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。     

煤层气开采初期井底压力的合理控制范围研究

 合理的井底压力与煤岩力学特性及井周应力分布密切相关,而井周应力分布与井周是否产生提高绝对渗透率的贯通裂隙均有相互依赖的关系。首先,根据韩城煤岩的室内试验结果,分析煤岩不同应力状态与绝对渗透率的关系和变化规律;然后,基于弹塑性理论,通过考虑储层井周存在裂隙区时的弹塑性应力分析,建立井周应力与井底压力之间关系的数学模型,探讨确定保持或稳定提高绝对渗透性的合理井底压力范围,并将其应用于韩城煤层气井的排采数据分析。通过研究发现,在既定煤层气工程条件下,控制合理的井底压力可使煤储层绝对渗透率随煤层气的开采而逐渐增大,进而提高产能。     

超低渗透裂缝介质储层应力敏感性定量研究

为量化表征微裂缝对超低渗透储层应力敏感特征的影响,通过引入单一裂缝介质渗透率应力敏感的数学理论模型,从裂缝介质变形的机制上定量分析裂缝性低渗透储层的应力敏感特征;然后采用巴西试验制备的拉张应力微裂缝岩芯,实施微裂缝岩芯应力敏感性试验,进行应力敏感性评价;最后对比模型计算的理论曲线与试验数据。结果表明:(1)理论模型定量解释了裂缝介质的应力敏感特征及其与微裂缝含量、表面粗糙程度等的关系。理论模型的应力敏感曲线具有裂缝储层的应力敏感特征;(2)制备的微裂缝岩芯能够近似地模拟微裂缝介质储层的真实情况,能够用于微裂缝岩芯应力敏感试验;(3)对岩石进行应力敏感性评价时,应以地层压力条件下的渗透率为初值,否则会夸大岩石的应力敏感性;微裂缝岩芯渗透率应力敏感滞后程度不明显,应力卸载后渗透率恢复程度高,不存在强的应力敏感性;(4)理论曲线与试验数据具有很好的一致性,说明理论模型能够比较准确的定量揭示裂缝储层的应力敏感特征。     

天然裂缝性储层压裂液滤失研究

裂缝性储层压裂液滤失对裂缝的几何尺寸、支撑剂的分布都有较大的影响。现有裂缝性储层压裂液滤失模型都对天然裂缝进行了简化处理,认为天然裂缝对基质均匀切割,这与实际不符,不能准确反映裂缝分布的非均质性对压裂液滤失的影响。基于储层裂缝统计资料,应用概率统计、随机理论、Monte–Carlo等方法,建立储层二维离散裂缝网络模型,并借助等效渗透率张量原理将裂缝性介质转化为均质各向异性连续介质,建立了基于渗透率张量的裂缝性储层压裂液滤失数学模型。计算结果表明,天然裂缝分布及其与水力裂缝的位置关系的不同使得沿裂缝长度方向,滤失速度变化较大,若天然裂缝与水力裂缝连通,则压裂液滤失主要发生在连通处,文中模拟了天然裂缝和人工裂缝存在三处连通的情况,这三处的滤失量占裂缝总滤失量的45%以上,建议对天然裂缝进行封堵。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论及应用

本文在总结前人已有成果的基础上,在裂缝性低渗透油藏流-固耦合研究方面完成了以下工作: (1)通过大量的岩芯实验,研究发现低渗透岩石渗流时存在明显的流-固耦合效应,并通过理论分析对该现象做以解释。 (2)建立裂缝性低渗透油藏渗流场和岩土变形场的等效连续介质模型。推导出考虑裂缝影响情况下,渗流场和岩土变形场参数的等效处理方法。利用等效连续介质渗流模型研究了不同裂缝形态对水驱油效果的影响。 (3)研究了地应力和孔隙压力对裂缝开度及渗透率的影响,得出裂缝性低渗透油藏渗流场与岩土变形场之间的耦合关系式。 (4)利用断裂力学的知识,研究了注水过程中,储层裂缝扩展的动力学机理,给出考虑裂缝扩展情况下的渗透率演化方程,并结合流-固耦合模型给出数值模拟的方法。 (5)利用有限元和有限差分方法,给出了裂缝性低渗透油藏流固耦合模型的计算方法,并编制了相应的数值模拟软件。 (6)探讨了本文理论在工程上的应用。 论文利用所编制的油藏流团耦合计算软件,对大庆油田卯六区块开发过程中孔隙度、渗透率演化及耦合效应对开发过程的影响进行了数值模拟;结合断裂力学知识,给出了开发过程中裂缝扩展的数值计算方法,并对一简单情况下裂纹扩展情况进行了数值计算;最后,通过解析分析的方法,对渗流作用井壁力学     

