泥岩全破坏过程中渗透特性试验研究

为了研究某矿区泥岩的渗透特性,提高底板抵抗承压水能力,对指导进一步开展泥岩的阻水抗渗特性机理提供科学依据。采用理论分析与室内试验相结合的方法,通过对全应力-应变作用下泥岩试样的渗透率、应力、应变与关键点指标测试,揭示泥岩岩样泥岩试样的渗透特性以及应变对渗透率的影响规律。研究表明:干燥状态下泥岩试样强度较高,是良好的隔水层,但遇水软化后其抗压强度大幅度降低;泥岩渗透率-应变曲线由低水平渗透段、裂隙导通渗透段和破坏后渗透段三段组成,泥岩的渗透率与应力状态关系密切,其渗透率的峰值往往滞后于应力应变峰值点,这由岩样介质本身的特性所决定;泥岩渗透率-应变曲线峰值前变化规律反映了岩石的破碎程度,而峰值点后的渗透率水平反映了岩石残余应力下的渗透特性。总体上来看,为防止承压水突破泥岩隔水岩层,应加强底板泥岩采动破坏深度及承压水导升高度的现场监测,这为底板采动岩体断裂失稳和突水等灾害预测预报提供参考依据。     

凝灰岩破坏全过程渗流演化规律的实验研究

通过对凝灰岩在三轴环境下变参数条件的全应力-应变过程渗透性对比实验,研究了凝灰岩变形、破坏过程中渗透性演化规律,分析了凝灰岩破坏全过程中渗透率与体积应变及围压的关系,得出体积应变与渗透率函数关系.实验结果表明凝灰岩渗透率与应力水平密切相关.当岩样峰值强度之后,内部裂隙进一步扩展、贯通时,才会出现渗透率峰值,渗透率峰值拐点、应力峰值拐点和体积应变拐点很好的对应.该实验结果对于提出岩石破裂过程中更为合理的渗透性演化模型具有重要价值.     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型

针对岩体是一种可变形的多孔介质,岩体在荷载作用下发生蠕变的问题,岩体孔隙度、渗透率等物性参数随之变化;同时,孔隙和渗透特性的变化又引起压力场、速度场的改变,带动蠕变特性的变化。在研究渗流的过程中,考虑岩体蠕变的影响,基于岩体流变力学和渗流力学理论,应用对应性原理,建立了含有蠕变参数的动态应力平衡方程,推导了蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型。     

各向异性弹性孔隙介质中的热-流-变形耦合模型

研究微小孔隙介质中应变导致渗透率各向异性的问题.采用有限单元法综合分析处理储层变形-渗流-热传导耦合模型与应变导致渗透率变化模型,并用该方法分析弹性多孔介质的二维非等温变化单相渗流的耦合问题.对比结果表明,应变导致的渗透率变化模型能有效反映蒸汽注入引起的岩层各向膨胀,与热采过程中油藏的实际情况更吻合.     

节理岩体的渗透系数与应变、应力的关系

根据岩体裂隙渗流实验成果，采用机械隙宽的概念并根据节理岩体的力学本构关系，导出了含一组或多组节理的岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系式，以一组节理为例，以 Ｚ为法线的节理等效渗透系数为：ｋｚ＝ｋ０ｚＤｉ（Ａｚεｚ＋１，（ｃτｚ·）２（式中Ａｚ、Ｃτｚ为εｚ、γｘｙ、γｙｚ的耦合作用系数，Ｄｉ、ｎｉ为与应力、应变有关的修正系数）。公式说明节理岩体的等效渗透系数是复杂应变的函数，并且受裂隙面几何形态、节理面力学参数、间距、隙宽、应力加载和卸载条件的影响，是复杂岩基在复杂应变条件下考虑力学－渗流耦合关系的一种新的探索。     

基于强度参数演化的裂隙岩体峰后应力-应变关系求法

完整岩块峰后应力应变关系的表达不能较好反映裂隙岩体峰后特性,为得到适合裂隙岩体峰后应力-应变关系,在试验数据基础上,基于库伦强度准则,分析裂隙岩体峰后强度参数的演化行为。根据裂隙岩体在不同围压和裂隙倾角时的不同峰后特性,将峰后应力-应变关系简化为A和B两种类型。以应变作为应变软化参数,假设黏聚力、内摩擦角为应变的分段线性函数,给出裂隙岩体峰后两种类型应力-应变关系式的求法。将A和B两种类型应力-应变关系式算出结果与试验结果进行比较,得出用裂隙岩体的应力-应变关系求得峰后应力-应变曲线与试验数据基本一致。     

峰后软岩应变软化渗流特性

为探讨峰后软岩的应变软化特性对渗流过程的影响,以新集矿两组砂质泥岩岩样为研究对象,基于裂隙损伤有效应力理论,研究了峰后软岩的应变软化特性和渗流特性,分析了软岩的应变软化渗流机制。结果表明：峰后软岩渗透性能较弱,同时软岩受到结构面、孔隙率的影响应力降存在突跳现象,且软岩渗流过程与损伤度、应力降、应变软化率有很大的相关性,表现为损伤度越大,应力降越大,应变软化率越大,相应的渗透率也越大。     

低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究

为获取低阶煤煤体变形特征和渗透率变化规律,以焦坪矿区下石节煤矿3#煤原样为研究对象,利用煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统开展了有效应力、基质收缩以及二者综合作用条件下的煤体变形和渗流实验.研究结果表明:在有效应力逐渐增加的过程中,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐减小;基质收缩过程中,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐增加;二者综合作用条件下,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率先减小后增加,通过与等外力条件下的典型渗透率动态变化模型比较,Lu模型与实验数据吻合度更高.实验结果有助于预测煤体渗透率动态变化,更好地指导地面煤层气开发和煤矿瓦斯防治.     

