张成：含水页岩CH4-CO2混合气体突破压力与渗透实验研究

来源：中国地质大学

页岩（包括泥岩）的气体突破压力问题是众多资源与环境研究中的共同课题。页岩中核废料储存安全性、页岩气渗流与聚集、水力压裂后气体逃窜、地下储气库及CO₂地质封存的盖层封闭性、地球深部温室气体向地表自然释放等问题都与之关系紧密。水在地下岩层中却几乎无处不在，但目前针对含水页岩突破压力的文献还非常少，有关含水页岩突破压力的实验方法、含水页岩突破渗流过程、以及突破压力形成机制等研究还不够深入。

基于以上科学问题，我校水资源与环境学院博士研究生张成在导师于青春教授的指导下，以我国柴达木盆地石炭系页岩为例，针对不同的含水饱和度，不同的CH₄-CO₂混合比例对页岩的突破压力进行了系统实验研究，取得以下创新性认识：

1、突破压力随含水饱和度增加，其变化过程可用指数函数描述：P = a＊Exp（bS_W）（式中P为突破压力；Sw为含水饱和度；a,b为待定常数）。有效渗透率随含水饱和度的增加而下降，其变化过程同样可用指数函数描述：K_eff = A＊Exp（-BS_W）（式中K_eff为有效渗透率；A,B为待定常数）。

2、在含水饱和度固定的条件下，突破压力与CO₂的含量有关，其关系式为: P = αM_CO2 + β（M_CO2为CO₂含量摩尔百分比）,待定常数α在10^-3 – 10^-2之间，β的值在0.3 - 19.0之间。气体中的CO₂会降低突破压力，其机理是CO₂-水之间的界面张力低于CH₄-水间的界面张力。CO₂分子直径小于CH₄也可能是CO₂降低气体突破压力的另一个原因。

3、有效渗透率与CO₂的含量有关，其实验数据统计关系为: K_eff = λM_CO2 + ψ（λ，ψ为大于零的常数）。随气体中CO₂含量增加有效渗透率上升，具体机制尚有待进一步研究。

含水页岩的CH₄-CO₂气体突破压力问题是多个资源与环境前沿课题的交叉点：泥页岩中核废料储存安全性、页岩气流动与聚集、页岩气开采时水力压裂后气体逃窜污染浅层地下水、地下储气库及CO₂地质封存的盖层封闭性、地球深部温室气体向地表自然释放等问题都与之紧密相关。目前大多数学者研究泥页岩对CH₄，CO₂等气体的封闭性多针对干燥页岩，针对不同程度含水页岩以及不同比例CH₄-CO₂混合气体的研究还很少。本研究就以上问题进行了探索，试图为多个资源与环境问题提供理论基础，具有重要的理论与实践意义。

图1  影响突破压力的页岩微裂缝FE-SEM图像（(a)：样品 1; (b) 样品2）

图2  突破压力与CO₂摩尔百分比之间的关系曲线（(a)： 样品1，(b)： 样品2）

图3  突破压力与含水饱和度之间的关系曲线（(a)： 样品1，(b)： 样品2）

上述成果发表于石油地质领域国际权威期刊《AAPG Bulletin》上：Cheng Zhang and Qingchun Yu. Breakthrough pressure and permeability in partially water-saturated shales using methane–carbon dioxide gas mixtures: An experimental study of Carboniferous shales from the eastern Qaidam Basin, China. AAPG Bulletin, v. 103, no. 2 (February 2019), pp. 273–301.[IF2017=3.21]

附件20190410092748940447.pdf (3.2445488MB)