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。     

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%。     

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。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

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。     

岩体非协调变形对围岩中的应力和破坏的影响

 讨论研究岩体非协调变形的重要性,提出岩石非协调变形的物理和数学含义,介绍研究岩体非协调变形的技术思路,阐述岩体非协调变形和协调变形的基本不同点。通过含微裂纹的岩体中开挖圆形洞室的计算实例,具体分析岩体非协调变形的研究对围岩应力和破坏的影响,确定非协调变形产生的自平衡封闭应力,研究微裂纹的密度和长度对自平衡封闭应力和岩体破坏的影响。     

高应力取芯卸荷损伤及其对岩石强度的影响

 合理准确地获得深部岩石的强度对岩爆等动力地质灾害的预报和防治具有重要意义。针对高应力条件下钻孔取样过程造成的应力卸载对岩样的损伤问题,通过现场取样、数值模拟和室内试验等方法,比较不同应力水平下钻孔取样的损伤范围及程度。数值模拟和现场所取岩芯的饼化现象证实,所设计的应力解除取样方案切实有效,可有效降低取样区域的应力水平(约30%),可在同一地点取得不同应力水平的岩样;CT扫描结果表明,在锦屏二级水电站1 900 m深条件下常规岩石取样导致的卸荷损伤范围可能超过岩样横截面的50%。低应力取样方案所获得的大直径岩样通过套钻取得中心标准样的平均强度要比常规取样条件提高5%～15%,平均约8%,表明卸荷损伤对岩样强度的影响不容忽视;另外,前者单轴压缩时加载初期的声发射事件数明显少于后者,这表明即便是经过套钻,也不能完全消除取样损伤的影响,与CT扫描的结果相符。     

偶应力对裂纹扩展的影响及其尺度效应

 与经典弹性理论相比,偶应力理论中考虑了微观结构的旋转梯度(即弯曲曲率),可以展示变形的弯曲效应。把无网格方法和偶应力理论结合在一起,给出偶应力理论的无网格离散模型。采用最大周向拉应力裂纹扩展准则,研究受拉情况下I型平面裂纹问题,确定该方法的基本参数,解决算法实施的关键技术。在此基础上,研究在不同微观尺度下受压岩体中裂纹初始破裂问题,进而对在某一给定微观尺度下受压岩体中裂纹扩展路径进行数值模拟跟踪。结果表明,偶应力对I型平面裂纹破裂没有影响,对复杂裂纹的弯折扩展有显著的影响,复杂裂纹的扩展角度、扩展步长、扩展载荷和扩展路径表现出显著的尺度效应。     

细观组构特征对含U型切槽岩石梁断裂特性的影响规律

为了揭示细观组构特征对岩石断裂特性的影响规律,基于临界距离理论,建立含U型切槽岩石梁表观断裂韧度KIN与固有断裂韧度KIC、临界距离L以及切槽半径ρ的理论关系,提出确定KIC与L的新途径。采用离散元数值方法,通过构建不同矿物晶粒粒径、不同非均质性的岩石晶粒离散元模型,开展含U型切槽岩石梁的三点弯曲数值模拟实验,结合理论分析结果,获得岩石表征断裂韧度、固有断裂韧度与临界距离;分析矿物晶粒尺寸与非均质性对岩石断裂韧度与临界距离的影响规律。研究结果表明：通过数值实验直接测定的岩石断裂韧度、临界距离值与理论求解得到的结果相符,数值实验具有较高的可靠性。细观组构特征对岩石的断裂特性具有显著影响,随着矿物晶粒尺寸增大,岩石的断裂韧度KIC逐渐减小,临界距离L逐渐增大;随着岩石非均质性的增大,断裂韧度KIC与临界距离L逐渐减小。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

储层条件下低渗透岩石应力敏感评价

 针对某低渗透油藏实际地质特征,分别采用两种评价方法,模拟储层在开采和注水过程中的应力敏感特性。结果表明,在采用新评价方法时,储层在开采过程中由于有效应力增加引起的渗透率损失率明显小于常规方法评价结果。在对注水开发过程的模拟中,新方法评价得出储层的渗透率可以恢复,而常规方法评价储层的应力敏感性具有不可恢复性。采用常规应力敏感评价实验时,岩芯的变形既有弹性变形,又有塑性变形,储层表现出较强的应力敏感。采用新评价方法岩芯变形以弹性变形为主,低渗透储层不存在严重的渗透率应力敏感,这对认识低渗透储层油藏条件下的应力敏感特性和指导低渗透油藏生产压差的制定具有重要意义。     

