吳 迪，徐紹桐，苗 豐，翟文博，耿巖巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

當(dāng)前工業(yè)廢氣經(jīng)處理后其主要成分為CO2和N2；CO2地質(zhì)封存是實現(xiàn)CO2減排的有效途徑[1-2]。CO2和N2混合氣相比于純凈CO2，其優(yōu)勢在于可極大程度減少CCS(碳捕獲和封存技術(shù))技術(shù)中對CO2純度的捕集成本[3-5]。相關(guān)研究表明，當(dāng)壓力超過7.38 MPa、溫度超過31.2 ℃時，CO2將處于超臨界狀態(tài)[6]。而深部頁巖2 000～3 000 m的儲層溫度高于60 ℃，壓力約為12 MPa[7]，非均質(zhì)性強、含氣性好、頁巖儲層厚度大[8]。混合氣注入頁巖儲層，CO2和少量N2以吸附態(tài)封存，大部分N2以游離態(tài)封存于儲層孔裂隙中。因此為減少CO2和N2混合氣體進行分離提純的消耗，實現(xiàn)混合氣有效地質(zhì)封存，開展N2/CO2混合氣注入頁巖力學(xué)性質(zhì)相關(guān)研究是十分必要的。

王海濤等[9]探究了不同相態(tài)CO2對頁巖礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)液態(tài)、超臨界態(tài)CO2相比較滑溜水對礦物顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，孔隙增大易導(dǎo)致頁巖宏觀力學(xué)性質(zhì)受到劣化影響。湯積仁等[10]研究了SC-CO2(超臨界二氧化碳)對頁巖力學(xué)特性的影響，揭示了SC-CO2與頁巖的相互作用機制。張臣等[11]研究不同溫壓條件下CO2處理前后的頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征，揭示CO2劣化頁巖力學(xué)特性的作用機制。GUO等[12]研究了不同SC-CO2壓力下頁巖的力學(xué)性質(zhì)，揭示SC-CO2浸泡對巖石破碎效率、井筒穩(wěn)定性和壓裂的影響。FENG等[13]研究了頁巖在SC-CO2環(huán)境下，不同吸附周期以及層理角度對頁巖破壞的影響機制，發(fā)現(xiàn)不同吸附周期頁巖力學(xué)性能變化隨傾角的變化趨勢基本一致。LU等[14]確定了孔隙結(jié)構(gòu)變化對頁巖力學(xué)性能的影響機制，發(fā)現(xiàn)大孔是控制頁巖力學(xué)性能的主要因素。倪紅堅等[15]研究不同壓力和溫度條件下頁巖力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在臨界壓力附近頁巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。丁璐等[16]研究SC-CO2注入頁巖后的力學(xué)性能變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳弱化巖石力學(xué)性質(zhì)的能力更強，說明超臨界二氧化碳更有利于破巖。李曜軒等[17]研究了SC-CO2注入頁巖后巖石力學(xué)特性與孔隙度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳可以很好地改善頁巖的物性特征。梁潔等[18]研究了不同溫度SC-CO2作用下頁巖力學(xué)性質(zhì)以及不同溫度SC-CO2對頁巖作用機理，發(fā)現(xiàn)SC-CO2促進微裂隙萌生，進而劣化頁巖力學(xué)性質(zhì)。BAI等[19]研究了SC-CO2對傾斜分層頁巖力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)SC-CO2改變頁巖的力學(xué)性質(zhì)，且對涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響大于對基體的影響。YIN[20]等研究了亞臨界CO2和超臨界CO2飽和度對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)頁巖的力學(xué)弱化主要由CO2飽和度引起的微觀損傷所控制。

國內(nèi)外學(xué)者在以往的研究中主要集中在頁巖自身力學(xué)性質(zhì)及單一氣體對頁巖力學(xué)性質(zhì)影響，對于深部頁巖注入N2/CO2混合氣體研究相對較少。因此，筆者開展不同濃度配比N2/CO2混合氣注入頁巖試驗，研究混合氣中CO2濃度和相變對于頁巖力學(xué)特性的影響，研究成果可為加快CO2深部地質(zhì)封存發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試驗材料、裝置與方法

