页岩有机质纳米力学性质研究进展

 页岩有机质纳米尺度下的力学行为目前不够明确且利用常规实验仪器无法准确获得，表征其纳米尺度下的力学性质，对于搭建微观-宏观岩石力学模型和实现高效水力压裂是极具现实意义的。基于近年国内外关于页岩有机质纳米力学性质表征等方面所取得的研究进展，总结了目前常用的表征技术、力学性质主要特征及主控因素。综合结果表明，纳米压痕和原子力显微镜是目前表征纳米力学性质常用的技术与方法，两者在精度、分辨率、设备技术等方面都存在各自的优势或缺陷；目前有机质纳米力学性质的测定主要集中在弹性模量和硬度，成熟度和温度在不同程度上改变着有机质的内部结构，从而改变其力学性质；提出了“多尺度”“多技术”“多角度”“多学科”等工作设想与建议。     

附加应力场和滤失作用下页岩水力压裂开裂机理

为了研究含有天然微裂隙和层理的页岩储层在压裂液产生的滤失和附加应力场共同作用下的开裂机理,采用复变函数保角变换方法修正了传统附加应力场解析解,基于最大拉应力强度理论,通过解析分析比较储层基质、天然裂隙和层理的复杂应力状态及相应的强度,得出水力压裂主裂纹遇天然裂隙或层理后的开裂机理和扩展方向.基于莫尔强度理论分析讨论被裂纹穿过后的储层次裂纹形成机理.结果表明:水力压裂主裂纹尖端拉应力集中,发生张性破坏;被主裂纹穿过的天然裂隙或层理在附加应力场和压裂液产生的滤失作用下发生剪切破坏,形成滑动次裂纹;附加应力场增大裂纹附近的最小地应力、降低裂纹附近的最大地应力,不利于储层次裂纹的形成;降低排量、增加压裂作用时间,提高裂纹附近储层孔隙压力,降低有效应力,可促进储层次裂纹的形成.     

高温影响下页岩岩石的声学特性实验研究

以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,研究了高温处理后页岩岩样物理性质的变化规律,讨论了温度对页岩岩石声波特性的影响,同时,也研究了高温影响下页岩岩石动弹性参数的变化规律。研究结果表明,当作用温度低于400℃时,温度对页岩表观颜色和物理性质影响较小,而当作用温度超过400℃时,页岩表观颜色逐渐由黑色变为灰白色,且页岩质量下降快、体积膨胀率上升快,造成页岩密度下降快;随着温度增加,页岩声波速度不断下降,且声波主频不断下降,而页岩声波衰减系数不断增大,且声波衰减系数对页岩热损伤效应的敏感性更强;随着温度增加,页岩损伤因子增大,同时,页岩动态泊松比也呈增大趋势,而页岩动态弹性模量、体积模量、剪切模量呈下降趋势。     

页岩储层SRV影响因素分析

为了计算页岩储层压裂改造体积,建立了与施工参数相关联的储层改造体积SRV(Stimulated Reservoir Volume)计算模型。应用该模型研究了弹性模量、泊松比、地应力差、储层厚度等因素对储层改造体积的影响,分析得知泊松比和水平主应力差存在临界值,分别为0.36 MPa和6 MPa,超过临界值后难于形成缝网。通过页岩储层实例分析得出储层改造体积随着压裂排量的增加而增大,施工排量存在一个最佳值10 m3/min;储层改造体积随着液量的增加而增大,增幅先增后减;增大施工压力可增大储层改造体积,但增幅不明显。该模型为页岩储层体积压裂施工参数优选和改造体积预测提供参考。     

页岩气藏分段压裂水平井不稳定渗流模型

针对页岩气藏中吸附气和游离气共存的储集方式,基于双重介质模型建立考虑吸附解吸过程的页岩气藏不稳定渗流数学模型,并定义新的参数来表征基质中吸附解吸气量与游离气弹性释放量的比值,利用Laplace变换计算页岩气藏点源解,通过叠加原理得到定产量生产时水平井分段压裂改造后井底压力解,对考虑井筒和表皮系数的影响以及定井底流压生产时水平井动态产能进行分析。结果表明:在开采过程中页岩吸附解吸气量所占比例较大,且考虑吸附解吸后,定产量生产所需压差小,压力波传播到边界时间晚,压力导数曲线凹槽更加明显,同时定井底流压生产时压裂水平井产量更大,稳产时间更长;Langmuir吸附体积越大,压力波传播越慢,所需压差越小,压力导数曲线凹槽越深,同时页岩气藏稳产时间越长,产量越大,但产量的增幅越小。     

