基于有效比表面积修正的Kozeny-Carman方程在黏土渗透中的适用性研究

黏土中含有较多的黏土矿物,黏土矿颗粒表面带电使黏土颗粒表现出活泼的水理性质,这种性质会使土体表面形成双电层,因此黏土颗粒在沉积过程中受各种力的作用而相互堆叠形成孤孔、盲孔之类的非连通孔隙结构。实际上在黏土渗流过程,流体不能流过非连通孔,只能流过连通孔隙表面,而Kozeny-Carman方程（K-C方程）计算时将颗粒的比表面积作为渗流的过流比表面积,所以K-C方程在计算黏土渗透系数时会出现偏差。因此本文将允许流体流过的连通孔隙的比表面积作为渗流有效比表面积,进而对K-C方程中的颗粒比表面积进行修正。相关试验表明,修正后的K-C方程较未修正的K-C方程在描述黏土渗流规律时具有明显的优势。     

珊瑚砂三维孔隙微观特性研究

孔隙是多孔介质内渗流的发生场所,与介质渗透性存在必然的联系。珊瑚砂因其特殊的物质来源和形成过程,较陆源砂具有截然不同的孔隙特性。通过一系列微观研究手段,从本质上揭示了珊瑚砂特殊孔隙性质的原因。研究发现,从孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性3个角度描述孔隙性质较为合理。其中,孔隙形状用形状因子度量,孔喉尺寸包括孔隙半径和喉道半径,珊瑚砂多孔介质整体连通性利用配位数进行描述。而影响孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性的主导因素包括颗粒形状和颗粒表面粗糙度两方面。其中颗粒形状主要影响孔隙形状、喉道尺寸、孔喉尺寸离散性和介质内部连通性的均匀分布情况。颗粒表面粗糙度主要影响孔隙形状、孔隙形状离散性、孔隙尺寸和介质整体连通性。     

基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

低渗岩石非线性渗流机理讨论

回顾了单相液体在低渗透饱和岩石的非线性渗流研究某些进展。从岩石孔隙结构、岩石与流体之间的相互作用和流体性质方面介绍了对低速非线性渗流产生机理的不同观点,探讨了孔隙大小、孔喉对启动压力的影响,讨论了界面张力、边界层、耦合渗流、非牛顿流体对非线性渗流形成的作用机制,并对进一步开展低渗透岩石渗流研究提出了建议。     

超低渗透储层孔隙结构对渗流特征的影响

为认识特低渗透储层成岩相分布以及微观渗流特性,尤其是孔隙结构对岩石渗流能力的控制作用,以合水地区长6层为研究对象,利用油水相渗、真实砂岩微观水驱油、核磁共振等实验,分析了不同成岩相储层的渗流特征,并结合恒速压汞、高压压汞实验测试结果及产油能力,探讨了不同成岩相孔隙结构与渗流规律的内在联系。结果表明,储层岩石孔隙中的油能否被驱出主要取决于连通孔隙的喉道参数,优势成岩相储层孔喉半径及有效喉道体积大,流体易于流动,驱油效率高;孔喉半径比大、孔喉分布范围窄、孔隙结构非均质性强是不利成岩相储层渗流能力差和驱油效率低的主要原因。     

极细颗粒黏土渗流离子效应的试验研究

采用常规固结仪对孔隙液离子浓度对极细颗粒黏土渗流固结特性的影响进行试验研究,在相同试验条件下进行了4组孔隙液含NaCl浓度不同的膨润土试样固结性质的测试,得到了各试样的固结曲线,求得相应的固结系数,再由固结系数求得相应的渗透系数。通过对各组试样的渗透系数对比分析,结果表明,孔隙液离子浓度对土体的渗流性质有重要影响,土体的渗透系数随孔隙液离子浓度的增加而增大,存在明显的离子效应。试验结果分析认为,黏土颗粒表面的扩散双电层厚度随离子浓度变化而变化,可能是产生离子效应的主要原因。试验结果有助于分析土体渗流离子效应的起因,对改进和完善现有渗流固结计算理论有一定指导意义。     

