基于Tight gas致密砂岩储层渗透率的有效应力特性研究

 Tight gas是一种非传统新型能源,其储层通常为砂岩储层,具有很低的孔隙率(＜10%)和渗透率(＜0.1 mD)。合理确定Tight gas储层岩石的有效应力,了解其储藏动态,为制定和调整开发方案及实施综合治理提供依据。研究表明,针对土提出的有效应力原理对于岩石,特别是储油或储气岩石不再适用。在其基础上,提出改进的有效应力原理,即 ,其中? 称为Biot系数(又称有效应力系数)。因此,如何确定Tight gas 储层岩石的Biot系数,成为合理确定有效应力的关键。在此研究中,通过测定多组不同外部控制压力和孔隙压力下岩石的渗透率,对试验结果用Cross-plotting方法得到Tight gas致密砂岩储层的Biot系数。结果表明：(1) Tight gas 储层砂岩具有低渗透率,其数量级为0.010～0.001 mD,而且相同控制压力下,渗透率与孔隙压力近似成指数函数关系;(2) Biot系数随渗透率的变化而变化,渗透率越小,Biot系数越小,相反,渗透率越大,Biot系数也越大;(3) 试验所取岩样的平均Biot系数分别为0.509和0.612。     

温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理研究

为探讨温度和有效应力,尤其是温度对渗透率的影响机理,在不同温度水平和不同有效应力水平下,分别进行了砂岩的孔隙度试验和渗透率试验。试验结果表明:在温度水平一定的情况下,砂岩岩样的孔隙度和渗透率均随有效应力的增加而减小,但孔隙度的减小幅度大大小于渗透率的减小幅度;而在有效应力水平一定的情况下,当温度升高时,砂岩岩样的渗透率减小幅度很大,但孔隙度的变化却很小。通过对试验结果的分析,初步提出了温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理。就本试验所用砂岩而言,有效应力对渗透率的影响主要在于有效应力对孔隙,尤其是对喉道的压缩作用;而温度对渗透率的影响则主要在于随温度升高而加剧的粘土矿物的分散作用(可能也是更为重要的原因)以及砂岩骨架的热膨胀对喉道的压缩作用。     

低渗透岩石渗透率对有效应力敏感系数的试验研究

低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应,采用FDES–641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行试验和分析以研究低渗透岩石渗透率与有效应力之间的关系。试验结果表明,岩石渗透率随着有效应力的增加而呈现规律性减小。但鉴于影响岩石渗透率的渗流耦合因素很复杂,可以通过定义渗透率对有效应力的敏感系数从而将影响因素进行归一化处理。敏感系数可以反映出岩石渗透率随有效应力的变化趋势。根据试验结果建立敏感系数与有效应力之间的函数关系,从而把求取在不同有效应力下岩石渗透率的值转化为对其敏感系数的确定,并据此推导岩样渗透率与有效应力的函数关系式。     

CO2–水两相条件下砂岩致裂特征与有效应力模型的试验研究

 CO2–水两相条件下的岩石力学行为是CO2地质封存中的关键科学问题之一。利用自主研发的厚壁圆筒式两相致裂仪进行CO2–水两相条件下砂岩压裂试验,并研究CO2–水两相有效应力模型。通过向试样加载内压、围压和轴压形成与井壁围岩类似的最小主应力为负的真三轴应力状态,采用半透隔板法进行CO2驱水试验以精确控制试样孔隙中CO2–水两相流体的组分压力和饱和度,最后通过内压致裂试样获得致裂压力。还进行了不同有效围压下含单相水孔流试样的致裂试验,得到其致裂压与有效围压的拟合函数。为研究CO2–水两相有效应力模型,选用4种可应用于岩石的非饱和介质有效应力公式与拟合函数联立推导得到破裂压力预测模型,与试验结果对比以间接验证这4种有效应力公式对于表征CO2–水两相流体条件下有效应力的适用性。结果表明,考虑Biot系数的Bishop非饱和有效应力模型能够较好地描述CO2–水两相流体下所测试砂岩的张性开裂行为,可直接作为CO2–水两相有效应力模型使用。     

基于损伤力学的煤储层有效应力数学模型

为了准确确定不同煤储层属性在不同围岩应力条件下煤基质部分所受的应力,充分考虑煤储层内部固、液、气三相与孔隙结构耦合作用,构建煤基质所受应力数学模型。考虑煤储层内部物质组成,以球形孔隙结构为基础构建了煤储层几何概念模型,结合弹塑性力学理论得出有效应力系数数学模型;引入损伤力学理论,充分考虑煤岩总应力、孔隙应力损伤演化过程,构建了煤储层基质有效应力数学模型。以樊庄区块煤原始储层参数为例,得出研究区不同储层物性参数对有效应力的影响:有效应力受孔隙度、含气饱和度影响较大,其他条件相同时,随着孔隙度的增加或含气饱和度的增加,煤基质所受应力均呈指数形式减小;受孔隙度影响更为剧烈,与含气饱和度的曲线关系更为明显;孔径分布不同,所受应力也不同,孔隙度相同情况下,随大孔比例增加呈对数形式增加;随含水饱和度增大有效应力呈线性减小。     

