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作者简介:

李颖(1991-),女,副研究员,博士,研究方向为油气藏开采、CO2地质封存理论与技术。E-mail:yingingli@163.com。

通信作者:

周军平(1982-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为非常规天然气(煤层气、页岩气)开发、渗流力学、CO2地质封存。E-mail:zhoujp1982@sina.com。

中图分类号:TE 357.7

文献标识码:A

文章编号:1673-5005(2024)02-0092-07

DOI:10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.010

参考文献 1
HOU L,YU Z,LUO X,et al.Self-sealing of caprocks during CO2 geological sequestration [J].Energy,2022,252:124064.
参考文献 2
汤积仁,卢义玉,陈钰婷,等.超临界 CO2 作用下页岩力学特性损伤的试验研究[J].岩土力学,2018,39(3):797-802.TANG Jiren,LU Yiyu,CHEN Yuting,et al.Experimental study of damage of shale mechanical properties under supercritical CO2 [J].Rock and Soil Mechanics,2018,39(3):797-802.
参考文献 3
倪红坚,郭兴,丁璐,等.超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(2):77-84.NI Hongjian,GUO Xing,DING Lu,et al.Experiment on mechanical properties of shale soaked with supercritical carbon dioxide[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(2):77-84.
参考文献 4
EYINLA D S,LEGGETT S,BADROUCHI F,et al.A comprehensive review of the potential of rock properties alteration during CO2 injection for EOR and storage[J].Fuel,2023,353:129219.
参考文献 5
VAFAIE A,CAMA J,SOLER J M,et al.Chemo-hydromechanical effects of CO2 injection on reservoir and seal rocks:a review on laboratory experiments [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2023,178:113270.
参考文献 6
贺凯.CO2 地质封存系统完整性演化及其泄漏研究 [D].大庆:东北石油大学,2019.HE Kai.Research on integrity evolution and leakage of CO2 geological storage system [ D].Daqing:Northeast Petroleum University,2019.
参考文献 7
SINGH H,ISLAM A.Enhanced safety of geologic CO2 storage with nanoparticles [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2018,121:463-476.
参考文献 8
ZHU D,PENG S,ZHAO S,et al.Comprehensive review of sealant materials for leakage remediation technology in geological CO2 capture and storage process [J].Energy & Fuels,2021,35(6):4711-4742.
参考文献 9
RATHNAWEERA T D,RANJITH P G.Nano-modified CO2 for enhanced deep saline CO2 sequestration:a review and perspective study[J].Earth-Science Reviews,2020,200:103035.
参考文献 10
HE B,NEWELL P.Multi-physics modeling of injected nanoparticles effect on remediation of CO2 leakage through cracks[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2020,95:102955.
参考文献 11
KEYKHOSRAVI A,BEDRIKOVETSKY P,SIMJOO M.Experimental insight into the silica nanoparticle transport in dolomite rocks:spotlight on DLVO theory and permeability impairment[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2022,209:109830.
参考文献 12
郧嘉琳.二氧化碳作用后致密砂岩力学性质变化特征研究[D].北京:中国地质大学(北京),2020.YUN Jialin.Experimental study on effect of CO2 on mechanical properties of tight sandstone[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2020.
参考文献 13
鹿腾,杜利平,彭栋梁,等.超低渗透砂岩 SiO2 纳米颗粒吸附滞留特征[J].油田化学,2022,39(1):76-81.LU Teng,DU Liping,PENG Dongliang,et al.Adsorption characteristics of SiO2 nanoparticles in ultra-low permeability sandstone [J].Oilfield Chemistry,2022,39(1):76-81.
参考文献 14
王海柱,李根生,郑永,等.超临界 CO2 压裂技术现状与展望[J].石油学报,2020,41(1):116-126.WANG Haizhu,LI Gensheng,ZHENG Yong,et al.Research status and prospects of supercritical CO2 fracturing technology [J].Acta Petrolei Sinica,2020,41(1):116-126.
参考文献 15
陈侠宇.超临界 CO2 作用页岩微观特征变化及张拉力学特性研究[D].重庆:重庆大学,2020.CHEN Xiayu.Effects of supercritical CO2 on shale micro-characteristics and tensile mechanical behaviour [D].Chongqing:Chongqing University,2020.
参考文献 16
胥蕊娜,吉天成,陆韬杰,等.二氧化碳地质封存与增产油/气/热利用技术中关键热质传递问题研究进展 [J].清华大学学报(自然科学版),2022,62(4):634-654.XU Ruina,JI Tiancheng,LU Taojie,et al.Research progress on heat and mass transfer in carbon geological storage and enhanced oil/gas/geothermal recovery technology[J].Journal of Tsinghua University(Science & Technology),2022,62(4):634-654.
参考文献 17
XU R,LI R,MA J,et al.Effect of mineral dissolution/precipitation and CO2 exsolution on CO2 transport in geological carbon storage[J].Accounts of Chemical Research,2017,50(9):2056-2066.
参考文献 18
龙莉.不同压力 CO2 对页岩作用机理及影响研究 [D].重庆:重庆大学,2019.LONG Li.Study on the interaction mechanism of shale with different CO2 pressure and its effects on the properties of shale[D].Chongqing:Chongqing University,2019.
参考文献 19
覃超.超临界 CO2 作用下页岩气储层物性与结构的响应机理[D].重庆:重庆大学,2020.QIN Chao.Response mechanism of physical properties and structure of shale gas reservoir treated by supercritical CO2 [D].Chongqing:Chongqing University,2020.
参考文献 20
YANG K,ZHOU J,XIAN X,et al.Chemical-mechanical coupling effects on the permeability of shale subjected to supercritical CO2-water exposure [J].Energy,2022,248:123591.
参考文献 21
XIE W,WANG H,CHEN S,et al.Thermodynamic and kinetic affinity of CO2 relative to CH4 and their pressure,temperature and pore structure sensitivity in the competitive adsorption system in shale gas reservoirs [J].Energy,2023,277:127591.
参考文献 22
AO X,QI Z,XIANG Z,et al.Swelling of shales by supercritical carbon dioxide and its relationship to sorption [J].ACS Omega,2020,31(5):19606-19614.
参考文献 23
TAVAKOLI A,RAHIMI K,SAGHANDALI F,et al.Nanofluid preparation,stability and performance for CO2 absorption and desorption enhancement:a review [J].Journal of Environmental Management,2022,313:114955.
目录contents

