变容压力脉冲法渗透系数测量技术测量范围的实验验证

 针对变容压力脉冲法进行渗透系数测量这一新思路及其测量装置,从实验角度探讨原变容装置在渗透系数测量上的局限性,分析其原因进行改进,并采用改进后的测量装置对多种不同渗透性试件做渗透系数重复性测量实验,进一步验证变容脉冲法及测量装置的有效性和稳定性。通过细微调节变容水箱内气体和液体的体积含量,使之由小到大代表不同量级的容水量值,对同一试件进行渗透系数测量实验,确定水箱容水量的实际变容范围(10－2～102 mL/MPa);并通过测量多种不同渗透性试件的渗透系数,确定变容装置的有效量程(1 μD～1 D)和有效时间(10 s～2.5 h)以及重复性(偏差＜5%)。实验结果显示,改进后的变容水箱性能更加稳定,同时有效验证变容脉冲法实验装置的水箱容水量、测量时间和渗透系数之间的关系符合理论关系。说明要缩短测量时间,只需减小气体体积以获得较小水箱容水量值,可用来测量渗透性较低的材料,避免长时间实验受装置和环境误差影响;反之,要延长测量时间,只需增大气体体积以获得较大水箱容水量值,可用来测量渗透性较高的材料,避免实验太快受操作误差影响。据此,变容脉冲法渗透系数测量装置可实现多种渗透性不同的岩石渗透系数的快速精确测定,亦可有效掌握岩石在多种条件作用下渗透性大幅度变化的规律,具有广阔的室内和工程应用前景。     

变容压力脉冲法渗透系数测量的误差分析

 变容压力脉冲法是一种快速(t50＜2.5 h)、宽幅(10－7～10－1 D,1D = 1×10－3 cm/s)、高精度(偏差＜5%)的渗透系数测量新方法,介绍这种方法的理论特点、装置设计原则和试验操作过程。探讨采用该方法及其装置渗透系数测量的13种误差源,包括装置的、客观的和人为的误差源,总结为6种误差因素。通过采用ANSYS有限元软件中渗流模块瞬态脉冲法模拟分析变容脉冲法渗透系数测量的试验过程,重点分析这6种误差因素对渗透系数测量所造成的误差影响。最后讨论装置设计、制作和实际操作过程中应注意的问题,提出减少误差因素和降低误差影响的方法和应对措施,有助于进一步改进试验装置,优化试验操作,提高试验精度。     

瞬态压力脉冲法及其在岩石三轴试验中的应用

瞬态压力脉冲法(transientpulsetechnique)是几种低渗透系数测量方法中成本低、操作简单和应用最广的一种。介绍了这种方法的原理、理论研究成果以及装置设计的基本原则。分析了由瞬态压力脉冲法、变形测量装置、吸排水量测量装置及三轴压力试验机构成的岩石渗透-变形耦合试验系统。重点指出该试验系统影响测量精度的各种因素及在设计、制作和实际操作中应注意的问题。最后,利用该系统研究了脆延性变形过程中白滨砂岩的渗透系数变化。结果表明,在脆延性转变的非弹性变形过程中,该岩石的孔隙度变化与渗透系数变化表现出负的相关特性。     

CaCl_2作用下PAC改良膨润土滤饼的渗透特性研究

膨润土在盐溶液作用下化学相容性降低,严重影响膨润土系隔离墙的防渗性能。PB为提高膨润土在盐溶液作用下的防渗性能,通过将2%的聚阴离子纤维素(PAC)与钠化膨润土(CB)直接拌合,制备一种聚合物改良膨润土(PB)。基于改进滤失试验测试不同压力下受CaCl_2溶液和蒸馏水作用的PB滤饼渗透系数(分别为kc和kw)。结果表明,随CaCl_2浓度增大,PB试样的滤失液体积和滤饼渗透系数增大,但PB试样滤失液体积始终小于规范限值(25m L)。在试验溶液浓度范围内,PB滤饼渗透系数小于未经改良的CB滤饼渗透系数。相同有效应力作用下,随CaCl_2浓度增大,PB滤饼含水率w降低,导致孔隙比虽减小,PB但渗透系数增大;而有效应力的增长可抵消一部分化学溶液对滤饼渗透系数的影响。当CaCl_2浓度≤60 m M时,PB的kc/kw10,其渗透系数无明显增长,表明采用PAC对膨润土进行改良,可有效提高盐溶液作用下膨润土滤饼的防渗性能。     

