岩石流-固耦合实验研究

应力与岩石的变形破坏和渗透特性关系密切。实验结果显示,一方面,岩石破坏前后其渗透性达到最大,渗透率变化与岩石性质有关,砂岩的变化服从指数函数关系,泥质砂岩、砂质泥岩或者泥岩服从抛物线型函数关系;另一方面,在大多数情况下,应力变化仅导致岩石微小变形而并未破坏。渗透性随有效应力变化,并且与岩石空隙形状有关,岩石空隙形状包括三重孔隙介质,分别为基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙。裂缝性岩心的渗透率和孔隙度损失较孔隙性岩心、毛细管型岩石损失大,渗透率的变化总是大于孔隙度的变化。孔隙岩块的孔隙度和渗透率随有效应力的变化关系符合指数型数学模型,裂缝型岩石宜用幂指数型数学模型描述,毛细管型岩石则用二次抛物线数学模型描述较为恰当。      

一种孔隙介质声波模型正演方法

Biot。的孑L隙介质理论描述了地震波动力学特征与油藏参数(孔隙度、 渗透率、粘度等)之间的关系。声波模型方法可用来研究碳氢油气藏特征。 本文基于Biot，声波方程提出一种二维有限差分方法，可用来模拟孔隙介 质低频声波传播。文中讨论了边界条件，网格频散等问题，模拟了一个孔 隙介质层状模型，并给出了其时间剖面和快照     

三轴围压下煤岩吸附膨胀特性与渗透性动态变化

煤层气排采过程中煤储层孔隙度和渗透率的动态变化,是煤层气开发地质研究的热点之一。本文利用晋城无烟煤样,分析了三轴应力条件下煤岩的应力-应变效应,讨论了煤样渗透率的动态变化规律。结果表明,围限压力条件下,煤岩吸附甲烷后其抗压强度明显增大;煤样最大径向吸附应变与孔隙压力的关系,可用朗格缪尔方程形式予以描述;煤岩渗透性与有效应力、煤岩吸附膨胀量均呈负指数关系,说明两者对煤岩渗透性影响的实质相同,即煤岩孔隙、裂隙受到应力作用逐渐减小或闭合。同时,在较低孔隙压力条件下,需考虑克林伯格效应对煤层渗透性的影响。经检验,S-D模型能够较为客观地预测煤岩渗透性动态变化规律。     

油气界面上的法向反射系数频散特征研究

地震波在地下介质传播时流体对波的传播有很大影响,利用孔隙介质中的平面波反射系数可以较好的进行描述。本次研究采用基于渐近分析理论的法向反射系数渐近方程,通过建立上层饱和含油、下层饱和含气和上层饱和含气、下层饱和含油的砂岩可渗透孔隙介质模型,开展反射系数频散特征研究,对比分析基于等效介质、孔隙介质和渐近分析三种理论在饱含油气可渗透分界面上法向反射系数频散特征,并对比分析基于孔隙介质和渐近分析理论的反射系数频散对渗透率的敏感性。研究表明:在地震频带(0～100 Hz)内,该反射系数渐近方程在上层饱和含气、下层饱和含油可渗透界面上反射系数增加15%,变化明显;当渗透率从低渗透率到高渗透率时,其反射系数增加12%,也有明显变化。从而可以用来识别上层饱和含气、下层饱和含油可渗透界面。因此,基于孔隙介质渐近分析的反射系数方法可用于研究饱含油气可渗透界面上反射系数频散特征,从而为油气识别提供了很好的理论和依据。     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

裂缝诱导双相HTI介质模型及其弹性波传播方程

将Biot双相介质理论与Gurevich裂缝各向异性理论相结合,建立了能够同时考虑实际裂缝性储层孔隙性和各向异性的裂缝诱导双相HTI介质模型。从本构方程、动力学方程和动力学达西定律出发,推导出了裂缝诱导双相HTI介质中弹性波传播的一阶速度-应力方程,并针对方程的刚性问题,给出了利用显式二阶时间积分法数值求解该方程时所需要满足的稳定性条件。该方程能够定量地给出双相HTI介质的波场特征与裂缝参数、背景孔隙介质参数之间的关系,描述弹性波在这种介质中的传播机理。     

孔隙液体的可压缩性对非饱和孔隙介质弹塑性分析的影响

首先在多相孔隙介质的混合物理论框架内探讨了如何利用固-液两相孔隙介质模型描述介质的非饱和问题。其次,讨论了一个实用的描述孔隙液体可压缩性的方法,并建立了小变形条件下固-液两相孔隙介质的弹塑性本构方程。最后,采用俞茂宏统一强度理论,针对一个具体的结构例子,分析了孔隙液体的可压缩性对结构弹塑性分析的影响。     

