韓 旭, 馮福平*, 叢子淵, 董 靜, 王彥新, 劉圣源

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 163318；2.中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司上海分院，上海 200127)

CO2的捕獲與封存技術(shù)(carbon capture and storage, CCS)作為一項(xiàng)高效的節(jié)能減排途徑，既可憑借地層中存在的大量微結(jié)構(gòu)儲(chǔ)集空間埋存溫室氣體，又可以利用氣體自身性質(zhì)改變?cè)偷牧鲃?dòng)性，提高原油采收率。隨著大量CO2封存工程項(xiàng)目的開展，其過程中所涉及的安全問題逐漸備受關(guān)注[1]。

自美國1972年成功實(shí)施了CO2驅(qū)油與埋存項(xiàng)目至今，有近140個(gè)相關(guān)項(xiàng)目在世界各油田大規(guī)模實(shí)施，中國也在20世紀(jì)60年代初開始了CO2提高原油采收率的室內(nèi)與礦場(chǎng)試驗(yàn)研究[2]。作為全球碳排放的主要國家之一，中國擁有廣闊的溫室氣體埋存潛力和發(fā)展前景，但在CO2封存過程中，弱酸性流體對(duì)儲(chǔ)層巖石的溶蝕作用是影響其強(qiáng)度特性的主要因素。一方面，將CO2埋入地層后，油藏中的CO2主要以超臨界流體形式(溫度31.26 ℃，壓力7.38 MPa)存在于多孔介質(zhì)中；或溶于油和水，降低地層流體的pH；富含鈣和硅酸鎂礦物質(zhì)的巖石也可以通過提供Ca2+、Mg2+、Fe2+等陽離子來中和酸性流體，并在CO2存在的情況下形成穩(wěn)定的碳酸鹽相[3-4]。此時(shí)處于酸性條件下的沉積巖儲(chǔ)層表面礦物將受到化學(xué)溶蝕作用，這種現(xiàn)象通過改變巖石的礦物組成成分及孔隙結(jié)構(gòu)，令巖石內(nèi)部遭到破壞，進(jìn)而引起基巖物性的改變[5-6]。另一方面，儲(chǔ)層巖石孔隙中不斷有流體進(jìn)入，造成孔隙流體壓力累積，改變巖石的有效應(yīng)力場(chǎng)，造成儲(chǔ)層巖石內(nèi)部原有的微裂縫擴(kuò)展以及新裂縫的萌生，作為巖石細(xì)觀時(shí)效損傷堆積后表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)破壞現(xiàn)象，其直接影響巖石內(nèi)部流體遷移規(guī)律，如此長期發(fā)展可能會(huì)形成宏觀裂縫，破壞地質(zhì)完整性并為CO2提供逃逸路徑[7-11]。因此，在巖石的宏觀破壞之前，厘清HMC(hydromechanical-chemical)耦合作用下巖石內(nèi)部的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律具有重要的力學(xué)意義及水化學(xué)意義。

現(xiàn)從地層巖石的化學(xué)反應(yīng)、巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化、微裂縫的擴(kuò)展、hydromechanical-chemical耦合作用過程等方面綜述了CO2酸性流體對(duì)地層巖石影響。闡明了CO2封存過程中地層巖石的微觀溶蝕機(jī)理，進(jìn)而著重分析了化學(xué)-應(yīng)力耦合作用對(duì)巖石細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制及破壞條件，總結(jié)了現(xiàn)階段CO2封存安全性評(píng)價(jià)的不足，并針對(duì)目前存在的問題提出建議。

1 儲(chǔ)層巖石化學(xué)反應(yīng)微觀機(jī)理

CO2屬于酸性氣體，在埋存過程中會(huì)以超臨界形式存在于地層中，部分氣體分子可溶于水，從而實(shí)現(xiàn)CO2的溶解圈閉，并令地層流體呈酸性，具體過程如下：

(1)

(2)

(3)

儲(chǔ)層巖石中的礦物種類主要包括碳酸鹽類、長石類、硅鋁酸鹽類以及石英。不同于普通的單一反應(yīng)系統(tǒng)，在CO2封存過程中巖石常包含溶解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等復(fù)雜的過程，巖石的礦物成分會(huì)影響巖石的物性、強(qiáng)度特性以及CO2的埋存量等。具體反應(yīng)[12-14]如下：

碳酸鹽

(4)

(5)

長石

鉀長石+2H++9H2O→2K++高嶺石+石英

(6)

