基于特低渗砂岩覆压试验渗透率方向性特征分析

由于地质成因的不同,岩石渗透率往往具有不同程度的大小和方向性差异,即呈各向异性的特点。目前,岩石渗透率方向性特征的理论和试验研究仍然不足,缺乏岩石渗透率各向异性量化评估。基于国内CCUS场地储层砂岩,沿正交方向钻取岩芯试件若干,完成瞬态法覆压渗透率测试。试验结果表明,特低渗砂岩正交方向渗透率随围压（上覆岩层压力）加载呈幂律函数递减,当围压加载至20 MPa以后,正交方向渗透率差异性逐步降低,即渗透率由各向异性逐步向各向同性过渡,且储层砂岩竖向渗透率压力敏感系数普遍低于水平侧向。通过建立一种空间坐标系下渗透率计算模型,将岩石内部渗流规律等效为空间正交方向渗透率模型,并借用统计学标准差定义提出渗透率各向异性系数?k,将不同岩性储层岩石渗透率不均匀性作归一化处理,定量地描述了覆压试验过程中试件渗透率各向异性的变化规律。     

镇泾油田低渗透油藏岩石渗透率应力敏感性研究

对镇泾油田低渗透油藏岩石进行了渗透率应力敏感性实验研究,并对其进行了应力敏感性评价。实验是在一定围压下,通过降低和增加内压的方式完成的,共进行了2个围压下的变内压实验。实验结果和应力敏感性评价结果表明,镇泾油田低渗透油藏不存在渗透率强应力敏感性,在原始地层压力条件下,衰竭式开发对地层的渗透率几乎没有影响,注水开发对地层的渗透率会有一定程度的改善。同时,通过对有效应力定律方程的研究,得出渗透率有效应力系数为常数且值很小,这从机理上解释了镇泾油田低渗透油藏岩石的渗透率对应力不敏感的原因。     

泥岩核废料处置库温度-渗流-应力耦合参数敏感性分析

针对比利时HADES地下实验室PRACLAY现场加热试验,应用温度-渗流-应力耦合弹塑性模型,模拟现场加热过程中泥岩核废料处置库的水力学响应特征。采用单因素分析法,就泥岩热、水、力学参数对核废料处置库围岩孔压、温度、有效应力的影响进行了三维有限元分析。并基于参数敏感性分析结果,就温度、渗流、应力三场两两耦合作用对处置库围岩水力学响应的影响程度进行了系统分析。研究结果表明：泥岩热、水、力学参数中,渗透系数、弹性模量以及导热系数对加温所导致的超孔压的值影响较大;凝聚力、内摩擦角以及热膨胀系数对孔压的影响较小,但会显著影响围岩的有效应力;导热系数对围岩温度场的分布有决定性影响,温度传递的差异会显著影响围岩的孔压和有效应力;不同的热、水、力学参数对孔压、温度以及有效应力的影响机制是不同的,温度、渗流、应力三场两两耦合作用对围岩水力学响应的影响程度也存在显著的差异性。温度场对应力场、温度场对渗流场的耦合效应十分显著,加热后,围岩超孔压的产生以及热膨胀导致的有效应力变化会显著影响处置库的稳定。该研究结果在一定程度上可以为核废料处置库泥岩的热、水、力学参数的确定及耦合机制分析提供科学依据。     

煤样三维渗透率应力敏感性试验研究

目前国内三维渗透率测试研究处于起步阶段,利用自主研发的煤样三维渗透率测试仪,可以模拟实现真实三向应力状态下流体通过立方体煤样孔隙的三维渗流,并进行真实三向应力条件下煤样渗透率应力敏感性试验研究。试验结果表明,真实三向应力作用下煤样水平最大主应力对煤样水平方向渗透性的影响程度大于水平最小主应力;煤样三维渗透率对三向应力的敏感程度不同,对垂直应力的敏感性最强,水平最大主应力次之,水平最小主应力最小。     