低渗透岩石非线性渗流规律研究

通过大量的实验研究表明，流体在低渗透岩石中的渗流不同于在中高渗透岩石中的渗流，主要表现在低渗透岩石由于孔隙微细，固液界面作用明显，渗流曲线呈现明显的非达西渗流特征。通过理论分析，建立了描述低渗透岩石非线性渗流的运动方程，给出了确定出现非达西渗流临界条件的方法，最后利用实验数值验证了所建立的方程的正确性。     

基于压水试验数据的渗透系数应力敏感性研究

岩体渗透率与应力关系是进行岩体渗流应力耦合分析的基础。基于龙滩水电站边坡岩体渗流压水试验结果和边坡岩体岩性及物理力学性质，对岩体渗透系数和地应力进行了分析计算，给出了边坡岩体渗透率随应力变化的关系式，为进行边坡岩体渗流一应力耦合分析提供了可靠数据。     

盐岩渗透性影响因素研究综述

由于盐岩具有极低的渗透性（渗透率小于10-20 m2）,很多国家将盐岩作为能源（石油、天然气）和核废料储存库的首选岩体。发达国家利用盐岩建造能源储备库技术已经相当成熟,而国内尚处于研究阶段。盐岩力学特性和溶腔的稳定性研究已得到国内学者的广泛重视,而由于试验仪器精度的限制,对其渗透性的研究较少。为系统地研究盐岩的渗透性,通过总结众多国内外学者的学术观点,从内因和外因两个方面对盐岩渗透性进行分析。详细介绍盐岩的孔隙结构、孔隙率、Klinkenberg效应、毛细孔压力、应力状态等对其渗透性的影响。研究成果认为：盐岩的孔隙结构和低孔隙率是其低渗透性的根本原因,极小的孔隙半径导致在孔隙中产生很高的毛细孔压力,Klinkenberg效应、毛细管压力阻碍流体在盐岩孔隙中的运移和扩散。开挖扰动改变盐岩所受的应力状态,盐岩在偏应力作用下容易发生膨胀变形,破坏盐岩的孔隙结构,从而使渗透性显著增强。     

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。     

低频下渗透率尺度效应对弛豫过程影响的实验分析

 对于岩石的内耗行为,通常采用Cole-Cole分布的Debye模型进行解释。然而该模型仅能用于解释均匀介质的弛豫耗散过程,对于具有复杂结构的、含有孔隙流体的饱和岩石是不完全合适的。比如低频内耗实验数据就明显不符合该模型,不具有对称“圆弧”型的实模量–虚模量曲线。提出岩石介质中存在地震波波致流体流动的渗透率弛豫尺度效应,可以弥补含Cole-Cole分布Debye模型的不足。岩石内耗实验数据分析显示,所有饱和多孔岩石实模量–虚模量关系曲线均具有相同的高、低温段不对称圆弧型规律,尤其在低温端圆弧曲线散开上扬,随着频率增高,上扬程度加剧。这一现象是微裂隙非均匀岩石的渗透率弛豫尺度效应特征的实验证据,它有助于更好、更深入刻画流体饱和岩石的弛豫耗散机制,拓展改进模型,合理解释实验数据,对饱和流体岩石弛豫过程进行相关的预测研究,还有望从实验数据中提取有关岩石非均匀尺度结构信息。     

温度对褐煤渗透特性影响的试验研究

采用太原理工大学采矿工艺研究所研制的煤(岩)MDS200三轴渗透试验机,在不同应力、不同温度条件下,对内蒙乌盟矿区褐煤进行热渗透试验研究。研究结果表明:随着煤层埋藏深度的增加,即体积应力的增加,褐煤渗透率总体上是呈下降趋势;在温度和体积应力不变的情况下,褐煤随着孔隙压力的增大,渗透率呈先下降,再增大的趋势,其临界点为2MPa左右;在体积应力和孔隙压力不变的情况下,随着温度的升高(100℃以内),褐煤的渗透率呈先下降,再急剧增大,再减小的趋势,渗透率的极低点温度为50℃左右,极高点温度80℃左右;当温度小于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈下降趋势,当温度高于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈上升趋势。