    摘要

    页岩为 CO2 盐水层地质封存常见盖层岩石类型,强化盖层封堵能力有利于提高 CO2 地质埋存量和安全性。为探究随 CO2 混注纳米 SiO2(SNPs)强化盖层封堵能力的有效性和可行性,对 CO2 地质封存页岩盖层样品开展原地条件下的超临界 CO2 酸蚀反应试验,基础组为页岩样品-地层水、对照组为页岩样品-地层水+超临界 CO2 、优化组为页岩样品-地层水+SNPs+超临界 CO2 ,并采用核磁共振测试、场发射扫描电镜可视化观测、X 射线衍射测试和岩石力学试验,探究 CO2 酸蚀反应前后的页岩孔隙结构、表面形貌、矿物成分及力学性质特征。结果表明:优化组的大孔孔隙分量及孔隙度和渗透率增大幅度低于对照组;与对照组相比,优化组黏土矿物与碳酸盐岩矿物相对含量损失少,表明随 CO2 混注 SNPs 可使岩样内部酸蚀作用减弱;SNPs 在岩石端面吸附聚集或进入岩心孔喉,可使优化组页岩样品力学性能损伤程度降低;随 CO2 混注 SNPs 有利于强化 CO2 盐水层地质封存盖层封堵能力。

    Abstract

    Shale is a common type of caprock for geological storage of CO2 in brine aquifers, and the enhancement of the caprock sealing capacity is beneficial to improve the storage safety. In this study, in order to investigate the effectiveness and feasibility to enhance the sealing capacity with mixed injection of CO2 and nano-SiO2( SNPs), three reaction experiments of shale caprock samples and supercritical CO2 were conducted under reservoir conditions, including the basic experiment group for reactions between shale sample and formation water, the control experiment group for reactions among shale sample, formation water and supercritical CO2 , and the optimization group for reactions among shale sample, formation water, SNPs, and supercritical CO2 . The pore structure, surface morphology, mineral composition and mechanical properties of shale samples before and after the three reaction experiments were evaluated using NMR, field emission scanning electron microscope visual observation, X-ray diffraction and rock mechanics testing techniques. The results show that the increasements of macro pore components, porosity and permeability in the optimization group were lower than those in the control group after the reaction experiments. Compared with the control group, the relative content loss of clay and carbonate minerals in the optimization group was also less, indicating that CO2 mixed with SNPs can weaken the internal acid erosion of rock samples. SNPs can be adsorbed and accumulated on the end face of the pores and enter the pore throats, which can lessen mechanical and chemical damage of shale samples, demonstrating that SNPs mixed with CO2 can be beneficial for enhancing the caprock’s sealing capacity for CO2 geological storage in brine aquifers.

