断层岩气体渗透率及Klinkenberg效应

在围压2~40MPa变化范围内,以恒流法多次变化上游压力测量了以断层岩为主的样品的气体(N2)渗透率,将实验结果进行了Klinkenberg效应校正。对实验数据的拟合分析表明,滑脱因子b值与绝对渗透率kl存在b=λkl-d形式的幂律关系,断层岩符合b=0.004 6kl-0.476的变化关系。与沉积岩相比,断层岩的气体滑脱效应更强,采用气体测量渗透率时,其滑脱效应不能忽略。断层岩气体渗透率和绝对渗透率与测量所用的孔隙压力间的关系为kg/kl=1+(0.009 2kl-0.476)/(Pu+Pd)。结果表明样品渗透率越低,滑脱效应越强,提高孔隙压力,滑脱效应逐渐减小;对于高渗(10-15m2~10-18m2)的样品,高孔隙压力下(4MPa以上)的气体渗透率与绝对渗透率基本一致,对于超低渗(10-22m2~10-20m2)的样品,即使提高孔隙压力亦很难避免滑脱效应。在40MPa有效压力下断层泥样品的绝对渗透率为4.54×10-19m2~2.43×10-17m2,角砾岩的绝对渗透率较断层泥高出1~2个数量级,为2.25×10-17m2~7.94×10-16m2,表明汶川地震断层带具有核部低、破碎带高的渗透结构,断层带核部具备热压作用发生所要求的低渗条件。     

汶川地震断裂带水岩相互作用及其对断裂带演化影响

汶川地震断层岩的矿物学和地球化学特征揭示出地震断层经历了漫长时间演化和复杂的水岩相互作用.间震期水岩相互作用导致断层岩中的破碎矿物蚀变,尤其是长石等矿物含量渐渐减少甚至消失,而黏土矿物（蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层、绿泥石等）含量逐渐增高,以及如黄铁矿、石膏、重晶石、坡缕石等热液系统中常见的矿物大量出现;Mg、P、Ti、Mn、Fe等元素倾向富集在断层带中,而Si、K和Na等出现明显的亏损;元素的大量迁移导致断层带的体积巨量亏损.实验结果表明,黏土矿物的亲水性引起水渗透率比干燥气体渗透率明显偏低,并且二者偏差无法通过Klinkenberg校正消除.蒙脱石吸水膨胀和黏土矿物颗粒表面吸附孔隙流体造成孔隙度降低是导致水渗透率偏低的重要原因.断层岩碎屑结构使得其中的孔隙可能在600 MPa围压下得以保存,从而有助于流体沿断层带下渗,并在断层带深部形成高流体孔隙压.地震断层的主要矿物学及粒度分布特征并非在地震破裂过程中形成,因此利用断层岩粒度分布资料估算地震破裂能并不合适.     

不同流体与黏土矿物对岩石渗透率影响实验研究

储层的渗透率是描述流体在岩石中渗透性的固有属性,在实验室测量的样品液体渗透率往往小于克式校正法修正后的Klinkenberg渗透率.本研究分别以氮气和盐水为介质,分别测量了 30块不含黏土矿物的枫丹白露砂岩试块与30块含黏土矿物的Y砂岩试块的渗透率,用以研究不同流体与黏土矿物对渗透率的影响以及气体测量渗透率时滑脱因子b...     

超低渗透率测量仪的测试标定及初步测量结果

低渗-超低渗透率测量是流体渗流力学和岩石物理学研究领域的热点问题.断层带流体输运的定量化研究对于了解断层的力学性质和预测地下流体的流动具有重要意义.文中介绍了新研制的超低渗透率测量系统和工作原理.这套设备使用稳态法和目前逐渐流行的孔隙压力振荡法进行测量,其孔隙流体为蒸馏水和氮气,最高围压可达200M Pa,孔隙压上限为...     

塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究

为了从实验角度探索低渗砂岩是否存在很小的ESCK值及重新认识低渗砂岩ESCK的变化规律,用两种修正的析因设计方案开展了塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究.一种方案包含了3个循环,每个循环是在孔隙流体压力不变,通过加载和卸载围压完成的;另一种方案包含4个循环,每个循环是在围压不变,通过降低和增加孔隙流体压力完成的.采用稳态法采集每个测点的渗透率值,并选择合适的经验模型拟合实验数据.为了使模型更好地拟合实验数据,本文采用最大似然函数法确定的转换系数转换实验得到的渗透率数据,使拟合得到的经验模型计算的渗透率值与实验值偏差的联合概率密度趋于极大值且残余平方和最小.拟合得到的经验模型可以用渗透率-围压-内压响应面直观地表示,再用Bernabe的ESCK计算式将这一响应面转换成渗透率有效应力系数ESCK-围压-内压响应面.ESCK响应面的响应特征表明,ESCK随围压和孔隙流体压力的变化而变化,随围压的增加而降低,随内压的增加而增加,反之亦然;实验研究还表明,ESCK的变化范围在0.0~1.02之间,这一变化范围和以往实验的结果存在巨大的差异,为此,文中分析了产生这一差异原因,同时提出一新的机理模型解释了实验获取的ESCK的变化规律是低渗岩石中微裂缝和孔隙变形共同作用的结果.     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

粘土矿物的摩擦滑动特性及对断层力学性质的影响

粘土矿物在浅部断层带中广泛存在,而其特殊的力学性质会显著影响断层的强度以及断层错动的行为模式.因此在浅部断层地质条件下,针对粘土矿物摩擦滑动特性的研究对于我们解释和预测断层的活动行为有重要意义.本文系统地总结了前人的工作,发现含水条件,以及温度和压力的变化都会影响到粘土矿物的摩擦强度,在自然断层带中断层强度随着粘土含量的增加而系统性的降低,但是粘土矿物在断层带中不同的分布状态会造成显著不同的断层弱化.当断层带岩石中含有少量的粘土矿物时,粘土矿物对断层强度的组构弱化远大于其在断层带中均匀分布时所造成的弱化作用.粘土矿物对于断层滑动的弱化和稳定性作用在断层浅部(8 km)的温度(150℃)和压力条件下没有发生明显的变化.在断层带粘土矿物的研究中,相比于粘土矿物在断层岩石中的绝对含量,我们应更多的关注粘土矿物在断层带中分布的组构.     

水对断层摩擦滑动稳定性的影响

在不同含水条件下研究了光面、含脆性物质夹层和含延性物质夹层 3类断层的摩擦滑动行为 ,认为水对断层滑动稳定性和摩擦滑动的速度依赖性有重要影响。建立了含有岩性、围压 (深度 )和含水量 3因素的断层活动稳定性的模式 ,认为脆性断层更多地表现为速度弱化 ,少量水的存在易于出现黏滑 ,高孔隙压时会表现为稳滑 ;半脆性或半延性的断层在少量水或较低孔隙压的情况下会表现出速度弱化 ,也就可能出现黏滑 ,但孔隙压较高后 ,会表现出速度强化 ,滑动也就会是稳定的 ;延性断层多为速度强化 ,不出现黏滑。提出水的进入降低了系统的稳定性 ,水的存在增加了系统的稳定性。这是考虑水或一般流体对岩体或断层活动稳定性影响时需要考虑的两个方面     

不同围压和流体饱和状态下致密砂岩弹性各向异性特征

为研究致密砂岩声波速度及其各向异性随围压的变化规律以及不同流体饱和状态下的弹性各向异性特征,钻取了不同方向的岩心并在实验室超声波频率下对致密砂岩的声学特性进行了测量,分别给出干燥和饱和水状态下,不同方向样品纵横波速度、刚性系数以及各向异性系数随围压的变化规律,并对实验结果进行了分析讨论.实验结果表明致密砂岩纵横波速度、纵横波速度比以及刚性系数均随围压增加而增加,但其在不同饱和状态下的变化率却截然不同;纵横波速度比、各向异性系数在饱和水状态下变化规律不明显,表明孔隙流体的存在对于岩石物理性质有着非常重要的影响.这方面的实验工作不但对于考察不同流体性质对致密岩石弹性各向异性影响是必要的,而且有助于致密砂岩油水和气层的识别.     