两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。     

盐岩的渗透特性研究

针对盐岩的低渗透特性,提出了在渗透率低于10-22m2和高于10-22m2两种情况所采用的计算理论,即可以利用岩石扩散与对流-扩散理论和达西理论来研究其渗透特性,并给出了试验室测试盐岩渗透率的计算公式。通过盐岩的渗透试验:①研究了损伤对盐岩渗透率的影响,并指出当盐岩所处的应力状态没有超出盐岩的损伤临界值时,盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率,当盐岩发生损伤后,其渗透率明显增加;②同时也研究了围压对盐岩渗透率的影响。结果表明,在其它条件相同的情况下,作用在盐岩上的围压越高,盐岩的渗透率越低,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。     

裂缝性低渗透油藏开发方案研究

裂缝性低渗透油藏在我国石油工业中占有十分重要的地位,如何实现这类油藏的经济、高效开发是石油部门的重要课题.根据裂缝性低渗透的渗流特征和裂缝分布特点,建立了裂缝性低渗透油藏渗流等效连续介质模型,编制了相应的裂缝性低渗透油藏数值模拟软件.利用该软件对两井油田让11区块进行了模拟,分析了不同注采方式、不同井距下的各方案的驱油效果和经济评价指标,优选出适合于该模拟区块的开发方案.计算结果表明,矩形井网最适合低渗透油藏,且井距取250 m时各项经济指标最优.可为裂缝性低渗透油藏开发方案的优化提供参考.     

裂缝性碳酸盐岩储层体积酸压技术精细化研究

紧密围绕如何实现裂缝性碳酸盐岩储层高产、稳产的系列难题,以储层改造对象精细化研究为切入点,通过压汞实验、核磁共振实验以及电镜扫描实验,明确了储层的储集空间和渗流通道,通过岩石力学实验认识了储层可压裂性。以储层特征为基础,提出了针对脆性较强、裂缝发育段"先疏后堵、主缝沟通、支缝补充"的体积酸压改造模式,结合"大排量、大液量及高低黏酸液组合"的改造工艺,研究成果在大牛地气田X井进行了现场试验,压后试气产量达到5.2×104 m3/d,是周围直井的10倍以上,这为同类型储层体积酸压改造提供了很好的借鉴思路。     

渗透诱发固结中超孔隙水压力的变化规律试验研究

以Gibson一维大变形固结理论为基础,对建立的拉格朗日坐标系表示的以超孔隙水压力为控制变量的大变形渗压固结微分方程进行论述。首先推导出有限应变渗压固结理论模型;进而通过渗透诱发固结试验确定理论模型中的待定参数;在此基础上,采用精细积分数值方法得到了超孔隙水压力沿土层相对深度的变化规律以及固结程度的时空变化规律,为软基加固和工程设计提供了科学依据。     

井筒压力波动条件下钻井液侵入煤岩实验研究

在煤层气储层钻井过程中,井筒压力波动容易使钻井液侵入煤岩裂缝造成储层渗透率伤害。通过室内岩芯流动实验,分别测定了井筒压力稳定和井筒压力波动条件下,不同钻井液向煤岩裂缝中的侵入量和侵入速率,认为井筒压力波动条件下的钻井液侵入量大于井筒压力稳定条件下的钻井液侵入量,且清水钻井液侵入量最大,泡沫钻井液侵入量最小。     

温度与孔隙压力耦合作用下煤岩吸附–渗透率模型研究

为模拟瓦斯抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩吸附及渗透特性的影响,利用等温吸附装置、含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展等温吸附试验及不同温度下孔隙压力降低的渗流试验。建立修正的双L吸附模型和考虑温度–孔隙压力耦合作用的煤岩渗透率模型。通过试验结果及试验比对验证其合理性。结果表明:在本文试验条件下,煤岩瓦斯累积解吸量随瓦斯压力降低呈逐渐升高趋势。当温度恒定时,煤岩渗透率在降压过程中呈先降低后升高的趋势。当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率在升温过程中呈先降低后升高的趋势。修正后的双L吸附模型比原吸附模型拟合效果更好,能很好反映不同温度下煤岩吸附量与气体压力的变化关系。煤岩瓦斯解吸过程中产生的基质收缩应变随孔隙压力降低而升高。新建渗透率模型与试验数据具有较好的一致性,可以更好的表征不同温度条件下的煤岩渗透率演化规律。     

