低渗透煤层注入超临界二氧化碳渗透性试验研究

为了提高低渗透煤层中煤层气的采收率,利用煤岩体典型的双重介质结构特征和超临界CO2具有表面张力为零、粘度低、扩散度和溶解能力强的特性,对超临界CO2注入低渗透煤层煤样的渗透性规律进行试验研究。结果表明：在超临界状态下,煤样渗透率和渗透系数均随有效体积应力的增大呈负指数递减;渗透率随孔隙压力的增大呈指数变化规律,趋势受粘度和孔隙压力之间关系的影响;渗透系数随孔隙压力的增加呈正指数递增规律;渗透率和渗透系数均随温度的升高呈负指数降低规律。此外,在注入超临界二氧化碳后,煤样的宏观和微观上均发现大量网状裂隙带和孔隙带,对提高低渗透煤层渗透性具有良好的效果。     

模拟CO_2地质埋藏条件下无烟煤微孔超微孔变化特征

CO2地质埋藏过程中的煤体孔隙演化是影响CO2地质埋藏的主要问题之一,该研究以"高压超临界CO2地球化学反应器"为实验室模拟平台,对CO2在地下煤层的储存过程进行模拟;以40℃,9.8 MPa,72 h为模拟条件,通过氦比重仪和压汞仪对不同粒度的无烟煤孔隙结构变化进行研究。结果表明,在经过超临界CO2-H2O的作用后,无烟煤的真密度和视密度均呈现增大趋势,其中增幅最大的4~8 mm样品从1.500 g/cm3增加到1.590 g/cm3;总孔容变化较为明显,增加主要表现在4~8 mm样品,增幅达162%,孔隙度增幅则达196%,其余粒度样品的总孔容和孔隙度也有不同程度增高。CO2的埋藏过程对无烟煤的影响主要表现在微孔和超微孔隙的发育,不同粒度样品的超微孔隙变化均较大,从而直接导致对气体的吸附能力越来越强。     

基于CT的黄土孔隙尺度优先流特性

摘要：CT扫描技术正被广泛应用于岩土多孔介质中孔隙的定量化表征,然而以往关于黄土孔隙定量化的相关研究存在CT扫描的分辨率不足问题,无法精准的识别出黄土中的全部大孔隙。基于高精度的微米CT,以陕西延安Q2黄土为例,在提取的黄土中真实孔隙结构的基础上,借助概化的孔隙网络模型研究了黄土的孔隙、孔喉和孔喉配位数分布特征,发现三者均呈对数正态分布;通过简化的Navier-Stokes方程及孔隙网络模型定量化地研究了在给定边界压差下管状通道、裂隙形成的优势通道中压力及流速的分布,与不含优势通道的代表性体积单元进行对比,发现裂隙对整体渗流特性的影响为均匀促进型,而管状通道为渗流集中型;在求得渗透系数后与原状黄土及重塑黄土的室内渗透实验结果进行对比验证了计算模型的可靠性。     

热力耦合作用下含瓦斯煤层渗透特性试验研究

为深入研究含瓦斯煤层渗透率与温度和应力的关系,利用自制三轴渗透仪,进行了不同轴压、围压、孔隙压、温度条件下的渗透率测定试验和煤层微观结构扫描试验,并对试验结果进行了分析.研究结果表明:在热和应力耦合作用下,煤层渗透率主要受煤基质膨胀、煤基质压缩、孔裂隙扩张、孔裂隙闭合、气体吸附、气体解吸等6个因素共同影响;孔隙压力不变,渗透率随有效应力的升高单调递减;轴围压不变,渗透率随孔隙压力的升高呈先减小后平缓再增大的近"U"型变化规律;温度升高,煤基质膨胀致使孔裂隙闭合,煤内气体膨胀致使孔裂隙扩张,两相共同作用,渗透率变化取决于哪一相占优.     

