酸化作用下页岩超声波透射试验研究

2022-09-29贾金龙王永发李志国

科学技术与工程 2022年24期

贾金龙，王永发，李志国

(武汉工程大学资源与安全工程学院,武汉 430205)

中国南方海相页岩气资源丰富，其技术可采资源量达到8×1012～11×1012m3，约占中国页岩气资源量的3/4[1-2]。南方海相页岩具有孔隙度和渗透率较低的特点，含水饱和度介于10%～95%[3]。页岩储层开发通常需要实施大规模的水力压裂用于增强其导流能力，储层压裂处理后水返排率为10%～15%，页岩储层存在大量滞留水。含水页岩的吸附、变形、强度等特征已引起学者关注[3-6]。

CO2是导致温室效应的主要气体，CO2注入页岩储层因竞争吸附优势可以置换与驱替CH4产出，同时实现提高页岩气储层的采收率(CO2-ESG)与CO2地下封存的双目标[7-8]。CO2驱油(CO2-EOR)、CO2提高煤层气采收率(CO2-ECBM)等技术当前主要作为含油气储层开发后期的增产技术[9]。对于水力压裂改造后的含水页岩气储层而言，开采后期实施CO2-ESG技术，CO2与含水页岩中的H2O反应生成碳酸(H2CO3)，H2CO3酸化作用下页岩的孔隙结构、物理力学性质可能改变，进而影响页岩储层渗透性和CO2封存安全性。

随着页岩气资源勘探开发需求的加大，超声波测试技术已被应用于评估页岩气储层孔隙结构、渗透性与力学性质等[10]。超声波测试可获得岩石丰富的内部结构、物理力学性质等特征信息，因其具有无损检测的优势被广泛用于各类岩石的孔裂隙结构、力学强度等研究。基于超声波测试技术，学者们探讨了不同因素影响下岩石的声波特性，发现岩石的弹性波速度受岩石矿物成分、结构、孔隙、含水量、压力和温度等多因素的影响[11-15]。吴刚等[11]分析了水对岩石超声性能的影响，发现饱水后花岗岩和石灰岩的纵波波速相比自然状态下降，而细砂岩的纵波波速稍有上升。Lin等[12]分析了煤岩受到有机溶剂蚀损作用后的超声波特性，发现蚀损煤岩孔隙结构变化所导致的超声波时域频谱振幅降低13.5%～56.7%，波速下降39.1%～70.1%。李贤胜等[13]探讨了岩石层理角度对声波衰减系数和波速的影响，发现层理角度与波速呈负相关，与衰减系数呈正相关；随着国家对页岩气资源勘探开发需求的加大，超声波测试技术在页岩气储层孔隙结构、力学特征等研究领域得到应用。熊健等[14]分析了高温影响下页岩的声学特性，发现温度增加至400 ℃以上，声波速度不断下降，衰减系数不断增加，泊松比也呈增大趋势，而弹性模量呈下降趋势。孙建孟等[15]研究发现，页岩中的气体会造成声波衰减，衰减会随着含气量的增加而增加，根据声波衰减规律与页岩中游离气与吸附气含量的关系，提出了声波衰减表征页岩中游离气量与吸附气量的方法。页岩气高效开发重大需求与“碳达峰、碳中和”目标的双重背景下，CO2-ESG技术实施具有重要发展前景，利用超声波无损检测的优势，分析CO2与H2O反应生成H2CO3酸化作用下页岩声波的变化特征，具有重要的理论研究意义。

为此，以南方海相页岩为研究对象，开展H2CO3酸化作用页岩超声波透射试验研究，分析含水页岩经过酸化作用后的声波特性变化，探讨导致声波特性变化的原因，以期为CO2-ESG技术实施的声学特性研究提供参考。

1 样品与试验设备

1.1 样品与加工

试验样品采自江西修武盆地露头海相页岩，将采集的块状页岩加工制备成直径50 mm、高度 100 mm 的圆柱试样。所选页岩试样的有机碳含量(TOC)质量分数变化范围较大，介于1.3%～10.4%，平均为3.2%。样品的矿物成分以石英(质量分数为24.5%～83.1%，平均58.4%)和黏土矿物为主(质量分数为10.1%～41.2%，平均23.2%)，含有少量长石、碳酸盐矿物、黄铁矿等。黏土矿物中伊利石发育最为普遍且含量最高，质量分数为25.7%～31.8%，平均为28.5%。

1.2 试验原理

超声波纵波与横波在岩石中传播的波速、幅值等参数，经过计算可得出衰减系数、泊松比、弹性模量等反映岩石的孔裂隙度、损伤、强度特性。采用脉冲波穿透法，分别测试超声波的纵波和横波在页岩试样中的传播速度与振幅，声波波速计算公式为[16]

(1)

式(1)中：v为波速，m/s；L为样品长度，mm；Δt为声波在样品中的实际传播时间，Δt=t2-t1，其中，t2为超声波透过样品时间，t1为换能器对零时间，μs。