基于吸附势理论的页岩吸附甲烷模型及其应用

根据实测的页岩等温吸附数据,以吸附势理论为基础,对等温吸附数据进行处理分析得到ε-ω吸附特性曲线及其数学表达式,推导出页岩吸附甲烷模型,在此基础上建立了地质条件下温度和压力共同影响的页岩吸附气量计算模型,并利用实测等温吸附数据进行了模型验证及应用分析。研究结果表明:页岩吸附气的ε-ω吸附特性曲线是唯一的且与温度无关,特性曲线的形态呈对数形态;文中推导吸附模型的预测结果精度较高,可预测不同温度和不同压力下页岩吸附气量,得到页岩吸附等温线;建立的地质条件下温度和压力共同影响页岩吸附气量计算模型,可预测页岩吸附气量随深度变化的趋势图;温度和压力对页岩吸附气量影响作用相反,在地质条件下的温度与压力对页岩吸附气量影响存在竞争关系,其中当页岩埋深小于页岩最大吸附容量对应埋深时,压力起到主要影响作用,反之温度起到主要影响作用。     

油页岩CS_2-NMP萃取物中含氧化合物的分离与分析

为实现依兰油页岩萃取物中含氧化合物的分离与分析,采用索氏萃取法,在60℃条件下以CS2-NMP为萃取剂萃取依兰油页岩。用TiCl4/CuCl2两步络合法和硅胶柱色谱法对依兰页岩油中的含氧化合物进行富集,并对含氧洗脱组分进行了气相色谱-质谱串联(GC/MS)分析。结果表明:TiCl4/CuCl2两步络合法可以实现油页岩中含氮化合物的分离,脱氮率为82%,硅胶柱色谱可以实现对页岩油中含氧化合物的富集,富集组分中,氧元素的质量分数为10.69%;柱色谱富集组分中鉴定出32种含氧化合物,其组成以酚、酮、醚、酯以及有机硅氧化合物为主;在这些含氧化合物中发现了甾醇类、萜类化合物的衍生物以及酰胺基团,说明依兰油页岩中的氧可能来源于成矿的高等植物和蓝绿藻。该结果可以为依兰油页岩资源的合理利用、油页岩的成因和油母结构研究提供参考。     

川西坳陷上三叠统须家河组页岩纳米孔隙结构特征

页岩储层的纳米孔隙结构对页岩含气性评价和勘探开发具有重要意义,但目前关于国内沉积盆地页岩纳米孔隙结构的研究相对不足。利用低温氮气吸附和扫描电镜,对川西坳陷上三叠统须家河组页岩纳米级孔隙进行了分析。结果表明:1川西坳陷须家河组页岩比表面积主要由过渡孔和微孔提供,比表面积范围6.588~9.476 m2/g,平均为7.949 m2/g,远大于致密砂岩储层比表面积;2页岩孔径平均为4.319~7.821 nm,孔径范围具有从微孔到中孔等一系列连续性孔径。孔隙形状有多种类型,微孔以单边封闭型孔和墨水瓶型孔为主,过渡孔和中孔具有一定数量的两端开口型孔;3页岩广泛发育的有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔主要提供了天然气吸附场所;矿物粒内孔隙和微裂隙为游离气主要赋存场所并提供了天然气渗流通道。     

黏度和矿化度对岩石速度各向异性影响的实验研究

利用不同黏度(煤油和真空泵油)、不同矿化度(蒸馏水、50mg/L和150mg/L的NaCl溶液)的流体对页岩和具有明显层理的砂岩进行饱和,在实验室超声频率下研究样品不同方向纵、横波速度以及各向异性参数ε、γ随压力的变化规律.结果表明:(1) 随着黏度的增加,岩石纵、横波速度增大,各向异性参数ε、γ减小;(2) 随着矿化度的增加,岩石纵、横波速度增大,各向异性参数ε、γ的变化在实验误差范围内可以忽略不计.     

页岩气藏水平井分段压裂缝间应力干扰全三维模拟

已有多裂缝应力干扰分析模型多基于二维或拟三维假设,该类模型只能考虑裂缝沿水平面的扩展与水平方向的就地应力大小,同时对裂缝形态有较强约束。为了更加准确地分析三维空间多裂缝干扰模式,建立了基于三角形单元位移不连续方法的全三维多裂缝扩展数值模型,对采用二维与三维模型预测的应力干扰强度进行了比较,计算了多裂缝扩展引起的三维空间应力分布。模拟结果表明:全三维压裂模型能够更加准确地刻画地层应力分布与裂缝形态。与二维模型预测的结果相比,三维模型预测的裂缝间应力干扰更弱,预测的裂缝变形诱导应力变化和裂缝扩展速度更小。