龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。      

射孔对致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响

为降低致密砂岩气藏偏高的地层破裂压力及增加储层改造体积,设计小型水力压裂实验装置,通过鄂尔多斯致密砂岩气藏钻井取心,研究不同射孔数量﹑射孔间距﹑射孔深度及水平应力差条件下水力压裂裂缝起裂与扩展规律.结果表明,射孔可以有效地降低致密砂岩气藏的破裂压力;增加射孔数量可以增加裂缝条数,并且裂缝沿射孔的方向扩展,有利于均匀布缝,提高储层的改造体积;低水平应力差和较小的射孔间距产生的缝间干扰导致裂缝在扩展的过程中发生偏转,缝间干扰随着射孔间距的增加及水平应力差的增大而减弱;射孔深度对于裂缝起裂也有一定的影响,裂缝更容易从射孔较深的区域起裂,为致密砂岩气藏压裂井射孔参数优化提供依据.     

页岩储层体积压裂缝网形成的主控因素及评价方法

页岩储层的体积压裂能有效沟通天然裂缝使其形成缝网系统,极大地提高了页岩气的产能,让页岩气的开采尽快获得经济效益,因此对体积压裂缝网形成研究显得尤为重要,在对国内外大量页岩储层测试数据和体积压裂缝网形成研究成果全面系统调研和深入分析总结的基础之上,认为页岩储层体积压裂缝网的形成主要受控于3个方面的因素:①储层本身质量好,高的脆性矿物含量、杨氏模量,低的断裂韧度、泊松比、应力衰减速率和储层敏感性等,即储层的可压裂性越高,越易形成缝网;②地质背景条件优越,低的应力各向异性、天然裂缝发育、小的逼近角等,利于压裂裂缝延伸并扩展成缝网;③压裂工程措施适当,包括起裂方位和压力、支撑剂及压裂液性能、施工液量及排量等施工参数设计合理,有利于水力裂缝的充分扩展;另外,对以上控制因素的评价方法主要有室内实验、软件数值模拟及现场监测等,这些认识对体积压裂缝网形成机理研究及压裂优化设计具有重要的理论价值和实践意义。      

不同冷却方式下高温花岗岩巴西劈裂及声发射特性试验研究

干热岩地热开发中的钻井、储层压裂及热交换等环节均涉及高温岩石冷却的问题,为揭示其中岩石损伤演化规律,基于巴西劈裂试验和声发射技术,研究了不同高温及冷却方式对花岗岩抗拉性质的影响。结果表明:①25~600℃下花岗岩抗拉强度随温度升高而下降,遇水冷却使抗拉强度进-步下降并使其开始大幅下降的温度阈值提前到200,500℃后抗拉强度对遇水冷却更敏感。②荷载达到峰值,声发射累计振铃计数突增,岩样内形成断裂区;受遇水冷却影响,岩样的振铃计数峰值和能量峰值有所下降,间接反映岩石内裂纹更发育,200~300℃时降幅均较大,300℃时和500℃后花岗岩对热处理方式较敏感。③花岗岩破裂面随温度升高由平整向粗糙曲折变化,由脆性向延性转变,遇水冷却促进岩石破裂并促使脆性向延性转变的温度区间提前。研究结果为地热开采中高温岩石的稳定性评价提供理论参考。      

考虑应力敏感效应的复合油藏多级压裂水平井压力动态分析

应力敏感效应是影响致密油气藏压力动态分析的重要因素。考虑应力敏感效应、体积压裂改造区(SRV)及水力裂缝的有限导流能力,建立水力裂缝为树状缝网的双重介质复合油藏多级压裂水平井数学模型。运用摄动变换、Duhamel原理、Laplace变换等方法求解模型,得到井底压力线源解,绘制井底压力动态曲线并对相关参数进行敏感性分析。结果表明:多级压裂水平井的渗流过程划分为12个阶段。渗透率应力敏感系数使压力曲线上翘;储容系数影响窜流的时间与强度;窜流系数影响基质向裂缝窜流出现时间;内外区流度比主要影响内区向外区过渡流及晚期径向流阶段;裂缝间距和裂缝长度增大有助于增加泄油面积,减小整体渗流阻力;内区半径主要影响内区向外区过渡时间。该结果对致密油气藏多级压裂水平井渗流规律分析和试井解释具有指导意义。     

