三维应力下破碎砂岩渗透特性试验研究

承压破碎岩体中非稳态渗流是引起多种动力灾害发生的重要因素之一。利用自主研发的破碎岩石三轴渗透试验系统,考虑围压挤出的渗透液总量对碎石孔隙度的影响,进行了三维应力下5~10 mm粒径破碎砂岩的渗透试验,得到了不同轴向压缩位移、不同围压下试样的渗透特性变化规律。结果表明:不同轴向位移下,试样孔隙度随围压的升高呈对数减小,其渗透率随围压的变化逐渐减小,且各自差异性逐渐缩小;同一围压下,随轴向压缩位移增加,孔隙度、渗透率逐渐趋于一个稳定值,其中渗透率量级在10-11~10-13m2之间,表现为试样的孔隙连通性减弱,整体结构趋于稳定;非Darcy流β因子随围压的增加呈非线性增长,其中非Darcy流β因子的量级在108~1011m-1之间,试样原有级配改变明显,非Darcy流β因子增长趋势受有效毛细管数目及其孔径大小的影响,毛细管孔径减小导致渗透液与毛细管壁的相对接触面积增加。该试验结果为可控围压下破碎岩石中的渗流研究提供参考。     

单相气体在低渗透煤层运移规律

为探讨温度和孔隙压力以及围压对低渗煤层渗透率的影响规律,采用辽宁工程技术大学真三轴渗透仪,在不同温度和围压条件下,对煤层试样进行实时渗透率研究,试样为长方体,外观尺寸为50 mm×50 mm×100 mm。加温试验发现,煤渗透率存在门槛值温度,当温度达到门槛值后,其渗透率出现大幅度增加,与室温状态相比,渗透率增加33倍。在煤热破裂的门槛值温度区域,煤样渗透率同时具有孔隙压力门槛值,其渗透率在孔隙压力门槛值发生剧烈变化,出现拐点;继续增加温度脱离温度门槛值后迅速增加,孔隙压力对于渗透率的影响随之加强,随着围压的增大这种现象更为显著。     

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.     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究

为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律,采用FDES-641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行实验和分析。实验结果表明:低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应。随着有效围压的增加,岩样的渗透率逐步下降,当有效围压开始卸载,岩心的渗透率逐步得到恢复,但不能恢复到原始数据;低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述;岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。     

低渗透储层原位条件下应力敏感性评价

为探讨围压和孔隙压力对岩石渗透率的影响及岩石渗透率敏感性评价的新方法, 选取松辽盆地3块低渗透储层岩样, 采用岩石伺服三轴实验系统, 分别做常规条件和原位条件下的应力敏感性评价, 得到三方面结果。1) 3块样品的渗透率随围压增大而降低, 随着孔隙压力的增大而增大。2) 原位条件下, 物性越差的样品储层应力敏感性越强。借助扫描电子显微镜和恒速压汞实验, 解释了低渗透储层敏感性差异存在的机理。储层岩石喉道的大小和形态、黏土含量和类型、矿物胶结程度是决定渗透率敏感性差异的原因。3) 塑性矿物含量和类型是决定渗透率敏感性差异的主要因素, 即云母、黏土等塑性矿物含量越高, 致密岩石储层渗透率应力敏感性越强。在实际工作中, 评价岩石渗透率敏感性时一般只考虑围压单因素的影响, 会对评价结果带来较大的人为误差, 而岩样地层所处的孔隙压力等条件对渗透率影响不容忽视。为准确地认识低渗透储层的应力敏感特征, 制定更合理的生产压差, 建议进行岩样渗透率敏感性评价时, 恢复地下原位条件。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

考虑孔隙压力影响的碳酸盐岩裂缝成因模式研究

通过三轴压缩实验研究了在不同围压和孔隙压力下碳酸盐岩破裂方式及裂缝分布形态。在设定的加载方式下,针对某异常高压油田碳酸盐岩实验结果表明:岩石在压缩导致破裂的过程中,破裂方式主要与有效应力有关;随着有效围压的增大,岩石逐渐由脆性变形转化为塑性变形。对三轴压缩实验后的岩心磨制了薄片,从微观上分析裂缝成因模式。随着有效围压的增大,裂缝类型分别为劈裂面、高角度缝、共轭剪切缝、高密度网状缝。     