1.1 試樣的采集與制備

采用的頁巖試樣取自四川省燕子村龍馬溪組黑色露頭頁巖，參照國家《巖石試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，沿垂直層理方向制備?50 mm×25 mm和?50 mm×100 mm兩種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。截面平行度控制在±0.01 mm內(nèi)，如圖1所示。從已制備好試件中選出無明顯裂紋缺陷的試件，放入烘干箱中105 ℃的溫度下烘干10 h，用保鮮膜封裝并放入密封容器內(nèi)備用。

1.2 試驗裝置

試驗主要包括基礎(chǔ)物性試驗、N2/CO2混合氣注入頁巖試驗、單軸壓縮聲發(fā)射試驗和巴西劈裂試驗4類，試驗采用的試驗設(shè)備如圖2所示。該試驗系統(tǒng)包括注氣系統(tǒng)、真空泵、恒溫水浴箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分組成。注氣系統(tǒng)包括高壓氣瓶、增壓泵和空氣壓縮機。自主研發(fā)耐CO2壓力釜容積為880 mL，最高耐壓50 MPa；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀以及壓力傳感器。頁巖單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗所采用設(shè)備為TAW-2000壓力機。

1.3 試驗方法

主要考慮N2/CO2混合氣中CO2濃度對頁巖力學(xué)特性的影響，試驗方案見表1，試驗溫度為45 ℃，氣體狀態(tài)方程[21]計算公式為

PV=nZRT

(1)

式中：P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；Z為氣體壓縮因子；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為絕對溫度，K。

n=cV

(2)

式中，c為物質(zhì)的量濃度，mol/L。

分別計算不同試驗方案混合氣中CO2濃度。利用NM-4B非金屬超聲檢測儀對注入混合氣后的試件進行波速測量，計算頁巖波速衰減率和孔隙率。為研究N2/CO2混合氣作用頁巖力學(xué)特性變化規(guī)律，對頁巖進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗。試驗方案見表1。表1中試件編號N為浸泡后的單軸壓縮頁巖試件，試件編號J為浸泡后的巴西劈裂試件。

表1 N2/CO2混合氣注入頁巖試驗方案Table 1 Experimental scheme of injecting N2/CO2 mixture into shale

試驗步驟如下：

1)對所有標(biāo)記好的試件進行基礎(chǔ)物性試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2)頁巖樣品放入耐高壓壓力釜后，將壓力釜放入45 ℃恒溫水浴箱中保溫1 h，檢查裝置密封性，啟動真空泵抽真空2 h。

3)打開氣瓶閥門，按照試驗方案先將CO2注入壓力釜至目標(biāo)壓力，再將N2注入壓力釜至壓力釜內(nèi)壓力達到試驗預(yù)設(shè)壓力(總壓力)時，關(guān)閉閥門并保壓30 min。

4)待充分吸附24 h后，打開排氣閥，排盡氣體，取出試件，對其開展單軸壓縮試驗和劈裂試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 N2/CO2混合氣作用后頁巖內(nèi)部劣化分析

利用NM-4B非金屬超聲檢測儀，通過式(3)計算得出不同試驗方案條件下聲波通過頁巖試樣波速衰減率；每個頁巖試件進行5次波速測量，取5次測量混合氣注入頁巖前后的波速平均值，并計算對應(yīng)的波速衰減率均值Δη和孔隙率均值Δφ。波速衰減率均值Δη和孔隙率均值Δφ均通過5次測量混合氣注入頁巖前后的波速平均值計算得出。結(jié)果見表2，擬合曲線如圖3所示。

圖3 孔隙率與不同濃度CO2關(guān)系Fig.3 Relationship between pore change rate and different concentrations of CO2

表2 不同方案下頁巖內(nèi)部縱波傳播速度、波速衰減率和孔隙率Table 2 Different options injection shale internal longitudinal wave propagation speed, wave velocity attenuation rate and porosity rate

(3)

