低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

特低渗储层不同渗流介质应力敏感特征及其评价方法研究

 地层岩石的渗透率应力敏感特征对于地下油气资源开发、核废料地下处置等具有极为重要的影响。选取大庆油田外围特低渗油藏及长庆油田某露头储层砂岩岩石进行不同渗流介质(氮气、盐水、煤油)渗透率应力性试验,分析岩样渗透率、孔喉变形、流体压缩性及流固耦合作用机制等因素对应力敏感性的影响。试验结果表明,特低渗储层岩石不同渗流介质渗透率应力敏感性具有明显的差异,气测渗透率与束缚水状态下的油相有效渗透率在有效应力增加初期(2～16 MPa变化区间)急剧减小,但有效应力增加后期水测与油测渗透率仍具有较为明显的减小趋势。1×10－3 μm2是特低渗岩石气测与水测渗透率应力敏感性强弱对比发生变化的临界渗透率。有效应力作用下作为主要渗流通道的较大孔喉首先被压缩变形是导致渗透率在有效应力加载初期急剧减小的主要原因,不同渗流介质压缩性和流固耦合作用机制差异是导致气、液渗透率应力敏感性差异的主要原因。特低渗油藏储层应力敏感性评价中应以油相作为渗流介质进行评价试验。提出区分岩芯与油气储层2种不同的渗透率应力敏感性试验及其评价方法。在实际油藏储层有效应力变化范围内,特低渗储层渗透率应力敏感性较弱。     

低渗透介质渗透性试验研究

在核废料地下处置、能源地下储存和深埋地下工程中,低渗透率岩石的渗透性测试是难点问题.通过研制的低渗透率岩石渗透仪,在氮气形成稳态渗流的条件下,对锦屏大理岩进行渗透特性研究.比较气体渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的渗透率精确解和通过拟压力法得到的渗透率解,表明渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的计算方法在理论上和试验数据处理结果上更为优越.研究结果表明:(1) 低渗透率岩石渗透仪稳定、误差小,可以进行致密岩石的低渗透率测定;(2) Klinkenberg效应对低渗透率岩石的气体渗透影响显著,考虑Klinkenberg效应的数值模拟方法可以很好地模拟气体渗透;(3) 锦屏大理岩的渗透率为10-20 m2左右.     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究

岩石渗流与应力关系研究是进行岩石渗流场与应力场耦合分析的关键。运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行了渗流与应力关系试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石孔隙率公式,在此基础上,分析了岩石应力–应变过程中孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等的变化规律。结果发现:岩石渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关。在初期的压密阶段,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而减小;当岩石的内部出现微裂纹后,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而增大,从宏观应力–应变关系看,从微裂纹出现到宏观破坏出现前,岩石还处于弹性变形阶段;当岩石宏观破坏时,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等达到最大值。同时还发现:在渗透水压力作用下,受压砂岩的微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的45%,而同样干岩样中微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的55%以上,也就是说,渗透水压力使砂岩样的强度损失10%。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

考虑变形影响的致密砂岩油藏非线性渗流特征

致密砂岩油藏水驱渗流特征体现非线性渗流规律,存在启动压力梯度,且水驱过程中多孔介质会产生变形,岩石渗透率降低。通过电镜扫描试验研究致密砂岩纳米级微观孔隙特征,结合岩石颗粒分布特征,建立致密砂岩变形引起应力敏感理论模型,得到岩石介质变形系数,并与试验测试结果进行对比分析;建立考虑致密砂岩岩石变形影响的渗流数学模型,研究启动压力梯度及介质变形共同作用对油、水两相非线性渗流特征影响。算例结果表明,启动压力梯度与介质变形的耦合作用造成水驱渗流阻力增大,地层压降损失增大;介质变形系数越大,相同生产时间内原油采出程度越低,随着生产时间增加,地层压降损失幅度增大。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的＂充填介质＂,采用＂充填模型＂将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为：法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性：局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。     

法向应力和水压力作用下岩石单裂隙水力耦合模型

 为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力共同作用下的非线性本构方程,同时通过裂隙渗流的“立方定理”得到渗流流速与裂隙变形的关系以及裂隙法向应力作用下的水力耦合模型。模型中包含的4个参数均有其物理意义,并且可以通过裂隙力学压缩试验和渗流试验结果确定。与经典的太沙基有效应力原理不同,该模型中Biot有效应力系数是裂隙位移的函数,强调了不同位移状态下水压力作用效果的不同,突出了孔隙水压力与裂隙变形之间的相互影响。最后,针对不同孔隙水压力下裂隙渗流流速随法向应力变化的试验数据,用该模型对试验结果进行预测,初步证实该模型的准确性和适用性。     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

