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。     

致密岩石气体渗流滑脱效应试验研究

由于致密结构和低的渗透率,气体在孔隙喉道小的致密岩石中流动会受到滑脱效应的影响。以湖南某试验场地致密砂岩为研究对象,对岩样进行了微观结构的SEM分析,通过一系列围压和孔隙压力作用下的砂岩气体流量和渗透率测试,研究气体在致密岩石中渗流特征,证明了致密砂岩气体流动存在滑脱效应现象,其渗流不符合Darcy定律。分析了孔压对滑脱效应的影响、滑脱效应对气测渗透率的影响以及滑脱因子与绝对渗透率的函数关系。研究结果表明,滑脱效应对气测渗透率的影响随着围压和气体孔隙压力的变化有所不同。同等围压下,孔隙压力越小,滑脱效应越明显,导致气测渗透率大于砂岩绝对渗透率。同等孔压下,当围压达到某一值后,其对滑脱效应的影响有限,同时也说明围压对岩石的压密是有限的。砂岩的平均气体孔隙压力与气测渗透率关系更加符合二次项曲线方程。计算获得的克努森数Kn说明了在相对高的围压和低的孔隙压力条件下,气体渗流过程位于滑脱流和过渡流之间,传统的N-S方程可能不再适用,应用Knudsen扩散方程更加合理,特别是当克努森数Kn比较高时。     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

超临界CO_2驱对储层物性影响的实验研究

分析并研究了储层岩石经过N2、CO2及SC–CO2(超临界CO2)驱替后注入气体对储层物性的影响,并利用X射线衍射及扫描电镜技术对储层岩石进行矿物成分及微观结构分析。实验结果表明,CO2注入储层后能够溶蚀岩石中的矿物成分,使孔隙度变大,渗透率升高;由于溶解快、扩散快的特性,SC–CO2在注入地层时,前期对储层物性的改变十分明显;另外,脱落的黏土矿物发生运移又会堵塞岩石孔隙,导致岩石渗透性变差。通过X射线衍射分析发现CO2所溶蚀的矿物成分为方解石、长石,通过扫描电镜观察岩石溶蚀前后的微观孔隙结构发现,溶蚀后样品疏松,次生孔隙发育充分,连通性变好。     

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。     

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究

应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下(排水和不排水)的三轴压缩试验研究。结果表明:围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。     

基于NMR耦合实时渗流的砂岩渗透特性研究

针对传统宏观孔渗关系难以准确预测储层砂岩渗透特性的问题,采用核磁共振耦合实时渗流系统,从细观角度阐述了渗透过程中砂岩孔隙结构变化规律,定量分析了多尺度孔隙压缩系数对渗透特性的影响,进而提出了一种考虑多尺度孔隙压缩系数的砂岩渗透率计算方法。结果表明：(1)不同应力条件对多尺度孔隙作用机制不同,围压增大导致大孔隙明显闭合,而渗压增大促使小孔隙发育扩展;(2)考虑多尺度孔隙压缩系数的砂岩渗透率计算方法与试验结果拟合更好。     

页岩应力敏感实验研究及影响因素分析

页岩储层渗透率极低,富含黏土矿物,压缩性较致密砂岩储层更大,为进一步研究页岩储层的应力敏感机制,对宁夏六盘山盆地和内蒙古雅布赖盆地三块页岩岩芯进行应力敏感评价实验。结合岩石动力学实验、X射线衍射分析、场发射扫描电镜图像分析和高压压汞实验对页岩岩芯的矿物组分、力学性质及微观孔隙结构进行研究,并分析影响应力敏感的主要因素。研究结果表明,有效应力与渗透率关系满足乘幂式;页岩泥质含量越高,杨氏模量越低,应力敏感系数越大;页岩储层普遍发育的纳米级片状孔隙在有效应力作用下呈现强应力敏感;高压压汞实验表明孔喉半径为10~50 nm的孔隙分布频率较高,当对渗透率起主要贡献的孔隙分布在这一范围内时,应力敏感强,当对渗透率起主要贡献的孔隙为大孔时,应力敏感弱。     

低渗砂岩储层渗透率有效应力定律试验研究

 试验设计多个回路,各个回路的孔隙流体压力不同,每一回路在孔隙流体压力不变,增加和降低围压方式下进行。试验过程中采用稳态法测定不同围压和孔隙流体压力下的岩芯渗透率,并用响应面法对试验结果进行处理分析。结果表明,有效应力系数a 随围压和孔隙流体压力的变化而变化。当围压很大时,试验研究得到的有效应力系数很小,这与过去试验研究的结果差别很大。最后用有效应力系数a = 1.0和本次试验获取的有效应力系数对低渗砂岩岩样进行应力敏感性评价。用有效应力系数a = 1.0评价的结果是储层存在强应力敏感,而用本次试验获取的有效应力系数的评价结果是储层表现为弱应力敏感性。     

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。     

煤岩渗透率对孔隙压力变化响应规律的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同有效围压条件下分别充CH4与CO2气体时原煤的渗透率与孔隙压力之间关系的试验研究,以探讨在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率对孔隙压力变化响应的敏感性。研究结果表明：(1) 在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率随孔隙压力的增加呈幂函数递减趋势,其过程可分为渗透率加速变化阶段和稳定变化阶段;(2) 相同孔隙压力、有效围压条件下,充CH4气体的煤岩渗透率高于充CO2时的煤岩渗透率;(3) 采用渗透率变化率Dp以及孔隙压力敏感性系数Cp评价渗透率对孔隙压力的敏感性,得出孔隙压力小于1.0 MPa时,煤岩渗透率对孔隙压力的响应程度较为显著,并基于Cp推导出煤岩渗透率与孔隙压力的函数关系式。     

