致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

关于水力压裂试验原位测定土的静止侧压力系数K_0的方法

本文介绍我院于1980年9月在上海某工程用水力压裂试验原位测定土的静止侧压力系数K_0的方法和结果。我们采用的方法是将双管式孔隙水压力仪的测头压入地基土下某一深度,放置几天后,首先观测测头处的天然孔隙水压力。待孔隙水压力稳定后,即可用螺旋控制器通过测头对土体施加压力,进行水力压裂试验。首先以一定的速率对土体施加水压力,使其产生裂缝,水即向裂缝大量流入,随后立即停止对土体施加压力,观测土中裂缝闭合的过程,定时地测量流量值和压力值,当裂缝闭合时,就可测得一个突然降低的流量值及闭合     

基于核磁共振技术研究渗流作用下土石混体细观结构的变化

为研究土石混合体在渗流作用下细观结构的变化。选取土石比例为7:3的重塑土石混合体试样进行室内渗流试验,采用核磁共振(NMR)实时监测试样在不同水力坡降和不同时间段下的细观结构信息,如孔隙分布和自由水孔隙等。结果表明:(1)渗透压力变化导致土石混合体孔隙分布发生改变,促使孔隙扩大及孔隙连通性变好,并破坏土石混合体结构特性等;(2)随着水力坡降和时间的增加,自由水孔隙、总孔隙及NMR渗透率均有不同程度增长,NMR渗透率增长速率持续升高,且自由水孔隙在对NMR渗透率贡献上大于束缚水孔隙;(3)低水力坡降下土石混合体孔隙分布曲线的不均匀系数K_(ua)和曲率系数K_(ca)系数变化较小,土石混合体侵蚀程度小,渗透破坏程度低。高水力坡降下K_(ua)和K_(ca)系数变化明显,土石混合体侵蚀程度较高,土石混合体形成渗流通道并发生渗透破坏。     

常法向刚度条件下岩石节理剪切-渗流特性试验研究

为研究常刚度(CNS)边界条件下节理的剪切-渗流耦合特性,针对3种不同节理粗糙度的复制节理试样进行了3种不同刚度、3种不同渗透水压力条件下的剪切-渗流试验,全面系统地分析了法向刚度、渗透水压和节理粗糙度等因素对节理剪切过程中力学特性和渗流特性的影响。试验结果表明:节理峰值剪切强度随法向刚度的增加而增加,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而减小;节理峰值剪切强度和法向位移均随渗透水压的增大而减小,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而增加;通过节理面的流量随节理粗糙度的增加而减小。剪切过程中流量、等效水力开度和透过率均呈现类似于节理剪胀的三阶段变化规律:快速增长阶段、增速变缓阶段和稳定阶段;稳定阶段流量随法向刚度和渗透水压的变化近似呈线性关系,随着渗透水压的增加,粗糙程度较高的节理流速较慢。     

碳质页岩水力压裂模拟实验研究

为了分析碳质页岩的水力压裂过程,采用天然页岩岩块,制作了边长30cm立方体试样,采用实验室大型实验设备,设置了两种不同的割缝注射方向,对试样进行了水力压裂模拟实验。对比分析了试样的破坏形态;可以看出割缝注射方向对裂缝的发育有着重要影响;水力压裂的极限强度与裂纹和层面之间的夹角有一定的关系,当裂纹方向接近层面时,对应的水力压裂的强度较小。结合水力压裂的水压曲线,阐述了裂纹发育和压裂液压力之间的关系。声发射监测碳质页岩的水力压裂存在一定的不足,需要进一步提高探测精度。页岩水力压裂过程受多种因素影响,需要开展相应的模拟实验进行研究。     