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应:以龙门山断裂花岗质破裂带为例

正地壳断层带中存在大量流体。流体的存在会对断层带的物质组成及力学性质产生重要影响。流体不仅会与断层岩发生反应生成摩擦系数低的粘土等层状硅酸盐矿物,而且流体也可能被封闭产生高压导致断层弱化。断层岩记录了断层带流体作用的相关信息。为了研究映秀—北川断层带内流体的作用过程、水-岩反应与粘土矿物的富集规律以及流体对断层演化和滑动过程的影响,我们在2008年汶川地震的发震断层——映秀—北川断层出露于金河磷     

静水条件下砂岩渗透性的试验研究

在TRIAXIAL CELL V3岩石三轴伺服试验机上进行了砂岩的渗透试验,采用流量法测量不同围压和渗透压作用下的砂岩渗透率,揭示了围压和渗透压对砂岩渗透率的影响规律,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。结果表明,在相同围压下,随着渗透压差的增加,砂岩渗透率呈不同程度的增加;围压越小,渗透压差对渗透率的影响越大;当渗透压差相同时,砂岩围压一渗透率曲线变化趋势基本一致,渗透率随围压的增加而减小,显示砂岩内部裂隙的闭合程度受围压的影响较明显。     

汶川地震破裂带断层岩纵波速度与孔隙度关系的实验研究

分布于地震破裂带上的断层岩具有高孔隙度的特征.该特点造成了其弹性波速度与结晶岩石和沉积岩存在明显的差异.确定断层岩的弹性波速度与孔隙度和矿物组成的关系对于利用地震资料探测深部断层和测井资料的解释至关重要.在10~600 MPa条件下,本文对地震断层岩的纵波波速（V_p）和总孔隙度（φ_t）进行了测量,并深入分析了V_p与孔隙度的关系.结果表明在10~600 MPa的压力范围内,V_p（p）随着压力的增高呈现对数增加,其增长率随着压力的上升而逐渐减小,遵从∂V_p（p）/∂p=a_v/p的变化规律.断层岩中的孔隙度随着压力的增高呈对数减小.与传统的认识不同,实验发现在压力高达600 MPa以上,大多数断层岩中仍然可以残留可观的孔隙量.分析显示V_p与总孔隙度及总粘土含量呈负线性相关.该发现有助于认识深部流体的活动通道特征,有助于理解断层带中存在大量粘土矿物、断层带内的物质可被大量带出、围陷波的形成等地质和地球物理现象.     

特低渗储层可动流体饱和度研究——以甘谷驿油田长6储层为例

特低渗储层油水分布关系复杂、微观孔喉网络分布模式及油水微观渗流机理复杂多变、水驱效率低、开发矛盾突出.可动流体饱和度是精细评价特低渗储层的关键因素,因此,利用铸体薄片、扫描电镜、X衍射、常规压汞、恒速压汞、核磁共振等实验手段,研究分析甘谷驿油田长6储层可动流体饱和度的分布特征及主控因素.结果表明:研究区长6储层的可动流体饱和度偏小,平均值为37.42%.微观孔隙结构是控制可动流体饱和度大小的主要因素,粘土矿物次之,储层物性的影响最弱.渗透率对可动流体饱和度的敏感性显著强于孔隙度.孔隙连通性好,孔喉比小,喉道半径粗、残余粒间孔保存较好、次生孔隙发育,粘土矿物含量小,可动流体饱和度相对较高.粒间孔的剩余程度、溶孔及喉道的发育程度等对储层的好坏及可动流体饱和度的大小具有至关重要的作用.孔隙特征参数中,喉道半径,孔隙半径,孔喉比、单位体积总有效孔喉体积与可动流体饱和度的关系更为密切.     

河流-湖泊三角洲相砂岩成岩作用的重建及其对储层物性演化的影响——以延长油区侏罗系-上三叠统砂岩为例

延长油区侏罗系和上三叠统河流-湖泊三角洲相砂岩储层的物性受沉积相及埋藏-成岩作用的控制.河流相砂岩的物性好于三角洲相砂岩（平均孔隙度和平均渗透率分别为14.8％和12.7×10-3μm2,9.8％和5.8×10-3μm2）.埋藏压实作用是导致砂岩孔隙丧失的主要原因.碳酸盐是造成砂岩物性降低的主要胶结物.晚期成岩阶段富含有机酸和无机酸的酸性孔隙流体及表生成岩阶段的大气降水是形成次生孔隙及导致砂岩物性改善的主要介质.     