三交河煤矿煤体注水及自动加液装置应用研究

通过煤体注水数值模拟表明,当在一定压力作用下钻孔注水时,其渗透范围随着孔径、注水时间的增大而增大,埋深对其影响不大;但对水流渗透影响最大的为岩层中节理、裂隙的发育程度,当节理裂隙较为发育时,水流可渗透到整个煤层.通过现场注水试验,三交河煤矿504工作面进行煤体注水完全达到了煤层内含水率增加1％的要求,总尘浓度降低了65...     

膨胀土裂隙三维空间分布特征试验研究

膨胀土裂隙性研究多集中在土体表面裂隙,然而实际工程中裂隙是沿三维空间上扩展,土体内部裂隙较土体表面裂隙要复杂得多,针对这一情况采用高精度工业三维CT技术对南阳膨胀土原状样进行扫描;采用医用CT对膨胀土试样裂隙发育过程进行CT扫描实验,研究膨胀土裂隙的三维空间分布扩展规律;采用Poremaster33高压孔隙结构仪进行压汞实验研究土体内部裂隙发育微观机理。从宏观三种尺度进行研究,结果表明:膨胀土原状样三维空间裂隙发育极为复杂,样品中存在几条交错的主裂隙,并延伸出细小裂隙裂隙将整个土样分割得极为破碎;重塑膨胀土样裂隙总是首先出现在土体表层,土样裂隙发育最剧烈的部位是与土体表面有一定距离处,与现场情况相吻合;初始含水率越高试样收缩越明显,脱湿后整体性越强;初始含水率降低土体内裂隙增多,土体被裂隙分割得愈破碎;原状土试样脱湿前后微观结构变化较剧烈,总孔隙体积急剧减小,但大孔隙所占相对比例急剧增加;重塑土样脱湿前后变化明显,脱湿后不同孔隙孔径分布曲线相对于脱湿前的最大区别在于曲线中的波峰被降低削減,波峰向大孔径方向移动。     

泥岩饱水过程中崩解的微观机制

为研究泥岩崩解的微观机制,利用粉晶X射线衍射、激光共聚焦显微镜对泥岩的成分组成、浸水时间对试样表面微观形貌的影响进行测试,揭示了饱水过程中泥岩形貌的变化规律,分析了泥岩崩解的微观机制.研究表明:试样表面的裂隙数目、宽度随饱水时间的增加而增加;泥岩的崩解主要受饱水过程中产生的次生孔隙和泥岩表面受到的拉应力影响,总次生孔隙主要由水化学作用产生的次生孔隙和水的冲刷、运移物理作用产生的次生孔隙构成,饱水过程中泥岩受到不均匀应力,拉应力大于抗拉强度时孔隙相互扩展形成裂隙,裂隙的相互贯穿引起试样崩解.     

高温蒸汽作用油页岩孔隙-裂隙结构演化规律实验研究

油页岩孔隙裂隙演化规律是影响对流加热方式原位流态化开采油页岩的关键影响因素。选取新疆巴里坤油页岩试样，首先利用自主研制的高温蒸汽作用实验系统对试样进行加热，然后采用显微CT和扫描电镜对不同温度作用后的油页岩的孔隙裂隙特征进行测试，并利用Avizo软件，对油页岩孔裂隙结构、内部渗流场特征以及表面微观特征随温度的演化规律进行了详细地研究，结果表明：1)原始状态下油页岩内部裂隙以微裂隙(100～500μm)为主，随着水蒸汽作用温度不断提高，微裂隙数量呈指数形式增长，同时孔径较小的小孔逐步转变为孔径较大的中大孔。2)随着水蒸汽作用温度增加，油页岩孔隙度显著增加，由常温状态下的2.7%增加到555℃时的16.2%,是常温下的6倍。3)随着热解温度的升高，油页岩内部连通的孔隙也不断增多，为高温水蒸汽以及热解产物的运移提供了良好通道，总体上平行层理方向的渗透率总是大于垂直层理方向的渗透率。4)油页岩渗透性存在明显的各向异性特征，当热解温度为314℃时，油页岩在平行层理方向与垂直层理方向的渗透率差异性最大，渗透率各向异性系数量级可达103.研究结论对调控水蒸汽对流加热原位开采油页岩油气的工艺参数具有重...     

