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二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性

二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性

作者：呂橋
出版社：科學(xué)出版社出版時間：2022-01-01
開本： 16開 頁數(shù)： 150
中 圖 價:¥47.6(7.0折) 定價  ¥68.0 登錄后可看到會員價
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二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性 版權(quán)信息

二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性 內(nèi)容簡介

《二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性》介紹作者近年來有關(guān)CO2等流體作用下頁巖力學(xué)特性變化規(guī)律方面所取得的研究成果，著重討論CO2等不同流體與頁巖的相互作用，不同流體分別是：水和鹽溶液、亞臨界/超臨界CO2、亞臨界/超臨界CO2+水、亞臨界/超臨界CO2+NaCl溶液。通過單軸壓縮和三軸壓縮試驗獲得不同浸泡條件下頁巖力學(xué)特性的變化規(guī)律，并建立不同流體作用下頁巖的統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型；通過SEM+EDS試驗和CT掃描試驗獲得不同流體浸泡后頁巖微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；基于多重分形理論獲得頁巖受壓變形過程中裂隙的擴展規(guī)律。

二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性 目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 工程背景及意義 1
1.2 研究進展 3
1.2.1 頁巖力學(xué)特性研究進展 3
1.2.2 流體對頁巖力學(xué)特性影響研究進展 4
1.2.3 巖石損傷模型研究進展 6
1.3 本書的主要內(nèi)容 7
第2章 試樣準備與試驗方案 9
2.1 試樣準備 9
2.1.1 取心與篩選 9
2.1.2 試樣分析 10
2.2 試驗方案 10
2.2.1 頁巖的浸泡試驗 10
2.2.2 頁巖的微觀結(jié)構(gòu)試驗 14
2.2.3 頁巖的力學(xué)試驗 14
第3章 不同浸泡條件下頁巖的力學(xué)試驗 16
3.1 巖石變形力學(xué)特征概述 16
3.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 16
3.1.2 變形參數(shù)特征 17
3.1.3 擴容特征 17
3.1.4 強度準則 19
3.2 未經(jīng)浸泡頁巖的力學(xué)試驗 21
3.2.1 單軸壓縮試驗 21
3.2.2 三軸壓縮試驗 23
3.3 水和鹽溶液浸泡后頁巖的力學(xué)試驗 27
3.3.1 單軸壓縮試驗 27
3.3.2 三軸壓縮試驗 37
3.4 亞臨界/超臨界CO2 浸泡后頁巖的力學(xué)試驗 42
3.4.1 單軸壓縮試驗 42
3.4.2 三軸壓縮試驗 49
3.5 亞臨界/超臨界CO2+水浸泡后頁巖的力學(xué)試驗 53
3.5.1 單軸壓縮試驗 53
3.5.2 三軸壓縮試驗 59
3.6 亞臨界/超臨界CO2+NaCl 溶液浸泡后頁巖的力學(xué)試驗 64
3.6.1 單軸壓縮試驗 64
3.6.2 三軸壓縮試驗 69
第4章 不同浸泡條件下頁巖的微觀結(jié)構(gòu)變化 74