花岗岩在围压和温度作用下渗透率变化规律研究

为了能够正确评价温度、应力对花岗岩渗透率的影响,进行了实验测试,研究温度和应力耦合条件下花岗岩岩样渗透率的变化规律。研究结果表明:在加温相对较低时,应力是渗透率的近似指数函数,加温对花岗岩岩样渗透特性的变化不起控制作用;但随温度继续升高渗透率出现增长趋势,尤其在温度门槛值范围时,花岗岩岩样渗透率出现了突变;此时,温度对岩石渗透起决定性作用。该实验结果对大庆市温泉开发有一定的参考意义。     

消除滑脱效应的致密砂岩储层应力敏感评价

室内评价储层岩石应力敏感程度多采用气体渗透率作为评价参数,而致密砂岩储层岩性致密,孔喉细小,受气体滑脱效应的影响,所测气体渗透率偏高,导致致密砂岩储层应力敏感程度被低估。针对常规方法导致致密砂岩储层应力敏感程度被低估的问题,以鄂尔多斯盆地镇泾油田长8致密砂岩储层为例,采用等价液测渗透率作为评价储层应力敏感的参数,消除了气体滑脱效应对实验结果的影响;并结合平面径向流理论,分析了应力敏感对产能的影响。结果显示,采用气测渗透率低估了致密砂岩储层岩石应力敏感的程度;并且岩心渗透率越低、有效应力越大、低估程度越严重;随有效应力的增加,致密砂岩岩心的气测渗透率、等价液测渗透率均呈先快速降低后缓慢降低的趋势,渗透率变化率与有效应力之间呈幂函数关系;应力敏感现象导致生产井井底附近存在"渗透率漏斗";并且储层渗透率越低、生产井井底压力越低,"渗透率漏斗"越深,延伸的范围越广,应力敏感对产能的影响越大。     

异常高压气藏储层应力敏感性研究

异常高压气藏开采过程中,由于流体的产出,使储层岩石受力发生改变并使储层岩石发生弹塑性变形;而弹塑性变形反过来又影响到储层的孔隙度和渗透率,因此,研究储层孔隙度和渗透率应力敏感性具有极其重要的意义.本文基于岩石力学的基本理论,推导出异常高压气藏岩石变形规律及变形方程,以此理论推导指导试验,将理论研究与实验规律相结合,在模拟地层条件下,对实际岩心样品进行了储层应力敏感性实验研究.实验研究表明,该方法能精确的描述储层孔隙度和渗透率应力敏感性,实验结果与理论推导结果完全吻合,进一步证明了理论推导的正确.进而探讨了异常高压气藏储层应力敏感性对气藏开发的影响.     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

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．     

低渗透储层应力敏感特征探讨

学术界对低渗透储层是否存在强应力敏感具有较大争议，给油气生产决策带来困扰。争论的焦点在于，渗透率应力敏感实验过程中岩芯是否发生塑性变形，岩芯与封套之间是否存在微间隙及其对实验结果是否具有重要影响。针对传统实验无法证明岩芯是否发生塑性变形的问题，改进实验方法，在渗透率测试前、后增加岩芯力学测试。根据弹性力学理论和有效应力理论，推导出应力敏感评价的理论公式，并进行了定量计算。实验测试和理论计算结果表明，应力敏感实验过程中，岩芯所受的有效应力小于其弹性极限，岩芯不会产生塑性变形；岩芯与封套之间存在微间隙，对渗透率测试结果及变化规律具有重要影响；低渗透岩芯在低有效应力条件下测得的渗透率具有较大误差；微间隙的存在导致岩芯的应力敏感程度被高估；实验过程中岩芯的应变极小，渗透率变化极其微弱；低渗透储层不存在强应力敏感，一般来说岩石渗透率越低应力敏感性越弱。     

变形场、煤化度和外加电场对甲烷在煤层中渗流的影响

研究了变形场、煤化度和外加电场对煤物质中甲烷气体渗流的影响.结果表明,外加应力(应变)越大,渗透系数越大;当外加应力相同时,煤化程度越高,渗透系数越小;外加电场越强,渗透系数越大.得到地应力和电效应下的一维达西定律修正式.     

Research on evolution of mining pressure field and fracture field and gas emission features

The relation betweenmining pressure field-fracture field and gas emission of working face is analyzed,and the concept that there is a stress point (or strain point) among permeability of coal is presented.It is believed that the mutation of coal permeability caused by the sudden loading or unloading of working face roof as periodic weighting occurs is the main reason that a lot of gas pour into the working face.Based on the above concept,the relation is established among abutment pressure during periodic weighting,permeability of coal seam and gas emission,and relation graph is drawn.Then the loading and unloading features of coal at the moment of fracture and non-fracture of main roof are revealed.And finally it is presented that the process of sudden loading or unloading as periodic weighting occurs plays an important role in rupture propagation of coal,analytical movement of gas and gas emission.     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.