CO2-水-页岩地球化学作用对页岩层的改造机制研究

Geochemical interaction between CO2, water and shale system and its modification on shale formation are one of the key problems in the study of the mechanism of CO2/ shale gas flow in the shale reservoirs. The range of shale pore size is from micron to nanometer, which is different from that of sandstone, the mineral particles is far less than that of sandstone, the specific surface area is relatively large, and then the contact surface or reaction interface of CO2, water and shale increases significantly, the chemical reaction of which is very strong. It is particularly important to study the mechanism of geochemical effect of CO2-water-shale on the shale reconstruction. By combing laboratory experiment and numerical simulation, this study will depict the geochemical interaction of CO2-water-shale system, analyzing the changes of the physical properties of shale and determining the significant influential factors, exploring the inner link between dissolution and precipitation behavior of key mineral and porosity and permeability variation, revealing the mechanism of geochemical effects of CO2-water-shale on the shale reconstruction, building the reactive transport model of CO2 in the shale. The research results will help to enrich the flow mechanism of shale reservoir, which would provide theoretical basis for developing the technology of supercritical CO2 enhanced shale gas recovery, and would provide a scientific basis for screening the shale reservoir of shale gas mining, which has important scientific significance and practical value.

“CO2-水-页岩”体系的地球化学作用及其对页岩层的改造是页岩储层中CO2/页岩气流动机理研究中的关键问题之一。与砂岩不同，页岩孔隙大小从微米级至纳米级，其矿物颗粒远小于砂岩，比表面积相对较大，与CO2、咸水接触面或反应界面显著增大，其化学作用强烈，研究CO2-水-页岩地球化学作用对其改造机制尤为重要。本研究拟采用数值模拟与室内实验相结合的方法，刻画“CO2-水-页岩”体系的地球化学作用过程，研究CO2-水-页岩地球化学作用对页岩储层物理性质的改变模式及重要影响因素，探索页岩关键性矿物溶解沉淀规律与孔隙度、渗透率变化之间的内在联系，揭示CO2-水-页岩地球化学作用对页岩层的改造机制，构建CO2在页岩中的反应性运移模型。本研究有助于丰富页岩储层的流动机理，为发展超临界CO2增强页岩气开采技术提供理论基础，同时也可为页岩气开采储层的筛选提供科学依据，具有重要的科学意义与实际价值。

“CO2-水-页岩”体系的地球化学作用是页岩储层孔隙中CO2/页岩气流动机理研究中的关键问题之一，是发展超临界CO2 增强页岩气开采技术的理论基础。本项目主要依托我国鄂尔多斯盆地的基础资料，利用CO2-水-页岩地球化学反应实验和模拟方法，开展了CO2-水-页岩地球化学作用对页岩/低渗岩层的改造机制研究，包括以下三个方面：（1）CO2-水-页岩地球化学作用对储层物理性质的改变；（2）关键性矿物在“CO2-水-页岩”体系中的溶解与沉淀机制；（3）CO2流体在“CO2-水-页岩”体系中的反应性运移研究。CO2-水-页岩地球化学反应引起了页岩矿物的溶解与沉淀，改变了页岩层的孔隙结构和渗透性。矿物组成、温度、压力和盐度可通过影响CO2-水-页岩相互作用过程而影响孔隙度和渗透率的变化。孔隙度变化的空间分布与CO2迁移范围一致。研究区内刘家沟组、石千峰组和石盒子组储层的孔隙度最大增加量分别为0.10%、0.12%和0.42%。不同储层孔隙度变化的差异是由不同的初始矿物组成和储层条件引起不同的CO2-水-页岩相互作用导致的。奥长石、白云石和方解石是影响低渗储层CO2注入过程中孔隙度增加的关键性矿物。CO2-水-岩相互作用过程中局部矿物溶解会导致空间体积大幅增加从而提高储层的孔隙度和渗透率。绿泥石、钠长石、钾长石和方解石是影响CO2-水-岩石地球化学作用的关键性矿物。绿泥石是固碳矿物沉淀所需Mg2+和Fe2+的重要载体，铁白云石对CO2矿物捕集和孔隙度变化具有决定性影响。在CO2驱替页岩气开采过程中，注入压力会影响CO2封存量和CH4采收率，选择合适的注入压力对于CH4高效开采，CO2有效注入和安全封存至关重要。本研究确定了关键性矿物溶解沉淀规律与孔隙度、渗透率变化之间的内在联系，阐释了CO2-水-页岩地球化学作用对页岩层的改造机制。研究结果有助于丰富页岩储层的流动机理，为超临界CO2增强页岩气开采技术提供理论基础和科学依据，对超临界CO2增强页岩气开采技术具有重要的指导意义。