4.1 CO2 等溶液與頁巖之間的化學(xué)反應(yīng) 74
4.2 SEM 掃描試驗 74
4.2.1 亞臨界/超臨界CO2 浸泡前后的對比 75
4.2.2 亞臨界/超臨界CO2+水浸泡前后的對比 77
4.2.3 亞臨界/超臨界CO2+NaCl 溶液浸泡前后的對比 80
4.3 三維CT 掃描試驗 83
4.3.1 超臨界CO2 浸泡前后的對比 83
4.3.2 超臨界CO2+NaCl 溶液浸泡前后的對比 85
第5章 不同浸泡條件下頁巖的力學(xué)特性對比 87
5.1 單軸壓縮下力學(xué)特性的對比 87
5.1.1 單軸抗壓強度的變化規(guī)律 87
5.1.2 *大累積聲發(fā)射能的變化規(guī)律 89
5.2 三軸壓縮下力學(xué)特性的對比 91
第6章 不同浸泡條件下頁巖的損傷力學(xué)模型 94
6.1 巖石損傷力學(xué)理論基礎(chǔ) 94
6.1.1 損傷力學(xué)概述 94
6.1.2 巖石統(tǒng)計損傷力學(xué)模型 96
6.2 不同浸泡條件下頁巖損傷本構(gòu)方程及對比 101
6.2.1 不同浸泡條件下頁巖損傷本構(gòu)方程 101
6.2.2 對比分析 116
第7章 不同浸泡條件下頁巖力學(xué)試驗的分形 120
7.1 分形理論基礎(chǔ) 120
7.1.1 簡單分形 120
7.1.2 多重分形 121
7.2 不同浸泡條件下頁巖的簡單及多重分形 123
7.2.1 簡單分形 125
7.2.2 多重分形 127
參考文獻 139
編后記 151
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二氧化碳及其水/鹽溶液作用下頁巖的力學(xué)特性 節(jié)選

第1章 緒論 1.1 工程背景及意義 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球能源消耗總量急劇上升。雖然傳統(tǒng)的煤和石油仍為主要能源，但是天然氣所占的比重越來越大。作為人口大國的中國，天然氣在能源消耗中的比例仍然極低，依舊極大依賴傳統(tǒng)的高污染能源（圖1.1）。因此，大力開發(fā)并使用天然氣是兼顧經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的一個有效的方法。 圖1.1 世界能源消耗和中國能源消耗（Stats，2015） 頁巖氣是一種典型非常規(guī)致密氣藏。探測表明，中國擁有全世界*多的頁巖氣，約為36.1 萬億m3。我國《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》中提出“2020 年力爭實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量300 億m3”“2030 年實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量800～1 000 億m3”。然而，2020 年我國頁巖氣的產(chǎn)量僅200 億m3，因此頁巖氣高效開發(fā)是實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)的重要保障之一。 我國頁巖氣儲層致密、黏土礦物含量高，且富集區(qū)大多處于缺水地區(qū)。目前美國已擁有比較成熟的頁巖氣開采技術(shù)，主要采用水平井+ 多段壓裂技術(shù)（唐穎等，2011，2010），但若完全將該技術(shù)套用在我國則存在下列問題：一是耗水量巨大，單口頁巖氣井需要“千方砂萬方水”（1.5 萬～3.0 萬t 水），這對于我國水資源嚴重缺乏的西北及北方干旱半干旱地區(qū)無疑是一種挑戰(zhàn)，水資源的缺乏將嚴重制約這些地區(qū)頁巖氣的工業(yè)化開采（錢伯章等，2013；陳莉等，2012）；二是我國頁巖氣儲層含有黏土，水力壓裂液中的水分與頁巖層中的黏土礦物發(fā)生水化反應(yīng)，使黏土水化膨脹，傷害儲層，壓裂形成的體積改造效果差，導(dǎo)致單井頁巖氣產(chǎn)量普遍較低，且產(chǎn)量遞減快，采收率低（鄭力會等，2013）。