页岩气储层超临界二氧化碳压裂页岩体损伤机理

For shale reservoirs in china’s water-deficient area and those have high clay content, the contemporary horizontal well and multi-interval fracturing technique cannot solve the problems of water-consumption and clay-swelling. Thus, our team proposes a research idea that extracts the shale gas using supercritical carbon dioxide instead of water. The major basic scientific problem is that the interaction mechanism between supercritical carbon dioxide and shale during fracturing process. What’s more, the mechanism of shale damage should be investigated. Consequently, this project will focus on the following aspects: based on the establishment of supercritical carbon dioxide fluid density, viscosity and heat transfer model, the variation regularity of mechanical and swelling behavior of shale after supercritical carbon dioxide is injected will be definite ,which will reveal the microcosmic action mechanism of supercritical carbon dioxide in shale physical change; Furthermore, based on the theory of damage mechanics, physical model simulation experiment of supercritical carbon dioxide fracturing and CT scanning technology, the constitutive model of shale deterioration and micro-crack evolution will be established. At last, the mechanism of shale damage evolution during supercritical carbon dioxide fracturing process will be revealed, which will provide a fundamental basis for the research of extracting shale gas using supercritical carbon dioxide fracturing method.

针对我国缺水地区粘土含量高的页岩气储层，现有水平井+多段压裂技术存在耗水量大、粘土遇水易膨胀的问题，研究团队提出采用超临界二氧化碳压裂开采页岩气的研究思路。压裂过程中超临界二氧化碳与页岩相互作用机制及其对页岩体的损伤机理是该研究的关键基础科学问题，为此，本项目开展以下研究：在研究超临界二氧化碳流体特性的基础上，分析超临界二氧化碳注入后页岩力学与膨胀特性变化规律，揭示超临界二氧化碳对页岩体物性改变的微观作用机制；根据损伤力学理论，结合基于CT技术的超临界二氧化碳压裂页岩相似物理模型实验，建立超临界二氧化碳压裂过程页岩体损伤劣化的本构模型及微裂缝增长的损伤演化模型，揭示超临界二氧化碳压裂页岩体损伤机理，为页岩气储层超临界二氧化碳压裂机理研究提供理论基础。

针对我国缺水地区粘土含量高的页岩气储层，现有水平井+多段压裂技术存在耗水量大、粘土遇水膨胀的问题，研究团队提出采用超临界二氧化碳压裂开采页岩气的研究思路。压裂过程中超临界二氧化碳与页岩相互作用机制及其对页岩体的损伤机理是该研究的关键基础科学问题，围绕该问题项目主要开展以下研究：首先，基于气体物性参数方程及传热学理论，结合测试实验优选出了超临界二氧化碳密度、粘度及传热的计算模型，并采用交替迭代的方法进行了数值求解，为后续理论分析与实验测试中超临界二氧化碳物性参数计算提供数据库；然后，通过超临界二氧化碳浸泡页岩与力学参数测试，分析了超临界二氧化碳作用下页岩力学特性变化规律，通过不同温度、压力条件下页岩吸附二氧化碳变形测试，分析了超临界二氧化碳作用下页岩的变形规律，并基于能量守恒、热力学和表面化学原理，建立了可以预测二氧化碳作用下页岩变形的计算模型，进而利用电镜扫描、X射线衍射及孔隙结构测试分析，研究了超临界二氧化碳注入后页岩组分与孔隙结构的变化特征，揭示了二氧化碳与页岩的相互作用机制；最后，利用真三轴试验系统开展了超临界二氧化碳压裂裂缝扩展物理模拟实验，对比分析了不同工况下的起裂压力，利用高能CT扫描、AE与DR scanning对压裂裂缝形态、数目及分布特征进行了表征，并对比分析了地应力差、天然裂缝与层理面对压裂裂缝形态的影响规律，基于损伤力学及地球化学理论，结合实验测试结果揭示了页岩气储层超临界二氧化碳压裂页岩体损伤演化（即缝网形成）机理。研究成果为后续开展页岩气储层超临界二氧化碳压裂机理研究提供了理论基础。