  • CO2 捕集利用与封存(CCUS)技术已经成为研究热点,盖层良好的封闭能力是 CO2 地质封存稳定性与安全性的重要保障。在地层深部,注入的 CO2 在一定程度上会与盖层岩石接触,且埋存部位高温高压使 CO2 流体以超临界态(ScCO2)存在并与盖层发生相互作用,极有可能劣化盖层岩石的物化性质,引起 CO2 泄漏,进而影响 CO2 地质封存效果[1]。在化学-渗流-力学综合作用下,盖层岩石对储层 CO2 的微观封闭机制和其宏观力学性质都会发生变化[2-5],且注入的 CO2 会对储层-盖层体系的岩石矿物组分产生影响,进而引起 CO2 储层圈闭完整性失效[6]。 CO2 注入储层后受浮力作用可运移至盖层,存在从盖层泄漏的风险[7],所以强化盖层封堵能力是增强 CO2 埋存安全性和有效性的重要途径。学者们研究了 CO2 地质封存盖层封堵能力的影响因素,明确了几种潜在的封堵剂,例如硅酸盐水泥、聚合物水泥、凝胶、纳米颗粒等[8]。 Rathnaweera 等[9]讨论了几种注入纳米颗粒的方法,并考虑了纳米颗粒注入对岩石毛细管力、润湿性等的影响,表明注入纳米颗粒可以增大毛细管力,改变岩石润湿性,有利于 CO2 地质封存。 He 等[10]模拟发现注入纳米颗粒可有效减小裂缝面受力,减弱裂缝尖端断裂风险,验证了混注纳米颗粒缓解裂缝扩展的有效性,这些研究表明纳米颗粒具备强化盖层封堵能力的应用潜力。纳米 SiO2(SNPs)物理、化学性质稳定,强度高、韧性好,但是,关于纳米颗粒对岩石孔隙度、渗透率的影响以及纳米颗粒在孔隙空间分布等方面的研究有限,而这些因素对研究盖层封堵能力十分重要[11]。笔者通过试验模拟页岩盖层所处的温压条件,开展不同流体作用下页岩样品物性变化研究,采用核磁共振、扫描电镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)和力学试验手段对页岩盖层岩石反应前后孔隙结构、微观形貌、矿物组分和抗压强度进行分析,以深入揭示 SNPs 强化盖层封堵能力的潜力及机制。

  • 1 试验流程

  • 1.1 试验材料

  • 页岩样品来自四川盆地志留系下统龙马溪组页岩露头,根据 GB / T29172-2012《岩心分析方法》制样标准,将页岩制成高度为 50 mm、直径为 25 mm 的圆柱体试样。为尽量减少非均质性的影响,岩心取自同一岩板层理相同位置,共制取岩心 26 块,对其进行声波测试后优选 16 块性质相近的岩心,每组岩心在 100 kHz 纵波频率下的平均波速最大相差仅 0.93 m / s。为高度还原地下状态,且防止页岩样品中的黏土水化膨胀,地层水配制按质量比例 w(NaCl)∶ w( KCl)∶ w( CaCl2)∶ w( MgC12 · 6H2O)= 3 ∶ 4 ∶ 0.6 ∶ 0.4 进行[12],其质量分数为 1.5%。 SNPs 纯度为 99.5%,直径为 20±5 nm。

  • 1.2 试验方法

  • 为揭示 SNPs 对 ScCO2-水-页岩相互作用下盖层封堵能力的影响,试验步骤如图1 所示。

  • 图1 试验方案

  • Fig.1 Experimental design

  • (1)将岩样在烘箱中烘干,设置温度为 64℃,烘干时间 48 h。

  • (2)采用 LGPM700 型超低渗气体渗透率测量仪对页岩样品进行气测渗透率测试。

  • (3)页岩样品抽真空饱和地层水后,使用滤纸擦干岩样表面的液体并用塑料薄膜包裹完好,立即采用 AniMR-150 型全直径岩心核磁共振分析系统测试,结束后立刻再次用塑料薄膜包裹完好。

  • (4)将所有页岩样品进行分组处理。第 1 组为基础组(地层水),将岩心放入反应釜后加入适量地层水(水面与岩心顶端持平,后同); 第 2 组为对照组(地层水+ScCO2),将岩心放入反应釜后加入适量地层水并通入 CO2; 第 3 组为优化组( 地层水 + SNPs+ScCO2),将岩心放入反应釜后加入适量 SNPs 溶液(用地层水配制,SNPs 质量分数为 0. 01% [713],溶液经过充分搅拌与超声波搅拌仪搅拌分散,避免 SNPs 团聚)并通入 CO2

  • (5)3 个反应釜中均放入了若干碎屑岩样以备反应后扫描电镜观察反应表面,按现场温压条件均加压至 10 MPa,然后放入恒温箱,设置温度为 45℃,反应时间为 30 d。

  • (6)CO2 注入储层后,对储层流体有扰动作用,且部分溶于地层水。而呈超临界态的 CO2(当温度为 31.3℃,压力超过 7.39 MPa 时 CO2 将处于超临界状态[14])会浮于地层水之上,与盖层底部岩石接触,可与盖层底部岩石发生相互作用。为模拟此过程,每间隔 10 d 将反应釜泄压,再迅速通入 CO2 又加压至 10 MPa。

