吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响

注CO2或者CO2/N2混合气强化煤层气开采以及进行CO2封存时,气体的吸附/解吸会影响煤岩的渗透特性。采用自行研制的煤岩三轴渗流装置进行恒定有效应力、不同气体压力条件下,煤岩吸附纯CO2,CH4,N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究,以探讨煤岩在气体压力以及吸附作用下渗透特性的变化规律。结果表明:(1)气体组分固定的条件下,煤样渗透率随气体压力的增加呈负指数减小。(2)相同气体压力条件下,煤样吸附气体后渗透率都有不同程度的下降,且下降幅度跟吸附气体的组分有关,吸附纯CO2下降的幅度最大,吸附CH4次之,吸附N2最小;吸附CO2/N2混合气时,其中CO2组分浓度越高,煤样渗透率越低,但当N2量达到一定比例时,煤样渗透率会得到改善。(3)气体压力加卸载过程得到的煤岩渗透率–气体压力关系曲线存在滞后现象,这与气体在煤岩中的吸附/解吸曲线滞后有关,因此煤岩渗透率跟压力路径有关。试验结果对于煤矿瓦斯抽采以及CO2或烟道气注入煤层后的储层渗透率的预测与控制具有重要指导意义。     

低渗透裂缝性煤层气储层压力敏感性研究

近年来,随着煤层气开采技术的进一步发展,国内煤层气开发已具有一定规模。由于煤层气储层具有低渗透裂缝性的特征,压力敏感性强,导致钻井过程中容易造成储层损害。因此,开展低渗透裂缝性煤层气储层的压力敏感性研究具有重要的意义。结合山西沁水盆地某区块的煤心,分别开展了煤岩受围压和孔隙压力条件下的压力敏感性实验研究,分析了煤岩渗透率随围压和孔隙压力的变化规律,探讨了孔隙压力和裂缝宽度的内在联系,认为围压增大和孔隙压力降低都会导致煤岩裂缝宽度变小,造成煤层气储层渗透率降低。     

多期次应力变化对砂岩渗透率和孔隙结构影响的试验研究

二氧化碳地质储存注入过程的多期次、间断性引起储层应力反复变化,导致储层渗透率和孔隙结构改变,影响CO2的注入和储存。通过试验研究了鄂尔多斯CCS示范工程刘家沟组砂岩储层渗透率在围压和注入压多期次循环加、卸载条件下的变化规律,并分析了试验前后岩石微观孔隙结构特征变化。结果表明:(1)围压和注入压的多期次循环变化对岩石渗透率影响显著,且渗透率在低压区相对变化幅度和变化率均大于高压区;(2)分别构建了岩样渗透率随围压和注入压变化的数学模型,不同循环过程的数学模型相差较大;(3)在不同的应力作用方式下,间断期对渗透率变化影响程度不同。相比于变围压条件,变注入压条件下的渗透率在间断期可以更好的恢复;(4)多次应力循环变化对岩石的微观孔隙结构具有显著影响,微孔及孔径较小的中孔的增加和大孔的减少导致岩样的渗透能力明显下降。在CO2地质储存工程的储存潜力评价和CO2运移演化预测中应对岩石渗透率和孔隙结构受应力变化的影响给予重视。     

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。     

不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究

 利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。研究结果表明：从力学的角度来看,卸围压开始后煤岩会经历一个应力平台阶段,然后发生失稳破坏。卸围压速度越大,煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。卸围压开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速度呈幂函数关系。从瓦斯渗流的角度来看,煤岩的渗透率的变化与煤岩的变形损伤密切相关,煤岩体积应变的变化趋势能很好地体现煤岩渗透率的变化趋势。卸围压开始后煤岩渗透率的变化经历4个阶段,且渗透率一直在增大。卸围压速度越大,煤岩的渗透率增大的越快。卸围压开始后煤岩在应力平台阶段的渗透率与卸围压时间呈指数函数关系。     