二氧化碳爆破致裂建造增强型地热系统热储层工艺探讨

人工建造热储层是干热岩热能开发的关键技术,二氧化碳爆破致裂具有爆破压力大、爆破压力可控、作业 时间短、造缝均匀、经济环保等优势,可用于建造增强型地热系统(EGS)热储层.分别从爆破压力、爆破过程、裂 缝形态以及对岩体和环境的影响方面,探讨了二氧化碳爆破用于储层建造的可行性;并对二氧化碳致裂器的结构 进行了改进,使其适应 EGS热储层高温、大井深环境;提出了二氧化碳爆破与水力压裂相结合的分层分段致裂 EGS热储层新工艺,即分层钻进注入井水平井段与生产井水平井段并使两者处于同一垂面,在各水平井段先进行 二氧化碳爆破制造均匀裂缝,再使用水力压裂沿裂缝扩展贯通形成规模裂隙.该工艺可为建造 EGS热储层、商 业化开发干热岩提供参考.      

天然气非线性复合渗流数学模型

在对油气井进行水力压裂后产生的有限导流垂直裂缝进行研究时,特别是对于泄流面积比较狭长的储层,可采用复合流动模型求解得到接近于实际的近似结果.利用演绎一维流动数学模型,考察天然气渗流的非线性影响,并定义拟时间因子化简控制方程,利用Laplace变换求得无量纲解析解式,联立物质平衡方程后分析拟时间因子的变化规律及其对生产动态的影响.进而利用复合渗流模型分析垂直裂缝气井在定流量和定流压生产的2种典型制度下的动态表现特征,绘制相应的不稳态压力及产量曲线,并采用商业模拟器(Eclipse)对该解析解进行模型的对比验证.结果表明:天然气非线性渗流特点对拟稳态时期的产量及压力特征有较大影响.该研究结果有利于提高对天然气渗流规律的认识,为压裂气井的生产动态分析提供一定的理论参考.     

南京粉砂三轴压缩过程中的三维孔隙结构演化特征

砂土三轴剪切过程中细观孔隙结构演化与其宏观力学性质之间存在着紧密联系。基于南京大学自主研发的微型三轴仪,对南京粉砂试样进行了三轴剪切试验,利用显微CT扫描,获得了加载过程中试样的三维孔隙结构演化特征。结果表明:试样表现出应变软化-硬化型的应力-应变关系曲线;端部摩擦阻碍试样体积膨胀,发生鼓形区状破坏;试样整体体孔隙率从初始的46.3%减小到40.9%,后增大到43.0%附近,且试样破坏区孔隙率显著增大;统计区状破坏区表征单元体孔隙参数,发现破坏前孔隙被压密消失,孔隙数量减少32.4%,平均孔隙半径减小48.8%,导致孔隙半径分布趋于集中,破坏后破坏区域内出现大量大半径的孔隙;颗粒间错动导致颗粒棱角破碎,使孔隙形状趋于规则。     

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R_o<3.0%时,微孔和中孔的比表面积、比孔容与R_o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。      

川东南地区志留系龙马溪组页岩孔隙结构特征

页岩储层的孔隙结构对页岩气资源评价和勘探开发具有重要意义。通过高压压汞法、低压氮气吸附法、氩离子抛光-场发射扫描电镜对川东南龙马溪组页岩微观孔隙结构特征进行了深入的研究,分析了微观孔隙发育影响因素。研究表明,页岩排驱压力比较高,孔隙分选差,退汞率极低,说明孔隙与喉道非常不均一;页岩比表面积为12.330~29.822 m2/g,平均为20.132m2/g;孔体积为0.015 9~0.094 7cm3/g,平均为0.044 5cm3/g;平均孔径为3.484~12.473nm,平均为7.400nm;主体孔隙为中孔,存在一部分的微孔和大孔,氮气吸附-脱附曲线表明孔隙形态以墨水瓶形孔和狭缝状孔为主。孔隙类型可分为有机质孔、原生残余孔、次生溶蚀孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物晶间孔、裂缝6种类型,其中原生残余孔、次生溶蚀孔可达微米级。有机碳含量、石英含量、黏土矿物含量、热演化程度均会影响微观孔隙发育,比表面积和孔体积随有机碳、石英含量的增加而增加;而随黏土矿物含量的增加,比表面积、孔体积呈减小趋势;适宜的热演化程度是纳米级孔隙发育的重要影响因素。      