陆相煤系页岩气储层孔隙特征及其主控因素

认识储层特殊性并遴选优质层段是进行陆相煤系页岩勘探开发的首要工作。本文运用TOC、Ro、有机岩石热解、XRD、SEM、高压压汞、低温液氮吸附等实验,对大同组陆相页岩储层特征进行定性与定量表征,探讨孔隙结构特殊性及主控因素。结果表明,宁武地区大同组泥页岩厚度大,成熟度中等,具有生烃潜力,按照岩性可划分为4个层段。大同组微纳米孔隙可划分为“双峰型”、“单峰型”和“弱峰型”,孔隙比表面积与TOC呈正相关趋势,比表面积与黏土矿物含量正相关,相关性较好,大孔和微孔分别由脆性矿物和黏土矿物提供。陆相页岩孔隙主要受沉积成岩和构造改造影响,分流河道沉积表现为由下至上黏土矿物含量增多,沉积物颗粒变细,泥页岩孔隙度逐渐减小,深湖相沉积表现为由下至上黏土矿物含量降低,碎屑矿物颗粒增多,沉积物颗粒变粗,孔隙度增大,成岩作用对页岩有机质生烃孔隙具有贡献,同时发生压实作用使孔隙率降低,构造改造对页岩气渗流和逸散利弊并存。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

ISS加固红色黏土的孔隙分布试验研究

武汉市汉阳区存在着大量由冲洪积所形成的网纹状红色黏土,它遇水膨胀、软化,失水收缩、开裂。为了减小红色黏土不良性质对土路、公路路基和防渗工程造成的危害,采用离子土壤固化剂（ISS）对红色黏土进行处理。对经ISS处理前后的红色黏土,调成液限状态,进行液氮冷冻真空升华干燥,分析比表面及孔隙分布,观察微结构并统计裂隙。试验结果表明：经ISS处理后,红色黏土的结合水膜减薄,土粒之间的吸引力增强,从而使红色黏土的相对密度增大。减薄结合水膜的土颗粒在ISS连接力作用下,使红色黏土团聚结构和堆叠结构更加紧密,比表面积减小、累积孔隙体积和平均孔直径减小,从而提高了红色黏土的无侧限抗压强度和抗剪强度。     

脱气温度和样品粒径对致密砂岩低温氮气吸附实验结果的影响

基于静态体积法的低温氮气吸附实验已广泛用于分析致密储集层的孔隙结构。本文探索了脱气温度和样品粒径对松辽盆地高台子致密砂岩低温氮气吸附实验结果的影响。结果显示,110℃的脱气条件并不能清除束缚水而使得孔隙体积、比表面积均偏低,300℃的脱气条件容易破坏样品中黏土矿物的结构令孔隙体积、比表面积减小,200℃是比较合适的脱气温度,既能去除束缚水又不破坏黏土矿物结构。样品粒径从5～10目减小至10～30目,氮气探测的孔隙数量增多使比表面积、孔体积增大。从10～30目减小至180～200目,黏土矿物相对含量降低令比表面积、孔体积显著减小;小于200目的样品中减少的黏土矿物主要集中在大于200目的岩样中,因此大于200目岩样的测定结果最高。因此,10～30目是利用低温氮气吸附实验寻求分析致密砂岩储集层特征的最佳粒径范围。     

考虑Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土变形的弹黏塑性,以及Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,修正了饱和黏土一维固结方程,并利用有限差分法进行了求解。通过与文献中一维流变固结试验结果和理论计算结果的对比,验证了所提计算方法和UH模型的适用性。然后探讨了Hansbo渗流参数及UH模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:土体的黏滞效应是引起流变固结初期地基不排水面附近出现孔压升高现象的主要原因,而渗流的非Darcy特性增强了这一效应,同时土体的这两个特性还延缓了固结中后期饱和黏土地基中孔压的整体消散和地基的沉降。另外,随着回弹指数和超固结参数的增大,或渗透指数的减小,上述流变固结特性更加明显。但是Hansbo渗流参数和渗透指数对地基最终沉降量均无影响。     

砂岩中自生绿泥石的产状、形成机制及其分布规律

砂岩中自生绿泥有4种产状：颗粒包膜、孔隙衬里、孔隙充填和蜂窝状;3种成因类型：粘土矿物转化、物质的溶蚀结晶和富铁镁外来流体的渗入。时间形成顺序为：颗粒包膜绿泥石→孔隙衬里绿泥石→孔隙充填绿泥石;蜂窝状绿泥石的形成时间取决于外来流体的渗入时期。绿泥石的表面电荷特性受成岩流体pH的控制,并进而影响其产状。绿泥石的分布受铁镁物质的来源、孔隙流体性质、温度、砂岩的成分和结构控制,且不同产状的绿泥石具不同的空间分布规律,颗粒包膜绿泥石主要由沉积环境控制,孔隙衬里绿泥石由砂岩中富含铁镁的岩屑和黑云母等的分布约束,孔隙充填绿泥石受砂岩结构影响;蜂窝状绿泥石取决于外来流体的渗流特征。     