有效应力对煤样变形和渗透性的影响研究

 为了研究渗透率随有效应力的变化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,在外部应力不变、降低进口气体压力,外部应力、进气口压力同步降低2种实验条件下,观测了赵各庄煤矿9号煤层样品的应变和气相(氦气)渗透率,研究有效应力对煤样变形和渗透性的影响。实验结果显示,随着有效应力升高,煤样的收缩应变加剧,有效应力为5.2～6.5 MPa,收缩体积应变与有效应力之间符合线性关系,有效应力大于6.5 MPa或小于5.2 MPa,应力–应变曲线发生偏折,部分煤样出现扩容现象;气体渗流速度随进口气体压力的降低而降低;升高或降低有效应力,煤样渗透率均随着进口气体压力的降低而增大。由此可见研究有效应力变化条件下的渗透率变化特征,应适当考虑气体滑脱效应的影响。     

基于微元法的低渗透储层定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型

为明确低渗透非常规油气储层定向射孔转向压裂改造过程中裂缝扩展轨迹及其偏转距离的变化规律,综合考虑水平地应力差、射孔参数、注液参数、地层力学参数等因素对水力裂缝偏转扩展的影响,建立基于微元法的定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型(MEM模型)。该模型通过VisualBasic语言编制的迭代运算程序完成缝尖微小步长增量与偏转角之间的循环迭代计算,实现对转向裂缝动态扩展过程的模拟。通过比较MEM模型计算的裂缝扩展轨迹与现场压裂微地震监测结果、XFEM模型计算结果及室内压裂试验结果之间的差异,验证MEM模型的准确性。以临兴区块石盒子组致密砂岩储层为例,研究各因素对裂缝扩展轨迹及其偏转距离的影响规律与机制。研究结果表明:不同因素下裂缝扩展轨迹的变化趋势基本一致,裂缝从射孔端起裂后逐渐向水平最大地应力方向偏转,偏转幅度先增大后减小;裂缝偏转距离随水平地应力差的增加呈负对数规律减小,随射孔方位角、注液速率及压裂液黏度的增加呈线性规律增大;射孔长度对裂缝偏转距离几乎没有影响。该模型和结论对进一步认识定向射孔转向压裂过程具有重要意义。     

降低滑坡地下水位的充气截排水法最佳充气压力研究

 充气截排水技术拟在潜在滑坡后缘或长边坡坡体上进行充气,在后缘来水路径上形成非饱和区,截断后缘汇水或减少后缘水流向坡体内的入渗,从而降低坡体内的地下水位,提高边坡的稳定性。为了探讨充气气压对充气截排水效果的影响,通过二维数值模型对不同气压下坡体水位变化进行分析,并通过物理模型试验对数值模拟结果进行验证,得出如下结论：在坡体中充气能显著降低坡体地下水位,截流减渗效果明显;对于特定坡体,存在与之对应的截排水起始充气压力和最佳充气压力;只有当充气压力大于截排水起始充气压力时,充气截排水才有效果,坡体前缘水位才会下降;当充气压力介于起始充气压力和最佳充气压力之间时,随着气压的增大,坡体前缘水位不断降低,充气截排水效果随气压增大而增大;当充气压力大于最佳充气压力时,充气截排水效果随气压增大而减小。     

Multi-physics numerical analyses for predicting the alterations in permeability and reactive transport behavior within single rock fractures depending on temperature,stress, and fluid pH conditions

The aim of the current study was to establish a validated numerical model for addressing the changes in permeability and reactive transport behavior within rock fractures based on the fluid pH under coupled thermal-hydraulic-mechanical-chemical (THMC) conditions. Firstly, a multi-physics reactive transport model was proposed, considering the geochemical reactions that depend on the temperature, stress, and fluid chemistry conditions (e.g., fluid pH and solute concentrations), as well as the changes in permeability in the rock fractures driven by these reactions, after which the correctness of the model implementation was verified by solving the 1D reactive transport problem as a fundamental benchmark. Secondly, the validity of the model against actual rock fractures was investigated by utilizing the model to replicate the measurements of the evolving permeability and the effluent element concentrations in single granite fractures obtained by means of two flow-through experiments using deionized water (pH ～ 6) and a NaOH aqueous solution (pH ～ 11) as permeants under stressed, temperature-elevated conditions. The model predictions efficiently followed the changes in fracture permeability over time measured by both experiments. Additionally, the observed difference in the changing rates, which may contribute to the difference in the fluid pH between the two experiments, was also captured exactly by the predictions. Moreover, in terms of the effluent element concentrations, among all the elements targeted for measurement, the concentrations of most elements were replicated by the model within one order of discrepancy. Overall, it can be concluded that the developed model should be valid for estimating the changes in permeability and reactive transport behavior within rock fractures induced by geochemical reactions which depend on the fluid pH under coupled THMC conditions.     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。