不同渗透率储层应力敏感性试验对比

针对低渗油气田开发中存在的应力敏感性损害,选取天然储层岩心,开展不同渗透率储层应力敏感性试验对比研究,建立渗透率与有效应力之间的数学关系。对应力敏感性损害机制进行分析。基于平面径向流渗流理论,计算应力敏感性损害对低渗油田产能的影响。结果表明:随有效应力增加,中、高渗储层属于"缓慢下降"型应力敏感性损害模式,储层损害程度较弱;低渗、超低渗储层则属于"先快后慢"型应力敏感性损害模式,储层损害程度较强;储层孔喉结构特征及其尺寸分布是储层应力敏感性损害的主要控制因素;在油井井壁附近存在"渗透率漏斗",一定程度上影响了油井产能。     

构造应力面研究

所定义的构造应力面的概念为三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面．为此，对似U形沟谷按不同沟谷宽度、山体坡度和山体高度建立三维模型，分别考虑重力、水平侧压力以及二者联合进行三维应力场有限元数值模拟，分析最大水平主压应力在空间的变化规律，并进行数学统计分析，给出构造应力面深度随上述因素变化的经验公式。研究结果表明水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素，当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度之比等于1时，在沟谷谷底，构造应力面深度近似等于山体高度。     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

煤储层等效有效应力系数变化规律实验研究

煤储层进入饱和气体单相流后,储层有效应力系数的变化规律是正确评估储层渗透性的关键。本文采集不同变质程度的煤岩样品,对不同外界荷载和孔隙压力条件下煤储层的等效有效应力系数进行了研究,结果表明：在孔隙压力一定的条件下,外界荷载对煤储层等效有效应力系数具有负效应,随外界荷载加载,煤储层等效有效应力系数减小,且外界荷载越大负作用越强;在外界荷载一定条件下,随孔隙压力增加,煤储层等效有效应力系数增大,孔隙压力对煤储层等效有效应力系数具有正效应;相对于中阶煤和高阶煤储层,低阶煤储层由于孔隙类型多样,孔隙尺度大,储层的等效有效应力系数在外界荷载和孔隙压力耦合作用下影响程度相对较小。由于煤储层等效有效应力系数在不同外界荷载和孔隙压力下差异较大,煤储层进入饱和气体单相流后,在不考虑解吸收缩效应条件下,煤储层的有效应力变化并非等同于储层孔隙压力的变化,而与煤阶类型、地应力高低和孔隙压力大小密切相关,原位高地应力条件下,由于煤储层的等效有效应力系数较小,随孔隙压力降低,煤储层有效应力变化相对微弱。     

不同饱和度砂岩渗透率、孔隙度随应力变化规律研究

 制备含水饱和度为0%～70%的砂岩岩样,利用低渗透岩石气体渗透测试装置,对不同含水饱和度的砂岩岩样进行气渗试验,测量其在不同围压和渗压下的渗透率以及对应围压下的孔隙度,分析和讨论不同含水饱和度低渗透砂岩渗透率、孔隙度与应力三者之间的关系。得到以下结论：含水饱和度低于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率随孔隙压力的增大而减小,含水饱和度高于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率的变化规律相反;气测渗透率与孔隙压力符合指数函数关系;随着含水饱和度的增大,气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性减少,且气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性随着孔隙压力的增大而增大;绝对渗透率、孔隙度与围压均呈指数函数关系;随着含水饱和度的增大,绝对渗透率对围压变化的敏感性增大,对孔隙度变化的敏感性减小,且绝对渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均是随着围压增大而减小;低渗透砂岩的孔隙度与其绝对渗透率的变化成正相关,孔隙度的少量降低即能引起其绝对渗透率的大幅度下降;绝对渗透率与孔隙度成指数函数关系;随着含水饱和度增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性增强,且随着孔隙度的增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性也逐渐增强。     

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%。     

变围压条件下致密砂岩力学性质实验研究

 储层有效应力改变条件下的岩石力学性质认识对气藏高效开发十分重要，但理想的实验方法及结果较少。为研究气藏开发过程有效应力不断增加时致密砂岩力学性质的变化规律，在GCTS–RTR–1000型三轴岩石测试系统上进行了有效应力不断增加条件下三轴压缩变形实验。实验结果表明，随着围压的增加致密砂岩变形模量和泊松比不断增加。与常规恒定净围压下力学实验对比，在同一净围压下，围压不断增加时的变形模量要高于恒定围压下的变形模量、围压不断增加条件下测得的泊松比则较恒定围压下测得的泊松比低。     

