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。     

储层条件下致密砂岩动静态弹性力学参数实验研究

岩石动、静态弹性参数之间存在差异,开展储层条件下岩石动、静态弹性参数实验,确定动、静态弹性参数转换关系,对储层压裂改造有重要的实际意义。利用NER公司的Auto Lab 1500对苏里格气田致密砂岩进行模拟储层条件(包括地层温度、压力)下的岩石力学性质测试。结果表明:(1)同一批岩样,相同测量条件下测量得到的动态杨氏模量大于静态杨氏模量,且动态杨氏模量与静态杨氏模量有较好的线性关系,动态泊松比大于静态泊松比,但无明显相关性。(2)同一块岩芯,纵、横波速度随围压增大而增大,随温度升高而减小;动、静态杨氏模量随压力的增大而增大,动态杨氏模量随温度增大而减小,静态杨氏模量随温度升高而增大;动态泊松比随围压增大而减小,随温度升高略微减小,静态泊松比随围压增大而增大,随温度升高减小明显。对产生这种现象的机制进行分析,并确定在不同温度、压力条件下动、静态弹性参数之间的转换关系,为苏里格地区致密砂岩储层地层条件下岩石力学性质的研究提供了基本参数,对制定油气层的压裂施工方案提供参考依据。     

各向异性岩石的静态模量与动态模量实验研究

页岩具有各向异性,是重要的源岩和盖层岩石,利用实验室测量获得页岩在不同条件下的应力–应变响应和超声波速度响应特性,研究各向异性岩石的静态弹性模量和动态弹性模量的特点。通过不同方向岩芯纵横波速度的测量获得岩石的动态模量,通过加载过程中应力–应变测量获得静态模量。分析各向异性岩石在准静态和动态条件下的波速和弹性模量特征,除了加载频率的差异外,静态测量和动态测量也包含不同的应变幅度差异,研究各向异性岩石的静态和动态地球物理响应特征具有重要的意义。     

岩石弹性模量与弹性波速的关系

根据应力波传播速度,用Hooke介质模型推算岩石的弹性模量,所得数值远大于静态模量。用双组分Hooke介质混合物模型说明了产生这种差异的机理,给出了包含细结构尺度、相界面尺度、相界面状态等的内的波长、弹性模型量与弹性波速的关系式。     

黏土动、静弹性模量相关性试验研究

从实地黏性土的工程特性和动力特性试验入手,通过标准击实试验、抗压试验和波速测定等,并对7个样品的动、静态弹性参数进行测试、分析,研究不同含水率黏土样品的动、静态弹性参数试验和两者之间的转换关系,提出将含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,建立该黏土的动、静态弹性模量和动、静态泊松比之间的转换关系。试验结果表明：（1）动、静态弹性模量和动、静态泊松比与含水率之间存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量随含水率的升高而减小,动、静态泊松比随含水率的增加先增大后减小再增大,而动、静态弹性模量之比随含水率的升高而增大,动、静态泊松比之比随含水率的升高先减小后增大再减小（;2）动、静态弹性模量之比、动、静态泊松比之比与含水率密度之比之间也存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量之比随含水率与密度的比值的增大而增大,动、静态泊松比之比随含水率与密度的比值的增大呈减小趋势;（3）动态弹性模量大于静态弹性模量,动态泊松比小于静态泊松比;（4）含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,具有高的拟合精度;（5）动、静态泊松比随含水率的变化较弹性模量随含水率的变化小,动静泊松比之比随含水率与密度的比值的变化也较动、静态弹性模量随含水率与密度比值的变化小。该项研究为黏土动弹性模量在工程实际中的应用提供了试验依据,且为黏土的动、静弹性模量关系研究提供新的研究方法。     

液体对岩石非线性弹性行为的影响

 通过多种试验方法、多种频段对沉积岩、变质岩、火成岩进行干燥和有液体饱和状态的对比试验研究,得出低频时干燥岩石的衰减、色散小,相对饱和岩石而言可以忽略。饱和岩石具有衰减峰,其特征随饱和液体黏性而变化。在声频时,干燥岩石的应力–历史波形与饱和岩石相比差别较大。饱和液体的黏滞作用引起弥散和阻止卸载的后沿缓波,并随黏性增大而增强,体现了黏弹性材料特有的属性。全程s-e 曲线得到干燥岩石的强度大于饱和岩石,平行层理大于垂直层理的强度,具有各向异性。干燥岩石各向异性很弱,液体促进了饱和岩石各向异性的增强。低饱和度时,模量和波速随饱和度增大而降低;高饱和度时模量又随饱和度增大而增大;中等饱和度时,模量、波速基本不随饱和度变化。用PM模型中微观非经典单元在饱和液体的作用下易于被激活,导致PM空间对角密度增大,非线性增强的变化基本能解释上述试验的结果。液体对岩石非线性弹性行为的这些影响,从长期效应来看将会给重大岩石工程的安全带来隐患,必须引起足够的重视。     

