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。 【关键词】：甲烷 压裂液 高温高压试验 PHREEQC模拟
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE377
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究背景12-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 国外研究现状15-20
• 1.2.2. 国内研究现状20-21
• 1.3 科学问题的识别与研究意义21-22
• 1.4 研究内容和技术路线22-24
• 1.4.1 研究内容22-23
• 1.4.2 技术路线23-24
• 第2章 固液气三相反应实验（单种矿物）24-40
• 2.1 模拟实验矿物种类选取24
• 2.2 压裂液成分及特点24-26
• 2.3 材料与方法26-27
• 2.3.1 实验材料26
• 2.3.2 实验方法26-27
• 2.4 实验方案27
• 2.5 检测方法27
• 2.6 实验结果27-39
• 2.6.1 实验条件27-28
• 2.6.2 实验结果28-39
• 2.7 本章小结39-40
• 第3章 固液气三相反应实验（混合矿物）40-51
• 3.1 材料与方法40
• 3.1.1 实验材料40
• 3.1.2 实验方法40
• 3.2 实验方案40-42
• 3.3 实验结果42-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 水‐气‐岩反应的平衡模拟研究51-64
• 4.1 PHREEQC软件滴定模型的建立51
• 4.2 滴定模型结果与讨论51-62
• 4.2.1 温度对反应的影响52-54
• 4.2.2 压力对反应的影响54-56
• 4.2.3 NaCl浓度对反应的影响56-58
• 4.2.4 溶液中阳离子类型对反应的影响58-61
• 4.2.5 结果分析61-62
• 4.3 本章小结62-64
• 第5章 结论与建议64-66
• 5.1 结论64-65
• 5.2 建议65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-73
• 附录73

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