  • (7)反应试验结束后,重复步骤(3)。

  • (8)将页岩样品按步骤(1)再次烘干后,重复步骤(2)。

  • (9)采用 FEI Quanta650 FEG 型场发射电子显微镜观察对照组和优化组页岩(岩样经喷金处理)反应后微观形貌。

  • (10)采用 RTR-1500 型三轴力学测试系统对 3 组反应后的岩心进行单轴压缩试验。

  • (11)将岩样制成粒度为 0. 007 5 cm 的粉末状颗粒进行 X 射线衍射全岩及黏土矿物测试分析。

  • 2 注入 CO2 对盖层岩石的影响

  • 2.1 CO2 对盖层岩石孔隙结构的影响

  • 微观孔隙结构是评价盖层岩石封堵能力的重要内容,不同反应条件下页岩样品各孔径孔隙分布见表1。根据国际理论化学与应用协会(IUPAC)的分类标准,微孔孔径小于 2 nm,中孔孔径为 2~50 nm,大孔孔径大于 50 nm。可以看出,中孔数量最多、大孔次之、微孔最少。分析可知,对照组和优化组的微孔均向中孔或大孔转变,对照组的中孔向大孔转变趋势更加明显,而优化组孔隙分量占比的增量变化幅度明显低于对照组,初步认为是 SNPs 填充了部分中孔。

  • 表1 各孔径孔隙分量占比

  • Table1 Pore proportion for different pore sizes

  • 将不同反应条件下页岩样品 T2 谱图进行对比,如图2 所示。所有页岩样品孔隙结构具有相似性,其中优化组主峰波峰最高,对照组次之,基础组波峰最低,对照组与优化组主峰向孔径增大方向变化,且呈现两组次峰。试验条件下,当反应釜中的 CO2 溶于水时,相关方程式[15-17]

  • CO2+H2OH2CO3H++HCO3-2H++CO32-.

  • 图2 不同反应条件下页岩样品 T2

  • Fig.2 T2 spectra of shale samples under different reaction conditions

  • 生成的 HCO-3、CO 2-3 离子可能会酸蚀页岩中的钙/ 镁矿物。 ScCO2 对页岩中有机物的萃取作用会使微孔数量上升,原有的微孔向中孔转化,原有的大孔数量也有小幅度上升,孔隙结构发生变化。龙莉[18]发现随 CO2 压力升高,微孔向中孔转化的现象还会加剧,中孔孔隙在 CO2 酸蚀作用下会贯通成大孔,这与本文中试验结果较为一致。鹿腾等[13] 通过砂岩岩心驱替试验发现 SNPs 会在岩心孔喉内发生聚集并吸附于基质表面,占据渗流通道,引起孔喉结构发生变化。这些前人研究成果也说明 SNPs 填充岩心孔喉的机制能够减缓 CO2 酸蚀效应。

  • 表2 为反应试验前后测得的核磁孔隙度,经过 30 d 的处理,对照组页岩样品孔隙度平均增量约 0.146%,平均增幅约 4.2%; 优化组孔隙度平均增量约 0. 067%,平均增幅约 1.9%。优化组孔隙度平均增量较对照组降低约 0. 079%,平均增幅降低约 2.3%; 对照组平均孔隙度增量约为基础组的 8.34 倍,优化组平均孔隙度增量约为基础组的 3.83 倍,基础组孔隙度平均增幅忽略不计。优化组反应条件下页岩样品的孔隙度增大幅度显著减缓。基础组孔隙度平均增量约 0. 017 5%,推测长时间浸泡使页岩样品中部分矿物溶解,从而导致核磁孔隙度略有增大,但变化情况相对稳定。

  • 表3 为 LGPM700 型超低渗气体渗透率测量仪所测的试验前后页岩样品渗透率。经过 30 d 处理,对照组页岩样品渗透率平均增量约 0. 000 239×10-3 μm 2,平均增幅约 59. 0%; 优化组页岩样品渗透率平均增量约 0. 000 190×10-3 μm 2,平均增幅约 46.2%。对照组渗透率平均增幅较基础组增加 26.9%,优化组渗透率平均增幅较基础组增加约 14.1%,优化组渗透率平均增幅较对照组降低了约 12.8%。对照组与优化组页岩样品渗透率有所增加,但优化组反应条件下页岩样品的渗透率增加幅度减缓。

  • 表2 不同反应条件下页岩样品核磁孔隙度变化情况

  • Table2 Porosity changes of shale samples under different reaction conditions

  • 表3 页岩样品试验前后渗透率变化

  • Table3 Changes in permeability of shale samples before and after experiment

  • 综上分析可知,ScCO2 溶于地层水后形成的酸性环境与水化作用对页岩样品孔隙结构和渗透性能造成了影响,岩样原始成分发生改变。另外,水相中产生的阴离子与岩样中的阳离子结合,生成络合物,也易对岩样原始成分造成影响。优化组中因加入了纳米颗粒,孔隙结构和渗透性能变化幅度低于对照组,可认为优化组中酸性环境和水化作用对岩样原始成分的改变稍弱。