因此，必須發(fā)展與我國頁巖氣賦存特點相適應(yīng)的新的開采技術(shù)。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO2 的溫度和壓力分別處于31.1 ℃和7.38 MPa 以上時，CO2 將達到超臨界態(tài)（supercritical phase）（Span et al.，1996）。超臨界CO2 流體的性質(zhì)介于氣體與液體之間，既有氣體的低界面張力和易擴散性，也有液體的高密度和溶解性好的特點，具有超強的流動、滲透和傳遞性能（表1.1）。因此，針對頁巖氣藏低孔、低滲、高吸附等特征及其復(fù)雜滲流現(xiàn)象，可利用超臨界CO2 的低界面張力和高密度特性，將其作為壓裂液及鉆采流體，保護儲層，置換頁巖氣，提高采收率，達到在強化頁巖氣高效開采的同時實現(xiàn)CO2 地下封存的目的，為我國頁巖氣高效開發(fā)開辟新途徑（Middleton et al.，2015 ；李根生等，2013；王海柱等，2011）。 表1.1 不同相態(tài)的CO2 物性特點 超臨界CO2 黏度低且無表面張力，具有較強的吸附驅(qū)替能力（李得飛，2012）。在開采過程中，隨著超臨界CO2 逐步滲入頁巖，頁巖的滲透性和膨脹性將發(fā)生改變，頁巖的強度也隨之發(fā)生改變。同時，超臨界CO2 與鉆井液及底層流體混合后，混合流體的組分及pH 會發(fā)生改變，這也會影響頁巖的物理特性。頁巖強度和膨脹性的變化會影響井壁穩(wěn)定性、射流壓裂增滲的效果及巖石中裂隙開閉等，而滲透性的變化會影響CO2 置換、驅(qū)替頁巖氣的效果。這些都直接影響了頁巖氣開采的效率。 盡管許多學(xué)者對頁巖的物理性質(zhì)（李慶輝等，2012；Vernik et al.，1992）及頁巖吸水后的物理性質(zhì)的變化做了很多研究（折海成等，2010；李天太等，2002； Hale et al.，1993），并取得了可喜的成果，但是對于頁巖吸附CO2 后物理性質(zhì)的變化，以及頁巖吸收地層流體或鉆井液并吸附CO2 后其物理性質(zhì)的變化的相關(guān)研究還很缺乏。為此，本書以試驗研究為主，結(jié)合地層環(huán)境特點，重點開展頁巖分別經(jīng)液體（主要為水和鹽溶液）、氣體（亞臨界/超臨界CO2）、亞臨界/超臨界CO2+ 水、亞臨界/超臨界CO2+NaCl 溶液中浸泡后力學(xué)特性的變化，同時采用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）和CT 掃描試驗從微觀角度揭示頁巖力學(xué)特性變化的機理，為超臨界CO2 強化頁巖氣開采和CO2 地質(zhì)封存提供實驗支撐。 1.2 研究進展 1.2.1 頁巖力學(xué)特性研究進展 對巖石力學(xué)特性的研究一般分為兩種：實驗室的樣品分析和測井解釋（Horsrud，2001）。測井解釋需要高精度的聲學(xué)設(shè)備，可獲得的數(shù)據(jù)有限。而實驗室的巖樣分析除了取心和試驗過程需要保持井底的應(yīng)力、溫度等，沒有高精度設(shè)備也能獲得較多數(shù)據(jù)。單軸壓縮和三軸壓縮測試作為*常用的兩種實驗室測試手段，已被廣泛運用于砂巖（李術(shù)才等，2014；Rathnaweera et al.，2014；Wasantha et al.，2013；Yang et al.，2012；Karakul et al.，2010）、黏土巖（Wang et al.，2014； Zhao et al.，2013；Cevik et al.，2011）、煤巖（Peng et al.，2015；Gonzatti et al.， 2014；Jin et al.