高渗压小水力梯度岩石渗透性测试

对低渗透岩石的渗透性测试一般采用瞬时压力脉冲法,但该方法不能真实模拟野外高孔隙水压力、小水力梯度的现场实际条件,而且试验存在较大误差。为此开发研制了一套新型高压渗透仪,在渗透出水端安装了管路过滤器、调速阀两种器械元件,可手动任意调控流量大小,而流量大小采用精确测量渗出水体积变化量表示。试验只要保证进水端水压不变,当调控的水流量与试样的渗流量达到平衡时,则会在出水端形成一个稳定的水压值。该套试验设备不但可对圆柱体试样进行渗透性、力学特性测试,而且还可以对方柱体试样进行渗透性测试,实现了对岩石实际所处应力、高孔隙水压力环境的真实模拟。实测检验理论技术可行,达到了满意的试验效果。     

流量对水力压裂破裂压力和增压率的影响研究

水力压裂现场原位测试试验的破裂压力是计算构造地应力的重要参数。为了探究流量对水力压裂破裂压力和增压率的影响,设计4种不同恒定流量情况的低渗透硬脆灰岩室内大型水力压裂试验,结合声发射监测技术分析不同流量下水力裂缝破裂压力、破坏模式和缝网复杂程度的规律以及流量与增压率的内在关系。试验结果表明：流量越大,破裂压力越高,缝网复杂程度越低;典型压力?时间曲线分为缓慢增压段、急速增压段、稳定增压段和突然下降段;稳定增压段增压率保持不变,压力随时间线性增长,其增压率的大小和流量存在明显的线性关系;基于流量与稳定增压段增压率的线性关系,考虑流量因素的Ito理论可以很好地定量解释流量对破裂压力的影响,试验结果与理论预测吻合度较高。     

天然裂缝复杂程度对致密储层破裂特征的影响

地层内部总存在孔隙、裂隙、层理、裂缝、断层等结构特征从而体现为地层地质非均质性,并在人工注采过程中发生不同尺度的破裂而体现为跨尺度的裂缝时空延展特征和致裂机理。以致密油为代表的非常规油气藏开采开发在我国油气产能中占比越来越大,并往往利用水力压裂储层改造技术产生人工裂缝以增强油气渗流而实现其规模经济开发;同时,这类低渗透油气藏亦是CO₂压裂、注入和封存的重要对象。文章基于真三轴大型物理模型水力压裂实验和工程尺度下水力压裂微地震监测结果,通过不同尺度裂缝/裂隙活动所致声发射和微地震事件的时空展布研究岩体多尺度裂缝的破裂特征。研究表明,无论是相对稳定的真三轴水力压裂,还是实际地质工程尺度下的水力压裂微,岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。     

扭剪荷载作用下饱和南京砂不排水特性试验研究

通过空心圆柱扭剪仪对不同相对密实度的饱和南京砂分别进行了单调扭剪不排水、排水试验以及循环扭剪不排水试验。试验结果表明:在单调扭剪试验中,试样相转换线的位置与排水条件无关,但相对密实度较大试样的相转换线斜率小于相对密实度较小的试样。在循环扭剪不排水试验中,对于相对密实度较小的试样,当其有效应力路径接近单调扭剪荷载作用下具有相同初始条件试样的相转换线时,孔压急剧增加,扭剪应变迅速增大,试样出现不稳定现象,随后发生初始液化;对于相对密实度较大的试样,当其有效应力路径接近单调扭剪荷载作用下试样的相转换线时,试样出现循环活动现象,随着循环扭剪荷载的继续施加,有效应力路径表现为以破坏线为边界且呈"蝴蝶"形状的一系列重叠的回滞环,此时孔压在某一常值上下波动,累积孔压不再增加。具有相同初始条件的试样在循环和单调扭剪荷载作用下得到的相转换线几乎相同,这一规律不受相对密实度的影响。     

