岩石破坏过程中渗流-损伤关系的认识——兼对唐红侠博士提问的答复

作者发表于《岩石力学与工程学报》2004年第5期上的一篇文章“非均质岩石破裂过程渗透率演化规律研究”，引起了河海大学唐红侠博士的兴趣和质疑。唐红侠博士在关于“非均质岩石破裂过程渗透率演化规律研究”的探讨一文中，     

硬岩介质中洞室渗水的随机数值模拟

以岩石的绝对渗透率符合对数正态分布,及其协方差函数为离散指数型的假设为基础,建立了硬岩介质中圆形洞室渗水的二维随机模型。采用Karhunen-Loeve展开、随机摄动法对随机偏微分方程进行求解,并用蒙特卡罗法对计算结果进行了验证,进一步说明该方法的正确性及高效性。计算结果说明:(1)岩石非均质性对洞室壁左上方与右上方两点的水饱和度标准差影响最大;(2)渗透率均值与水饱和度均值及标准差反相关;渗透率对数标准差与水饱和度标准差正相关,与水饱和度均值不相关。     

岩石全应力应变过程对应的渗透率－应变方程

本文得到的试验结果证实岩石的渗透系数或渗透率在全应力应变过程中是应力应变的函数，并拟合出岩石的渗透率－应变方程。该方程用在应力场－渗流场耦合的数值分析中，能使计算结果更符合工程实际。     

岩石全应力应变过程对应的渗透率－应变方程

本文得到的试验结果证实岩石的渗透系数或渗透率在全应力应变过程中是应力应变的函数，并拟合出岩石的渗透率－应变方程。该方程用在应力场－渗流场耦合的数值分析中，能使计算结果更符合工程实际。     

分形维数定量表征煤岩储层非均质性

针对传统方法难以定量描述煤岩储层非均质性的问题,提出了一种新的适用于煤岩的毛管压力模型,来评价煤岩储层的非均质性。该模型基于分形理论,引入孔隙分布指数,并考虑迂曲度参数的影响,通过恒速压汞法测量某煤矿的煤岩岩心的孔隙度、渗透率,得到毛管压力曲线,对毛管压力曲线进行拟合得到分形维数;利用孔隙大小分布曲线,分析并验证计算得到的分形维数,与其他几种常用的计算分形维数的方法相比,该方法更精确可靠。最后定量分析分形维数与非均质性的关系及分形维数与煤岩的孔隙喉道,以及孔隙度和渗透率的关系,结果表明,该方法可以定量评价煤岩储层的非均质性。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

考虑含缺陷岩石的声发射数值模拟研究

岩石为非均质材料,内部由不同强度的颗粒组成。研究表明,不同均质性岩石材料在单轴压缩过程的声发射表现出不同的特征,深入研究这些特征对预测岩石破裂有重要的作用。通过编制Fish函数实现随机赋予模型缺陷材料和声发射事件数记录,并内嵌到FLAC3D中模拟均质材料和不同随机缺陷单元数的单轴压缩声发射现象,探讨均质模型和含缺陷模型的声发射差异,以及缺陷数对声发射的影响,研究结果对分析岩石声发射特征具有重要意义。     

DNAPLs在低渗透性夹层影响下的迁移和分布特征研究

重非水相流体(DNAPL)在地下介质中的运移分布受多种因素影响,包括DNAPLs的物化性质、泄漏速率、地下水流速、介质非均质性等。本文基于T2VOC程序对DNAPLs在非均质地层(含低渗透性夹层)中的迁移和分布特征进行了数值模拟,分别采用三相毛管压力函数Parker模型和二相毛管压力函数van Genuchten模型,研究了夹层的饱和渗透率、地下水流速对DNAPLs运移和分布的影响。研究表明,地下水流速的增大显著促进了DNAPLs的水平和垂向运移;相同流速情况下,非均质层(低渗透性夹层)饱和渗透率的减小使得DNAPLs污染羽形态及空间路径出现了明显蓄积和绕流。模拟结果可为DNAPLs污染场地识别与修复提供了理论基础与技术支持,便于进一步研究其在地下饱和非均质介质中的运移。     

裂隙岩体渗透系数张量的反演分析

视岩体为非均质各向异性渗透体，以渗流场中测点水头及流量的计算值与实测值的最佳拟合为准则，把反演岩体渗透系数张量等参数的反问题归结成一个数学优化问题。为了确保反演计算的顺利进行，对极小化目标函数设置惩罚性附加项，在计算机上自动求得岩体工程中三维复杂渗流场反问题的解。最后介绍一个复杂工程实例的求解。     