，2013；劉愷德等，2013）及頁巖（Mishra et al.，2014；劉俊新等，2014；AL-Bazali，2013；Sarout et al.，2007）等力學(xué)特性的研究。 可作為頁巖氣勘探目標(biāo)的黑色頁巖是生成頁巖氣的源巖。作為一種沉積巖，黑色頁巖具有明顯的層理結(jié)構(gòu)（Johnston et al.，1995）。頁巖氣成藏后由于復(fù)雜地應(yīng)力、埋深、溫度等的影響，黑色頁巖具有各向異性（Blatt et al.，2006）。國外學(xué)者對黑色頁巖展開了大量試驗研究。Vernik 等（1992）研究了黑色頁巖的各向異性特征和聲學(xué)特性，結(jié)果表明，黑色頁巖的微裂隙結(jié)構(gòu)影響了其聲學(xué)特性和各向異性特征。Moghadam 等（2012）通過三軸壓縮試驗測試并用破壞準則分析了Hekkingen 頁巖的強度。Niandou 等（1997 ）對Tournemire 頁巖進行三軸壓縮測試，研究了其彈性變形、塑性變形和破壞特性。Masri 等（2014）采用三軸壓縮試驗研究了Tournemire 頁巖在不同圍壓和不同溫度下的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)溫度的升高會引起彈性模量和抗壓強度的降低。國內(nèi)關(guān)于黑色頁巖的研究雖起步較晚，但是在力學(xué)特性等方面的研究在逐步加快。王鵬等（2013 ）通過模擬儲層溫度、圍壓，采用巖石力學(xué)實驗儀對龍馬溪組二段黑色頁巖進行三維壓縮實驗，結(jié)果表明此種頁巖屬于脆性巖石。陳天宇等（2014）研究了不同圍壓、不同層理角度的牛蹄塘組黑色頁巖的力學(xué)特性和破壞模式。李慶輝等（2012）采用三軸壓縮試驗研究了龍馬溪組含氣黑色頁巖在不同應(yīng)力條件下的力學(xué)特性，并與北美含氣頁巖進行了對比。 1.2.2 流體對頁巖力學(xué)特性影響研究進展 作為一種黏土含量較高的層狀巖石，頁巖遇水會發(fā)生膨脹，產(chǎn)生水化現(xiàn)象。頁巖周圍的應(yīng)力分布被改變，力學(xué)參數(shù)也發(fā)生改變，如強度降低、彈性模量減少、泊松比增加等。1970 年，Chenevert（1970）率先通過試驗分析了泥頁巖的力學(xué)性質(zhì)隨著水化作用的改變情況。分析得出，隨著泥頁巖吸水量的逐漸增多，巖石的強度會逐漸變。荒囗搸r吸水量及水流動的距離與吸水時間有關(guān)，它們呈正比。Mody 等（1993）利用等效孔隙壓力定量分析了純水和含有Ca2+（Hale et al.，1993）、Na+ 及K+ 的水溶液對頁巖強度的影響。Bol 等（1994）研究了17 種鹽溶液中Pierre 頁巖和Hutton 頁巖的膨脹性等，結(jié)果表明：對于Pierre 頁巖，*大的膨脹度出現(xiàn)在NaClO4 溶液中，而Hutton 頁巖的*大膨脹度出現(xiàn)在Na3PO4 溶液中。Ewy（2014） 測試了有圍壓條件下NaCl 、CaCl2 和KCl 溶液對頁巖的孔隙壓力的影響，結(jié)果表明：CaCl2 溶液對孔隙壓力的影響*大。Zhang 等（2004）用重量膨脹測試法研究了Pierre 頁巖和Arco 頁巖在去離子水和不同濃度NaCl、CaCl2 溶液中的膨脹性，結(jié)果表明：去離子水能夠產(chǎn)生*大的膨脹度，不同頁巖膨脹性相差很大。Al-Bazali 等（2008）采用聲波測試法研究了頁巖在不同離子溶液中的離子吸收情況，并測試了不同離子對頁巖強度的影響。結(jié)果表明，頁巖吸收離子后強度增大，吸水后強度減小。Makhanov 等（2014）研究了壓裂液對頁巖吸水的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頁巖吸水具有各向異性，而且表面活性劑能夠減緩頁巖吸水。 國內(nèi)關(guān)于頁巖水化等的研究起步較晚。