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。     

复杂岩性储层渗透率-应力敏感性及其对气井产能的影响

采用变流压定围压试验方式,在高温、高压条件下模拟了气藏开发过程,研究了复杂火山岩气藏储层渗透率应力敏感性,对比了变流压定围压与常规的定流压变围压方式评价储层应力敏感性的异同。试验结果表明,火山岩储层渗透率随着孔隙压力的减小而减小,渗透率减小主要发生在孔隙压力从40 MPa下降至25 MPa的变化区间,渗透率损失率与其初始渗透率之间的相关性较差,这与常规沉积砂岩储层具有一定的差别。变流压定围压试验评价的应力敏感性强于定流压变围压评价结果,气藏储层有效应力变化范围内两种试验评价的应力敏感性结果差异更大。基于渗流力学理论,推导得到考虑应力敏感性的气井产能方程。计算结果表明,考虑应力敏感性时气井无阻流量约为不考虑应力敏感性时的63.28%,应力敏感性对气井产能的影响随着生产压差的增大而增大。     

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.     

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。     

深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究

通过将试样等向固结再冻结, 然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法, 获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律. 对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验, 得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果. 结果表明: 在较低的偏应力水平下, 试样只发生前两个阶段的蠕变变形, 且蠕变变形量超过总变形量的70%; 当试样偏应力值高于某一临界值时会出现加速蠕变阶段, 蠕变变形量超过总变形量的80%. 可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述加速蠕变阶段的临界应力.     

构造煤渗透率对温度变化响应规律的试验研究

针对含瓦斯构造煤渗透率与温度变化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化的试验研究。试验结果表明：（1）在试验温度变化过程中,构造煤样渗透率随温度升高而降低,渗透率与温度变化呈现负指数函数分布规律;（2）在试验温度变化过程中,构造煤渗透率损失率与有效应力符合Boltzmann分布,渗透率损失率存在有效应力门槛值大约为4.515 MPa。渗透率变化主要分为渗透率加速变化与平稳变化两个阶段,构造煤样渗透率从加速阶段过渡到平稳变化温度大约为45 ℃;（3）在温度21～80 ℃范围内,渗透率敏感性系数数量级为10-2,温度变化对构造煤样渗透率影响不显著。同时,有效应力的增加使得温度敏感性系数降低。     

考虑自愈合效应的泥岩巷道开挖扰动区渗透性反演分析

泥岩自愈合特性是核废料库选址评价及储库安全稳定性分析的一项重要研究内容。以某泥岩高放废物处置库为研究背景,在室内和现场试验的基础上,采用指数模型建立了巷道围岩渗透性分布模型和裂隙渗透性自愈合模型;结合巷道围岩孔隙水压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的水-力耦合计算模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead算法相结合的有限元优化反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行反演研究。结果表明：反演所得的围岩渗透系数量级与试验值量级均为10-12 m/s,反演孔隙水压力值与实测值比较接近;围岩垂向渗透系数的扰动程度和范围明显大于水平向渗透系数,垂向渗透系数提高了2个数量级,扰动范围约为25 m,渗透性恢复到初始水平时间约需5 a。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度(JRC)的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明:不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低(围压为0～30 kPa)和缓慢降低(围压为30～50 kPa)两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

深层泥页岩井壁失稳机理与预测模型研究进展

深层油气资源开发已成为国家油气发展的重要战略，泥页岩井段井壁失稳是制约深层油气资源安全高效开采的技术“瓶颈”。本文在分析深层泥页岩井壁失稳的力学机理和化学机理基础上，着重论述考虑泥页岩水化作用、弱结构面、各向异性和多场耦合的井壁稳定性预测模型的研究进展和发展趋势。钻井液密度不合理是井壁力学失稳的主要原因，泥页岩水化作用是井壁化学失稳的主要原因；在井壁流-固-化-热四场耦合作用下，考虑弱结构面、各向异性对泥浆安全密度窗口的影响，是目前研究深层泥页岩井壁稳定性的主要趋势和方法。     

煤岩全应力应变过程渗透性特征试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上进行了煤岩全应力-应变过程中的渗透性试验,揭示了煤岩在变形破坏过程中的渗透率变化规律。试验结果表明,应变-渗透率曲线与应力-应变曲线变化趋势基本一致,但表现出相对“滞后”的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关,同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。同其他沉积岩石相比,煤岩微结构及微组分复杂多样,不同煤岩类型其渗透率相差很大。同时,由于煤岩微孔隙裂隙相对较发育,其渗透率受有效围压的影响更明显。     