考虑非Darcy渗流时循环荷载下饱和黏土一维固结分析

考虑到土体处于超固结状态下的压缩性一般要比正常固结状态下的低,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并将其推广到低频循环荷载作用的情况。采用有限体积法对该方程进行了求解,并讨论了非Darcy渗流参数、循环荷载周期以及超固结状态下土体压缩性对固结进程的影响。计算结果表明,在矩形波载作用下,按孔压定义和按变形定义的固结度都随时间增长而震荡增加,且按孔压定义的固结度的震荡幅度明显大于按变形定义的固结度。另外,非Darcy渗流减缓了地基的沉降速率,且循环荷载周期越短,或超固结状态下压缩性越高,地基的沉降速率就越慢。     

蚀变火成岩储层导电机理及饱和度方程

火成岩储层非均质性极强,而且或多或少会蚀变产生黏土矿物,导致准确计算火成岩储层含水饱和度较困难。为此,首先建立包含蚀变产生黏土的混合骨架体积模型,然后分析了火成岩的导电机理,认为孔隙结构和黏土的附加导电是影响其导电的主要因素。根据火成岩储层孔隙由基质孔隙、裂缝和非连通孔洞组成的特点,建立包含基质、裂缝和非连通孔洞的三重孔隙模型,得到计算孔隙度指数的公式,最后建立评价火成岩储层的包含黏土影响的饱和度方程。计算孔隙度与岩心分析孔隙度对比,平均绝对误差为0.81%,平均相对误差为19.78%;计算的含水饱和度与密闭取心分析的含水饱和度对比,平均绝对误差为13.49%,平均相对误差为31.00%。     

起始水力梯度对饱和黏土一维固结的影响

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结理论,给出了相应的有限差分格式,并据此探讨了起始水力梯度对渗流前锋、孔隙水压力和土层固结度的影响。计算结果表明,如果起始水力梯度大于0,离排水面较远土层的渗流就存在滞后现象,这样土层的固结要慢于Terzaghi固结理论。此时土层的最终平均固结度小于1,这可归结为土层中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散的缘故。     

下扬子地区牛蹄塘组和五峰组—龙马溪组页岩孔隙结构特征的差异性分析

页岩气体主要以游离态和吸附态存在于页岩储层中,页岩的孔隙结构决定着页岩的吸附和渗流特性,页岩孔隙结构特征包括孔隙的大小、体积、比表面积、形状、连通性和空间分布等,这些特征对页岩气的富集具有重要的影响。因此,研究页岩储层的孔隙结构对于页岩的含气性评价和勘探开发具有十分重要的意义。利用场发射扫描电镜对样品进行观察,定性分析孔隙结构特征。利用压汞实验、低温气体(N2、CO2)吸附实验,结合定性与定量表征手段,分析下扬子地区下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组2套富有机质页岩孔隙结构特征的差异。从扫描电镜观察结果来看五峰组—龙马溪组页岩内的孔隙主要发育在有机质网络内,有机质孔隙相互连通。根据页岩的N2吸附脱附曲线形态也可以发现五峰组—龙马溪组页岩等温线的滞后环较大,在相对压力为0.4~0.5可以看到拐点,说明对应的孔隙以两端开放的管状孔和平行壁的狭缝状孔为主,孔隙连通性好,有利于气体的渗流。从扫描电镜中观察到牛蹄塘组页岩中的孔隙主要由粒间孔隙和有机质孔隙组成。粒间孔隙相对较大,但数量较少,彼此之间互不连通;有机质孔隙相对较小,呈圆球状,孔隙直径集中在几到几十纳米之间。根据其等温线上滞后环狭小,拐点不明显,说明也页岩中发育有单边封闭的盲孔,孔隙孔道堵塞,形成盲孔。根据压汞实验、低温气体吸附实验的数据可得出牛蹄塘组页岩的总孔体积与总比表面积均大于五峰—龙马溪组页岩。可是分别从微孔、介孔和宏孔来看,牛蹄塘组页岩只有微孔的孔体积与比表面积大于五峰—龙马溪组页岩,而介孔与宏孔范围内的孔体积与比表面积均小于五峰—龙马溪组页岩,说明牛蹄塘组页岩微孔更加发育,空隙间的连通性较差,气体容易保存却难渗流;龙马溪组的孔隙连通性更好,有利于页岩气的开发。     

焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构特征及其主控因素

孔隙结构是评价页岩储气能力、渗流能力以及是否具有商业开采价值的关键。以重庆焦石坝JY1井五峰组-龙马溪组底部富有机质页岩为研究对象,选取了15块页岩样品开展了有机碳含量、X射线衍射、压汞、氦气孔隙度测定,低温氮吸附、氩离子抛光电镜观察,并结合沥青反射率测定、天然气碳同位素等资料表征页岩孔隙体积、大小和分布特征;从外部和内部两方面探讨了孔隙结构的主要控制因素。研究表明:1JY1井五峰组-龙马溪组页岩孔隙类型主要为无机孔(黏土矿物晶间孔、粒间孔和粒内孔)、有机质孔和微裂缝;2压汞和吸附实验显示页岩孔隙结构相对较复杂,以孔径小于50nm的孔隙为主,微孔提供了大部分的比表面积(约占65%),中孔提供了大部分的比孔容(约占57%),且以四面开放的平行板状孔隙为主,兼有多种其他形态的孔隙;3自白垩纪以来的多次挤压抬升剥蚀过程中,构造应力或温压的变化可能形成了大量微裂缝,沉积环境的差异制约了富有机质页岩发育的厚度、分布以及有机碳的富集程度;4相关性分析表明,微孔、中孔的比表面积和比孔容与有机碳质量分数关系密切,其中中孔体积和微孔的比表面积表现最明显;黏土矿物和石英质量分数对孔隙结构的影响呈现此消彼长的效果;当Ro3.0%时,微孔和中孔的比表面积、比孔容与Ro值呈弱的负相关,反之呈现增大趋势,这与过高热演化阶段,生气速率变慢反而制约了纳米级孔隙发育,导致微孔数量减少有关。     

考虑Hansbo渗流的二维Biot固结有限元分析

为进一步深入研究弹性饱和黏性土地基的二维固结机制,引入Hansbo渗流方程描述固结过程中的非达西渗流,修正Biot二维固结方程。基于加权残数法,给出相应的有限元数值求解格式。通过和饱和黏性土一维非达西渗流固结理论有限体积法数值结果的对比,证明数值计算方法的有效性。在此基础上,探讨Hansbo渗流参数对二维地基固结进程的影响。计算结果表明,在固结初期,Hansbo渗流将增强Mandel-Cryer效应,增大孔压的峰值,并延长孔隙水压力达到峰值的时间;在固结中后期,整个土层存在孔隙水压力滞后现象。同时,Hansbo渗流将阻碍地基沉降的发展。而且,上述影响会随着Hansbo渗流参数的增大而更加明显。     

豫西地区山西组—太原组页岩孔隙结构及其影响因素——以ZXY1井为例

页岩孔隙结构是储层评价的关键,对页岩气的勘探、开发以及页岩储层改造等都具有十分重要的意义。本文以ZXY1井太原组—山西组页岩为例,利用低温氮吸—脱附实验、X衍射、扫描电镜等实验手段研究页岩孔隙结构及其影响因素。结果表明,太原组—山西组页岩孔隙复杂,发育有机孔、微裂缝和多种无机孔;孔隙孔径主要为2~50 nm,以介孔为主,其次为微孔;孔容和比表面几乎全部由微孔和介孔提供。有机质、黏土矿物及其组合对孔隙结构影响分析表明,孔容与TOC含量、孔容与黏土矿物含量、比表面积与TOC含量、比表面积与黏土矿物含量均具有较为显著的正线性相关关系;TOC含量和黏土矿物含量数值乘积与孔容、比表面积表现为非常显著的正线性相关关系;TOC含量和黏土矿物含量双参数回归孔容与比表面积,相关系数高,误差较小。综合分析认为,有机质和黏土矿物对孔隙结构的影响并非简单正线性相关关系,而是复杂的正向关系。     

陆相页岩微观孔隙结构及分形特征——以徐家围子断陷沙河子组为例

为揭示陆相页岩微观孔隙结构特征,应用低温氮气吸附-解吸实验,结合扫描电镜分析、有机碳测定及X射线衍射等手段,分析页岩有机质和矿物组成,厘清孔隙结构和分形特征,并探究其影响因素。结果表明:沙河子组陆相页岩矿物组成以黏土矿物、石英和长石为主。储集空间类型主要为黏土矿物粒内孔、长石溶蚀孔和颗粒边缘孔,有机孔隙不发育。氮吸附曲线主要呈现为Ⅳ类吸附曲线,发育H2和H3两类迟滞回线,其中H3型比表面积较低,平均孔径较大,宏孔含量较高。页岩孔体积主要由介孔和宏孔贡献,比表面积主要由介孔贡献。孔径分布呈现双峰态,左峰约为2.7 nm,右峰分布在20~70 nm。页岩发育两段分形特征,分形维数显示H3型页岩孔隙结构非均质性及复杂性较弱。孔隙结构主要受矿物组成控制,与TOC无明显相关性,微孔含量与比表面积越高,宏孔含量与平均孔径越高,页岩孔隙结构越复杂,越不利于页岩气的运移及产出。陆相页岩因沉积环境控制下赋存的腐殖型有机质,从本质上影响了其孔隙空间、孔隙结构及页岩气富集特征,与海相页岩区别显著。