樊世忠等（1982）分析了新疆庫車地區(qū)泥頁巖井壁穩(wěn)定問題，井壁不穩(wěn)定的主要原因是頁巖吸水變形降低了巖石的膠結(jié)應(yīng)力。黃榮樽等（1995）通過建立地層水化模型，提出了水化作用下井眼周圍泥頁巖應(yīng)力的計算方法，得到了泥頁巖吸水膨脹后的應(yīng)力分布。杜德林等（1996）研究了不同濃度的NaCl、CaCl2 和KCl 溶液對頁巖膨脹性和毛細效應(yīng)的影響。劉平德等（2000）和羅健生等（1999）分析了水對頁巖強度和地層孔隙壓力的影響，基于巖石強度準則得到避免泥頁巖井壁失穩(wěn)的合理的鉆井液。梁大川等（1999） 分析了鉆井液如何影響井壁穩(wěn)定性，鉆井液通過擴散、對流和滲透三種方式進入泥頁巖：改變地層孔隙壓力、改變近井壁頁巖含水量和膠結(jié)完整性。李天太等（2002）在不同活度的水溶液中對Arco 頁巖和Tournemire 頁巖進行試驗，定量分析了水溶液活度對頁巖膨脹的影響。徐同臺等（2004）討論了泥頁巖中晶態(tài)黏土礦物種類和含量、非黏土礦物、陽離子種類、泥頁巖的埋深及外界溫度與壓力等因素對泥頁巖在清水中膨脹率的影響。和冰（2009 ）對水化后的泥頁巖的力學(xué)性能參數(shù)進行試驗，得出了其隨含水量的變化規(guī)律，并回歸出泥頁巖的強度參數(shù)與含水量的關(guān)系。折海成等（2010）從物理化學(xué)作用和力學(xué)作用兩個方面分析了裂縫吸水后對泥頁巖強度的影響，并結(jié)合巖石力學(xué)、細觀斷裂力學(xué)理論計算出了初裂強度。尹增葦?shù)龋?013）通過離心法測定出了KCl 和有機鹽溶液對頁巖水化膨脹的抑制性隨濃度變化的規(guī)律。 氣體在頁巖中的存儲方式主要有三種：游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)。其中吸附氣體含量占主要部分（Speight，2013；Vermylen，2011）。頁巖中含有的有機質(zhì)使其吸附/解吸能力較強（Heller et al.，2014；李武廣等，2012；Chareonsuppanimit et al.，2012）。有機質(zhì)中微孔隙結(jié)構(gòu)十分發(fā)達，能像海綿一樣將氣體吸附在其表面或內(nèi)部。有機質(zhì)作為吸附氣的核心載體，總有機碳（total organic carbon，TOC） 的多少會導(dǎo)致吸附氣含量的變化，TOC 越高，吸附氣含量越大（聶海寬等，2009）。成熟度決定了有機質(zhì)所處的生烴演化階段和生氣量的多少。熱成熟度越高，吸附氣含量越大（熊偉等，2012）。 國內(nèi)外許多學(xué)者就煤巖吸附/解吸氣體后產(chǎn)生的膨脹/收縮效應(yīng)進行了較為深入的研究（郭平等，2014；周軍平等，2011；Perera et al.，2011；Connell et al.， 2009；Bustin et al.，2008）。但是，頁巖與煤巖在結(jié)構(gòu)組分上差異較大。頁巖是具有細密顆粒、黏土含量高的沉積巖，而煤巖是一種由無機物和有機物混合而成的多孔巖石（White et al.，2005）。由于頁巖的TOC 相對煤巖偏低（一般小于10%， 而煤巖有50%～60%），結(jié)構(gòu)為層狀，其吸附/解吸所產(chǎn)生膨脹/收縮大小比煤巖小很多（Liu et al.，2013；Kumar et al.，2004）。盡管如此，頁巖因吸附/解吸而產(chǎn)生的強度的改變?nèi)匀缓苊黠@（Choi et al.，2012）。Gibbs（1878）和Griffith（1921） 獲得了物體的強度與被吸附物的化學(xué)勢之間的關(guān)系：當(dāng)被吸附氣體比原本氣體更為活躍時（化學(xué)勢更高），該物體的張應(yīng)力將會變小，強度也會降低。Rebinder （192

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