鈉長石+2H++9H2O→2K++高嶺石+石英

(7)

鈣長石+2H++H2O→Ca2++高嶺石

(8)

硅鋁酸鹽

高嶺石+6H+→2Al3++石英+5H2O

(9)

高嶺石+石英+0.6K++0.25Mg2+→伊利石+1.1H++0.75H2O

(10)

高嶺石+H2O+2CO2+2Na+→NaAlCO3(OH)2+石英+2H+

(11)

蒙脫石+CO2+4H2O→NaAlCO3(OH)2+高嶺石+石英

(12)

云母+H2O+CO2→斜長石+高嶺石+石英

(13)

其中長石類礦物為主要溶蝕相，反應(yīng)初期，所產(chǎn)生的層片狀次生礦物圍繞在溶蝕孔洞處并不斷疊加，最終形成弱網(wǎng)狀的高嶺石多孔層；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，長石表面會(huì)疊加并增長出花瓣?duì)罹G泥石以及網(wǎng)絡(luò)狀分布的縷狀伊利石[15]。溶蝕產(chǎn)物溶解出的Fe3+和Mg2+，還可以為碳酸鹽礦物的形成提供陽離子。

綜合分析相關(guān)資料可知[16-19]，白云石以及方解石雖均為碳酸鹽類礦物，其含量變化卻呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。不同于白云石的持續(xù)溶蝕，方解石屬于早期溶解，晚期再沉淀的特殊礦物。早期溶解時(shí)，方解石溶于水形成的Ca2+對(duì)弱酸性流體起緩沖作用，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，H+被消耗到較少時(shí)，化學(xué)平衡反應(yīng)會(huì)逆向移動(dòng)，重新析出CaCO3，此時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為沉淀反應(yīng)。另外，由于最初反應(yīng)的方解石表層被溶蝕掉，內(nèi)部新鮮層面露出使得Ca2+濃度再次增加，方解石的含量出現(xiàn)周期性的變化趨勢(shì)。

硅鋁酸鹽類礦物大多為沉淀相。高嶺石的形成通常與酸性流體環(huán)境下長石等礦物的溶蝕作用有關(guān)，例如呈酸性的流體、較強(qiáng)的流體動(dòng)力可增強(qiáng)地層水中Al3+的絡(luò)合以及Na+、K+的遷移，有利于形成高嶺石[20-21]。隨著蒙脫石在CO2水溶液中的溶蝕，地層水中Mg2+和K+的濃度相對(duì)增加，生成高嶺石及石英沉淀，進(jìn)而形成伊利石，這是一種界于高嶺石和蒙脫石的中間產(chǎn)物。

文獻(xiàn)[22-24]均對(duì)不同化學(xué)反應(yīng)條件下巖石的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究。其中碳酸鹽礦物對(duì)酸性溶液較敏感，在碳酸鹽富集區(qū)易形成不同的微觀溶蝕結(jié)構(gòu)：碳酸鹽巖顆粒溶蝕形成孔隙，環(huán)狀區(qū)易形成溝槽及粗糙的不穩(wěn)定表面結(jié)構(gòu)[25-26]，但其溶蝕后溶液內(nèi)離子不平衡導(dǎo)致的再沉淀能夠填補(bǔ)基質(zhì)中的微裂縫和孔隙，間接提高巖石強(qiáng)度。白云石的溶蝕特性弱于碳酸鹽礦物，圖1為文獻(xiàn)[27-28]利用灰質(zhì)白云巖進(jìn)行CO2流體溶蝕實(shí)驗(yàn)，樣品主要發(fā)生表面腐蝕，深度腐蝕則由巖石骨架結(jié)構(gòu)控制，易出現(xiàn)在連通性較好、孔隙分布較明顯的部分。雖然黏土、石英和有機(jī)質(zhì)不與酸發(fā)生反應(yīng)，但這些礦物相鄰區(qū)域的膠結(jié)物在酸溶蝕后間接地增加了其孔隙連通性。

圖1 化學(xué)溶蝕下巖樣X射線二維掃描圖Fig.1 X-ray 2D scans of rock sample under chemical corrosion

由以上分析可知，巖石內(nèi)部的碳酸鹽、硅酸鹽以及黏土礦物等易與酸性溶液發(fā)生反應(yīng)的成分受到溶蝕作用，改變巖石礦物成分含量及巖石物性參數(shù)，降低巖石強(qiáng)度。由于晶粒級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)演化，酸性流體能夠削弱礦物顆粒間的連接力，且孔隙流體壓力會(huì)令巖石內(nèi)部有效應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致各向異性損傷增加，令巖石變的松軟脆弱[29-32]。