式中：η為波速衰減率；v0為在初始頁巖中聲波傳播速度，m/s；vn為在不同方案下頁巖聲波傳播速度，m/s。

根據(jù)WYLLIE[22]時間平均方程，聲波在頁巖中傳播速度v與孔隙率φ之間關(guān)系式

(4)

式中：vmt為在純水中聲波傳播速度，m/s；vma為在頁巖骨架結(jié)構(gòu)中聲波傳播速度，m/s。

當(dāng)選擇相同層理頁巖進行研究時，vmt和vma為定值，則孔隙率φ與波速衰減率η的關(guān)系[23]為

(5)

式中，A，B均為定值。

波速衰減率與孔隙率成正比關(guān)系，當(dāng)波速衰減率越大，則巖樣孔隙就越大。方案1中頁巖試樣波速v為4 481.01 m/s，vmt取1 497 m/s，vma取4 615 m/s，其他方案中v分別取試驗測量值4 438.53、4 397.54、4 345.26、4 364.91、4 411.12 m/s，利用式(6)計算不同方案巖樣孔隙率：

(6)

計算不同方案巖樣孔隙率分別為34.91%，67.77%、110.6%、94.42%、56.82%，并將孔隙率與不同濃度CO2進行擬合，其關(guān)系式為

Δφ=37.26+11.14c-0.12c2-0.02c3

(7)

決定系數(shù)R2=0.951 5，擬合效果較好。巖樣孔隙的變化可反映巖樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度，可通過孔隙變化率進行表征，結(jié)合圖3可知，頁巖孔隙變化率隨CO2濃度增加和相變呈先增大后降低的變化趨勢，巖樣整體損傷程度與其變化一致。頁巖劣化程度與混合氣中CO2濃度和相態(tài)有關(guān)，經(jīng)過CO2處理后，CO2吸附引發(fā)范德華力[24]使頁巖基質(zhì)膨脹，使頁巖處于低自由能狀態(tài)；SC-CO2具有較強的弱化和塑性作用，萃取頁巖中低分子化合物；但因N2屬于不凝性氣體，CO2壓縮系數(shù)較小，N2會使混合氣中CO2密度降低[25]，減少CO2吸附量；當(dāng)CO2處于超臨界狀態(tài)時，SC-CO2更多體現(xiàn)出溶解有機礦物質(zhì)能力，SC-CO2越接近相變點，溶解有機礦物質(zhì)能力越強，改變頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，增大頁巖孔裂隙萌生和擴展概率，促進新微裂隙產(chǎn)生，而頁巖孔隙所產(chǎn)生的損傷改變頁巖孔隙連續(xù)性，孔隙體積越大，越能促進頁巖內(nèi)部孔隙裂紋發(fā)育，從而進一步影響頁巖劣化程度。

2.2 N2/CO2混合氣作用后頁巖力學(xué)特性

2.2.1N2/CO2混合氣作用后頁巖強度

通過單軸壓縮試驗得到不同方案頁巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖4所示。CO2處理后的頁巖形成較大孔隙，使頁巖試件壓實過程在進入彈性階段之前越來越長，且壓實過程隨混合氣中CO2濃度增加和相變而延長；由應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可知，對比方案2和方案6，頁巖在方案6下的壓實階段曲線比方案2略長，SC-CO2使其內(nèi)部形成較大孔隙；方案2中頁巖的彈性階段較方案6的短，表明SC-CO2對頁巖劣化作用更強；經(jīng)混合氣處理后頁巖彈性階段均比原樣頁巖短，表明混合氣處理后頁巖脆性高，其強度達到峰值速度更快，在到達峰值強度后，隨外載荷繼續(xù)增加，頁巖試樣瞬間斷裂，發(fā)生失穩(wěn)破壞。通過試驗獲取頁巖力學(xué)特性等相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 不同方案下頁巖力學(xué)特性參數(shù)Table 3 Pallet mechanics characteristics parameters under different solutions

圖4 不同方案下頁巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Different plans next rock single-axis compression stress-strain curve