支撑剂对单裂隙花岗岩的渗流特性与热交换影响试验研究

裂隙岩体地热资源的开发过程主要涉及裂隙渗流与热量交换两方面的问题.针对这２个问题,从室内试验出发,以平直裂隙、粗糙单裂隙花岗岩岩样为研究对象,分析支撑剂在不同渗压、围压与温度条件下对单裂隙花岗岩的导水特性和能量交换率的影响.试验结果表明:平直裂隙与粗糙裂隙的等效水力开度和水力传导系数均随渗压的增加而不断增大,随围压和温度的升高而降低,在同一条件下,平直裂隙的等效水力开度和水力传导系均略低于粗糙裂隙.支撑剂对粗糙裂隙的导流能力有着显著的提升,当增大渗压时,４组粗糙裂隙水力传导系数为１．２５~２．４５mm/s,而添加支撑剂后,其水力传导系数为１５．３０~２８．６４mm/s,经计算可知,含支撑剂裂隙水力传导系数是粗糙裂隙岩样的９~１６倍;当增大围压和温度时,虽然粗糙以及含支撑剂裂隙水力传导系数均不断减小.但含支撑剂裂隙的水力传导系数仍比未添加支撑剂的粗糙裂隙大一个数量级以上.最后,对３种裂隙岩样
的热交换效率进行分析,得出支撑剂裂隙岩样的能量交换率是平直裂隙、粗糙裂隙的９~３３倍.      

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法,对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算,探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律,提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明:当剪切速率在0~0.8mm·s-1范围内时,岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现减小趋势,对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现增大趋势,且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大,节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势,节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。     

低渗透储层的微观特征对其宏观性质的影响规律——以榆树林油田扶杨油层为例

利用岩心物性分析、压汞曲线和镜下分析等资料,研究榆树林油田东16区块扶杨油层的宏、微观特征及二者关系.结果表明:研究区扶杨油层岩性为岩屑长石砂岩,普遍具有碎裂特征,主要孔隙成因类型包括微裂缝、粒间孔、粒内孔和晶间孔,微裂缝对孔隙度的贡献不大,但对渗透率的影响不容忽视.孔隙度主要受孔喉发育程度影响,孔喉半径越大,孔隙度越高.渗透率受反映连通程度的特征结构参数影响较大,二者呈正相关关系,且孔隙度越大,特征结构系数对渗透率的影响越大.退汞效率受特征结构参数影响较大,储层为中孔时,退汞效率随特征结构参数的增大而增大;储层为低孔或特低孔时,退汞效率随特征结构参数的增大而减小.该研究结果对改造低渗储层、提高采收率具有指导意义.     

基于断裂力学的煤层气井破裂压力计算方法

为了提高煤层气井破裂压力预测精度,运用断裂力学理论推导裂缝性地层破裂压力计算公式,结合分形岩石力学理论建立裂缝性地层破裂压力解析模型,提出一种实用的破裂压力计算方法.结果表明:在非均匀地应力下,煤岩井壁更易沿最大水平主应力方向起裂,解析模型与传统模型在表达形式上具有统一性和更广泛的适用性.煤岩裂缝具有分形特征,分形效应提高岩石阻碍裂缝扩展的能力,当分形维数越大、相似比越小时破裂压力越大.在不同裂缝状态下,缝长对破裂压力的影响规律不同,当裂缝长度较小时破裂压力随裂缝长度增加而迅速减小;当裂缝长度增加到一定数值后,闭合裂缝破裂压力随缝长增加而增大,开启裂缝破裂压力随缝长增加而减小并趋于定值.郑庄地区5口煤层气井实例计算表明:该计算方法预测的破裂压力误差在10%以内,破裂压力对缝长变化特别敏感,合理确定裂缝长度对准确预测破裂压力尤为重要.     