水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响

脉冲水力压裂技术是改造低渗储层的一种重要手段,通过水楔效应和脉冲疲劳损伤双重作用沟通裂隙网络,提高低渗储层导流能力。在脉冲水力压裂室内试验中,试样中预制孔的密封问题是决定水力压裂试验成败的关键,而起裂压力又是评价脉冲封孔段密封效果的重要指标。通过煤岩脉冲水力压裂室内试验,建立了封孔段薄弱结合面与煤岩基体力学性质的关联,研究不同频率对煤岩起裂压力的影响,最终拟合相关数据得到:基于煤岩脉冲作用下起裂压力的预制孔封孔压力经验公式。研究结果为脉冲水力压裂室内试验的试样预制孔密封提供依据。      

单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究

在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P₃₂作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:（1）在块体单元边长较小（即预制裂缝密度较大）的试样中,体积压裂的效果更加显著;（2）小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;（3）随着排量的增加,试样压裂后的P₃₂值会升高;但排量增加到一定程度后,P₃₂值不再增长,甚至略微下降。     

不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明：（1）在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。（2）孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。（3）电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。     

低渗致密砂岩渗透率应力敏感性试验研究

储层岩石中孔隙流体压力的变化会引起有效应力发生变化,进而导致渗透率的改变,引发储层岩石渗透率应力敏感现象。以试验研究了不同围压下渗透率随孔隙流体压力的变化规律,试验包含了老化处理和升降内压4个回路,每个回路是在围压不变降低和增加孔隙流体压力下实现的,采用稳态法采集每个测试点的数据。试验结果表明,渗透率随着孔隙流体压力的降低而减小,随着孔隙流体压力的增加而增加;在低围压下渗透率的变化幅度较大,在高围压下,则变化幅度较小;在不同围压回路下,净应力相等的点对应的渗透率不相等;渗透率在随孔隙流体压力的变化中呈现出“台阶式”变化。根据Bernabe的模型计算了渗透率有效应力系数,结合Bernabe的观点分析计算结果发现渗透率呈“台阶式”变化是微裂缝随应力的变化而发生变形的表现。对试验岩样进行了储层岩石应力敏感性评价,结果表明,该低渗致密砂岩储层表现为中等应力敏感。     

地应力对破裂压力和水力裂缝影响的试验研究

为研究水力压裂时地应力对破裂压力和水力裂缝的影响规律,采用水力压裂试验系统,以相似材料作为研究对象,进行了水力压裂物理模拟试验,并借助煤岩断面三维扫描系统、位移计提取了水力裂缝信息。试验结果表明,随着主应力差的增大,破裂压力逐渐降低,破裂时间也逐渐缩短;随着主应力差的增大,破裂面的表面积逐渐增加,破裂面变得逐渐粗糙;围压相近时水力裂缝易出现转向、分叉,压裂液的动力效应越明显;水力裂缝张开度随着主应力差的增大而逐渐减小。研究结果可为水力压裂试验的进一步研究、裂缝网络系统的建立提供参考。     

含结构面相似材料水力裂缝演化的实验研究

结构面广泛赋存于煤系中,是影响煤岩水力压裂效果的关键因素之一。调节结构面制作时间和充填材料类型,制作不同结构面类型的煤岩试件,并开展水力压裂物理实验,探究结构面类型与注入流量对水力裂缝延伸的影响及作用机制。结果表明:当注入流量为50 mL/min时,纯样试件(无结构面)的破裂压力高于含结构面试件的破裂压力,延时结构面制备间隔时间对试件破裂压力的影响很弱,调整结构面的充填材料后试件破裂压力最大降低28.79%;随着注入流量的提高,充填材料为云母,水泥试件破裂压力、声发射振铃计数峰值增大,压力上升阶段的持续时间显著缩短,水力裂缝在结构面处的延伸模式由沿结构面延伸逐渐转向沿最大主应力方向延伸。结构面类型与注入流量对水力裂缝在结构面处延伸模式的影响,主要是由于改变了水力裂缝延伸至结构面时结构面上的应力状况,可以通过理论分析预测水力裂缝与结构面的交叉延伸模式,根据结构面上应力状况,通过调节注入流量调整水力裂缝的延伸方向。      

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论：致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5. 7倍和1. 7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。