實(shí)際的地層巖石作為多孔介質(zhì)，相比于室內(nèi)試驗(yàn)所制備的樣品，還具備微裂縫發(fā)育的特征，為流體提供有利的通道。然而在CO2埋存過程中，巖石膠結(jié)強(qiáng)度的降低以及礦物顆粒的溶蝕，會(huì)導(dǎo)致原有微裂縫的擴(kuò)展以及巖石弱帶的萌生。化學(xué)溶液令礦物顆粒形狀趨于圓滑，粒間接觸邊緣鋸齒部分的強(qiáng)度下降以及對(duì)微裂縫兩側(cè)表面摩擦特性的降低和巖石抗壓強(qiáng)度的劣化作用，均在一定程度上影響了巖石的脆性破壞方式[33-38]。

2 CO2水溶液條件下巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

由于巖石礦物組成和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)差異較大，溶蝕作用導(dǎo)致孔隙、喉道等微結(jié)構(gòu)尺寸增加并連通，而礦物顆粒在隨溶液運(yùn)移的同時(shí)，也可能出現(xiàn)大粒徑礦物沉淀堵塞喉道的現(xiàn)象。巖石內(nèi)部細(xì)觀尺度的微裂縫形成、擴(kuò)展等過程實(shí)際上是巖石力學(xué)性質(zhì)劣化過程的積累，且不可逆轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致宏觀的地層滑移或微地震現(xiàn)象，為CO2提供逃逸路徑。巖石的微裂縫的形成主要分為兩個(gè)過程，亞臨界擴(kuò)展及瞬時(shí)擴(kuò)展，由于微裂縫尖端的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜[39-41]，CO2酸性流體在不同的細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷過程中起著不同的控制作用。

2.1 微裂縫亞臨界擴(kuò)展行為

當(dāng)微裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI)小于巖石的斷裂韌性(KIC)時(shí)，微裂縫會(huì)發(fā)生具有時(shí)間依賴性的緩慢擴(kuò)展，稱為亞臨界擴(kuò)展[42-43]，微裂縫亞臨界擴(kuò)展速率與微裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子密切相關(guān)。

在酸性流體作用下，微裂縫的動(dòng)力學(xué)過程由兩種機(jī)制控制，一是化學(xué)物質(zhì)向微裂縫尖端的遷移過程中與新裂表面的反應(yīng)；另一機(jī)制為溶液中的離子和微裂縫尖端化學(xué)鍵的反應(yīng)。圖2為水的分壓(p)或濃度(c)增加條件時(shí)巖石微裂縫亞臨界擴(kuò)展速度v與微裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的關(guān)系[44]。

圖2 巖石微裂縫亞臨界擴(kuò)展速度與臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系Fig.2 Relationship between subcritical propagation velocity and stress intensity factor of microfracture in rock

巖石亞臨界微裂縫擴(kuò)展一般可分為3個(gè)階段：

第Ⅰ階段中，微裂縫經(jīng)過一定的孕育期開始加速擴(kuò)展，水溶液存在會(huì)令Ⅰ階段曲線向左上方移動(dòng)，并增加其擴(kuò)展范圍，而對(duì)Ⅱ、Ⅲ階段近乎無影響。這是由于微裂縫擴(kuò)展會(huì)形成新的微裂縫尖端表面，增加了化學(xué)反應(yīng)的活性位點(diǎn)，此階段裂縫的擴(kuò)展速率受尖端的化學(xué)反應(yīng)控制。

第Ⅱ階段為穩(wěn)定擴(kuò)展階段。微裂縫擴(kuò)展速率不隨應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加而改變，此時(shí)該階段微裂縫擴(kuò)展主要由溶液向微裂縫尖端的遷移決定。

第Ⅲ階段為非穩(wěn)定破壞階段。當(dāng)微裂縫從成核、亞臨界擴(kuò)展到臨界長度時(shí)，其尖端區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI隨著微裂縫的擴(kuò)展而增加到KIC。此時(shí)在較高微裂縫擴(kuò)展速率下，化學(xué)物質(zhì)傳輸?shù)轿⒘芽p尖端的速度無法與在新微裂縫表面產(chǎn)生反應(yīng)離子的來源保持同步。在這種情況下，微裂縫發(fā)生非穩(wěn)定擴(kuò)展[45]，其尖端溶液的組成由新微裂縫表面的化學(xué)成分控制。