贵州丹寨南皋下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙结构特征

页岩孔隙结构特征研究对页岩含气性评价具有重要意义。以上扬子东南缘南皋剖面下寒武统牛蹄塘组页岩储层为例,
应用场发射环境扫描电子显微镜观察了页岩纳米级孔隙微观形态,通过低温氮气吸附法测定了页岩的氮气吸附等温线,并结合X-
衍射矿物定量分析和有机碳含量测定,探讨了纳米级孔隙发育的控制因素。研究结果表明:矿物成分主要为黏土矿物(伊利石和
少量绿泥石)、石英、长石、重晶石和石膏等。石英含量相对较高且沿剖面向上降低,wB 平均为53%;相反,黏土矿物含量较低且沿
剖面向上增加,wB 平均为34%;碳酸盐矿物较少,仅在顶部可见。页岩主要发育粒内孔、粒间孔、裂缝和有机质孔4种孔隙类型,
其中前两者较为常见。根据氮气吸附-脱附曲线、孔径分布特征、孔体积和比表面积可将样品划分为4类黑色页岩,孔隙以似片
状颗粒组成的非刚性聚合物的槽状孔为主,前3类黑色页岩的孔径分布呈双峰形态,第4类黑色页岩的孔径分布呈单峰形态,最
可几孔径分别为d≈0.9nm和d≈3.5nm。孔体积在0.0028~0.0243cm3/g之间,平均为0.0147cm3/g,比表面积在1.0568
~28.8250m2/g之间,平均为17.5418m2/g,4类黑色页岩微孔频率分布依次减小,而介孔和宏孔频率分布逐渐增加,即微孔性
逐渐变差,至第4类黑色页岩几乎只有宏孔孔隙。有机质丰度和矿物组分控制丹寨南皋牛蹄塘组黑色页岩的孔隙发育,其中有机
质有利于孔隙发育且有机质微孔是孔体积和比表面积的主要贡献者;石英有利于孔隙发育,而黏土矿物则降低黑色页岩的孔隙
性;它们均主要通过控制微孔和介孔的发育来控制黑色页岩的孔隙发育。      

低渗透油藏七点井网的有效动用程度

为表征剩余油的分布规律,以及井网后期加密调整提供理论参考,利用叠加原理,求解考虑启动压力梯度的七点井网稳态压力方程,用压力公式推导流函数模拟井网单元间的流线分布.结果表明:考虑启动压力梯度时井网单元内存在流体流动区和不动区,定义为流动面积与井网单元面积比值的有效动用因数随储层参数变化而变化,启动压力梯度越大,有效动用程度越低,增加储层有效渗透率(如酸化、压裂)、增大注采压差和缩小注采井距能提高有效动用因数;储层物性较差时,缩小井距是提高有效动用因数的有效方式,储层物性较好时增大生产压差效果更好.     

漠河盆地上侏罗统额木尔河组陆相泥页岩孔隙结构特征

通过氩离子抛光-扫描电镜、低温N₂和CO₂气体吸附、覆压孔-渗、X-射线衍射和有机地化等分析测试,对漠河盆地上侏罗统额木尔河组陆相泥页岩孔隙结构特征开展了系统研究。研究表明:额木尔河组泥页岩孔隙类型以长石溶蚀孔、黏土矿物晶间孔和粒间孔为主,整体上由介孔和宏孔构成;泥页岩孔、渗性较差,氦气孔隙度为0.167%~5.69%、覆压渗透率为0.000 513×10-3~0.050 38×10-3μm2;有机质成熟度未达到热裂解干气阶段,限制了有机质孔隙的发育;长石溶蚀孔普遍发育,长石含量与介孔孔容呈负相关,表明部分介孔的形成可能与长石溶蚀作用有关;伊利石晶间孔主要提供微孔体积,而伊蒙混层相关孔隙则可能是介孔的主要贡献者;张性和剪切构造裂缝的普遍发育,有利于改善泥页岩储层的孔隙结构和渗流能力。综合分析表明,分布于滨黑龙江隆起中东部、埋藏较深的(约800 m以下)高成熟页岩更适合开展进一步的页岩气评价和勘探工作。      