测试超声波在页岩试样、探头对接时的首波峰值幅值(即振幅)，声波衰减系数计算公式为[17]

α=(lnA0-lnA)/L

(2)

式(2)中：α为衰减系数，dB/m；A0为探头对接首波振幅，V；A为通过页岩试样首波振幅，V。

根据超声波纵、横波速度值和页岩的密度，页岩力学性质参数计算公式为[16]

(3)

(4)

式中：vp、vs分别为纵波波速和横波波速；ρ为样品密度，g/cm3；μ为页岩泊松比，无量纲；E为页岩弹性模量，MPa。

1.3 试验设备

试验设备主要由酸化处理系统单元与超声波测试系统单元所组成(图1)。其中，酸化处理系统单元由CO2气源、样品反应室、温度控制器、压力表、管线及阀门等组成，为页岩试样提供所需的酸化处置条件；超声波测试系统单元由超声波参数分析仪、声波收发探头、换能器及样品夹持器等组成，用于测试页岩试样的声波参数。

P为压力表图1 试验设备Fig.1 Test equipment

试验采用的超声波参数分析仪为DB-16E型岩石声波参数仪，纵波与横波测试分别应用凡士林、铝箔进行耦合。声波测试之前，应用标准的有机玻璃试样(直径50 mm、长度100 mm)对仪器检查校准。样品的压密程度影响声波测试结果，样品压密程度受到压力大小的影响，为了消减样品受到的压力不等引起的声波测试误差，页岩试样声波试验均在夹持器施加的0.05 MPa恒定压力下测试。

1.4 实验流程

选取4个结构完整的页岩试样进行干燥处理、酸化处理的超声波测试，试验流程为：①制备圆柱试样，样品精度要求为：直径允许偏差为±0.3 mm，端面不平整度误差不得大于0.05 mm。测试样品的几何尺寸与重量；②样品干燥处理与声波测试，样品105 ℃条件下干燥24 h，冷却后应该用超声波测试系统单元测试样品的纵横波波形、波速、振幅，计算样品的纵、横波衰减系数α、泊松比μ及弹性模量E等参数；③页岩试样酸化处理及声波测试，干燥样品放入装有蒸馏水的烧杯中平衡水处理24 h，平衡水处理后的样品置于CO2处理系统单元样品反应室内，设置CO2注入压力为4 MPa、试验温度为40 ℃，样品酸化处理48 h后取出，测试样品的纵横波波形、波速、振幅，计算样品的纵、横波α、μ及E等参数。

2 实验结果

2.1 声波时域

干燥页岩与酸化处理48 h页岩的超声波时域图如图2所示。其中，图2(a)、图2(b)分别为1号样品纵波与横波的时域图，图2(c)、图2(d)分别为2号样品纵波与横波时域图，图2(e)、图2(f)分别为3号样品纵波与横波时域图，图2(g)、图2(h)分别为4号样品纵波与横波时域图。

图2 不同处置条件下页岩试样声波时域图Fig.2 Acoustic time domain diagram of shale specimens under different disposal conditions

通过对比页岩干燥处理、酸化处理两种条件下的纵波与横波的时域图(图2)与声波测试基本参数(表1)可知，与干燥处理样品相比，酸化处理样品的首波纵波幅值由2.225～2.676 V下降至1.492～2.150 V，平均下降幅度为0.711V，首波横波幅值范围由0.245～0.640 V下降至0.090～0.284 V，平均下降幅度为0.285 V；干燥样品与酸化处理样品的首波纵波幅值强于首波横波幅值，如1号样品干燥处理后的首波纵波幅值和横波幅值分别为2.676 V和0.245 V，酸化处理样品的首波纵波幅值和横波幅值分别为2.150 V和0.123 V，2号样品干燥处理后的首波纵波幅值和横波幅值分别为2.631 V和0.459 V，酸化处理样品后的首波纵波幅值和横波幅值分别为1.650 V和0.284 V；与干燥处理样品相比，酸化处理样品的纵波和横波传播时间延长，例如，1号样品纵波和横波传播时间分别增加3.6 μs和6.4 μs，2号样品纵波和横波传播时间分别增加3.7 μs和6.4 μs；干燥样品与酸化处理样品的横波传播时间大于纵波传播时间，如1号样品干燥处理后的纵波和横波传播时间分别为19.8 μs和30.3 μs，酸化处理样品后的纵波和横波传播时间分别为23.4 μs和36.7 μs，2号样品干燥处理后的纵波和横波传播时间分别为18.5 μs和28.5 μs，酸化处理样品的纵波和横波传播时间分别为22.2 μs和34.9 μs；3号与4号样品也呈出以上特征，由此可知，页岩经过酸化处理样品后纵波与横波幅值下降、传播时间延长，超声波在页岩内部的纵波穿透性比横波强。