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。     

甲烷气通过页岩粗糙裂隙特性的试验研究

水力压裂法是页岩气开采的主要方法,研究甲烷气通过页岩粗糙裂隙对页岩气的开采具有重大的实际意义。在不同气体压力梯度和围压1~10 MPa条件下,研究CH4通过页岩粗糙裂隙的渗透特性,研究表明:(1)在应力–渗流耦合条件下,页岩粗糙裂隙的导流能力相比其他类型的岩石更差。(2)气体流量与压力梯度并非严格的线性增长关系,其增长速率随着围压的增大而降低,气体通过页岩粗糙裂隙的渗流属于非线性流。(3)围压增大,气体流量和渗透率降低,当围压超过4.0 MPa时,裂隙趋于最大闭合量,流量趋于平稳;(4)压力梯度和流量遵循Forchheimer方程,围压增大,导致孔隙结构和流体性质发生变化,渗流更偏向于线性流;(5)根据工程实际,以10%的非线性流效应为临界,得到本试验条件下的临界雷诺数。     

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。     

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于"立方体"结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈"V"字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

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。     

温度与应力对原煤、型煤渗透特性影响的试验研究

 通过试验分析尺寸效应、温度和应力对原煤及型煤的渗流特性的影响,结果表明,对岩芯直径相同而高度不同的均质试样,尺寸效应对渗透率的测试值误差一般在10%以内;非均质煤样尺寸效应对渗透率的测试值误差范围为4%～40%,甚至可能更高;微裂缝的发育程度是导致煤样渗透率变化较大的主要因素。不同直径的煤样,直径相对较小的煤样在围压加压、卸压条件下渗透率变化比大尺寸煤样更为敏感,渗透率对应力的敏感性大于孔隙度。当煤体经历较高的围压后,孔隙结构将发生塑性变形,煤体会遭受永久性不可逆的损害,表现在孔隙度及渗透率的值无法恢复到初始值。煤在经历高温后,大孔被压缩,但微孔更加发育,比表面积增加,同时煤体的强度将有所降低,当围压增加时,存在一个围压临界点,当围压达到临界点,渗透率会大幅降低。原煤与型煤在加压、卸压条件下渗透率的变化规律一致,均与围压成指数关系。     

不同围压下砂岩孔渗规律试验研究

采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力—应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力—应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明；岩石在全应力—应变过程中，渗透率的变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。砂岩的孔渗性与其所承受的有效侧压大小密切相关，表现为岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律；成岩作用不同的砂岩孔隙度和渗透率减小的速度和程度不同，表现为在侧压的作用下，成岩作用程度较弱的砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的砂岩。     

高围压条件下含充填裂隙类岩石水渗流试验研究

 进行高围压、高水压条件下的含充填裂隙类岩石的渗透性试验研究,根据配比试验,制作模拟砂岩的试样,并应用自主研发的三轴试验仪器进行试验研究。研究发现：(1) 不同充填裂隙试样的渗透系数不同,但不同围压下渗透系数均处于同一数量级;(2) 围压升高时,充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势;(3) 渗透结构面几何特征是影响试样渗透性的主要因素之一;(4) 试样渗透性规律应建立在试验的基础上。     

低渗煤储层气体滑脱效应试验研究

 在千米深度下赋存煤层气的煤层是致密的多孔介质,煤层的渗透率低,对于致密的多孔介质渗流,滑脱效应十分显著,而滑脱效应又可以增加煤储层的渗透性能。采用试验研究的方法对吉林和阜新两地的低渗煤样进行滑脱试验,研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应的影响,分析不同围压和孔隙水压力下滑脱渗透率对气体渗透率的影响,找到滑脱效应对不同低渗储层气测渗透率的有利影响的围压范围,验证低渗煤样中气体滑脱效应存在的普遍性。对弄清煤体内部结构特性和煤层气在煤层中的滑脱流动机制,实现低渗储层煤层气工业化开采具有一定的理论价值。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。