产气页岩氧化溶蚀增渗过程中黄铁矿的影响机理研究

Shale oxidation stimulation can induce fracture development and enhance shale matrix conductivity，which is promising in addressing the dilemma of rapid decline in gas well production and low recovery rate faced by shale gas exploitation in China. Pyrite, as a characteristic mineral of rich organic matter deposition, is active in chemical properties and its oxidation can play important role on shale stimulation. However, little research has been conducted on this problem. In this project, we aim at studying the influence and mechanism of pyrite dissolution on the stimulation of shale with oxidation by combining multiple methods including site investigation, laboratory experiment as well as numerical simulation. The contents will focus on: quantifying the influence of pyrite oxidation on the dissolution and precipitation of some critical primary minerals; determining the control mechanism of the catalytic free radical generation characteristics of pyrite on the oxidation and dissolution of organic matter; revealing the change of porosity and permeability of shale enhanced by pyrite oxidation; building the reactive transport model for shale oxidation stimulation. The achievements of this project will not only supply with theoretical basis for the shale oxidation stimulation technology, provide scientific guidance for the design and optimization of fracturing fluid, but also propose reference for the stimulation of tight and low-permeability rock formations and enrich the theory of rock chemical weathering.

页岩氧化溶蚀增渗技术通过注入氧化液促进黄铁矿及有机质等还原性组分的溶解，可诱发裂缝展开并改善页岩基质的传导能力，有望改善我国页岩气开采面临的气井产量降低迅速、采收率低下的困境。黄铁矿作为富有机质沉积的特征矿物，它的氧化可对页岩改造效果产生较大影响。然而目前针对该问题的研究甚少。本项目以富含黄铁矿和有机质等还原环境产物的产气页岩为研究对象，融野外调查、科学实验与数值模拟于一体，研究黄铁矿氧化产酸对页岩中原生矿物溶解沉淀的影响，确定黄铁矿催化自由基生成特性对页岩有机质氧化溶蚀的控制机制，探索黄铁矿氧化作用下页岩渗透性的演变规律，建立页岩氧化溶蚀过程中页岩的孔隙度、渗透率时空演化模型，揭示黄铁矿对产气页岩氧化溶蚀增渗的影响与机理。本研究的开展既可为页岩氧化-溶蚀增渗技术提供理论依据，为压裂液的设计与优化提供科学指导，同时也可为致密、低渗岩层的改造及非常规油、气的高效清洁开采提供新思路。

页岩氧化溶蚀增渗技术通过注入氧化液促进黄铁矿及有机质等还原性组分的溶解，可诱发裂缝展开并改善页岩基质的传导能力，有望改善我国页岩气开采面临的气井产量降低迅速、采收率低下的困境。黄铁矿作为富有机质沉积的特征矿物，它的氧化可对页岩改造效果产生较大影响。为查明黄铁矿对页岩氧化溶蚀增渗的影响及机理，本项目以我国湖北宜昌地区水井沱组产气页岩为研究对象，首先选择三种氧化剂（H2O2、NaClO和Na2S2O8），开展了常压力、地层温度条件下页岩粉末的氧化溶蚀动力学与影响因素批实验，基于反应前后的水化学组分及页岩质量、TOC含量、矿物组成与形貌的变化，揭示了不同氧化剂与页岩的反应机制，确定了页岩氧化溶蚀的影响因素；其次，开展页岩岩片、岩块、岩屑与不同氧化剂（H2O2、NaClO和Na2S2O8）的水岩反应批实验，结合原位观测、微观孔隙结构表征及水化学分析方法，识别了不同氧化剂对页岩裂隙及孔隙结构的改造，提出了氧化溶蚀对页岩渗流通道的影响机制；再次，基于组分添加的方法，开展页岩中关键组分与H2O2、Na2S2O8反应的动力学实验，结合反应过程中的水化学变化及反应前后的TOC含量与质量变化特征，同时借助水文地球化学模拟技术，量化了关键组分反应的动力学参数，阐明了黄铁矿—干酪根—碳酸盐矿物—绿泥石在Na2S2O8及H2O2氧化改造页岩时的相互作用机理；最后，选择岩心样品开展动态驱替实验，模拟实际地层的温度与压力条件开展氧化液的注入研究，明确了氧化液渗流条件下页岩岩心组分的溶解与沉淀过程及岩心孔隙度和渗透率的变化特征，量化了氧化溶蚀用于提高页岩储层渗透率的可行性。以上研究成果既可为页岩氧化-溶蚀增渗技术提供理论依据，为压裂液的设计与优化提供科学指导，同时也可为致密、低渗岩层的改造及非常规油、气的高效清洁开采提供新思路。