  • 2.2 CO2 对盖层岩石微观形貌的影响

  • 对场发射扫描电镜下对照组与优化组微观形貌进行观察,对照组同一碎屑岩样同一标定部位反应后微观形貌如图3 所示。在相同放大倍数下,图3(b)①处凹坑明显,②、④处孔洞增大,③处出现新孔洞,说明 ScCO2-水相对岩石表面有酸蚀作用。孔隙壁面为 CO2 的吸附场所,水相使 CO2 注入后的储层流体呈酸性,碳酸盐岩矿物易在此酸性环境中发生矿化反应,对岩石的酸蚀作用更强,使页岩的微观形貌有明显变化,这种现象将劣化岩石力学性质。

  • 图3 对照组反应条件下页岩样品微观形貌

  • Fig.3 Microscopic morphology of shale samples under reaction conditions of control group

  • 图4( a)为优化组反应条件下放大倍数为 20 000 倍的页岩表面微观形貌,可以看到许多颗粒附着在岩石表面,或呈团聚状,或充填于孔隙间。有研究表明,在纳米流体中存在盐的情况下,纳米颗粒会形成更大的颗粒团,而且含有 MgCl2 和 CaCl2 的纳米流体更容易增加纳米颗粒在岩石表面的吸附能力,此外,岩石中含有的钙镁离子也有可能与纳米颗粒相互作用,促进纳米颗粒在多孔介质中吸附和滞留[11]。对图4( a)一处放大至 260 000 倍,如图4(b)所示,可见 SNPs 球形度好,排列紧密,形成了纳米保护层,可起到减缓 ScCO2-水相对岩石的损伤作用,且证实了 SNPs 具有填充岩心孔喉的机制。

  • 图4 优化组反应条件下页岩样品微观形貌

  • Fig.4 Microscopic topography of shale samples under reaction conditions of optimization group

  • 2.3 CO2 对盖层岩石矿物含量及组分的影响

  • 石英理化性质稳定,若页岩不与 ScCO2-水相发生理化反应,则石英的绝对质量不变,石英含量的上升表现为页岩样品其他矿物含量的减少[15]。不同反应条件下页岩矿物组分变化如表4 所示。黏土矿物易与水发生物化作用,造成矿物含量损失,对照组和优化组黏土矿物质量分数分别降低约 7.33% 和 4.13%,这表明在优化组反应条件下黏土含量损失会略小,可见 SNPs 有抑制黏土矿物流失的作用; 石英含量明显上升,对照组和优化组石英质量分数分别上升约 12.26%和 9.18%; ScCO2 对碳酸盐矿物的溶蚀作用通常比较明显,可看到碳酸盐岩矿物(方解石和白云石)含量明显下降,对照组方解石和白云石质量分数降低约 19.85%和 25.94%,地层水+SNPs-ScCO2(a)组方解石和白云石质量分数降低约 9.20%、 19.14%。对比地层水+SNPs-ScCO2(a)组与(b)组数据可以发现,(b)组除石英与方解石含量上升外,其余矿物含量均表现为降低趋势,石英含量上升的原因一方面是岩样上存留了 SNPs,另一方面是斜长石(主要是钠长石)在 ScCO2-水相环境中生成 SiO2 [19]

  • 黏土矿物和碳酸盐岩矿物含量显著降低,说明酸蚀反应后,页岩成分损失改变了其微观孔隙结构。优化组条件下,SNPs 在页岩样品表面的附着和对孔喉的填充弱化了 ScCO2 的酸蚀作用,ScCO2 难以深入到页岩内部,页岩孔隙度的增大减缓。

  • 表4 不同反应条件下页岩样品矿物质量分数

  • Table4 Mineral mass fraction of shale samples under different reaction conditions

  • 注:“ / ”左侧数据表示实测矿物质量分数,右侧数据表示矿物质量分数变化; 地层水+SNPs+ScCO2(a)组是参照致密储层含油岩心清洗技术清洗后的岩心矿物质量分数; 地层水+SNPs+ScCO2(b)组是未清洗的岩心矿物质量分数。

  • 2.4 CO2 对盖层岩石力学性质的影响

  • ScCO2-水-岩石间的酸蚀、溶解、萃取等效应对页岩盖层孔隙结构、渗透性能、微观形貌和矿物成分造成不同程度的影响,也会改变页岩力学性质。不同反应试验后页岩应力-应变关系如图5 所示,基础组平均抗压强度为 94.57 MPa,对照组平均抗压强度为 78.19 MPa,优化组平均抗压强度为 87.90 MPa,相应的弹性模量为 16.40、12.38、14.40 GPa。由此可见,ScCO2 可弱化页岩的力学性质。以基础组为参考,对照组页岩样品抗压强度损伤约 17.32%,弹性模量降低约 24.51%,优化组抗压强度损伤约 7. 05%,弹性模量降低约 12.20%。由此可见,SNPs 能降低 ScCO2 对页岩力学性能的损伤,进一步验证了混注纳米颗粒优化盖层封堵能力的有效性。