黏土配比对人工砂岩渗透率影响规律的实验研究

黏土是影响砂岩渗透率的重要因素,研究不同黏土含量砂岩的渗透规律对工程的安全与效益具有重要意义。由于天然岩样成分复杂,岩性差异较大,为了研究黏土含量在围压加卸载条件下对疏松泥质砂岩气体渗流规律的影响,制作不同黏土(蒙脱石与伊利石)与石英砂配比的人工岩样,采用TOP实验机进行相同应力路径下的围压加卸载气体渗流实验。实验使用氮气作为渗流流体,在渗透压力1 MPa,轴压1 MPa,围压加卸载路径为4,6,8,10,12,15,12,10,8,6,4 MPa的应力条件下,得到不同黏土含量的人工岩样力学性质及渗透率随围压变化的规律。结合达西定律与泊肃叶渗透模型,建立不同黏土含量的人工岩样的渗透率围压关系模型。研究结果表明,所制人工岩样的黏土含量及孔隙度与其初始渗透率满足Boltzmann函数。岩样黏土含量较低时其应力–应变关系表现为线性特征,渗透率与围压满足幂律型关系;黏土含量较高时应力–应变关系表现为非线性特性,渗透率与围压满足负指数型关系。围压的压密作用能够使岩样的应力–应变关系向线性变化,表现为渗透率与围压从负指数关系向幂律关系转化。岩样中黏土含量的增高,使得内部结构强度减弱,在应力作用下更容易产生使渗透率增大的贯通裂隙。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。     

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。     

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。     

喇嘛甸油田葡萄花油层微观孔隙结构及渗流特征研究

本文综合运用扫描电镜、高压压汞以及油水相渗等多项实验技术方法,系统研究了喇嘛甸油田葡萄花油层的物性、微观孔隙结构及其对于渗流特征的影响作用。研究表明：(1)储层岩性主要为(岩屑)长石砂岩,平均孔隙度为33.1%,平均渗透率为2.47μm²,属于特高孔、特高—高渗储层;(2)储层孔隙类型包括原生、次生孔隙,并以次生溶蚀孔隙为主;微观孔隙结构特征表现为良好的分选性、连通性,孔喉半径平均为7.34μm,属于中—粗孔储层;(3)储层渗流能力良好,表现为束缚水、残余油饱和度较低,等渗点含水饱和度较高、油水两相区较为宽阔等特点;(4)相关性分析表明,储层物性、微观孔隙结构对于其渗流能力具有重要的影响作用。研究结果可为油田微观剩余油精细挖潜提供依据。     

低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性影响研究

为了研究低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,在TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统上,设计进行不同围压(5,10,15,20 MPa)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的砂岩三轴卸荷试验。重点分析孔隙水压力对砂岩卸荷强度及变形破坏特征的影响。研究结果表明:(1)随着孔隙水压力的增大,岩样加载阶段的弹性模量逐渐减小,而且围压越小,相同的孔隙水压力增量条件下,弹性模量减小趋势越明显;(2)在卸载过程中,岩样侧向变形的增大速率明显大于轴向变形,而且,孔隙水压力越大,围压越小,侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在卸载过程中,岩样的变形模量呈现先缓后陡的劣化规律,而且围压越小、孔隙水压力越大,变形模量降低幅度越大;(4)随着孔隙水压力的增大,岩样破坏时对应的围压值逐渐增大,黏聚力和内摩擦角降低趋势明显,说明孔隙水压力加速了岩石破坏的进程;(5)水对砂岩矿物颗粒的软化和颗粒间连接的弱化作用,以及孔隙水压力的水楔效应,是导致砂岩卸荷力学特性劣化的根本原因。因此,在涉水工程岩体卸荷变形稳定分析中,孔隙水压力的作用效应不容忽视。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

温度-应力-渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究

为研究红砂岩在不同高温环境下的力学性质与渗流特性,基于Rock Top多场耦合试验仪,展开静水压力条件和三轴压缩条件下的渗流试验。研究结果表明:(1)不同温度下,渗流上、下游的压差、流量及其渗透率增减变化规律与损伤演化趋势整体上具有一致性,渗流状态分为3个阶段。(2)岩样在损伤应力之前,以压缩变形为主,流体反向溢出,渗流过程中断;进入非稳定破裂发展阶段初期,流量陡增,压力急剧降低,渗透率急增出现伪峰值,后又迅速降低,开始缓慢增长,在残余应力之前出现真峰值。(3)不同温度阈值内,热应力对红砂岩的作用不同,其初始、峰值、峰后渗透率和强度随温度的升高呈先增大后减小,在某一温度阈值(100℃～150℃范围)内,岩石内部裂纹发育状态主要受围压作用控制。(4)岩样在不同温度(100℃,50℃,25℃)、不同渗压梯度下的渗透率随围压的变化服从幂函数变化规律,瞬态法反映出渗透率随围压的变化趋势同稳态法一致。(5)相同渗压梯度下,瞬态法渗透率(10~(-19) m~2)比稳态法(10~(-21) m~2)高出2个量级,反映的岩石渗透率随温度与围压变化的规律是一致的。同一围压下,温度越高,两种方法所测渗透率结果相差越大;相同温度下,岩样在不同渗压梯度下的稳态法渗透率属于同一量级。(6)在高静水压力下,渗压梯度对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,静水应力是影响渗透率的重要原因,温度和渗压梯度对渗透率的影响是有限的,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石。