二氧化碳对页岩力学性质劣化规律的影响

针对目前缺少不同相态CO_2对页岩微观结构及力学参数影响规律研究的现状,通过室内岩石-压裂液浸泡测试系统,对不同相态CO_2浸泡后岩石矿物组分、微观结构及力学参数进行了测试。研究结果表明:液态、超临界态CO_2相比较滑溜水对矿物颗粒微观结构的影响更为明显,矿物颗粒之间的孔隙增大4%～15%,易导致页岩宏观力学性质受到劣化影响;不同介质浸泡后页岩力学参数劣化受影响程度排序为:抗拉强度泊松比峰值强度弹性模量,滑溜水浸泡后页岩脆性特征变化不明显,而液态、超临界态CO_2浸泡后页岩脆性增强40%～50%。液态CO_2有利于改善岩石微观孔隙和降低岩石抗拉强度,超临界态CO_2有利于提高微孔隙/裂隙穿透性,提高岩石脆性和降低破裂压力。研究结果为页岩气CO_2干法压裂工艺优化提供了一定的实验支撑和理论依据。     

CO2埋存井注入过程中水泥环应力完整性研究

CO2埋存井固井水泥环完整性直接涉及到CO2能否安全、长期有效的进行地质埋存,因此对埋存井水泥环完整性的分析是很有必要的。提出了CO2埋存井水泥环动态应力完整性模型,并分析了温降、地层孔隙压力的变化对水泥环应力完整性的影响。结果表明:温降和孔隙压力的增大均能对水泥环产生轴向诱导拉应力,温降和孔隙压力单独作用时,不足以使水泥环受拉而发生破坏。两者同时作用时,当温降和孔隙压力增加到一定值就会使水泥环发生轴向断裂。产生水平裂纹,所以为了保证水泥环完整性不发生破坏,在注入CO2时,要正确的处理好CO2的注入温度与注入速度的关系。     

超临界CO_2与润滑油体系的分子动力学研究

应用平衡分子动力学模拟的方法,研究了CO2流体在超临界状态下的微观结构和宏观性能.结果表明,超临界CO2的键长和键角分布基本符合高斯分布规律,超临界CO2系统中二聚体的比例随着压力的增加而发生变化.当系统内压力大于9 MPa时,T形二聚体的比例较大,推断出T形二聚体的存在使得CO2在超临界状态下的物理性质变化剧烈.同时研究了润滑油对超临界CO2的微观特性和传热的影响,结果表明,一定含量的润滑油的混入,改变了CO2团簇体的分布比例,从而给制冷循环系统的流动与换热带来负面影响.     

低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究

为研究注浆浆液在低渗透介质中扩散力学机理,以井工一矿4^#煤层中X5陷落柱中填充物为研究对象,设计了能够进行观察浆液微观扩散过程的可视化高应力注浆试验系统,设计了间歇式注浆实验方案,得出泥砂注浆固结体的几何模型。分析实验结果可知,浆液的扩散过程包括形成裂隙内流动和孔隙渗透两部分。浆液在流动过程中,注浆压力随着沿程距离的增大而减小,渗流通道周边的浆液渗透到泥沙孔隙中,浆液在孔隙中的活动包括渗入、絮凝、破坏絮凝层等循环过程。     

