两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析

为研究岩石不同渗透特性,对石灰岩和闪长岩进行了瞬态渗透实验,研究了岩样全应力-应变过程中的渗透率演化规律以及孔隙压差与时间的关系,并建立了岩样变形破坏过程的应变-渗透率方程,最后分析了这两种不同类型岩石渗透机理.实验结果表明,闪长岩的渗透率在峰前很低且基本不变,在峰值强度时产生"突跳"现象,石灰岩的渗透率在岩石强度峰值前后随岩石变形逐渐增大.应变-渗透率曲线的拟合方程更能深刻描述岩石破裂过程的渗透规律,孔隙压差与时间的变化关系呈一元四次多项式的关系.岩石渗透性与岩石的应力状态和岩石内部结构及力学性质有关.     

多种矿物成分破碎岩石渗透试验

采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩和破碎煤矸石进行渗透试验,分析粒径、有效应力和孔隙度对破碎岩石渗透性参量(渗透率、非Darcy流β因子)的影响.试验岩样粒径为0~2.5 mm、2.5~5 mm、5~10mm、10~13 mm和0~13 mm,通过轴向位移分别为4 mm、8 mm、10 mm、12 mm和14 mm控制孔隙度.试验结果表明:渗透液压越大,有效应力越大,渗透越快,流量越大;破碎岩样的有效应力与渗流速度可用线性关系拟合,并给出了有效应力直接估计渗透率的公式;破碎岩样随孔隙度增加,其渗透率增加,非Darcy流β因子减少,孔隙度大于0.4左右时,渗透率增加幅度变大,而当孔隙度小于0.35左右时,非Darcy流β因子变化较大;相同粒径的不同岩样,随孔隙度的增加,不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势不同,且孔隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程度不同.     

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.     

多场耦合作用下砂岩渗透率演化规律

在不同温度和孔隙水压条件下,研究砂岩三轴压缩过程中渗透特性的演化规律,研究多场耦合作用下岩石渗透率与力学性质的演化规律,结合CT技术从细观角度进行验证温度和水对裂隙损伤演化的影响。研究结果表明:渗透率随着岩样的变形而变化,其变化趋势与岩样受载变形破坏的发展阶段相对应。三轴压缩状态下,渗透率对轴向力和径向变形密切相关。温度的作用降低了峰值强度、残余强度和切线模量,增大了泊松比。孔隙水压和温度的作用增大了岩体塑性,损伤减小。由于孔隙水压的增大使得有效应力减小,水楔作用、润滑作用和软化作用的存在,相同温度条件下,峰值强度、残余强度和切线模量随之减小,泊松比增大。孔隙水压的提高造成了更大的渗透率。温度的升高导致渗透率降低。     

温度作用下花岗岩力学性质实验研究

对实时高温作用下(常温～850℃)和高温作用冷却后(常温～1300℃)花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究,得到了实时高温作用下花岗岩的全应力-应变曲线、高温作用冷却后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明:实时高温作用下,花岗岩强度等力学性质连续劣化;高温作用冷却后,花岗岩在200℃～600℃的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象,在850℃之后,岩样强度降低,呈现出较明显的塑性特征,花岗岩结构发生脆塑性转变的相变行为;岩样承受900℃以上高温作用后,声发射信号强度降低,持续时间增长,尤其在峰值强度之后,残余塑性变形释放出较密集的声发射信号。随着岩样所受温度的升高,出现突发密集声发射信号的时间点延迟。     

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。     

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。     

循环高温冷却作用后花岗岩渗透率演变试验

干热岩利用介质发电过程中,其内部不同温度梯度的岩层会产生温度交替变化,研究循环高温作用下岩石的渗透性可提高其利用效率。本文开展了循环高温（400 ℃和600 ℃）冷却后花岗岩的气体渗透率试验,探讨温度、循环次数、冷却方式、围压对花岗岩内部流体传输的影响,从不同角度分析花岗岩气体渗透率在循环高温冷却作用下的演变规律。结果表明：随着循环次数增加,温度越高,岩样劣化越明显,高温淬火普遍比自然冷却劣化严重。岩样第一次高温冷却后的损伤程度最为严重,质量损失率均占6次循环过程总质量损失率的近一半。岩样表观渗透率在2次循环后增大了两个数量级（从10^-18 m2到10^-16 m2）。第4和第6次循环,其表观渗透率在高温淬火冷却下有缓慢增长,在自然冷却下变化很小。     