裂縫尖端處礦物的溶蝕或沉淀反應(yīng)將改變尖端的應(yīng)力狀態(tài)。文獻(xiàn)[46-47]指出，含CO2等溶質(zhì)的酸性流體是通過對(duì)微裂縫尖端高強(qiáng)度的化學(xué)鍵產(chǎn)生溶解作用與水解弱化作用來降低裂縫尖端的斷裂韌度的。由于巖石微裂縫表面化學(xué)成分不同，其原子鍵對(duì)化學(xué)溶液有不同的敏感性。以硅酸鹽為例，OH—和Si—O網(wǎng)絡(luò)之間微裂縫擴(kuò)展的控制機(jī)理為

圖3 鹽溶液濃度對(duì)裂縫擴(kuò)展能量釋放率的影響Fig.3 Effect of NaCl concentration on energy release rate of fracture propagation

圖4 溶液對(duì)微裂縫尖端的三種作用機(jī)制Fig.4 Three mechanisms of action of solution on microfracture tip

化學(xué)溶液一方面能夠引起彈性應(yīng)力集中，令裂縫尖端固相化學(xué)勢(shì)增加，導(dǎo)致尖端溶解后裂縫擴(kuò)展[圖4(b)]；另一方面能導(dǎo)致裂縫尖端的鈍化[圖4(c)]，此現(xiàn)象也被稱為Joffe效應(yīng)[55]。而不同的地層水溶液會(huì)導(dǎo)致亞臨界擴(kuò)展條件下的微裂縫愈合，且需要更大的拉力才能使裂縫重新打開。Offeddu等[53]利用原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到Mg2+能夠促進(jìn)微裂縫愈合，這是由于Mg2+的存在不僅會(huì)降低方解石的表面能[44]，也會(huì)降低方解石的溶解速率，防止裂縫尖端的鈍化，提升了微裂縫的愈合率。

文獻(xiàn)[56-57]研究了巖石在弱酸性溶液(pH=5～7)中的微裂縫亞臨界擴(kuò)展情況，并將結(jié)果與空氣中的結(jié)果進(jìn)行了比較。在相同KIC下，即使周圍環(huán)境pH不同，裂縫擴(kuò)展速度也沒有變化。這一結(jié)果與公認(rèn)的OH-加速巖石亞臨界微裂縫增長的認(rèn)識(shí)不一致，其證實(shí)了裂縫亞臨界擴(kuò)展速度主要受尖端的溶液pH環(huán)境影響，而不受整體水環(huán)境中的pH影響。

由此可知，對(duì)于不同礦物組成的巖石，酸性溶液對(duì)其微裂縫尖端的溶蝕機(jī)理有較大差異，但其作用效果類似，即改變裂縫尖端的斷裂韌度及塑性區(qū)域的化學(xué)環(huán)境，且裂縫亞臨界擴(kuò)展速度主要受尖端的化學(xué)溶液環(huán)境影響，而與整體的化學(xué)溶液環(huán)境關(guān)聯(lián)較小，對(duì)于巖石的力學(xué)破壞機(jī)制并沒有本質(zhì)上的改變。

2.2 微裂縫瞬時(shí)擴(kuò)展行為

當(dāng)裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過巖石的斷裂韌度時(shí)(KI≥KIC)，微裂縫將發(fā)生另一種與時(shí)間無關(guān)的瞬時(shí)擴(kuò)展，其臨界條件可以表示為KI=KIC。

由于該過程通常無法單純的用肉眼對(duì)巖石中微裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行精確的捕捉與辨析，從能量角度出發(fā)可對(duì)巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行合理的描述[58-59]。通常情況下，微裂縫尖端能量達(dá)到臨界值會(huì)導(dǎo)致裂縫沿著最大能量釋放率的方向擴(kuò)展，微裂縫的擴(kuò)展速度和微裂縫長度均與恒載速率條件下的應(yīng)變能釋放速率G成正比。當(dāng)CO2流體存在時(shí)，具體巖石破壞過程中各階段的能量演化規(guī)律如圖5所示[60-67]。

圖5 巖石能量與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系演化規(guī)律Fig.5 Relationship between energy evolution and stress-strain state of rock

