tǒng)采用東華的DH3818應(yīng)變儀，量程為±19999×10－6，在0～50℃條件下的應(yīng)變測量準(zhǔn)確度為示值的0.5%，時間零點漂移≤3×10－6/2h，溫度漂移≤1×10－6/℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機、LabVIEW虛擬儀器平臺、各類傳感器和DH3818應(yīng)變儀組成。該設(shè)備使用體積法測量樣品的吸附量，測量原理參照文獻(xiàn)［12］。參比槽使用滴水法標(biāo)定，自由空間使用He標(biāo)定。He和CO2的壓縮因子分別采用文獻(xiàn)［13－14］提供的狀態(tài)方程進行計算。

2.3試驗方法和方案本試驗采用純度為99.95%的CO2氣體。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，高有機質(zhì)頁巖的儲層壓力普遍在15MPa左右［15］，且儲層溫度高于CO2的臨界溫度。故筆者選取35℃的試驗溫度，CO2壓力從0逐步加到15MPa，共設(shè)置9個壓力測試點，每個壓力測試點的平衡時間不少于24h。具體試驗步驟如下:(1)使用氦氣對整個系統(tǒng)進行24h的氣密性檢查，要求在24h內(nèi)氣體壓力的改變值不能超過壓力傳感器的精度;(2)用工業(yè)無水酒精清洗樣品表面，然后采用OmegaSG496工業(yè)膠水將應(yīng)變片貼在樣品表面，為了避免偶然誤差，每個樣品沿軸向(垂直于層理)和徑向(平行于層理)各貼2片，共4片，如圖3所示;(3)將樣品安裝在吸附槽內(nèi)，連接好管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);(4)打開恒溫水浴加溫至35℃并保持該溫度。在此過程中，由于熱應(yīng)力的作用造成樣品產(chǎn)生一定量的膨脹，因此，當(dāng)應(yīng)變儀顯示樣品變形穩(wěn)定時，表明消除了溫度對頁巖變形的影響;(5)打開真空泵，對系統(tǒng)進行12～24h的真空處理。在此過程中，由于負(fù)壓的作用造成孔隙和裂隙產(chǎn)生一定量的閉合，引起樣品發(fā)生一定量的收縮，因此，當(dāng)應(yīng)變儀顯示樣品變形穩(wěn)定時，表明抽真空已完成;(6)開始進行吸附－變形試驗，步驟參照文獻(xiàn)［12］。

3試驗結(jié)果分析及討論

3.1CO2壓力對頁巖變形的影響實驗系統(tǒng)測定樣品吸附CO2的等溫吸附曲線如圖4所示。可見，在CO2臨界壓力以下，樣品吸附CO2比較接近Ⅰ型等溫曲線，吸附量絕對值隨CO2壓力增加而增大，吸附量增加速率隨CO2壓力增加而減小;當(dāng)CO2壓力超過臨界壓力時，CO2逐漸發(fā)生相變。根據(jù)文獻(xiàn)［14］給出的CO2狀態(tài)方程可以了解，在這個階段CO2的密度將劇增，由Gibbs定義的過剩吸附量可知，當(dāng)CO2壓力達(dá)到某一值，引起CO2密度隨CO2壓力的增長速率與主題相密度隨CO2壓力的增長速率相近時，吸附等溫線出現(xiàn)最大值;繼續(xù)升高CO2壓力，吸附等溫曲線下降。這與Pongtorn等［16］的研究結(jié)論一致。采用文獻(xiàn)［17］的方法，根據(jù)式(1)將線應(yīng)變轉(zhuǎn)換為體積應(yīng)變，得到頁巖吸附CO2的體積應(yīng)變曲線，如圖5所示。式中，ε為體積應(yīng)變;ε1為軸向應(yīng)變;ε2為徑向應(yīng)變，壓縮為負(fù)值，膨脹為正值。由于頁巖吸附CO2，造成頁巖表面勢能降低，基于能量守恒原理可認(rèn)為這部分勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閹r體彈性能，從而導(dǎo)致巖體膨脹［17］。由試驗可知樣品存在一個最大吸附量，也就存在一個最大膨脹應(yīng)力，而在試驗中，CO2壓力是不斷增加的，所以，如圖6所示，樣品在CO2壓力與吸附膨脹應(yīng)力的共同作用下，隨CO2壓力的增加，頁巖體積應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。CO2壓力在4MPa時，3個樣品的體積應(yīng)變分別達(dá)到其最大體積應(yīng)變的90.24%，94.02%，82.67%;CO2壓力在6～8MPa達(dá)到其最大體積應(yīng)變，分別為0.166%，0.160%，0.147%;CO2壓力在15MPa左右時，樣品體積應(yīng)變在趨于穩(wěn)定，分別為0.115%，0.1291%，0.138%，分別是最大體積應(yīng)變的69.27%，80.33%，93.43%。由于高質(zhì)量頁巖層的初始含水飽和度不會超過45%［19］。因此，文獻(xiàn)［18］采用四川盆地不同初始含水率的頁巖進行吸附去離子水的實驗，得到樣品的膨脹量為0.358%～0.565%(圖6)。與文獻(xiàn)［18］的實驗結(jié)果相比，本次頁巖樣品吸附CO2產(chǎn)生的最大膨脹量為前者的1/4～1/3，表明采用CO2代替水進行頁巖儲層改造可有效抑制頁巖膨脹。