根據(jù)表3擬合得到頁巖單軸抗壓、抗拉強度隨CO2濃度變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同方案頁巖峰值強度變化擬合曲線Fig.5 Fitting curves of shale peak strength changes in different schemes

從表中可以得到方案1頁巖單軸抗壓強度為122.13 MPa，抗拉強度為5.95 MPa；在經(jīng)過其他方案處理后，頁巖單軸抗壓強度為37.74～107.7 MPa，將抗壓強度進行擬合，得到抗壓強度隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(8)

R2=0.857 4，擬合效果較好；抗拉強度為0.87～4.42 MPa，將抗拉強度進行擬合，得到抗拉強度隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(9)

R2=0.950 1，擬合效果較好。

在恒溫恒壓下，隨混合氣中CO2濃度增加和相變，單軸抗壓強度和抗拉強度均呈先降低后增加的變化趨勢,頁巖單軸抗壓強度損率Dc計算公式為

(10)

計算單軸抗壓強度損失率分別為13.3%、37.5%、69.1%、62.04%、49.3%，抗拉強度損失率分別為25.7%、35.3%、85.4%、72.4%、49.4%。

抗壓強度與孔隙率關(guān)系擬合式為

(11)

結(jié)合圖5、圖6可知CO2越接近相變點，溶解有機礦物質(zhì)能力越強，頁巖內(nèi)部孔隙體積越大，導(dǎo)致頁巖劣化更嚴重，從而降低頁巖單軸抗壓強度。

圖6 孔隙率與抗壓強度關(guān)系擬合曲線Fig.6 Fitting curve of relationship between porosity and compressive strength

2.2.2N2/CO2混合氣作用頁巖彈性常數(shù)變化

根據(jù)表3擬合得到頁巖彈性模量E、泊松比變化曲線，如圖7所示，方案1中頁巖彈性模量為32.48 GPa，泊松比為0.34；經(jīng)不同方案注入后頁巖彈性模量分別為36.22、40.65、50.25、47.31、42.8 GPa，將彈性模量進行擬合，得到彈性模量隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(12)

R2=0.938 8，擬合效果較好；泊松比分別為0.32、0.3、0.27、0.28、0.29，將泊松比進行擬合，得到泊松比隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線為

(13)

R2=0.985 4，擬合效果較好。

計算彈性模量增幅分別為11.5%、37.5%、54.7%、45.7%、31.8%，泊松比損失率分別為5.9%、11.8%、20.6%、17.6%、14.7%。

混合氣中不同CO2濃度對頁巖初始孔隙及微裂紋造成損傷擴展程度不同。SC-CO2溶蝕黏土中有機礦物質(zhì)對頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)有相對復(fù)雜的影響。SC-CO2溶解黏土組分中有機礦物質(zhì)，使石英含量相對增加，因此方案4、5、6中頁巖彈性模量隨石英含量增加而增加，泊松比隨石英含量增加而減小。彈性模量隨CO2濃度的增加和相變，呈先增大后降低的變化規(guī)律；泊松比則隨CO2濃度增加和相變呈先降低后增加的變化規(guī)律[26](圖7)。

圖7 不同方案頁巖彈性模量、泊松比擬合曲線Fig.7 Fitting curves of shale elastic modulus and Poisson’s ratio in different schemes