基于热力学模型的煤孔隙结构分形表征

煤的孔隙结构复杂,难以用传统的欧氏几何理论描述其复杂性,而分形理论可定量表征孔隙结构的复杂程度。通过对渭北煤田韩城矿区10个煤样进行的压汞实验,采用热力学分形模型,获得了煤的渗流孔的分形维数,定量表征了煤的孔隙特征,并探讨了分形维数与渗透率的关系。研究表明:对于同等变质程度的煤来说,煤中吸附孔越多,孔隙分形维数越大;煤孔隙分形维数与渗透性呈负相关关系。由此可见,煤的渗流孔分形维数可作为煤储层渗透性评价的定量指标之一。      

基于核磁共振和分形理论的含铀泥砂岩渗透率预测方法——以新疆阿克苏地区为例

渗透率是影响溶浸采铀过程中含矿层铀浸出率的关键因素,准确评判含矿层渗透性对原地浸出采铀过程中井场参数的优化设计具有重要意义。文章采用核磁共振技术结合分形理论,分析了新疆阿克苏地区含铀泥砂岩孔隙结构分形特征,并研究了分形维数与渗透率之间的相关关系,建立了渗透率预测的多重分形模型。结果表明,该含铀泥砂岩以微孔和小孔为主,较大孔隙对渗透率具有显著影响;孔隙结构具有双重分形特征,较小孔隙分形维数介于0.727～1.711之间,较大孔隙分形维数介于2.961～2.989之间。核磁共振T₂谱分形拐点可以作为确定T₂截止值的依据,该方法比离心法更加高效便捷;根据T₂截止值计算可移动孔隙度,并结合分形维数建立多重分形渗透率预测模型。相比于传统渗透率预测模型SDR和Coates模型,该预测模型准确度更高且方便快捷。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。      

考虑孔隙变形的孔隙介质本构关系初探

孔隙存在是孔隙介质材料结构的本质特征,它决定了孔隙介质的本构关系呈现更为复杂的性质。首先给出了孔隙介质的视应力、视应变、骨架实际应力和骨架实际应变的定义,并在理想孔隙介质的物质模型假定下讨论了理想孔隙介质的本构关系,表明即使孔隙介质的骨架结构满足虎克弹性体本构关系的假定,即假定骨架的实际应力与实际应变之间呈现线性关系,但由于孔隙的存在,孔隙介质的视应力与视应变之间还是呈现非线性,说明应力与变形之间的非线性是孔隙介质的固有特性。     

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。     

围压和孔隙结构对不同粒级砂岩孔隙度渗透率的影响实验研究

孔隙度和渗透率是储层评价的两个重要参数.岩石毛管压力曲线和核磁共振T2谱图是描述储层微观结构特征的重要参数.通过测量不同压力条件下岩心样品的孔隙度和渗透率,得到了孔隙度和渗透率随压力的变化情况.实验结果表明：孔隙度和渗透率随着压力的增加而降低,并且与压力服从对数函数变化规律.不同孔隙度渗透率区间的砂岩样品,孔隙度和渗透率随着压力变化的趋势不同.通过测量不同粒级砂岩样品的毛管压力曲线和核磁共振T2谱图,证实了孔隙结构对孔隙度和渗透率的影响,微观孔隙结构是决定渗透性好坏的关键因素.     

广义平面应力条件下径向渗流的液固耦合

考虑了多孔介质渗透率随孔隙变化的特点,建立了基本方程;对于广义平面应力条件下的径向渗流问题,提出了解耦方法,并求出了耦合条件下的孔隙压力及介质应力、应变、位移的解析解。实例计算表明,耦合效应不容忽略。      

含裂隙饱和多孔介质流-固耦合的扩展有限元分析

基于应力平衡方程、渗流连续性方程以及改进的Biot有效应力原理,建立了含裂隙可变形饱和多孔介质流-固全耦合问题的控制方程。流体在介质和裂隙中的流动均满足达西定律,得到的非线性全耦合方程不仅反映多孔介质内部物理量的耦合效应,还考虑介质与裂隙之间的耦合作用。扩展有限元法在处理含裂隙问题时具有独特的优势,采用普通有限元和扩展有限元法构建了数值计算体系。在进行空间离散时,介质内部的位移和孔隙压力均采用普通的有限元进行离散;裂隙处的位移模式引入扩展有限元中的两类附加位移函数,以反映裂隙面的位移强不连续性和裂隙端部的应力奇异性;引入孔隙压力加强函数,以体现裂隙法向孔隙压力的弱不连续特征。使用向后差分格式进行时间离散。算例验证了该模型和算法的正确性和有效性,分析了裂隙的存在对流体流动的延迟作用、裂隙中张开位移及孔隙压力等物理量的分布情况,讨论了渗透率、外部流量的改变对计算结果的影响。     