3.2頁巖吸附CO2膨脹變形的描述目前，學(xué)術(shù)界對樣品的吸附膨脹變形進行了大量的描述，但是幾乎都是研究煤的。吳世躍［20］、周軍平［21］、Pan［22］等基于能量守恒原理，在吸附量和變形量線性相關(guān)的前提下，假設(shè)煤樣的吸附服從Langmuir模型，推導(dǎo)了吸附膨脹模型，該模型需要較多參數(shù)，使用起來比較復(fù)雜;而Levine［23］直接采用Langmuir吸附模型的形式對煤樣吸附低壓CO2的變形進行高質(zhì)量的擬合，說明吸附模型的形式是可以直接對吸附變形進行描述的。現(xiàn)有關(guān)于吸附膨脹的研究都是假設(shè)樣品吸附服從Langmuir模型，而實際上Langmuir模型無法較好的描述6MPa以上CO2的吸附情況。這是由于Lang-muir模型無法描述CO2的相變，而超臨界DR模型(SDR)［24－25］卻能夠通過引入密度對CO2超臨界吸附進行描述。超臨界DR模型是在常規(guī)DR模型上建立的，常規(guī)DR模型如式(2)所示。由表2和圖7可知，式(5)能很好地描述頁巖吸附CO2的膨脹變形。

3.3頁巖變形與時間的關(guān)系圖8為樣品35－1的線應(yīng)變與壓力和時間的關(guān)系曲線，從圖8可以看出頁巖在不同CO2壓力的作用下具有相似的變化趨勢，即變形均經(jīng)歷3個變形階段:短暫壓縮階段;緩慢膨脹階段;變形穩(wěn)定階段。如圖9所示，以1.98MPa測試壓力點為例對這3個變形階段進行分析。(1)短暫壓縮階段。由于在該階段只有少量CO2通過大孔和一部分裂隙進入中孔和微孔發(fā)生吸附，樣品在短時間內(nèi)發(fā)生吸附膨脹量比較小，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力還不足以平衡氣體壓力產(chǎn)生的圍壓，因此，在此階段，樣品的變形主要是CO2圍壓的作用，且從圖9可以看出這種壓縮變形在CO2壓力加載瞬間即完成。(2)緩慢膨脹階段。在這個階段，隨著時間的增加，一方面樣品緩慢的吸附CO2，使樣品的孔隙表面勢能降低，表面層厚度增大，同時游離CO2進入孔隙和裂隙，促使體積增大，從而使樣品產(chǎn)生膨脹變形;另一方面，在壓力的作用下CO2氣體擠開進入大于或等于其本身分子尺度的裂隙，使樣品發(fā)生膨脹變形。在這一過程中，應(yīng)變量的絕對值隨時間而變大，應(yīng)變速率隨時間而減小。(3)變形穩(wěn)定階段。當(dāng)樣品吸附CO2逐漸接近飽和，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力和CO2的圍壓相平衡時，樣品的變形趨于穩(wěn)定。

3.4頁巖吸附變形的各向異性如圖8所示，頁巖樣品的軸向(垂直層理方向)應(yīng)變和徑向(平行層理方向)應(yīng)變在整體變化趨勢上呈現(xiàn)一致性，但是在變形量上表現(xiàn)出了顯著的方向性，垂直層理的應(yīng)變比平行層理的應(yīng)變大，即頁巖吸附變形具有各向異性。為了進一步反映這種變形的各向異性，計算了本次試驗中3個樣品在不同壓力下的應(yīng)變差(軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的差值)，結(jié)果見表3。出現(xiàn)這種各向異性的原因即在于頁巖是含有石英、鈉長石、白云母等大量硅酸鹽的沉積巖，具有薄片層狀的節(jié)理，其中的孔隙、裂隙主要沿平行層理方向發(fā)育，而頁巖吸附膨脹主要是孔隙及裂隙變形、體積增大或表面層增厚，因此這些變形主要反映在垂直孔隙、裂隙延展的方向上［17］。

4結(jié)論

(1)頁巖吸附CO2的變形主要以膨脹變形為主，隨CO2壓力的增加，頁巖膨脹變形量呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，最大膨脹變形量為1.478×10－3～1.66×10－3，為頁巖吸附去離子水產(chǎn)生膨脹變形量的1/4～1/3，表明采用CO2代替水進行頁巖儲層改造可有效抑制頁巖膨脹。(2)在CO2壓力作用下頁巖的膨脹變形可以采用引入CO2密度的超臨界DR(SDR)模型的形式進行描述。(3)頁巖在不同CO2壓力的作用下具有相似的變化趨勢，即變形均經(jīng)歷以下3個變形階段:短暫壓縮階段;緩慢膨脹階段;變形穩(wěn)定階段。(4)頁巖在垂直層理和平行層理的吸附變形具有類似的變化趨勢，但是在變形量上有明顯的方向性，即垂直層理比平行層理的變形量大。

展望:本文僅開展了相同溫度條件下頁巖吸附變形試驗。下一步計劃進行不同溫度條件下頁巖吸附變形試驗，以此建立頁巖吸附變形模型，揭示頁巖吸附變形機理。

作者：敖翔 盧義玉 湯積仁 黃飛 廖引 賈云中 單位：重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室 重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室