  • 图5 不同反应条件下页岩样品应力-应变关系曲线

  • Fig.5 The stress-strain relationship curve of shale samples under different reaction conditions

  • CO2-水相-岩石相互作用使对照组页岩样品强度和弹性模量显著降低[20]。页岩天然裂缝、多孔基质和干酪根中的水容易被 CO2 替代,这种 CO2 的替代、吸附会导致岩石强度降低[21-22]。同时,酸化盐水会带走页岩中的有机质和部分矿物,使岩石颗粒或不连续面之间的接触力减弱,最终减弱页岩力学性质。 SNPs 的加入使 CO2 更难进入岩石内部,减少 CO2 吸附,且减少方解石所受溶蚀效应,方解石的胶结作用得以持续,减弱页岩的力学性质损伤[2]。 SNPs 流体可以促进盐水中 CO2 流体的均匀迁移,减轻地层非均质性对 CO2 羽流迁移和聚集的影响[23],CO2 在储层和地层水中分布更均匀,降低对盖层岩石的损伤作用。同时,SNPs 在页岩样品端面吸附聚集,部分纳米颗粒进入岩心孔喉中,形成保护层,也对岩石骨架起到了一定的支撑作用(图6)。

  • 图6 SNPs 附着在储层-盖层接触面

  • Fig.6 Nano-SiO2 attached to reservoir-caprock interface

  • 3 结论

  • (1)地层水 + ScCO2 组( 对照组)和地层水 + SNPs+ScCO2 组(优化组)的微孔均向中孔或大孔转变,对照组的中孔向大孔转变趋势更加明显,而优化组孔隙分量占比的增量变化幅度明显低于对照组。

  • (2)SEM 显示,SNPs 减缓了 CO2 酸蚀效应。对照组表面酸蚀效果明显,优化组中 SNPs 会形成数量极大的纳米保护层,可起到减缓 ScCO2-水对岩石的酸蚀损伤作用。

  • (3)XRD 结果显示,SNPs 有抑制黏土矿物流失的作用。与对照组相比,优化组黏土矿物与碳酸盐岩矿物相对含量损失少。

  • (4)CO2-水相-岩石相互作用使得对照组页岩样品强度和杨氏弹性模量显著降低,SNPs 减缓了页岩力学性质损伤,强化了 CO2 盐水层地质封存盖层封堵能力。

  • 参考文献

    • [1] HOU L,YU Z,LUO X,et al.Self-sealing of caprocks during CO2 geological sequestration [J].Energy,2022,252:124064.

    • [2] 汤积仁,卢义玉,陈钰婷,等.超临界 CO2 作用下页岩力学特性损伤的试验研究[J].岩土力学,2018,39(3):797-802.TANG Jiren,LU Yiyu,CHEN Yuting,et al.Experimental study of damage of shale mechanical properties under supercritical CO2 [J].Rock and Soil Mechanics,2018,39(3):797-802.

    • [3] 倪红坚,郭兴,丁璐,等.超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(2):77-84.NI Hongjian,GUO Xing,DING Lu,et al.Experiment on mechanical properties of shale soaked with supercritical carbon dioxide[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(2):77-84.

    • [4] EYINLA D S,LEGGETT S,BADROUCHI F,et al.A comprehensive review of the potential of rock properties alteration during CO2 injection for EOR and storage[J].Fuel,2023,353:129219.

    • [5] VAFAIE A,CAMA J,SOLER J M,et al.Chemo-hydromechanical effects of CO2 injection on reservoir and seal rocks:a review on laboratory experiments [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2023,178:113270.

    • [6] 贺凯.CO2 地质封存系统完整性演化及其泄漏研究 [D].大庆:东北石油大学,2019.HE Kai.Research on integrity evolution and leakage of CO2 geological storage system [ D].Daqing:Northeast Petroleum University,2019.

    • [7] SINGH H,ISLAM A.Enhanced safety of geologic CO2 storage with nanoparticles [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2018,121:463-476.

    • [8] ZHU D,PENG S,ZHAO S,et al.Comprehensive review of sealant materials for leakage remediation technology in geological CO2 capture and storage process [J].Energy & Fuels,2021,35(6):4711-4742.

    • [9] RATHNAWEERA T D,RANJITH P G.Nano-modified CO2 for enhanced deep saline CO2 sequestration:a review and perspective study[J].Earth-Science Reviews,2020,200:103035.

    • [10] HE B,NEWELL P.Multi-physics modeling of injected nanoparticles effect on remediation of CO2 leakage through cracks[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2020,95:102955.

