【摘 要】
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我国页岩气资源非常丰富,技术可采储量约21.8万亿立方米,高效开发我国页岩气资源可以缓解国内天然气能源的供给问题。目前,页岩气的开发主要有水力压裂和无水压裂技术,其中超临界CO2（SC-CO2）强化页岩气开发是一种无水压裂技术,近些年受到国内外学者的广泛关注,该方法不仅可以避免常规水力压裂技术带来的水资源消耗巨大、环境污染严重和页岩储层伤害等一系列问题,还能达到封存CO2和促进页岩气回收（CS-E
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我国页岩气资源非常丰富,技术可采储量约21.8万亿立方米,高效开发我国页岩气资源可以缓解国内天然气能源的供给问题。目前,页岩气的开发主要有水力压裂和无水压裂技术,其中超临界CO2（SC-CO2）强化页岩气开发是一种无水压裂技术,近些年受到国内外学者的广泛关注,该方法不仅可以避免常规水力压裂技术带来的水资源消耗巨大、环境污染严重和页岩储层伤害等一系列问题,还能达到封存CO2和促进页岩气回收（CS-ESGR）的目的。鉴于SC-CO2具有特殊的物理化学性质,SC-CO2注入页岩储层会在一定程度上改变页岩原有的物理化学特征、吸附特性和裂缝扩展规律,从而会影响页岩气采收和CO2封存的效果。本文在前人研究的基础上,以四川盆地龙马溪组页岩（四川省宜宾市长宁县海相页岩）和鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段页岩（陕西省延安市延长县陆相页岩）为研究对象,系统深入地研究了SC-CO2作用对页岩储层物性和结构的影响,重点开展了SC-CO2作用对页岩矿物组分和孔隙结构的改性机理、SC-CO2作用下页岩的润湿特性、SC-CO2作用下页岩吸附CH4、CO2特性、SC-CO2致裂页岩裂纹起裂和扩展机理等四个方面的试验和理论研究。取得的主要创新如下:（1）诠释了SC-CO2对页岩矿物组分和孔隙结构的改性机理。SC-CO2处理后,页岩总有机碳（TOC）、碳酸盐矿物和黏土矿物含量减少,比表面积减小,平均孔径增大。其物性的改变源于SC-CO2与页岩相互作用过程中SC-CO2溶解了页岩中的部分有机质和碳酸盐矿物,黏土矿物脱水,导致部分微孔和介孔经溶蚀作用转变为大孔、大孔孔隙数量增多。（2）获得了SC-CO2注入后页岩储层润湿特性的变化规律。龙马溪组页岩和延长组页岩属于亲水性岩石,SC-CO2处理后,两组页岩-水接触角变化规律基本一致,总体呈增大趋势,其中SC-CO2处理时间、压力对接触角的影响明显,温度影响不明显;SC-CO2处理后页岩中黏土矿物和CaCO3含量减少是页岩-水润湿减弱的主要原因,不同处理时间、压力和温度条件下CO2-水-页岩相互作用对页岩中黏土矿物和CaCO3矿物的溶解程度各不相同;SC-CO2处理后,页岩-水润湿性减弱会导致页岩与水分子间作用力减小,水在孔隙、裂隙中流动的阻力会随之减小。（3）阐述了SC-CO2注入页岩储层后CO2置换CH4机理。SC-CO2处理前后,页岩对CH4、CO2及其混合气体的吸附量随混合气体气体中CO2浓度增大而逐渐增大;SC-CO2处理后,页岩TOC、黏土矿物含量减少和比表面积减小是页岩对CH4、CO2及其混合气体的吸附能力降低的主要原因;SC-CO2处理后,页岩对CH4、CO2的选择性吸附系数(SCO2/CH4)略微减小,且SCO2/CH4随吸附压力的增大而先减小后趋于平衡,随混合气体中CH4浓度增大而略微减小,建议向页岩储层注入CO2之前应适当降低储层压力,且应综合考虑CS-ESGR效率和工程成本,从而提出合理的储层CH4/CO2摩尔比例。（4）揭示了SC-CO2压裂过程中页岩裂纹起裂和扩展机理。利用自主研发的SC-CO2压裂页岩物理模拟系统,联合声发射仪和CT机开展了常规三轴条件下SC-CO2压裂页岩物理模拟试验。基于SC-CO2压裂模型的裂纹起裂准则,建立了简化的起裂压力模型,获得了SC-CO2压裂页岩的理论起裂压力,与试验值基本一致,起裂压力随储层埋深增大而增大,且原生裂隙降低了起裂压力;常规三轴受力条件下,SC-CO2压裂页岩过程中裂纹的起裂位置和扩展方向具有随机性,沿着页岩低强度方向、原生裂隙方向起裂和扩展,页岩裂纹起裂、扩展和破裂阶段声发射累计撞击数呈台阶式发展,撞击数的台阶式跳跃次数等于页岩宏观破裂次数。论文的研究成果为SC-CO2高效开发页岩气提供了理论基础,进一步丰富和完善了SC-CO2开发页岩气基础理论,对我国页岩气高效开发具有重要的科学意义和工程实用价值。
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