2.2.3N2/CO2混合氣作用后頁巖聲發(fā)射特征

圖8為經(jīng)不同方案注入后頁巖應(yīng)力-能量及累積能量關(guān)系圖。由圖8可知，在原生裂隙閉合后，頁巖進入彈性階段，產(chǎn)生新微裂紋；隨著外載荷不斷加大，聲發(fā)射能量略有增加，在彈性階段結(jié)束時，由于試件起裂，聲發(fā)射能量相對較大，累積能量呈階梯狀瞬間上升，此時頁巖強度即為起裂應(yīng)力σci；頁巖進入裂紋穩(wěn)定擴展階段后，內(nèi)部微裂紋擴展得更為劇烈，聲發(fā)射能量增加幅度更大[27]，在裂紋穩(wěn)定擴展階段結(jié)束時，由于試件內(nèi)部損傷，累積能量再次呈階梯狀瞬間上升，此時頁巖強度即為損傷應(yīng)力σcd；方案1中頁巖在起裂和破壞時聲發(fā)射能量比其他方案中的頁巖高。隨CO2濃度的增加和相變，頁巖聲發(fā)射信號集中在彈性變形階段后半段、裂紋穩(wěn)定擴展階段、裂紋不穩(wěn)定擴展至破壞階段；混合氣注入后的頁巖基本在達到裂紋穩(wěn)定擴展階段后，隨外載荷持續(xù)增加，累積能量開始上升，到達裂紋不穩(wěn)定擴展階段后，聲發(fā)射能量再次瞬間升高，累積能量大幅度上升，頁巖內(nèi)部孔隙及微裂縫不斷延展并貫通，伴隨著宏觀裂紋產(chǎn)生，直至頁巖試件失穩(wěn)斷裂破壞，頁巖應(yīng)力及累積能量均達到最大值，但由于每個頁巖試件存在差異，能量峰值出現(xiàn)在裂紋不穩(wěn)定發(fā)展至破壞階段。從能量角度分析，造成頁巖內(nèi)部損傷所需耗散能越大，頁巖損傷應(yīng)力越高，從而形成更多的斷裂面。SC-CO2越接近相變點，頁巖脆性越高，越易破碎，這與波速測量及單軸壓縮試驗結(jié)果相同。

圖8 不同方案頁巖應(yīng)力-能量及累積能量關(guān)系曲線Fig.8 Shale stress-energy and cumulative energy relationship curves of different schemes

結(jié)合圖8可知，在頁巖彈性階段及裂紋穩(wěn)定擴展階段結(jié)束瞬間，聲發(fā)射能量或累積能量發(fā)生突變瞬時，此時分別對應(yīng)一個裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力。結(jié)合表4、圖9可看出，在恒溫恒壓條件下，頁巖峰值應(yīng)力、起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力受CO2濃度和相態(tài)變化影響大。SC-CO2越接近相變點，孔隙增幅越大，從而導(dǎo)致裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力降低幅度越大；如圖10所示，處理后頁巖表現(xiàn)出明顯脆性破壞特征，與李存寶[28]的結(jié)果近似。其主要破壞模式為劈裂破壞。

表4 不同方案頁巖峰值應(yīng)力、裂紋起裂應(yīng)力和裂紋損傷應(yīng)力Table 4 Different schemes of shale peak stress,crack initiation stress and crack damage stress

圖9 不同方案頁巖峰值應(yīng)力、起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力散點圖Fig.9 Scatter plots of peak stress, initiation stress and damage stress of shale in different schemes

圖10 不同方案頁巖破壞模式Fig.10 Shale failure mode diagrams of different scheme

2.2.4N2/CO2混合氣作用頁巖損傷分析

按照彈性模量降低定義損傷變量，即初始試件彈性模量為E0，損傷后其降低為ED，則此時損傷變量為

(14)

根據(jù)表3可計算出經(jīng)混合氣處理后頁巖的損傷因子分別為0.115、0.375、0.547、0.457、0.318，并將損傷因子與CO2濃度關(guān)系進行曲線擬合，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同方案下頁巖損傷因子變化擬合曲線Fig.11 Different options under page rock damage factor change fitting curve

經(jīng)不同方案處理后頁巖的損傷因子隨CO2濃度的增加和相變呈先增大后降低的變化趨勢，進一步將損傷因子進行擬合，得到損傷因子隨CO2濃度變化的函數(shù)擬合曲線如式(15)所示：

(15)

R2=0.919 8，擬合效果較好。

3 討 論

針對CCS捕集高純度CO2總成本高的工程難題，實際工程中建議實施CO2和N2混合共注[29]。目前簡化CO2提純工程，擴大CCS工程中所允許非純凈CO2組分與CO2濃度是CCS發(fā)展的必然趨勢。