单轴压缩条件下不同含水率黑云母二长花岗岩破坏特征与机制

花岗岩在不同含水率条件下的变形破坏特征和机制对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。开展不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验,分析破坏特征和应力-应变曲线特征,开展断口扫描电镜试验,分析微观形貌特征,研究破坏机制。试验结果表明:黑云母二长花岗岩具有明显的应变软化特征;随含水率增大,曲线上微裂隙压密阶段长度逐渐增加,稳定破裂阶段及非稳定破裂阶段长度均逐渐缩短,但所占比例增大,曲线上峰前阶段涨落交替现象加剧;饱和时单轴抗压强度和弹性模量相比干燥时分别降低了40.68%,20.3%;变形破坏过程可大致分为以下5个阶段:平静期、裂纹萌生期、裂纹扩展伴随颗粒弹射期、片状碎片剥落伴随颗粒弹射期及崩落式破坏期;随含水率增大,花岗岩破坏时的剧烈程度、发出的声响及脆性程度均逐渐降低;花岗岩破坏机制为拉-剪复合破坏,低含水率时以压致拉张破坏为主,随含水率增大呈现拉张破坏减少而剪切破坏增多的趋势,饱和时以剪破坏为主。研究结果可为黑云二长花岗岩与水之间的耦合模型构建提供理论支撑,对水-岩耦合环境下工程岩体稳定性分析具有重要科学意义。      

热应力对内含裂隙恐龙化石的影响研究

为深入研究热应力对内含裂隙的恐龙化石的影响,该文模拟10℃,20℃,30℃,40℃,50℃及60℃六种不同温差情形,通过ABAQUS数值模拟软件,揭示地表温度与日照照射在化石表面的温度形成的温差对恐龙化石的影响机制。试验结果表明:在不同温差作用下,热应力的分布主要集中在恐龙化石裂隙的右上角位置,而右下角则没有出现明显的热应力,热应力分布出现不均匀现象,容易诱发恐龙化石开裂,加快风化速度。热应力值随着温差的增大而呈近似线性关系增大。在同一温差、不同轴压条件下,热应力值的增长率呈下降趋势,最大增长率为93.54%,形成于温差为10℃、轴压由0.04MPa变为0.12MPa阶段;热应力值最小增长率为17.46%,形成于温差为60℃、轴压由0.12MPa变为0.20MPa阶段。开裂角随着温差变大而增大,在温差为40℃时,开裂角达51.5°最大值;当温差继续增大时,开裂角呈减小趋势。恐龙化石的极限载荷随着温差的增大而呈下降趋势。其中,温差为10℃时,其极限载荷为最大值2.5MPa,而当温差为60℃时,其极限载荷为最小值1.5MPa。     

GFRP管—型钢活性粉末混凝土组合短柱轴压性能

以GFRP管直径、管厚度、纤维缠绕层数和角度,以及长细比、活性粉末混凝土(RPC)抗压强度、型钢截面面积、型钢屈服强度为主要参数,设计25根足尺GRS组合短柱试件;基于钢材的双线性本构模型和考虑RPC约束效应的非线性本构模型,采用ABAQUS有限元软件,对25根足尺GRS组合短柱进行数值模拟分析,分别提取荷载—位移曲线和轴压承载力,分析不同参数对试件轴压承载力和极限位移的影响规律;采用1stOpt软件统计回归足尺GRS组合短柱轴压承载力计算公式.结果表明:随试件的GFRP管直径和管厚度、纤维缠绕层数和角度、型钢屈服强度和截面面积、活性粉末混凝土抗压强度增加,试件轴压承载力显著提高;随试件的GFRP管厚度、纤维缠绕层数和角度、长细比和工字型钢截面面积增加,试件极限位移明显增大;随试件的GFRP管直径增加,试件极限位移逐渐减小.试件表现很好的持荷能力,呈连续鼓曲的破坏形态.