表1 页岩超声波透射试验测试结果Table 1 Shale ultrasonic transmission test results

2.2 声波频域

超声波频谱特征可以反映出岩石内部结构信息的变化。基于傅里叶变换的方法，可以将时域信号按频率顺序展开变为频率函数，有利于发现时间域中被忽视的问题[14]。利用Origin软件对声波时域数据进行傅里叶变换，得到不同处置条件下样品的声波频域图(图3)，其中，图3(a)、图3(b)分别为1号样品纵波与横波的声波频域图，图3(c)、图3(d)分别为2号样品纵波与横波的声波频域图，图3(e)、图3(f)分别为3号样品纵波与横波的声波频域图，图3(g)、图3(h)分别为4号样品纵波与横波的声波频域图。

图3 不同处置条件下页岩试样的声波频域图Fig.3 Acoustic frequency domain plots of shale specimens under different disposal conditions

通过对比页岩试样频域信号可知，纵波与横波的信号能量集中在频率0.17 MHz附近，主频突出。与干燥样品相比，酸化处理样品的纵波与横波频谱曲线变化明显，频域内最大振幅下降，信号能量被吸收，横波比纵波表现出该特点更为显著。部分样品(如2号、3号样品)声波频谱曲线的主频发生畸变，主频向低频方向发生偏移(如4号样品横波)。岩石内部的孔裂隙是影响声波频谱曲线主频、频域内最大振幅及发生畸变的主要因素，孔裂隙度增大或者内部结构出现破坏裂纹，声波通过岩体发生反射、折射和散射的次数增加，从而导致声波传播路径逐渐延长，声波速度降低，声波能量衰减程度增加。岩体孔裂隙起到低通滤波器作用，声波中的高频成分逐渐被吸收，低频成分所占比例增加，主频向低频方向偏移，频谱曲线畸变程度增加。由此可见，与干燥样品相比，页岩试样经过酸化处后孔裂隙度增大或者内部结构出现破坏裂纹。

2.3 声波速度

基于页岩试样超声波透射试验得出的声波传播时间，结合样品长度，利用式(1)计算得出超声波在样品内的纵波波速与横波波速，进一步计算得出纵横波速比，如图4所示。

图4 超声波在页岩内的纵波波速、横波波速及波速比Fig.4 P-wave velocity,S-wave velocity,and P-S wave velocity ratio of ultrasound in shale

对比分析干燥样品与酸化处理样品的声波波速可知，相比于页岩干燥样品，酸化处理样品的纵波与横波波速均下降(图5)。纵波波速范围由4 958～5 419 m/s下降至3 747～4 498 m/s，最大降低值为1 244 m/s[图5(a)]。横波波速范围由3 226～3 504 m/s下降至2 385～2 865 m/s，最大降低值为865 m/s[图5(b)]。干燥样品与酸化处理样品的纵横波速度比范围分别为1.531～1.547和 1.567～1.571，纵横波速度比平均值分别为1.537和1.569，酸化处理样品纵横波速度比大于干燥样品的纵横波速度比，同一处理条件下样品的纵横波速度比较接近。页岩内部为非均质散射体，其孔隙及裂隙发育程度是影响波速的重要因素，声波穿透时间增加，波速下降，可推测样品内部孔隙裂隙增多。结合页岩试样的声波频域分析结果，进一步表明了页岩试样经过酸化处理后孔裂隙度增大或者内部结构出现破坏裂纹。

2.4 声波衰减系数

基于超声波透射试验测得的首波峰值幅值，结合样品长度，利用式(2)计算得出超声波衰减系数，如图5所示。

图5 声波衰减系数Fig.5 Acoustic attenuation coefficient

由图5可知，干燥样品的纵波与横波衰减系数范围分别为2.74～4.58和28.40～19.24，平均值分别为3.60和22.85。酸化处理样品的纵波与横波衰减系数分别为6.35～12.19和27.37～41.37，平均值分别为8.58和34.23。由此可见，同一处理方式下横波衰减系数大于纵波衰减系数。与干燥样品相比，酸化处理样品的纵波与横波衰减系数均增大，纵波衰减系数增大2.38倍，横波衰减系数增大1.50倍。衰减系数可以很好地描述声波的衰减特征，酸化处理样品的纵波与横波衰减系数增大，再一次说明了页岩试样经过酸化处理后孔裂隙度增大或者内部结构出现破坏裂纹。

3 讨论

3.1 酸化作用下水页岩孔裂隙变化对声波特性影响

3.2 酸化作用下页岩力学软化对声波特性影响

与干燥处理的页岩试样相比较，酸化作用下页岩试样发生水化与地球化学反应，页岩孔裂隙度增大或者内部出现破坏裂纹，其直接反映为力学性质发生变化。根据力学特性参数与声波速度比的关系，由式(3)、式(4)得出不同处置条件下页岩的泊松比与弹性模量(图6)。与干燥处理的页岩试样相比较，酸化作用下页岩试样的泊松比增大，平均增大0.092。弹性模量降低，平均降低2.876 GPa。由此可见，水化与地球化学反应共同作用下，页岩试样力学性质发生软化，进一步证实了酸化作用下页岩试样孔裂隙度增大或内部甚至破坏裂纹，引起声波性质发生改变。