    • [11] KEYKHOSRAVI A,BEDRIKOVETSKY P,SIMJOO M.Experimental insight into the silica nanoparticle transport in dolomite rocks:spotlight on DLVO theory and permeability impairment[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2022,209:109830.

    • [12] 郧嘉琳.二氧化碳作用后致密砂岩力学性质变化特征研究[D].北京:中国地质大学(北京),2020.YUN Jialin.Experimental study on effect of CO2 on mechanical properties of tight sandstone[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2020.

    • [13] 鹿腾,杜利平,彭栋梁,等.超低渗透砂岩 SiO2 纳米颗粒吸附滞留特征[J].油田化学,2022,39(1):76-81.LU Teng,DU Liping,PENG Dongliang,et al.Adsorption characteristics of SiO2 nanoparticles in ultra-low permeability sandstone [J].Oilfield Chemistry,2022,39(1):76-81.

    • [14] 王海柱,李根生,郑永,等.超临界 CO2 压裂技术现状与展望[J].石油学报,2020,41(1):116-126.WANG Haizhu,LI Gensheng,ZHENG Yong,et al.Research status and prospects of supercritical CO2 fracturing technology [J].Acta Petrolei Sinica,2020,41(1):116-126.

    • [15] 陈侠宇.超临界 CO2 作用页岩微观特征变化及张拉力学特性研究[D].重庆:重庆大学,2020.CHEN Xiayu.Effects of supercritical CO2 on shale micro-characteristics and tensile mechanical behaviour [D].Chongqing:Chongqing University,2020.

    • [16] 胥蕊娜,吉天成,陆韬杰,等.二氧化碳地质封存与增产油/气/热利用技术中关键热质传递问题研究进展 [J].清华大学学报(自然科学版),2022,62(4):634-654.XU Ruina,JI Tiancheng,LU Taojie,et al.Research progress on heat and mass transfer in carbon geological storage and enhanced oil/gas/geothermal recovery technology[J].Journal of Tsinghua University(Science & Technology),2022,62(4):634-654.

    • [17] XU R,LI R,MA J,et al.Effect of mineral dissolution/precipitation and CO2 exsolution on CO2 transport in geological carbon storage[J].Accounts of Chemical Research,2017,50(9):2056-2066.

    • [18] 龙莉.不同压力 CO2 对页岩作用机理及影响研究 [D].重庆:重庆大学,2019.LONG Li.Study on the interaction mechanism of shale with different CO2 pressure and its effects on the properties of shale[D].Chongqing:Chongqing University,2019.

    • [19] 覃超.超临界 CO2 作用下页岩气储层物性与结构的响应机理[D].重庆:重庆大学,2020.QIN Chao.Response mechanism of physical properties and structure of shale gas reservoir treated by supercritical CO2 [D].Chongqing:Chongqing University,2020.

    • [20] YANG K,ZHOU J,XIAN X,et al.Chemical-mechanical coupling effects on the permeability of shale subjected to supercritical CO2-water exposure [J].Energy,2022,248:123591.

    • [21] XIE W,WANG H,CHEN S,et al.Thermodynamic and kinetic affinity of CO2 relative to CH4 and their pressure,temperature and pore structure sensitivity in the competitive adsorption system in shale gas reservoirs [J].Energy,2023,277:127591.

    • [22] AO X,QI Z,XIANG Z,et al.Swelling of shales by supercritical carbon dioxide and its relationship to sorption [J].ACS Omega,2020,31(5):19606-19614.

    • [23] TAVAKOLI A,RAHIMI K,SAGHANDALI F,et al.Nanofluid preparation,stability and performance for CO2 absorption and desorption enhancement:a review [J].Journal of Environmental Management,2022,313:114955.

  • 参考文献

    • [1] HOU L,YU Z,LUO X,et al.Self-sealing of caprocks during CO2 geological sequestration [J].Energy,2022,252:124064.

    • [2] 汤积仁,卢义玉,陈钰婷,等.超临界 CO2 作用下页岩力学特性损伤的试验研究[J].岩土力学,2018,39(3):797-802.TANG Jiren,LU Yiyu,CHEN Yuting,et al.Experimental study of damage of shale mechanical properties under supercritical CO2 [J].Rock and Soil Mechanics,2018,39(3):797-802.

    • [3] 倪红坚,郭兴,丁璐,等.超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(2):77-84.NI Hongjian,GUO Xing,DING Lu,et al.Experiment on mechanical properties of shale soaked with supercritical carbon dioxide[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(2):77-84.

    • [4] EYINLA D S,LEGGETT S,BADROUCHI F,et al.A comprehensive review of the potential of rock properties alteration during CO2 injection for EOR and storage[J].Fuel,2023,353:129219.