开口容器低频晃动下流体动态响应分析

采用流体体积法(VOF)对低频晃动下开口容器内流体动力响应问题进行了数值研究。通过对动态网格模型的时程计算,揭示了流体动态响应规律以及流体同容器间的相互作用特性,建立了不同响应阶段流体运动状况同壁面压力曲线之间的关系,并识别出决定壁面压力曲线形状的两个主要参数:压力幅值与滞后时间。对比不同流体介质分析结果,发现随动力粘度系数的增加,压力幅值减小,而滞后时间增大。     

微生物诱导碳酸钙沉积加固有机质黏土的试验研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,开展了不同胶结液浓度下MICP压力灌浆加固有机质黏土的研究试验。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO_3含量、渗透系数、有机质含量以及灌浆过程中流出液Ca~(2+)与NH_4~+浓度的变化,综合评价了MICP压力灌浆加固有机质黏土的效果。结果表明:MICP压力灌浆加固有机质黏土是有效的,处理后试样有机质含量可降低1%～4%,无侧限抗压强度提高可达370%,渗透系数可降低约1个数量级;在本试验的菌液活性(即每分钟水解尿素的量为9.68毫摩尔每升)及浓度(约108 cell/mL)下,胶结液浓度对处理效果有明显影响,提高0.25M胶结液中的urea浓度,可显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

气液二相流体裂缝渗流规律的模拟实验研究

l引言气液二相流体的渗流问题是石油、天然气开采、地热开发、煤层气开采、煤炭地下气化和环境工程等极其广泛的工程领域普遍存在的问题。气液二相流体的渗流是典型的不溶混流体渗流问题。同时,由于气体为可压缩流体,在渗流过程中,随着渗透压力的变化,其气体表现了剧烈的体积变化,因而也表现了二相流体剧烈的体积变化及其相对饱和度的变化,在孔隙与裂缝中,气液二种不溶混流体表现出相互阻碍制约的复杂渗流形态。可以说是一类极其复杂的渗流问题。由于问题本身的复杂性,致使这一问题在国内外均研究很少,关于二相流体渗流问题的研究…     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

砂岩孔隙弹性特性的试验研究

 简述了Biot 孔隙弹性理论和孔隙弹性参数, 利用“不套封”加压试验、围压下的波速测量及“等质量变容变压”试验, 分别测试了4 块砂岩的骨架材料体积模量、“排水”体积模量和不同压力下的癸烷模量; 复合介质有效模量可用“等效介质理论”计算; Biot 系数静态值大于其动态值, 二者均与孔隙度有关, 并随围压的增大而减小, 建立了Biot系数的预测模型; 岩石孔隙弹性特性在油气识别、地应力计算及破裂压力预测等方面具有重要影响。     

Numerical interpretation of transient permeability test in tight rock

Pulse-decay method has been widely used to estimate the fluid transport properties of low-permeability geomaterials. In this context, radial flow transient pulse test is conducted to measure the water permeability of Cobourg limestone hollow cylinder. The proposed method applies hydraulic pulses to the sealed central cavity and then the cavity pressure dissipates as the fluid migrates into the saturated rock matrix. The influence of entrapped air bubbles within the pressurized cavity is crucial to interpreting permeability from transient pulse test. The modeling results indicate that the air inclusions can significantly increase the fluid compressibility and thus delay the hydraulic pulse decay process, which may lead to the underestimation of the rock permeability.     

煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法研究

 近年来,随着人们对CO2煤层封存、煤层气注气开采等技术关注程度的不断提高,大量学者开始煤岩吸附量、变形以及渗透系数测量方面的研究,并开发大量测试装置和技术。但是,要在一个试样上同时测量吸附量、变形和渗透系数比较困难,目前还没有相关试验方法和试验装置的报道。提出煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法并开发试验装置。采用圆柱形块煤作为试验样品,利用变形传感器测定吸附引起的变形,利用双计量泵测定吸附量和渗透系数。介绍该方法的原理、试验装置及试验流程,并利用该方法和装置进行煤岩对CO2气体的吸附量、变形和渗透系数同时测量试验。试验结果表明,该方法和装置能够同时测量煤岩吸附量、变形和渗透系数,试验效果良好。     

用于岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用

 了观察和度量岩石空隙结构随应力的变化,研制了一种能和微焦X射线CT系统配套使用的三轴仪,该设备轻便,能够施加三轴压力,并在不卸载压力情况下对试样进行CT扫描和渗透系数的测量,且能够实时记录压力和变形等数据。利用研制的CT三轴仪得到了Berea砂岩在加载过程中的一系列CT图像,结合3DMA空隙结构计算方法,获得了Berea砂岩在不同应力状态下的有效孔隙半径分布、有效喉道半径分布以及弯曲度分布等定量细观几何特征。同时采用瞬态脉冲法测量了Berea砂岩不同方向的渗透率随有效围压的变化规律。结合围压对细观空隙结构参数的影响,认为细观空隙结构的变化是导致渗透发生改变的根本原因,当有效围压从零增至15 MPa时,半径40～100 μm的孔隙数量减少、孔喉半径减小以及Z方向的迂曲度增加,这是导致Berea砂岩渗透率随有效围压增大而降低的主要原因。     

岩石峰后非达西流问题的探讨

许多学者从瞬态法测岩石渗透性的压差时间序列计算出渗流速度序列,发现渗流速度与压差梯度不是线性关系,认为岩石峰后存在非达西流。针对该问题,求解了瞬态法中的非稳定渗流问题解析解,发现即使在达西定律适用的情况下,瞬态法中所谓的渗流速度与压差梯度也不是线性关系。另外,利用峰后实测岩石侧向位移与渗透系数的关系、分析峰后渗流雷诺数,说明目前试验中发现的峰后高速非达西流是值得商榷的。但是随着裂隙开度的增大,水力梯度的增加,出现高速非达西流是必然的。     

确定非饱和土渗透特性的一种新方法

用水–气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验,结果表明,一定含水量、不同干密度的土样浸水后,渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律,即具有在起初浸水后的短时间内减小,然后逐渐增大,最后趋于稳定的过程。另外,土的渗水和渗气系数随干密度的增大而降低,且干密度越大,降低的幅度也越大。在高饱和度时增湿路径对非饱和土的渗透系数影响不大,而在低饱和度时增湿路径对渗透系数影响较显著。     

基于回传射线矩阵法框架结构的损伤检测研究

利用回传射线矩阵法,本文对方波脉冲作用下的框架结构进行损伤诊断研究。结构的局部损伤用减小受损单元的横截面面积来模拟。比较了有损伤框架结构与无损伤框架结构脉冲作用点的速度波,分析了损伤位置、损伤程度和损伤区域对脉冲作用点速度波的影响。结果表明,方波脉冲斜向作用时,脉冲作用点轴向速度波曲线可准确判别损伤存在,确定损伤程度、损伤位置和损伤区域,回传射线矩阵法是一种很有潜力的损伤识别方法。     

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。     

Measuring low permeabilities of gas-sands and shales using a pressure transmission technique

Liquid and gas permeability measurements for tight gas-sand and shales were done using a pressure transmission technique in specially designed apparatus in which confining pressure, pore pressure, and temperature are independently controlled. Downstream pressure changes were measured after increasing and maintaining upstream pressure constant. The initial pressure difference changes only after the pressure pulse propagates across the sample. For low permeability samples, the downstream pressure increase is delayed but the measurement senses a greater sample volume. On the other hand, conventional pulse decay techniques provide a more rapid response but are sensitive to local sample permeability heterogeneity. Permeability measured for the rocks studied varies from 1.18×10⁻¹⁵ to 3.95×10⁻²¹ m². The measured permeability anisotropy ratio in gas shale varies from 20% to 31%. The magnitudes of permeability anisotropy remain almost constant, but the absolute permeability values decrease by a factor of 10 with a 29.79 MPa effective pressure. All samples showed a nonlinear reduction in permeability with increasing effective pressure. The rate of reduction is markedly different from sample to sample and with flow direction. This reduction can be described by a cubic k–σ law and explained by preferential flow through microcracks.