研究亮点

张成:含水页岩CH4-CO2混合气体突破压力与渗透实验研究【AAPG,2019】
发布:科技处 2019-04-10 阅读:

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 = aExpbSW(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:Keff = AExp-BSW(式中Keff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 = αMCO2 + βMCO2CO2含量摩尔百分比),待定常数α10-3 – 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: Keff = λMCO2 + ψλ,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CH4CO2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。

 

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

 

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

 

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)