【摘 要】
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二氧化碳（Carbon dioxide,CO2）等气体的大量排放日益加剧温室效应,CO2捕集、利用与封存（Carbon dioxide capture,utilization and storage,CCUS）技术是一项有效减少温室气体的关键技术。砂岩是CO2压裂、封存的主要储层类型之一,因CO2注入储层后,储层温度、压力使得CO2处于超临界态,且CO2对岩石微结构的影响是CO2影响岩石宏观力学性
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二氧化碳（Carbon dioxide,CO2）等气体的大量排放日益加剧温室效应,CO2捕集、利用与封存（Carbon dioxide capture,utilization and storage,CCUS）技术是一项有效减少温室气体的关键技术。砂岩是CO2压裂、封存的主要储层类型之一,因CO2注入储层后,储层温度、压力使得CO2处于超临界态,且CO2对岩石微结构的影响是CO2影响岩石宏观力学性质变化及宏观断裂的基础,所以本文的研究内容为超临界态CO2（Super critical carbon dioxide,SC-CO2）对砂岩微结构的作用机制。以往研究中,为探究SC-CO2对砂岩物理力学性质的影响,直接将砂岩浸泡于一定温度、压力的水或盐溶液中,未考虑应力对砂岩微结构的影响,所以应力-温度-流体-化学耦合条件下SC-CO2影响砂岩细观结构、细观力学参数变化规律的研究不足。本文通过物理模拟、理论分析和数值模拟手段研究了SC-CO2对砂岩微结构的影响及基于微结构变化的宏、细观力学参数变化特征和断裂特征。针对SC-CO2影响砂岩微结构问题,提出了应力-温度-流体-化学耦合条件下SC-CO2诱导砂岩微结构变化的实验方法,并搭建了相应的实验平台,给出了应力-温度-流体-化学条件下砂岩多尺度（毫米级、百微米级和微米级）损伤特征及孔径变化规律。研究发现应力-温度-流体-化学条件下,因矿物含量差异导致SC-CO2作用区域具有非均质性,且SC-CO2对长石类矿物含量较高区域影响最大;应力-温度-流体-化学条件下SC-CO2影响砂岩孔径变化方面,与常规认识不同,SC-CO2诱导砂岩“中、小孔隙”增加明显。针对SC-CO2影响砂岩细观力学参数问题,以耦合条件SC-CO2作用后砂岩的室内巴西劈裂实验为基础,采用离散元方法模拟了耦合作用后砂岩巴西劈裂过程,提出了两次正交实验标定试件细观参数的方法,从细观力学角度分析了SC-CO2作用后砂岩细观断裂特征,得到了SC-CO2影响下砂岩细观力学参数变化规律。研究还发现SC-CO2作用使得细观剪切裂缝占比在初始断裂和稳定断裂阶段明显增加,导致宏观断裂时剪切破坏比例增加。为定量描述SC-CO2对砂岩断裂过程区的影响,基于数字图像相关技术（Digital Image Correlation,DIC）,量化了SC-CO2、水等孔隙流体作用对砂岩断裂过程区长度、断裂韧性的影响,建立了考虑毛细管力的断裂过程区长度计算模型。研究发现SC-CO2作用可降低砂岩屈服强度,并促使微结构损伤后砂岩在断裂过程中发生非均匀变形,部分区域会出现卸载区。针对多场耦合条件下CO2压裂砂岩的宏、细观断裂问题,以室内真三轴CO2压裂为实验基础,在模拟储层温度、应力、流体环境的基础上,对比研究了不同相态CO2压裂均质、含层理砂岩的宏、细观断裂特征,发现了缝间微裂缝群现象,提出了CO2压裂过程中的细观破岩机理:孔隙压力使得局部裂缝面产生拉伸破坏,物理-化学作用破坏微结构使得裂缝易沿弱面扩展,相变使得微裂缝动态扩展产生多裂缝,温降、吸附使得裂缝局部区域发生拉伸破坏。最后,针对多种储层提出了CO2压裂优化建议。
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