温度对砂岩损伤影响试验研究

 以砂岩试件为研究对象,研究该批试件高温前后的均匀性、高温后的超声波传播规律及孔隙率变化规律。通过研究高温后砂岩的超声波速变化、孔隙率变化规律,得到了温度对砂岩损伤的影响规律。结果表明,除温度为200 ℃时,超声波速略有升高外,随着砂岩经历温度的升高,超声波在其内部的传播速度逐渐降低,孔隙率随经历温度的升高而逐渐变大;这两个事实都说明砂岩经历高温后内部产生了损伤。建立了超声波速与损伤因子的关系,并且得到该砂岩随经历温度的升高损伤因子逐渐增大的规律。     

高压油气藏对砂岩力学特性影响的试验研究

 首先采用声波纵、横波测量方法,进行岩样筛选。然后根据高压油气藏地质构造特征,设计模拟高压油气藏内部孔隙压力变化条件下岩石力学特性测试的方案。在GCTS–1000型三轴压缩试验机上进行高温高压三轴岩石力学测试,结果表明：随着砂岩内部孔隙压力增加,外部围压保持不变的条件下,岩石的强度与围压不呈单调上升的变化趋势,而是随着孔隙压力的增加,净围压减小,岩石强度先随净围压减小而逐渐减小,之后则表现出反常的增大现象。在地压梯度为2.20 MPa/(100 m)时,产生最低强度值。随着地压梯度的增大,岩石强度值反而升高,形成一个V形曲线。砂岩的弹性模量为一波浪形曲线,上下波动范围最大差值为2 909 MPa。泊松比的值从低向高;在地压梯度大于2.00 MPa/(100 m)时,泊松比接近0.5。重复试验揭示了岩石三轴强度特性的这一特殊现象。该结果对于高压油气藏、水泥环和套管系统的真三维套管变形与损坏的模拟有着重要的参考价值,而且是必不可少的基础数据。     

红砂岩强度特性的微结构试验研究

为探讨红砂岩强度特性的微观机制,运用自主开发的微细结构光学测试系统,对荷载作用下红砂岩微结构的演化进行全程观测,并测定对应岩样的无侧限抗压强度和提取相应的微结构量化参数.运用多元线性回归分析法对微结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析,筛选出对红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微结构要素,并对荷载作用下显著性微结构要素的演化特性进行分析.研究结果表明:在单轴压缩条件下,红砂岩先结构强化,后结构劣化,直至最终破坏;红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、微孔洞等缺陷的分布情况及矿物颗粒之间的联结状态有关,随着红砂岩风化程度的增强,以上各因素对其单轴抗压强度的影响将更加显著;伴随荷载的增加,红砂岩的矿物颗粒面积比例及欧拉数总体上趋于减小,孔隙向着集中化和集团化的趋势发展,红砂岩抗变形能力逐步丧失.     

温度围压对低渗透砂岩孔隙度和渗透率的影响研究

 对低孔、高孔两组低渗透砂岩岩心孔隙度和渗透率在温度压力共同作用下的变化特征进行试验研究。在围压5 MPa、温度25 ℃的条件下,第一组砂岩的孔隙度变化范围为3.2%～4.6%,渗透率为0.098 8×10－3～0.191 9× 10－3 μm2;第二组砂岩的孔隙度变化范围为12.8%～14.2%,渗透率为0.176 7×10－3～0.301 3×10－3 μm2。研究结果表明,在试验采用的温度、压力变化范围(25 ℃～80 ℃,5～55 MPa)内,两组低渗透砂岩的孔隙度、渗透率都表现出了较强的压力、温度敏感性。随温度、围压升高,孔隙度、渗透率都减小,围压对渗透率的影响明显高于温度对渗透率的影响。总的趋势看,温度对孔隙度的影响高于围压对孔隙度的影响,恒定测量围压5 MPa,温度由25 ℃升高到80 ℃,低孔低渗砂岩孔隙度下降了34.7%,渗透率下降了75.1%;高孔低渗砂岩孔隙度降低了18.4%,渗透率下降了35.2%;恒定测量温度25 ℃,围压由5 MPa升高到55 MPa,低孔低渗砂岩孔隙度降低32.3%,渗透率下降了89.5%,高孔低渗砂岩孔隙度降低了4.6%、渗透率降低了77.4%。     

破裂砂岩蠕变试验研究

 为了认识破裂砂岩蠕变特征,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿T3xj6砂岩进行一系列加载水平的峰后蠕变试验,并用改进的西原模型描述破裂(峰后)砂岩蠕变全过程。试验结果表明,破裂砂岩失稳蠕变过程与煤岩一般的蠕变规律相似;破裂砂岩也存在长期强度,其值可根据岩石加载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得出;破裂砂岩蠕变全过程可用改进的西原模型描述,对加载应力大于Sh(破裂砂岩的长期强度)的情况,模型的参数可用最小二乘法求得;影响破裂砂岩蠕变成功进行的因素是岩样的均质性、加载控制和岩样移送三轴压力室前密封的可靠性。研究结论对揭示地下工程灾害发生的时滞性、确定掘进巷道围岩支护参数等有重要的参考意义。     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。