页岩气水力压裂过程中压裂液—甲烷—矿物反应实验模拟研究

【摘要】：页岩气是一种环保、高效的能源,主要赋存于地壳深部的页岩层中。水力压裂是当今开采页岩气的最主要的方法。水力压裂所用的压裂液含有各种成分,可能会对地下水含水层以及地下岩层造成污染。为了探究压裂液与页岩层的反应机理,配制成分简单的压裂液,挑选我国主要页岩气产区岩层中含量较高的矿物,使用甲烷气体作为气相,利用室内高温高压反应釜模拟单矿物以及混合矿物的反应实验,并采用PHREEQC软件进行温度、压力、离子强度及离子类型等影响条件的模拟。得出的结论如下:在高温高压条件下,单矿物与压裂液在甲烷条件下发生反应,甲烷并不参与矿物的反应;由于超临界流体的性质,甲烷条件下的矿物溶解度比氮气条件下的矿物溶解程度要低大约10%。将几种不同的矿物以一定的比例混合,在高温高压条件下与压裂液在甲烷环境中发生反应。方解石不仅发生在液相中的溶解反应,同时还与呈现酸性的压裂液发生酸碱中和反应,溶解的量也要大于其他三种矿物。当p H值由初始的酸性到接近中性后,方解石的溶解反应开始变缓,方解石在体系中起到控制p H值的作用;蒙脱石的溶解程度较小,但其遇水之后吸水膨胀增大了接触面积,当矿物的结构变松散后,分子之间的作用力也会减弱,分子更容易被淋滤或者交换出来,此时蒙脱石的溶解量会增大。高岭石和石英的溶解程度较小,溶解贡献的离子浓度都较低。根据PHREEQC软件平衡模拟结果可知,甲烷的溶解程度约为1.1 mmol/L左右,而系统的p H值在稳定后会在9‐10之间。温度和Na Cl浓度等因素的变化会影响四种矿物的溶解,温度越高,矿物溶解变化量越大;在一定范围内,Na Cl浓度越高,矿物溶解变化量越大。甲烷的压力对矿物的溶解变化影响很小;而在不同的水型中,由于同离子效应的产生导致矿物的溶解也有所差异。