利用瞬态法提取岩样非Darcy流渗透特性

建立了一种测定岩样非Darcy流渗透特性试验系统的动力学模型.基于岩样两端孔隙压差的时间序列,利用差分计算或曲线拟合得到渗流速度及其变化率的时间序列.通过线性回归,得到岩样的Forchheimer非Darcy流渗透特性,即渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数.试验结果表明,无论岩样处于峰前还是峰后应力状态,岩样中的渗流都不服从Darcy定律;当非Darcy流β因子为正时,非Darcy流的渗透率κ小于Darcy流的渗透率κD;渗透率(κ和κD)、非Darcy流β因子和加速度系数可近似表示为应变的幂指数函数;三种渗透特性中的每两种整体上存在幂指数关系;在加载的初始阶段,由于孔隙和微裂隙的压缩和闭合,渗透率随应变减小,而非Darcy流β因子和加速度系数随应变增大;随后,由于裂隙的扩展,岩样的渗透率迅速增大,而非Darcy流β因子和加速度系数迅速减小,并在峰值应力附近达各自的极值;由于围压的作用,峰后应力状态下岩样的渗透特性随应变的变化缓慢.图3,参18.     

三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆

为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性,探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息,采用三轴压缩试验、渗流实验相结合的方法,分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的内在联系。研究表明：(1)开放饱和岩石单元体中,岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶段,孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化;(2)岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显,在主破裂前夕,内部损伤加剧,裂隙贯通,孔隙水压将失去稳定状态,孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息;(3)在应力变化大、高孔隙水压以及高围压条件下,孔隙水压对损伤发展更为敏感,响应也更明显,孔隙水压与损伤发展相互影响,互为关联,损伤扩展造成孔隙水压降低,孔隙水压降低又促进损伤发展;(4)可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突发性灾害。     

煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究

高煤阶煤层气的开发主要采用压裂的方式进行增产。在压裂过程中,随着煤岩应力的不断变化,其孔隙结构和渗透特性发生变化,进而影响煤岩的力学破坏特征。以高阶煤为研究对象,开展不同围压作用下三轴渗流-应力耦合流变试验,研究煤岩变形和破坏过程中的应力、应变与渗透率之间的相互关系,分析了煤样应力、应变变化过程中渗透率随围压和体积应变的变化规律。试验结果表明:煤岩的应力-应变关系具有脆-塑性特征,煤岩体积应变经过压密和扩容阶段,环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤岩变形破坏的过程。煤岩渗透率在压缩过程中出现波浪状变化,在高应力作用下发生破裂后,其渗透率不一定比破裂前增加,相反有可能会减小。研究结果可为多场耦合下煤岩破裂模型的建立与分析、压裂施工参数设计和工艺的优化提供技术支撑。     

低渗透岩石压敏特征研究

低渗透岩石具有较为明显的压力敏感性。在分析传统的CMS300全自动覆压压力敏感实验研究特点的基础上,充分考虑岩石受压缩的时间效应,对胜利渤南油田不同类型的低渗透岩石进行了系统的CMS300随机覆压和控时覆压的敏感性测试,获得了多种低渗透岩石压敏特征曲线,并探讨了岩石压敏特征与岩石本身属性的关系。结果表明,随机覆压下,储层物性随围压的增加呈单调圆滑下降的趋势;控时覆压下,岩石气测渗透率随覆压的变化呈台阶式变化;粘土总量和有无方解石胶结对低渗透岩石压敏效应的影响更为显著。     