    • [5] VAFAIE A,CAMA J,SOLER J M,et al.Chemo-hydromechanical effects of CO2 injection on reservoir and seal rocks:a review on laboratory experiments [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2023,178:113270.

    • [6] 贺凯.CO2 地质封存系统完整性演化及其泄漏研究 [D].大庆:东北石油大学,2019.HE Kai.Research on integrity evolution and leakage of CO2 geological storage system [ D].Daqing:Northeast Petroleum University,2019.

    • [7] SINGH H,ISLAM A.Enhanced safety of geologic CO2 storage with nanoparticles [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2018,121:463-476.

    • [8] ZHU D,PENG S,ZHAO S,et al.Comprehensive review of sealant materials for leakage remediation technology in geological CO2 capture and storage process [J].Energy & Fuels,2021,35(6):4711-4742.

    • [9] RATHNAWEERA T D,RANJITH P G.Nano-modified CO2 for enhanced deep saline CO2 sequestration:a review and perspective study[J].Earth-Science Reviews,2020,200:103035.

    • [10] HE B,NEWELL P.Multi-physics modeling of injected nanoparticles effect on remediation of CO2 leakage through cracks[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2020,95:102955.

    • [11] KEYKHOSRAVI A,BEDRIKOVETSKY P,SIMJOO M.Experimental insight into the silica nanoparticle transport in dolomite rocks:spotlight on DLVO theory and permeability impairment[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2022,209:109830.

    • [12] 郧嘉琳.二氧化碳作用后致密砂岩力学性质变化特征研究[D].北京:中国地质大学(北京),2020.YUN Jialin.Experimental study on effect of CO2 on mechanical properties of tight sandstone[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2020.

    • [13] 鹿腾,杜利平,彭栋梁,等.超低渗透砂岩 SiO2 纳米颗粒吸附滞留特征[J].油田化学,2022,39(1):76-81.LU Teng,DU Liping,PENG Dongliang,et al.Adsorption characteristics of SiO2 nanoparticles in ultra-low permeability sandstone [J].Oilfield Chemistry,2022,39(1):76-81.

    • [14] 王海柱,李根生,郑永,等.超临界 CO2 压裂技术现状与展望[J].石油学报,2020,41(1):116-126.WANG Haizhu,LI Gensheng,ZHENG Yong,et al.Research status and prospects of supercritical CO2 fracturing technology [J].Acta Petrolei Sinica,2020,41(1):116-126.

    • [15] 陈侠宇.超临界 CO2 作用页岩微观特征变化及张拉力学特性研究[D].重庆:重庆大学,2020.CHEN Xiayu.Effects of supercritical CO2 on shale micro-characteristics and tensile mechanical behaviour [D].Chongqing:Chongqing University,2020.

    • [16] 胥蕊娜,吉天成,陆韬杰,等.二氧化碳地质封存与增产油/气/热利用技术中关键热质传递问题研究进展 [J].清华大学学报(自然科学版),2022,62(4):634-654.XU Ruina,JI Tiancheng,LU Taojie,et al.Research progress on heat and mass transfer in carbon geological storage and enhanced oil/gas/geothermal recovery technology[J].Journal of Tsinghua University(Science & Technology),2022,62(4):634-654.

    • [17] XU R,LI R,MA J,et al.Effect of mineral dissolution/precipitation and CO2 exsolution on CO2 transport in geological carbon storage[J].Accounts of Chemical Research,2017,50(9):2056-2066.

    • [18] 龙莉.不同压力 CO2 对页岩作用机理及影响研究 [D].重庆:重庆大学,2019.LONG Li.Study on the interaction mechanism of shale with different CO2 pressure and its effects on the properties of shale[D].Chongqing:Chongqing University,2019.

    • [19] 覃超.超临界 CO2 作用下页岩气储层物性与结构的响应机理[D].重庆:重庆大学,2020.QIN Chao.Response mechanism of physical properties and structure of shale gas reservoir treated by supercritical CO2 [D].Chongqing:Chongqing University,2020.

    • [20] YANG K,ZHOU J,XIAN X,et al.Chemical-mechanical coupling effects on the permeability of shale subjected to supercritical CO2-water exposure [J].Energy,2022,248:123591.

    • [21] XIE W,WANG H,CHEN S,et al.Thermodynamic and kinetic affinity of CO2 relative to CH4 and their pressure,temperature and pore structure sensitivity in the competitive adsorption system in shale gas reservoirs [J].Energy,2023,277:127591.

    • [22] AO X,QI Z,XIANG Z,et al.Swelling of shales by supercritical carbon dioxide and its relationship to sorption [J].ACS Omega,2020,31(5):19606-19614.

    • [23] TAVAKOLI A,RAHIMI K,SAGHANDALI F,et al.Nanofluid preparation,stability and performance for CO2 absorption and desorption enhancement:a review [J].Journal of Environmental Management,2022,313:114955.

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