王海濤[9]和YIN等[20]研究不同相態(tài)CO2及飽和度對頁巖力學(xué)參數(shù)影響。綜合對比分析，相似之處在于不同相態(tài)CO2均可使頁巖原有孔裂隙發(fā)生改變，一定程度上促進頁巖內(nèi)壓縮裂紋萌生和擴展，結(jié)合AE(聲發(fā)射技術(shù))結(jié)果，由于CO2萃取頁巖中礦物有機質(zhì)，使孔隙增大，此時孔隙體積越大的試件在外載荷作用下破壞過程更易產(chǎn)生高能聲發(fā)射信號，力學(xué)參數(shù)變化趨勢相似。而差異之處在于前者由于CO2相態(tài)的改變，頁巖在破壞形式上亦發(fā)生了改變，由剪切破壞變化為拉伸破壞；所研究的頁巖在混合氣作用下，隨CO2濃度升高，CO2相態(tài)發(fā)生改變，主要破壞模式為劈裂破壞，受CO2相態(tài)變化影響不大。

GUO和倪紅堅等[12,15]研究恒溫條件下，不同壓力CO2對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響。綜合對比分析，相似之處在于CO2越接近臨界條件，對頁巖力學(xué)特性影響越強；而差異之處在于前者研究發(fā)現(xiàn)，恒溫條件下的頁巖，隨CO2壓力升高，彈性模量和泊松比增大；在CO2達到超臨界狀態(tài)后，頁巖彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)變化平緩，即隨CO2壓力增大，對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響相對趨于穩(wěn)定。而本文研究發(fā)現(xiàn)的恒溫恒壓條件下，混合氣中不同濃度CO2對頁巖力學(xué)特性影響大；隨混合氣中CO2濃度升高，彈性模量增大，泊松比降低，且存在極值點而非單調(diào)遞增。

經(jīng)與前人的研究結(jié)果進行對比討論，發(fā)現(xiàn)CO2和N2混合氣相比于純凈CO2，其優(yōu)勢在于既可極大程度減少分離提純時的能源消耗，又可實現(xiàn)CO2有效地質(zhì)封存。但由于文中試驗方案是在恒溫條件下進行的，后續(xù)工作將進一步開展溫度變化對于N2/CO2混合氣注入頁巖力學(xué)性質(zhì)影響的相關(guān)研究，為CO2和N2混合共注封存的適用性和安全性提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)N2/CO2混合氣可以改變頁巖孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)CO2處于氣態(tài)時，隨CO2濃度增加，頁巖吸附CO2引起孔隙內(nèi)產(chǎn)生范德華力，導(dǎo)致頁巖基質(zhì)膨脹，天然孔裂隙擴展，孔隙率增幅加大，強度降低；當(dāng)CO2處于超臨界狀態(tài)時，SC-CO2溶解頁巖中有機礦物質(zhì)，孔隙率變化隨SC-CO2濃度的增加而減小，頁巖強度衰減率降低?；旌蠚庵蠸C-CO2濃度為11.33 mol/L時，此時溶解頁巖中有機礦物質(zhì)能力最強，頁巖內(nèi)部孔隙最大，脆性最高，力學(xué)性質(zhì)劣化效果最明顯。

2)N2/CO2作用后頁巖的單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比均出現(xiàn)不同程度的降低，彈性模量增加；隨CO2濃度的增加和相變，頁巖單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比呈先降低后增加，彈性模量呈先增加后降低的變化規(guī)律；孔隙率為34.91%～110.6%；單軸抗壓強度損失率為37.5%～69.1%，抗拉強度損失率為35.3%～85.4%，彈性模量增幅37.5%～54.7%，泊松比損失率為11.8%～20.6%。

3)N2/CO2與頁巖之間的物理和化學(xué)作用造成頁巖力學(xué)性質(zhì)變化，頁巖裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力均隨CO2濃度的增加和相變，呈先降低后增加的變化規(guī)律。由彈性模量測得的損傷變量與波速測量、聲發(fā)射試驗對比可知，損傷變量隨混合氣中CO2濃度的增加和相變呈先增大后降低的變化規(guī)律。