非稳态相渗实验数据的处理方法

通过公式推导与转换对比了JBN方法和Jones的图解法,得出二者本质的区别是选取的岩芯基准渗透率不同。同时认为,在相对渗透率曲线的计算中,束缚水下的油相渗透率对于两相的渗流能力更具有参照性,更适合作为岩芯的基准渗透率。在对平均含水饱和度和注入倍数的拟合中,对比了多项式、对数和指数函数。结果表明:对数函数和指数函数通过分段拟合后可以达到高拟合精度,并且计算出的含油率更为合理。同时提出了针对驱替数据特点的两段式分段拟合法。对于1/Qi～1/(IQi)拟合,不同的拟合函数计算出的油相相对渗透率较为接近,但水相相对渗透率差别很大。对比线性、多项式和乘幂函数拟合,乘幂函数拟合的计算结果最为合理。     

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。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

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。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

多期次应力变化对砂岩渗透率和孔隙结构影响的

The variations of reservoir stress caused by the multi-stage and discontinuous nature of the process in the CO₂ geological storage, leading to the change of permeability and pore structure of the rock, have a direct impact on CO₂ injection and storage. Through laboratory experiments, variations in the permeability of sandstone in the Liujiagou formation of the Ordos CCS (CO₂ capture and storage) demonstration project are analyzed under cyclic variations in injection pressure and confining pressure and multi-stage loading and unloading. In addition, the variations in the micro-pore structure are analyzed based on micro-pore structure tests. The main conclusions are as follows: (1) Both the confining pressure and the injection pressure have a significant effect on the permeability of the reservoir rock. And the influence degree can reach 30% and 80%, respectively. The relative permeability changes with pressure, and it between the loading and unloading stages is higher at low pressures than at high pressures. (2) Mathematical models of permeability as a function of confining pressure and injection pressure are constructed. The mathematical models representing different cyclical processes are quite different. (3) The effects of the interval between the experiments on permeability changes are different for different pressure modes. The rock permeability can recover better under the injection pressure variation than confining pressure variation. (4) The variations during multiple stress cycles have a significant effect on the micropore structure. The increase in micropores with mesopores at small widths and the decrease of macropores result in a decrease in the permeability of the rock samples.     

孔隙率的应力-剪胀依存性对CO_2地层注入热-气-应力耦合影响的数值分析

在所建立的热–气–应力耦合弹塑性模型中,引入已有的经验关系式,将岩体的孔隙率和渗透性作为平均有效应力和剪胀体积应变的函数,并编制相应的二维有限元计算程序。以一个假定的由注入层和冠石层组成的地质结构为考察对象,就岩体不同孔隙率和渗透系数的3种工况,在CO2注入过程中,对岩体中的热–气–应力耦合现象进行数值模拟。计算结果表明:在相同的注入速率和时间内,3种工况所对应地层的孔隙率、孔隙气体压力、岩体位移、应力状态和受拉、剪切破坏范围均有明显不同。因此,将岩体的孔隙率和渗透性作为应力的函数、特别是计入剪胀体积应变的影响,应该更为接近实际情况。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

石灰岩围岩渗透性演化分析

石灰岩的原生渗透性很小，其良好的渗透性主要由其次生渗透性决定，地下水对石灰岩裂隙的化学改造会使其渗透性发生演化。岩溶隧道开挖和排水后，地下水的渗透与交替速度获得空前的提高，通过低阶水．岩相互作用而达到较高浓度的地下水会被迅速排走并获得低浓度水不断的补给，主径流排水区内的化学改造作用将以低阶快速反应为主，使溶蚀作用可能大大加快并产生具有工程意义的渗透性演化。采用平行板模型和化学动力学中简化的PWP方程建立石灰岩渗透性演化的数学模型，推导出了岩溶隧道排水条件下石灰岩渗透张量的演化方程，给出了渗透性的演化分析，可用于隧道长期涌(排)水量预测、水库长期渗漏量计算、隧道排水对地质环境影响评价以及工程耐久性、使用寿命评估等工程领域。     

Fault controlled geochemical properties in Lahendong geothermal reservoir Indonesia

Rock and fluid geochemical data from Lahendong, Indonesia, were analyzed to evaluate the influence of fault zones on reservoir properties. It was found that these properties depend on fault-permeability controlled fluid flow.Results from measurements of spring and well water as well as rocks and their hydraulic properties were combined with hydrochemical numerical modeling. The models show that the geothermal field consists of two geochemically distinct reservoir sections. One section is characterized by acidic water, considerable gas discharge and high geothermal-power productivity—all related to increased fault zone permeability. The other section is characterized by neutral water and lower productivity.Increased fluid flow in the highly fractured and permeable areas enhances chemical reaction rates. This results in strong alteration of their surrounding rocks. Numerical models of reactions between water and rock at Lahendong indicate the main alteration products are clay minerals. A geochemical conceptual model illustrates the relation between geochemistry and permeability and their distribution within the area.Our conceptual model illustrates the relation between geochemistry and fault-zone permeability within the Lahendong area. Further mapping of fault-related permeability would support sustainable energy exploitation by avoiding low-productive wells or the production of highly corroding waters, both there and elsewhere in the world.