第Ⅰ階段：在壓密階段(OA)，隨著能量的輸入，累積彈性變形能緩慢增加，巖石內(nèi)部的微裂縫相互閉合滑動(dòng)。水溶液的存在導(dǎo)致孔隙體積增大，部分輸入能量被應(yīng)變軟化機(jī)制耗散釋放。在此階段，巖石的變形取決于孔隙水壓力和巖石在化學(xué)溶液中的軟化程度。

第Ⅱ階段：在線彈性階段(AB)，巖石內(nèi)部能量積聚，導(dǎo)致巖石發(fā)生彈性變形，應(yīng)變硬化機(jī)制迅速占據(jù)主導(dǎo)地位。而化學(xué)物質(zhì)的存在能夠吸附一定的能量，使巖石礦物表面能降低。宏觀表現(xiàn)為彈性模量相比于自然狀態(tài)有大幅度降低，巖石的軟化現(xiàn)象明顯。

第Ⅲ階段：在穩(wěn)定破裂發(fā)展階段(BC)，應(yīng)變主要由微裂縫擴(kuò)展、貫通引起，許多能量以裂縫表面能及各種輻射能的形式耗散釋放掉。巖石中微裂縫的擴(kuò)展導(dǎo)致了巖石輕微的體積膨脹變形，其滲透性也開始逐漸增加?；瘜W(xué)溶液溶蝕后的巖樣峰前弱化階段較明顯；峰后破壞階段應(yīng)力跌落較小，發(fā)育較平緩。經(jīng)分析，該過程與巖石溶蝕后微觀結(jié)構(gòu)變化、孔隙水壓力作用及巖石溶蝕程度有關(guān)。孔隙水壓力表現(xiàn)為在該段先增到最大值，隨著微裂隙擴(kuò)展又逐漸降低，至破壞點(diǎn)時(shí)急劇下降，也證實(shí)巖石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)遭到了物理性破壞。

第Ⅳ階段：在不穩(wěn)定破裂階段(CD)，微裂縫進(jìn)一步貫通，地層水溶液浸泡后的巖石在該段曲線形式類似自然狀態(tài)，即曲線呈近乎垂直下降或垂直下降一階段后變形才開始較快發(fā)展，應(yīng)力下降較大。側(cè)面反映了溶液的化學(xué)成分和pH對(duì)巖石的應(yīng)力腐蝕效應(yīng)，具體影響規(guī)律依賴于巖石的酸堿敏感性，而孔隙水壓力效果不明顯。

第Ⅴ階段：在峰后軟化階段(DE)，微裂縫匯合形成宏觀微裂縫，之前存儲(chǔ)的彈性變形能釋放出來，巖石由宏觀的連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)狀態(tài)，此階段不受水化學(xué)反應(yīng)影響。

3 化學(xué)-力學(xué)耦合作用

CO2水溶液導(dǎo)致的巖石損傷現(xiàn)象不僅有化學(xué)意義，還具有一定的水力學(xué)意義。宏觀力學(xué)上表現(xiàn)為巖石的峰值破壞強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，與孔隙壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[68-71]。流體不僅可利用自身的滲流擴(kuò)展力引起巖石表面的顆粒受力不均并破裂，而且孔隙水壓力作用能夠?qū)ξ⒘芽p產(chǎn)生一定的應(yīng)力場(chǎng)，微裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域在孔隙壓力的擴(kuò)張下，使微裂縫迅速擴(kuò)展以致連通，導(dǎo)致巖石進(jìn)一步破壞。當(dāng)忽略流體壓力作用時(shí)，隨著圍壓的增加，巖石微裂縫的發(fā)育與擴(kuò)展受到的限制越強(qiáng)，巖石處于壓密過程，裂縫尖端的溶蝕速率受到限制[72-76]。但在實(shí)際微裂隙擴(kuò)展與主裂隙貫通的過程中，由于孔隙流體壓力作用，裂尖處并無密合現(xiàn)象，并繼續(xù)開裂。

當(dāng)微裂縫因受化學(xué)-應(yīng)力控制而偏轉(zhuǎn)時(shí)，其擴(kuò)展方向主要受三個(gè)因素控制，即溶蝕作用、流體流動(dòng)方向以及應(yīng)力方向[77-80]。當(dāng)裂縫的形成主要受溶蝕作用控制時(shí)，裂縫主要沿平行于流體流動(dòng)方向發(fā)育；當(dāng)圍巖應(yīng)力起主要控制作用時(shí)，裂縫沿垂直于流動(dòng)方向(即圍壓方向)擴(kuò)展；當(dāng)受到孔隙壓力影響時(shí)，裂縫的擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向形成一定的傾角，擴(kuò)展路徑更為復(fù)雜。