Simulation of damage–permeability coupling for mortar under dynamic loads

The results reported in this paper deal with the simulation of damage in cohesive geomaterials such as rocks or concrete subjected to dynamic loads. The practical objective is to stimulate the production of tight gas reservoirs with a technique that is an alternative to hydraulic fracturing. The principle is that when subjected to dynamic loads, cohesive materials such as concrete, rocks or ceramics exhibit distributed micro‐cracking as opposed to localised cracking observed under static loads. Hence, a low permeability rock containing gas trapped into occluded pores can be fragmented with the help of dynamic loads, and gas can be extracted in a much more efficient way compared with hydraulic fracturing, where only large macro cracks are formed with very few connections between occluded pores. At the stage of laboratory development of this technique, compressive underwater shock waves have been used to increase the intrinsic permeability of concrete specimens. In a previous study, pressure waves generated by pulsed arc electrohydraulic discharges in water were used in order to induce micro‐cracking and an increase of average permeability of concrete hollow cylinders subjected to confinement stresses (equivalent to geostatic stresses). We discuss here a 3‐D anisotropic constitutive model aimed at describing the dynamic response of these specimens. It is based on rate‐dependent continuum damage constitutive relations. Crack closure effects and damage‐induced anisotropy are included in the model. The directional growth of damage is related to the directional growth of material intrinsic permeability. Numerical simulations of damage induced by shock waves show good agreement with the experiments for various confinement levels of the specimens. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

峰后围压卸载对原煤变形和渗透特性的影响

运用自主研制的煤岩热-流-固耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行峰后轴压保持在不同应力水平下围压的卸载试验,以分析围压卸载对原煤变形特性和渗透特性的影响。研究结果表明：通过径向应变 、轴向应变 和体应变 的不可恢复变形量以及三者在力加载过程中的响应程度来定义损伤变量,满足损伤变量的变化区间[0, 1],并以此计算煤样在卸载过程中的损伤量,得到在峰后轴压 保持不变,对围压 进行卸载时,损伤量D随着 的减小而增大,煤样的损伤程度越来越大;当轴压卸荷到不同应力时,煤样的渗透率随围压卸载次数的增加而增大,表明当 减小时, 对渗透率的影响越来越重要,同时煤样内部的孔隙裂隙以发育、扩展、延伸为主。此外,渗透率k在 卸载初期,几乎不增加;当 继续卸载时, 开始增大,并且斜率越来越大,表明煤样的损伤加剧。当保持 不变,对 进行卸载时,相当于摩尔应力圆半径增大,煤样向破坏的趋势发展,发生二次破坏的可能性增大。随着 的卸载,卸围压前 越大,摩尔应力圆半径越大,煤样的承载能力就越弱,更易发生煤样的二次破坏,表现在煤样的轴向应变 和径向应变 发生突变。     

基于电缆地层测试的储层径向有效渗透率计算新方法

试井方法是求取地层径向有效渗透率最直接有效的方法,但其测试费用较高。提出了基于电缆地层测试结合核磁共振测井获得地层径向有效渗透率的新方法。应用电缆地层测试仪器求取地层纵向有限测试点的有效渗透率水平分量,进而应用各测试点有效渗透率水平分量对核磁共振渗透率进行刻度,计算刻度后的核磁测井渗透率平均值,可获得既能反映测井表现的地层纵向非均质,又能表现电缆地层测试渗透率的有效性。该方法应用于现场测试,与DST (钻柱地层测试)测试结果对比具有较高的计算精度,同时可以节省大量的测试费用。     

岩石（体）渗透性测试的体变量法研究

渗透性测试试验一般采用直接测渗流量的方法,难以对低渗透岩有效测定流量。利用新开发的高压渗透仪,采用“体变量法”进行渗透性测试,该法是通过精确计量渗透出水端水体积的变化量（最小有效测试精度可达0.03 mL）度量岩石（体）渗流量的大小。保持渗透水压差不变,当出水端水体积变化与时间呈线性关系时,即该时段渗透速度保持不变,则该时段试样渗透特性符合达西定律,可利用达西公式对试样渗透性指标进行分析计算。采用这种方式,即使是针对超低渗透性岩石（渗透系数小于10-9 cm/s）,在整个渗透端面形成以后,某一条件下渗透性测试仅需十几分钟甚至几分钟,大大缩短了测试时间,提高了测试精度。试验证明该方法是一种有效的测试方法。