低渗透岩石压敏特征研究

低渗透岩石具有较为明显的压力敏感性。在分析传统的CMS300全自动覆压压力敏感实验研究特点的基础上,充分考虑岩石受压缩的时间效应,对胜利渤南油田不同类型的低渗透岩石进行了系统的CMS300随机覆压和控时覆压的敏感性测试,获得了多种低渗透岩石压敏特征曲线,并探讨了岩石压敏特征与岩石本身属性的关系。结果表明,随机覆压下,储层物性随围压的增加呈单调圆滑下降的趋势;控时覆压下,岩石气测渗透率随覆压的变化呈台阶式变化;粘土总量和有无方解石胶结对低渗透岩石压敏效应的影响更为显著。     

致密岩石变形破坏过程中渗透率演化的试验研究

为了研究致岩石在变形破坏过程中的渗透率变化特点,利用自适应全自动岩石三轴试验机对致密脆性的花岗片麻岩进行了不同孔隙压力下的渗透试验．试验结果表明：岩石不同变形阶段的渗流特性明显不同;在孔隙压力不大的情况下,岩石本身的裂隙发育情况与孔隙压力相比,对渗透率占主导作用;环向应变更能体现岩石发生软化屈服破坏的过程,在体现渗透率变化上响应更灵敏．在试验的基础上进一步探讨了应力-应变过程中渗流应力耦合的机理,分析了岩石细观力学性质对屈服破坏前期渗透率“突跳”的影响．     

地层条件下低渗透介质的渗透性与孔隙性特征

采用岩石物性参数测试系统,对地层条件下低渗透介质的渗透性与孔隙性进行了实验研究,获得了低渗透介质的渗透性和孔隙性与地层条件的关系.采用显微照相方法,研究了低渗透介质的微观结构.结果表明在地层条件下低渗透率介质渗透率随围压及温度增加成指数规律衰减,孔隙度相对变化随围压增加成指数规律衰减;低渗透介质中存在微细裂缝,对介质的孔渗特性尤其是渗透性产生一定的影响.     

变围压条件下低渗砂岩储层渗透率变化规律研究

试验研究了低渗透砂岩储层岩石的围压 -渗透率关系和围压 -松弛循环 -渗透率关系 ,试验结果表明 :随围压增加岩石的孔隙结构和骨架结构发生变化 ,引起岩石渗透率的下降 .通过对变围压条件下低渗透岩石渗透率变化规律分析 ,找到了一种新的表征围压 -渗透率关系的公式——指数函数线性组合 ,对 5个低渗透区块的 3 1组岩石样品试验数据进行对比和验证 ,该指数函数线性组合的拟合误差在± 5 %以内     

高围压高水压作用下脆性岩石强度变形特性试验研究

对锦屏二级水电站引水隧洞大理岩、砂岩进行高围压高水压条件下全应力-应变过程三轴压缩试验,分析高围压高水压对脆性岩石变形、强度及脆-延转化特性的影响,探讨围压变化范围较大时岩石强度与围压及高孔隙水压之间的关系．结果表明：在较大围压范围内,有无施加水压力2种条件下,σ1与σ3之间均呈非线性关系;高孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度．     

不同围压下刀宽对滚刀破岩特性的影响规律

在考虑围压这一真实地质因素条件下,基于颗粒流离散元法,建立不同围压与不同刀宽下滚刀侵入破岩模型,模拟滚刀作用岩石下裂纹的扩展以及破岩阻力变化等规律,并利用真三轴实验台进行试验验证.研究结果表明:滚刀侵入破岩时,随围压增加,裂纹扩展由垂直方向向水平方向和自由面转变,当围压增加到20MPa后裂纹沿垂直方向和水平方向的扩展均受到抑制;随刀宽增加裂纹扩展能力增强,但高围压会限制刀宽对裂纹扩展的影响;围压和刀宽增加均会增加滚刀破岩阻力;当围压小于5MPa时,随刀宽增加比能耗减小,而当围压大于20MPa时,随刀宽增加比能耗增加;实验中所得到的不同围压下裂纹扩展以及滚刀破岩阻力等变化趋势与数值模拟结果一致.     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.