利用波速、密度和体积模量估计微裂隙岩体的渗透率演化

热致裂隙会引起储层岩石渗透率的显著增加,利用弹性波速、密度和弹性模量的改变预测裂隙引起的渗透率的变化。对Westerly花岗岩样进行了250℃、450℃、650℃和850℃的热处理,温度的升高引起了各向同性均布裂隙的长度、隙宽和密度的增加。采用去离子水作为孔隙流体,测试了10、30、50 MPa有效应力下的渗透率。对同一批岩样,在类似的有效应力水平下,渗透率与纵波与横波速度、体密度和静态体积模量有关。裂隙密度的演化采用Kachanov模型计算,随着有效应力的增加,裂隙闭合引起裂隙密度和渗透率的下降,但其他参数增加。热处理引起了渗透率和裂隙密度的系统性增加以及其他参数的减小。对干、饱和条件,渗透率和其他参数之间存在高相关系数经验关系式,并随有效应力而变化。大致来说,可以利用弹性波速、密度和弹性模量来预测各向同性破裂引起的渗透率的改变。然而,仍需要可靠的方法来提高这些用于建模和描述渗透率的实验室测量数据。     

地下洞室连续围岩岩爆定量预测模型

根据能量平衡理论,推导了岩爆能量公式,定量分析了地下洞室连续围岩岩爆区位置、面积及碎块弹射速度的影响因素。研究结果表明,围岩水平应力与竖向应力比值小于1,岩爆区面积和碎块平均弹射速度随侧压力系数增大而减小,否则反之。岩爆区面积随岩体峰值荷载前后模量比率系数、岩石颗粒直径、裂隙密度和岩石断裂韧度增大而减小,随泊松比增大而增大。碎块平均弹射速度随颗粒直径、泊松比和岩体峰值荷载前后模量比率系数的增大而减小,随岩石断裂韧度的增大而增大,随裂纹密度的增加先增加后减小最终趋于稳定值。     

单轴加载条件下不同孔隙砂岩波速变化特征

波速作为岩石与岩体内部性质评价的一项重要指标,受应力与孔隙度的影响极为显著。为研究岩石波速随孔隙度和应力变化规律,开展两类不同孔隙砂岩的单轴加载声波联合测试。试验结果表明：砂岩的力学性质不仅取决于砂岩的孔隙度大小,而且受孔隙尺寸的影响也较为显著;孔隙闭合与裂纹扩展是导致砂岩波速发生变化的主要原因,前者对于波速变化的影响更为显著,后者则主要影响波速随应力的增长速率;不同孔隙砂岩的波速均随应力同步增长,在同一应力水平下,孔隙度越大的砂岩波速越低,波速增量越大;与整个加载阶段相比较,砂岩在孔隙压密阶段的波速随应力增长速率受孔隙度的影响更为显著。     

孔隙压力变化对岩石强度特性的影响

 在油气开采过程中,注采制度的改变必然会引起孔隙压力的波动,进而影响到储层岩石的力学性质。通过三轴抗压实验研究不同孔隙压力下的岩石强度特性及周期性孔隙压力作用下的岩石变形特征,结果表明,围压恒定,随孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都呈现增大趋势,泊松比整体呈下降趋势。对采用降压方式开发的油气藏,随着孔隙压力降低,岩石体积模量增大,体积压缩系数减小,岩石的可压缩性逐渐减弱。孔隙压力周期性加、卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变都将随循环周期逐渐累积,在加、卸载初期变化较大,随循环次数增加逐渐趋于稳定。岩石强度及变形规律随孔隙压力的变化规律表明,油气藏开发初期的压力降落对储层物性的影响和损害大,在储层开发前期若不采取有效措施稳定地层压力,到储层开发后期,再通过注入流体来改变地层的渗透率不会产生明显的效果,而且岩石变形的累计还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生。