CT扫描视域下黏土干湿循环劣化机理

为研究干湿循环对黏土力学特性和微观结构的影响，通过一系列无侧限抗压强度试验和CT扫描测试从宏观和微观角度揭示了干湿循环对黏土的劣化机理。结果表明：随着干湿循环次数的增加，黏土的抗压强度保持指数性下降趋势，在经历4次循环后，抗压强度损失了40%左右，干湿循环达到8次后抗压强度基本达到稳定；CT扫描横剖面显示，在干湿循环过程中，裂隙从试样四周开始发育，并逐渐向内部扩展，裂隙的宽度和长度均持续增加，连续性也有所提高；随着干湿循环次数的增加，试样的逐层面孔隙率均明显增加，且不同层间的交界面孔隙率的增加更为显著，层间的裂隙最先发育，试样表面也有竖向裂隙发育，试样内部连通孔隙的数量增加，闭合孔隙的数量减小；不同次数干湿循环作用下黏土的孔隙率与抗压强度之间保持负指数性关系，当干湿循环次数达到4次后，孔隙率的增加对抗压强度的影响减小。     

热流固耦合作用下滑脱效应对煤岩低温渗透性的影响

【目的】增加煤储层渗透性是提高煤层气采收率的关键技术,原位注热开采是强化煤层气开采的有效方法。【方法】为了探索热流固耦合作用下煤储层渗透率的变化规律,进行了不同埋深不同温度无烟煤渗流试验,并对结果进行理论分析研究。【结果】1）三维有效应力作用下,无烟煤渗透率随温度和孔隙压力的变化呈“V”形,具有明显的回弹现象,随埋深的增加而减小。当孔隙压力小于临界孔隙压力,温度小于70℃时,煤体渗透性主要取决于滑脱效应。当孔隙压力大于临界孔隙压力,温度大于70℃时渗透性主要取决于热膨胀和孔隙压力对裂隙的张开程度,热刺激对渗透率的影响远大于孔隙压力。2）临界孔隙压力介于1～1.5 MPa之间,滑脱效应随温度的升高对渗透率的影响在逐渐减小,而且影响减小的梯度随埋深的增加而增大。3）裂隙张开度系数随温度升高和埋深增加而增加,但温度越高,不同埋深下渗透性对孔隙压力作用的敏感程度变化越小。【结论】这些研究结果进一步丰富了原位注热开采煤层气理论,并对煤层气的强化增渗开采提供有价值的参考数据。     

低渗透片麻岩渐进破裂过程中渗透规律研究

为研究低渗透硬岩渗透特性,以片麻岩为研究对象,采用多场耦合实验装置,开展不同围压、孔隙压力作用下岩石三轴压缩试验,分析了岩石渐进破裂过程中渗透率随围压、孔隙压力的变化规律,以及岩石渐进破裂过程不同阶段围压和孔隙压力对于片麻岩渗透率的影响程度.结果表明:岩石渐进破坏过程中,渗透率呈先减小后增加的变化趋势,在峰值强度附近渗透率出现突增;在轴压和孔隙压力一定时,随着围压增加渗透率逐渐减小,在裂纹非稳定扩展阶段和峰后残余阶段随着围压增加渗透率减小最明显;在轴压和围压一定时,随着孔隙压力增加渗透率略有增加,在裂纹非稳定扩展阶段随着孔隙压力增加渗透率增加最明显;高围压下试件内部会产生压缩带,压缩带会减弱孔隙压力对渗透率的影响;量化给出了渗透率随围压、孔隙压力变化的关系.     

泥页岩储集空间微观非均质性定量评价

泥页岩储层空间非均质性直接影响到页岩油气的赋存方式、富集能力,甚至流动方式,是页岩油气储层评价的重要内容之一.针对渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷泥页岩样品,利用X-ray CT三维重构、切割技术建立大量数字岩心模型,定性-定量评价泥页岩储集空间孔裂-隙发育特征(形态、大小、孔隙度、比表面积等),研究储集空间微观非均质性.结果表明:(1)不同储集空间发育不同的孔隙类型,具有不同的非均质性;(2)孔隙、裂隙发育的页岩(样品Y556),具有最强的微观非均质性,而对于孔隙发育的页岩(样品F41),微观非均质性最弱;(3)随储集空间非均性的增强,孔隙表面积与孔隙度的线性关系和分层性越来越弱,及至消失.     