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。     

特低渗砂岩储层温度敏感性实验

温度对特低渗砂岩渗透率的影响存在争议,且温度对砂岩渗透率应力敏感性的影响研究较少。以延长油田
特低渗砂岩岩芯为研究对象,应用室内物理模拟实验研究了不同压力条件下温度对特低渗砂岩渗透率的影响以及温
度对特低渗砂岩应力敏感性的影响。实验研究表明：在高围压（20.0 MPa）下,温度从30 ?C增加到150 ?C砂岩渗透
率几乎不变;在低围压（3.0 MPa）下,温度从30 ?C增加到150 ?C时砂岩渗透率降低了13.47%;温度从30 ?C增加到
150 ?C,储层渗透率应力敏感性伤害程度增加了3.8%,高温条件下比低温条件下应力敏感性增强。     

不同条件下花岗岩中声波传播速度的规律

应用超声波混凝土测试仪(TICO),系统研究了含水率、裂纹、应力和温度对花岗岩内波速传播的影响.实验发现含水率对波速影响比较大,饱和岩样的声波传播速度高于不饱和岩样的声波传播速度;人工预制裂纹对声波传播速度影响不大;单轴压缩条件下,声波传播速度随应变增加逐渐降低;在同一温度(160℃)下,波速随保温时间的增加而逐渐降低;在对岩样逐渐加热情况下,初始加热阶段波速略有升高,当温度达到60℃时,岩样波速达到峰值,之后随着温度继续升高其波速逐渐下降;波速随温度变化具有一定的尺寸效应.实验结果表明,声波在岩石内传播速度受很多外在因素影响,并具有一定的传播规律.     

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。     

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.     

液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验

液氮作用于高温岩石能够损伤致裂岩石,因此可用于提高干热岩地层的钻井和压裂效率。为研究液氮快速冷却高温岩石对其物理和力学性质的影响规律,分别采用液氮冷却和自然冷却对不同温度(25～600℃)的干燥花岗岩岩样进行处理,通过对比两种处理方式下岩样的声波速度、渗透率、抗拉及单轴抗压强度的差异,得到液氮冷却对高温花岗岩的损伤特性。结果表明:液氮冷却可有效损伤高温花岗岩;对于实验中150～600℃的花岗岩,经液氮冷却产生的损伤能使其波速降低4.13%～10.04%,渗透率提高0.21～182.80倍,抗拉强度降低4.95%～34.54%,抗压强度降低13.95%～29.30%,弹性模量降低7.33%～45.74%;冷却前岩石温度越高,冷却过程中产生的热应力越大,冷却损伤程度越大。     

超低渗透油层温度-应力-渗流的流固耦合效应

目的在于研究由于注入流体的温度过低而引起超低渗透油层渗透率和孔隙结构变化的温度-应力-渗流的流固耦合效应.实验选用了长庆超低渗油藏的岩心,在恒压和各种不同温度下测定了岩心的渗透率.实验结果表明:①随着温度的降低,岩心的渗透率不断降低,大约2/3的超低渗岩心在25℃左右时会出现裂缝直至断裂.在25~15℃温度段内,流体通过超低渗透多孔介质的渗透率对温度最敏感,其变化程度最大(要么降低的幅度最大,要么出现裂缝),且这种变化是部分不可逆的.②随着温度的升高,岩心的渗透率稍有增加,当温度再开始下降时,渗透率下降,温度下降到原始地层温度时渗透率的值比初始值要大,但增加的幅度不大.因此,注水开发低渗透和超低渗油田时应尽量避免冬季投产和施工作业.在正常的开发状态下应在合理的生产压差下,合理选择或保持适当的注水温度,尽量降低冷伤害对开发效果的影响,保持油藏的稳产和高产.     