构造变形对海相页岩储层渗透率演化的影响

与北美不同,中国南方海相页岩层经历了多期构造改造,页岩储层物性受构造变形作用的影响较大。为了研究构造变形对南方海相页岩储层渗透率的影响特征和机理,以雪峰山西侧地区五峰-龙马溪组页岩为研究对象,利用气体脉冲衰减法、压汞法和扫描电子显微镜等手段对不同变形页岩样品的渗透率、孔隙结构及孔隙形貌特征进行了测试分析,探讨构造变形页岩的渗透率演化特征及其对孔隙结构演化的响应机理。测试结果显示,强烈构造变形页岩的渗透性较原生页岩和弱变形页岩的渗透性显著提高,强变形页岩样品的渗透率在0.2 mD和2.69 mD之间,比未变形和弱变形页岩样品的渗透率(在1.5×10-4 mD和1.7×10-3 mD之间)高三个数量级,表明强构造变形作用对页岩渗透率具有显著促进作用;同时,不同有效压力条件下页岩渗透率的演化特征显示,强变形页岩气体渗透率的压力敏感性比原生页岩和弱变形页岩显著降低。构造变形条件下页岩孔隙结构与渗透率相关性的进一步分析认为,强变形页岩的孔隙结构变化特别是大孔和裂隙的发育,是促进其渗透率增加的主要原因。这些研究结果表明,伴随强烈的构造变形,南方海相页岩易形成大孔和微裂隙发育的孔隙结构特征,有助于强变形页岩层渗透性的显著提高。构造变形页岩渗透率的提高有利于地质条件下气体的运移,一方面,将有利于页岩气往构造高点的迁移和富集从而形成游离气型或外源型页岩气甜点;另一方面,也可能导致页岩气在盖层条件不佳和断裂发育区的散失。      

基于微观结构信息的缝洞型孔隙介质等效渗透率的有限差分计算方法

研究了一种融合微观孔隙结构信息的缝洞型孔隙介质渗透率的有限差分高效近似计算方法,它适用于已知孔隙结构储层的等效渗透率计算。首先,基于岩心CT扫描图像或电成像测井电导率图像提取储层的孔隙结构;其次,采用适当尺度的规则网格对能反映孔隙结构的图像进行剖分,用二值法对缝洞孔隙和基质区域分别进行标注与识别;接着,用不同半径的等效内接圆或椭圆近似表示实际的孔隙结构;再次,用圆形管和椭圆形管的流速解析关系近似单元剖分网格的流速;最后,采用有限差分法数值计算某个层段储层的总流量和流速,进而计算该层段的等效渗透率。这里提出的孔隙结构近似表征方法适用于任何复杂孔隙结构,对于缝洞型储层的渗透率计算具有普遍适用性。为了考察文中方法的精度和有效性,对一个具有解析解的简单模型及数个数字岩心进行了渗透率计算,初步验证了文中方法的有效性。诚然,鉴于孔隙结构的剖分对有限差分等效渗透率有较大影响,在微孔发育的低孔隙储层或缝洞发育的复杂孔隙结构储层中需要加密剖分,以较好地近似储层孔隙分布。     

煤层气─固界面作用与吸附模型

按照毛细管模型与单分子层作用模型, 推导了煤层气-固界面作用与煤层渗透性的关系;根据煤层气吸附实验资料, 运用非线性回归方法, 分别按Langmuir吸附理论和BET吸附理论计算了煤层气吸附规律。实例分析表明:煤层气-固界面作用的强弱与煤层介质的渗透率平方根或煤层介质的孔径大小成反比, 它揭示了低渗透煤层气解吸困难、开采难度较大的机理;BET吸附模型比Langmuir吸附模型能更好地描述煤层气的吸附规律。研究结果为煤层气开发工程提供了科学依据。      

孔隙结构参数对地震各类波传播的影响研究

针对地震波在较为复杂的孔隙介质结构体系中波场随结构的微变而发生变化的情况,研究孔隙介质中表征介质结构的几个参数对各类地震波传播的影响作用。首先建立了各向同性弹性孔隙介质模型,并导出了相应的弹性波波动方程,采用高阶交错网格有限差分法进行了正演模拟,同时分析了孔隙度、黏滞性、渗透率3个孔隙结构参数对波场特征的变化影响。该研究有助于加深对地震波在实际复杂介质体系中传播规律的认识。     

扫描电镜对砂岩中粘土矿物的定位观察

砂岩是由骨架颗粒、填隙的碎屑粉砂和粘土、化学胶结物以及相互连结的网状空间或孔隙所组成的。砂岩的孔隙系统使砂岩具有储集和输送流体——地下水、石油、天然气及矿化熔液的能力。这种能力与砂岩中的孔隙发育程度和渗透性有密切的关系。而孔隙发育程度和渗透性受着多方面因素的影响,其中,砂岩的孔隙和喉道中所充填的粘土矿物的成份及数量就是重要的影响因素之一。粘土矿物充填在砂岩孔隙和喉道中,占据了砂岩孔隙和喉道的孔隙空间,起着缩小孔隙度和降低渗透率的作用,对砂岩孔隙的发育和流体的渗