煤层应力对裂隙渗透率的影响

从各向同性线弹性材料应力应变关系出发,考虑气体解吸引起的基质收缩效应和孔隙压力对储层应力的影响,建立了包含基质压缩系数、裂隙体积压缩系数和流体压力项的渗透率动态变化方程,分析了储层力学参数对渗透率变化的影响.结果表明:排水降压初期,有效应力处于主导地位,裂隙发生压缩变形,渗透率降低;气体解吸后基质收缩占主导地位,裂隙张开幅度增大,渗透率升高;弹性模量、泊松比越大,基质变形程度越大,渗透率呈先降低后升高的回归趋势越明显,弹性模量较泊松比对回归趋势的影响更大;当孔隙压力较高时,低孔低渗煤层渗透率随孔隙压力降低变化的幅度不大;裂隙体积压缩系数变化的起始压力点可以根据不同起变压力下渗透率与储层压力的关系确定.     

基于SEM的长螺旋压灌桩水泥浆液渗透规律

为研究长螺旋压灌桩湿作业下水泥浆液的渗透特性,以某桩-粉质黏土过渡带为研究对象,采用扫描电子显微镜技术对地下水位以下粉质黏土层中的水泥浆液渗透区孔隙结构进行定性和定量分析,借助Image-Pro Plus (IPP)及地理信息系统(GIS)软件分析水泥浆液渗透区域的平均渗透距离、孔隙率、孔隙定向性及孔隙分形维数随深度增大的变化规律.结果表明:随着渗透区深度增加,水泥浆液渗入桩侧土体的平均距离增大,水泥水化产物对孔隙的充填作用增强,纤维状水化产物逐渐发育,胶结形成的空间网状结构范围增大;并且随着渗透区深度增加,桩侧土体孔隙率减小,小孔隙数量增加,大孔隙面积减小,孔隙定向性减弱,微观结构更加复杂.     

压灌桩桩土接触面微观结构特性模型试验研究

为探究钻孔压灌桩桩土接触面的微观结构特性,通过室内正交模型试验法,对不同水泥浆液压灌压力、水灰比、土体干密度和含水率下桩土接触面孔隙结构的扫描电镜(SEM)图像进行定性和定量分析,研究了桩土接触面的毛刺现象和孔隙微观结构参数随试验因素变化的规律.研究结果表明:毛刺现象客观存在且由桩土共同作用产生;压灌压力对试验影响最显著,干密度次之,水灰比和含水率影响较小;适当增大压灌压力和提高土体干密度可加强水泥浆液渗透及其三维网状水化产物的填充效果,降低桩土接触面土体孔隙率及孔隙数量,减弱孔隙定向性,并增加微观结构复杂程度,最终加强桩土相互作用效果及整体性,增大桩侧摩阻力.     

不同水压加载下煤体裂隙渗流数值模拟

为研究煤体在不同水压加载下内部裂隙的渗流运动和孔隙变形规律,应用纽迈核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)扫描与图像重构技术建立煤岩微孔隙渗流模型,而后借助COMSOL软件,在煤体两侧为固定边界,其上部边界分别进行1～10 MPa水压逐级加载的条件下,对煤体的微观裂隙通道进行渗流运动的数值模拟分析.模拟结果表明:煤体中只有贯通裂隙参与渗流运动,非贯通孔裂隙不参与渗流运动;渗流过程最大流速先是呈现较大速率的正比例增长,在水压达到4 MPa时会突然保持稳定,在水压超过5 MPa后又呈现出较小速率的正比例增长.裂隙介质最大变形会在水压接近4 MPa时到达一个峰值然后突然反弹减小,又逐渐缓慢增大直至最后趋于稳定.应力云图特征表明,渗流过程中应力场变化趋势与裂隙位移变形趋势一致,渗流过程中的水力耦合作用是水压在4 MPa时渗流规律发生改变的主要原因.