压缩带形成过程中渗透性变化试验研究

 压缩带的形成能够较大地降低岩石渗透性,存在潜在的经济价值。为研究岩石在压缩带形成过程中的渗透性变化特征、卸载围压时渗透性变化、体积应变与渗透性变化的关系,利用风化的高孔隙率岩石进行三轴试验,同时测量渗透性。试验中得到discrete压缩带、高角度剪切带、以及discrete压缩带、diffuse压缩带和高角度剪切带中2种的混合形式。试验中观察到3种不同类型的渗透性变化曲线。渗透性一般随轴向应变的增加而降低,在形成第一个局部化结构过程中渗透性突然大幅度降低。渗透性降低一般在2个数量级以内,大部分在1个量级以内。这比其他2～3个量级渗透性降低的结果小,但与试验中岩石颗粒破碎不严重相符合。在加载的后期,试件体积膨胀,而渗透性降低。因此,可能存在孔隙率增加而渗透性降低的现象。卸载围压过程中渗透性存在不同类型：有的渗透性随围压降低一直增加,而且增加越来越快;有的渗透性随围压降低先降低,而后增加。     

裂隙岩体高压渗透特性研究

随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水-岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。     

杂质盐岩渗透特性试验研究

利用四川大学THMC岩石三轴试验系统,针对中国天然气储库杂质盐岩开展全过程渗透试验研究,并通过试验结果拟合出同时考虑围压、扩容体积应变以及杂质含量的多因素耦合杂质盐岩渗透模型。研究表明:杂质含量、杂质分布及成分对盐岩渗透性均有显著影响,不同杂质含量盐岩损伤恢复后渗透率均有所降低,其塑性变形可分为2个阶段,I阶段渗透率增长迅速,II阶段渗透率增速减缓甚至渗透率下降,盐岩破坏后渗透率明显增大,残余阶段能维持在相对稳定的水平;低渗夹层制约盐岩垂向渗透性,而泥质成分盐岩较钙芒硝质盐岩渗透率更低。由拟合的多因素耦合渗透模型可得到:围压越高渗透率越低,扩容体积应变越大渗透率越高。当杂质含量大于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而增大,当杂质含量小于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而减小。     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。     

基于几何测量法的裂隙岩体渗透性研究

基于某坝址区左岸灌浆平硐裂隙实测结果，建立了裂隙岩体渗透系数张量计算方法，并开发了渗透系数张量计算软件。运用该软件对某坝址区左岸灌浆平硐中裂隙的渗透性进行了计算，计算结果得到了现场的验证，故该软件可以作为压水试验反演分析的补充，可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

流固化学耦合作用下裂隙岩体渗透特性研究进展

从物理试验和数学模型研究两方面介绍和总结了近10多年来渗流–应力–化学溶蚀耦合作用下裂隙岩体渗透特性的研究现状。目前无论是物理试验还是数学模型研究,都还是主要利用宏观均匀化的方法来研究裂隙岩体渗透特性变化规律、及其与各影响因素（如应力、温度、渗透流体酸碱度、溶质浓度等）之间的宏观关系,但这种宏观均匀化方法还存在很多不足：如难以表述由于溶蚀作用岩石孔隙结构的细观变化,也难以表述渗流通道的形成和发展过程等。因此认为进一步深入开展以下3方面的研究将更有利于揭示复杂地质环境下裂隙岩体渗透特性机理：控制和量测技术一流的耦合渗流试验设备的开发以及现代无损探测技术引入（实现细观的实时的观察图像和数据）、数字岩芯技术的开发、建立微观－细观－宏观不同尺度的多物理化学场耦合的数学模型与分析方法。     

低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验及增渗机制研究

 为满足我国核电快速发展对铀资源的大量需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出顺利实施的瓶颈,基于笔者提出的低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗方法,开展低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗初步模型试验和优化模型试验及模型渗透性试验,试验结果表明：爆破后模型渗透率提高2～3个数量级;增渗范围大约为70倍的药包半径;合理的不耦合系数范围为1.5～3.0。此外,根据试验结果,从岩石动态破裂、微差爆破、不耦合装药爆破以及空间补偿和爆生气体驱动作用等方面探讨低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗机制,分析爆破增渗的关键影响因素,为完善低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗理论、技术方案以及现场中试试验和规模应用打下基础。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。