河流-湖泊三角洲相砂岩成岩作用的重建及其对储层物性演化的影响

延长油区侏罗系和上三叠统河流-湖泊三角洲相砂岩储层的物性受沉积相及埋藏-成岩作用的控制. 河流相砂岩的物性好于三角洲相砂岩(平均孔隙度和平均渗透率分别为14.8%和12.7×10-3μm2, 9.8%和5.8×10-3μm2). 埋藏压实作用是导致砂岩孔隙丧失的主要原因. 碳酸盐是造成砂岩物性降低的主要胶结物. 晚期成岩阶段富含有机酸和无机酸的酸性孔隙流体及表生成岩阶段的大气降水是形成次生孔隙及导致砂岩物性改善的主要介质.     

八宝山断层的变形行为与降雨及地下水的关系

利用北京丰台大灰厂观测台站1970——2003年的长期综合观测资料,系统分析了降雨和地下水对北京八宝山断层变形行为的影响. 研究结果表明:当降雨量持续稳定周期性变化,则断层孔隙压也呈稳定周期性变化,断层变形行为也表现出明显的规则周期性变化;当降雨量明显偏低或偏离正常周期性变化,则断层孔隙压周期性消失,断层的变形行为方式也发生改变. 降雨通过改变断层带孔隙压力的变化而影响着八宝山断层的变形行为. 结合该断层已有研究结果,认为降雨和地下水有可能通过改变断层变形行为方式而影响着区域构造应力/应变场的调整. 这一结果将对研究地球浅部流体与固体相互作用提供直接的观测证据.      

基于核磁共振双截止值的致密砂岩渗透率评价新方法

对比分析致密砂岩岩心在完全含水状态和束缚水状态下的核磁共振T₂谱,明确了致密砂岩孔隙中流体的赋存状态和渗流规律,指出常规核磁共振方法预测渗透率的局限性并提出核磁共振双截止值的概念.基于核磁共振双截止值,将储集空间细分为完全可动、完全束缚、部分可动等三部分,分析不同孔隙组分对渗透率的影响,并应用三组分法建立了核磁共振渗透率表征新模型.研究表明：致密砂岩渗透率与完全可动流体饱和度、部分可动流体T₂几何平均值、核磁孔隙度成正比,与完全束缚流体饱和度成反比.在此基础上,结合完全含水核磁共振T₂谱的二阶差分得到了双截止值的自适应确定方法,可以连续地计算储层双截止值.将该研究成果应用于生产实践,渗透率计算精度有较大的提高.     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值10-6的2~2000Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

断层带流体对断层强度和强震孕育的影响

大量研究表明,流体在断层弱化中起着非常重要的作用.在地壳浅部脆性域,自由水通过流体孔隙压力减小断层有效正压力,从而降低断层摩擦强度;在地壳深部,矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度.另外,流体-岩石相互作用等化学过程,如长石水解反应,对断层强度的影响也非常显著.断层深部流体通过物理作用与化学作用影响着岩石的变形机制,从而影响断层力学性质与地震孕育和发生.断层内部流体孔隙压力周期性变化是断层带脆-塑性转化、裂缝张开与愈合等的直接体现,这种变化控制着断层强度与强震周期性发生现象.     

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应研究综述

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所.流体在地震过程中具有重要作用.流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与其他完整岩石不同的性质,包括矿物-化学组成、粒度分布及传输性质(渗透率、孔隙度)等.这些特性可以视为流体与地震断层带岩石相互作用的响应.一方面,较高的孔隙流体压力导致断层的有效正应力降低.另一方面,流体会与断层岩发生一系列水-岩反应导致矿物蚀变、分解,生成大量摩擦系数较低的粘土矿物,同时一些不稳定元素可能会随流体发生迁移,导致大量物质流失.在地震周期过程中,伴随着流体运移,断层带的物理性质(渗透性、流体压力等)也随之发生变化.同震快速摩擦生热会导致流体产生热压作用,促进同震滑动.另外,同震破裂导致断层带的渗透性快速上升,较高的流体压力会很快释放.在间震期过程中流体会使破裂趋向于缓慢变形,矿物溶解-沉淀、重结晶及压溶等作用胶结并愈合裂隙,断层强度恢复的同时断层带渗透性逐渐降低,孔隙压力又逐渐积累.研究流体的这些物理化学行为对理解地震成核、同震滑动及震后断层愈合等过程有重要意义.本文介绍了有关流体对断层带物理化学性质的改造及流体的动力学意义等方面的研究进展,总结了流体在地震周期过程中所产生的一系列岩石物理化学效应及其对地震过程的影响.