混合破碎岩样渗透特性试验研究

为研究混合破碎岩体内流体渗透规律,利用一套由液压泵、渗透仪以及DDL 600电子万能试验机等构成的破碎岩样渗透试验系统进行了混合破碎岩样渗透特性测定,分析了混合破碎岩样与单种破碎岩样渗透特性的差异.研究表明:混合破碎岩样较单种破碎岩样的非Darcy流特性更显著;随着孔隙度的增加,单种岩样较混合岩样渗透率的变化幅度大,且相同粒径不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势呈现较大差异;随着孔隙度的增加,混合岩样的非Darcy流β因子显现减小趋势,且混合岩样较其单种岩样非Darcy流β因子的大小因粒径不同而不同.     

多裂缝系统致密砂岩气藏的水锁及应力敏感叠加伤害研究——以川西蓬莱镇组致密砂岩为例

为研究水锁、有效应力对裂缝储层的叠加损害,选取川西蓬莱镇组致密砂岩气藏岩样,进行了干岩样和不同含水饱和度条件下岩样应力敏感实验。实验结果表明,随着岩样含水饱和度的增大,水锁程度增大,应力敏感程度增强;同含水饱和度下,有效应力增加,水锁程度增强。在压裂后的多裂缝系统储层中水锁和储层有效应力两者的协同作用对多裂缝网络储层渗透率造成叠加损害,可以为多裂缝致密砂岩储层开发方案的设计提供依据。     

温度作用后花岗岩强度特性及矿物成分变化特征

文章基于传统三轴压缩试验,对温度作用后的花岗岩强度特性与破坏形式开展研究,借助X射线衍射仪,从微观角度上分析了强度劣化的相关机理。结果表明:在20~900℃范围内,随温度升高,试样色调变暖;单轴压缩下热处理岩样为对锥形或柱状劈裂破坏,三轴下均为剪切滑移破坏;除了300℃下抗压强度出现增强外,高温作用后花岗岩单轴抗压强度整体呈下降趋势;随温度升高,围压对强度的增强作用变得明显,但这种增强作用难以抵消高温对岩石的损伤劣化效果;在500℃及以下时,岩样主要成分的衍射信息未见明显变化;达到500℃后,在26.5°~27.0°衍射角内石英的衍射峰明显减小,27.5°~28.0°范围内斜长石的衍射峰完全消失。岩样矿物成分改变以及结晶态相变是导致高温作用后岩石力学性质与强度降低的重要原因。     

准平面应变条件下大尺寸煤岩样的渗透特性研究

为研究采掘工作面煤岩渗透特性与应力、裂隙之间的关系,利用自行研制的煤-气耦合双向加载试验系统,在准平面应变条件下对大尺寸煤、岩样的应力-裂隙-渗透特性变化规律进行试验.结果表明：不同尺度的煤岩样的应力-裂隙-渗透特性变化具有相关性,呈分段性特征;加载过程中煤样局部失稳和裂隙的由外向内发展导致3种煤样渗透特性曲线在压密和弹性阶段出现“锯齿”形不光滑现象;试样内部结构的不同,导致渗透特性变化各异;煤样出现应力滞后性特点;岩样脆性特征明显,渗透特性出现突变且渗流速度最大时刻与岩石破断时刻基本同步.     

特低渗透砂岩储层应力敏感性实验

 应用室内低渗透物理模拟实验手段,研究了微裂缝发育和微裂缝不发育的特低渗透砂岩岩样的应力敏感性特征,并对比分析了两类样品的应力敏感性差异。研究结果表明,无论储层是否发育微裂缝,储层渗透率越小,其应力敏感性越强;微裂缝不发育时,渗透率小于2×10^-3μm²的储层应力敏感性较强且其强度随渗透率的降低而急剧增大,而渗透率大于5×10^-3μm²的储层应力敏感程度较弱;微裂缝发育的储层的应力敏感性明显强于微裂缝不发育的储层,有效应力增大时,微裂缝发育的储层的渗透率损失为微裂缝不发育的储层的2—3倍,而有效应力降低后,渗透率不能完全恢复,微裂缝发育的储层的渗透率损失约为微裂缝不发育的储层的5倍。研究结果对制定合理的特低渗透油田开发方案具有实际指导意义。