页岩在压裂液热压作用下的孔隙结构与声学性质耦合

《Langmuir》：Pore Structure–Acoustic Property Coupling of Shale under Fracturing Fluid Thermopressure Dynamics

本研究系统考察了不同温压条件下水力压裂流体对达乌巴页岩矿物组成、孔隙结构和声学特性的多尺度演化规律。通过72小时静态浸渍实验（围压5/10/15 MPa，温度20/50°C），揭示了孔隙体积（PV）、分形维数D1和声速（Vp）随温压变化的耦合机制：低温高压下矿物膨胀压缩主导PV下降与D1/Vp升高；高温高压促使微孔转介孔并诱发微裂缝，导致PV上升及D1/Vp下降。声学衰减系数α同步变化，证实温压耦合显著影响页岩储层预测与声监测优化。

　　

了解压裂液在不同温度和围压条件下的对页岩孔隙结构及声学行为的影响，对于预测水库稳定性及优化声学监测技术至关重要。本研究系统地探讨了 Dawuba 页岩的矿物组成、孔隙结构及声学特性的多尺度演变规律。实验采用静态浸渍法，将页岩样品在三种压力（5 MPa、10 MPa 和 15 MPa）和两种温度（20 °C 和 50 °C）下浸入压裂液中 72 小时。结果表明，在 20 °C 和围压条件下，水合作用导致的粘土膨胀会减少孔隙体积（PV），增加分形维数 D₁，并显著提高声速（Vp）。围压的增加使微孔和中孔向大孔转化，并引发微裂纹，这会导致孔隙体积增大、分形维数 D₁ 和声速 Vp 减小，同时声衰减系数 α 增加。在高温条件下，碳酸盐矿物溶解加速，引发孔隙结构重构，显著增强波的散射和能量损失。当温度和压力同时作用时，孔隙连通性增加，页岩骨架变弱，进一步降低声速 Vp 并增加声衰减系数 α。这些结果揭示了一种受温度和压力影响的“孔隙-声学”耦合机制：低压水合作用阶段以孔隙压缩为主，而高压和高温条件则促使微孔向中孔转化并引发裂纹扩展。这种孔隙结构演变直接影响声学响应参数，孔隙体积与分形维数 D₁ 之间存在显著相关性。