結(jié)合巖石礦物的反應(yīng)微觀機(jī)理及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的形成過程分析可知，化學(xué)-力學(xué)耦合作用下巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)改變巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)：具體表現(xiàn)為改變礦物組成成分以及顆粒大小，通過溶蝕掉裂縫表面的粗糙顆粒，弱化裂縫兩側(cè)的表面摩擦特性，增大孔隙度，加劇微裂縫擴(kuò)展過程中的剪切破壞效應(yīng)，并通過增加隙寬方向退化長度和尖端發(fā)展長度來改變孔隙及微裂縫的幾何尺寸。

(2)改變裂縫尖端的化學(xué)環(huán)境和受力狀態(tài)：利用孔隙流體壓力的“楔入”作用，將化學(xué)溶液壓入裂縫尖端，令裂縫尖端固相化學(xué)勢(shì)增加，破壞其化學(xué)鍵，改變裂縫尖端的塑性區(qū)域，進(jìn)而降低微裂縫斷裂韌度以及促進(jìn)裂縫擴(kuò)展。

(3)對(duì)裂縫產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕作用：化學(xué)溶液對(duì)巖石的軟化作用，其強(qiáng)度雖不足以改變巖石的脆性破壞方式，但微裂縫尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致尖端處化學(xué)損傷基元密集，通過增大與新裂表面的反應(yīng)接觸面積，增加了微裂縫的擴(kuò)展概率。

(4)影響巖石的破壞方式：在溶液中的離子成分，pH以及巖石所受圍壓的共同影響下，巖石將由脆性材料易發(fā)生的劈裂破壞方式向延性材料的剪切破壞方式轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論及展望

在CO2長期埋存的作用下，儲(chǔ)層巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的演化是一個(gè)經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)、流體壓力及圍巖環(huán)境的多種耦合作用的復(fù)雜過程。主要結(jié)論如下：

(1)埋存后的巖石微觀結(jié)構(gòu)變化主要與巖石的初始礦物組成有關(guān)，不同礦物組成的巖石的基元反應(yīng)過程和地層條件是決定其細(xì)觀損傷程度的關(guān)鍵因素。

(2)化學(xué)反應(yīng)主要通過改變巖石的礦物成分和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來降低巖石的力學(xué)性質(zhì)；流體壓力除了能夠?qū)⒒瘜W(xué)溶液壓入裂縫尖端外，還會(huì)與圍壓共同控制微裂縫的應(yīng)力場(chǎng)來主導(dǎo)微裂縫的擴(kuò)展方向及長度。

(3)溶蝕反應(yīng)通過改變顆粒間的連接作用及破壞化學(xué)鍵，弱化微裂縫尖端強(qiáng)度。而當(dāng)巖石內(nèi)部的損傷在孔隙水壓力的劈裂作用下發(fā)生產(chǎn)生及擴(kuò)展時(shí)，酸性溶液與巖石的接觸面積會(huì)增大，從而提高化學(xué)反應(yīng)速率，并形成惡性循環(huán)，對(duì)巖石的細(xì)觀損傷效果遠(yuǎn)大于化學(xué)溶蝕或水力致裂的單一作用。

由于化學(xué)溶液會(huì)對(duì)微裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子產(chǎn)生影響，對(duì)于今后的地層巖石的細(xì)觀力學(xué)研究，首先需明確化學(xué)損傷條件下微裂縫斷裂韌度等破壞判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，微裂縫的開裂條件及化學(xué)作用下的擴(kuò)展延伸機(jī)理也有待進(jìn)一步研究；其次，巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律大部分受巖石各向異性影響，如今對(duì)其的研究具有不同的參照依據(jù)，從巖石的物性參數(shù)出發(fā)，掌握CT數(shù)、導(dǎo)電性、應(yīng)變能等參數(shù)在巖石破壞過程中的變化規(guī)律，能夠一定程度上解決力學(xué)與化學(xué)對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律解釋的局限性；最后，在厘清經(jīng)化學(xué)腐蝕后巖石的微觀結(jié)構(gòu)變化機(jī)理后，應(yīng)進(jìn)一步探究巖石微觀參數(shù)在宏觀力學(xué)性質(zhì)上的力學(xué)響應(yīng)，以便從初期的選址及后期的埋存安全性角度保證CO2封存工程的順利進(jìn)行。