煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的"固-气"耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展"固-气"耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及"固-气"耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。     

低渗透储层应力敏感性研究

虽然目前国内外对于低渗透储层应力敏感性的研究很多,但争论较大,未形成一致的看法。本文从室内实验和理论研究两方面出发,深入研究了低渗透储层的应力敏感性及其变化规律。在此基础上,利用渗透率应力敏感系数,结合分形理论,建立了考虑岩石内部结构、外部有效应力变化等多种因素影响下的渗透率变化规律的公式。研究表明,由于孔隙结构的特殊性,有效应力变化对储层渗透率影响较大,而对孔隙度影响很小。渗透率随有效应力的增加而不断减小,但其程度不断减弱,且存在永久伤害;渗透率越小,应力敏感性越强;同时快速的加压方式比慢速的加压方式对岩石的伤害更大。应力敏感系数可以定量表征岩石应力敏感性的强弱;考虑多种因素影响的预测公式,可以准确反映岩石的应力敏感情况,具有广泛的适用性。     

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.     

新型岩石相似材料物理力学参数影响因素的试验研究

运用岩石力学、单因素分析法等理论与方法,通过制作以砂子、石蜡、油等原料的相似材料试件,开展了不同冲击次数、骨料粒径、油含量试件力学性质测试试验。试验结果表明:在石蜡砂子质量之比、油含量等因素一定时,冲击次数为7次、5次、3次,其峰值分别为0.180,0.142,0.123 MPa,冲击次数多的试件抗压强度高于冲击次数少的。骨料粒径为:0.2~0.3,0.3~0.45,0.45~0.9 mm,其峰值分别为0.079,0.114,0.145 MPa,骨料粒径大的试件的抗压强度总是高于骨料粒径小的。油含量为0,10,20 m L,其峰值分别为0.197,0.124,0.108 MPa,油含量大的试件抗压强度低于油含量少的。试件的抗压强度随着冲击次数的不断增大,均随之增大;随着骨料粒径不断增大,均随之增大;随着油含量的不断增加,均随之减小。这些研究成果对相似材料模拟试验具有一定意义。     

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.     

热冲击作用下花岗岩渗透性演变规律试验研究

为研究高温花岗岩在热冲击作用下渗透性能变化规律,对不同温度花岗岩试件在空气中自然冷却、在水中(20℃,60℃,100℃)热冲击冷却等4种冷却条件下的渗透率变化规律进行分析,借助热冲击因子对不同冷却温度的热冲击破坏进行定量表征,研究结果表明:热冲击作用下试件渗透率增加幅度与岩石温度的升高呈指数关系;冷却介质与高温岩石之间的温差和对流换热系数共同影响热冲击过程中热量交换的速率,进而影响到热冲击破坏的结果;热冲击因子可以作为衡量热冲击破坏能力的物理量,热冲击破坏后花岗岩的渗透率随热冲击因子单调增加且存在阈值,超过阈值后试件渗透率随热冲击因子的增加而大幅度增加。     

模拟原煤的相似材料试验研究

为制备原煤的相似材料,选用煤粉和沙子为两种骨料,石膏和水泥为胶结剂,应用单因素分析法,分别就煤粉、石膏、水泥和沙子之间的不同配比对相似材料强度的影响进行了试验研究.结果表明,以煤粉为骨料的相似材料,其试样强度与煤粉用量呈线性负相关,且相关性显著,相似材料性能也易掌控;而以沙子为主料的相似材料,其试样强度与沙子用量呈非线性关系,试样强度波动较大,相似材料性能不易掌控.因此,以煤粉做原煤相似材料的骨料比沙子要合适,研究结果为原煤相似材料的制备提供了借鉴.     

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。     

陕北矿区开采潜水保护固液两相耦合实验及分析

矿山开采中涌水突水涌沙淹井实验研究都需进行固液耦合相似材料实验,但长期来由于没有寻找到合适的相似材料,井工采矿固液耦合实验一直没有突破性的进展.通过大量试验筛选,得到石蜡适合作固液耦合实验的胶凝剂,并作出试件物理力学参数随不同相似材料配比的变化规律,从而获得榆神府矿区各岩层相似实验配比.针对榆神府矿区沙基型覆岩及富水特点,进行了固液耦合水资源保护实验,采用间歇式开采.得出了从不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距.图4,表2,参10.     

三维固流耦合相似模拟理论与方法

从固流耦合的理论出发,通过建立的三维固流耦合数学模型,运用相似理论推导了三维固流耦合作用下的相似模拟准则。并通过大量相似材料配制试件的力学与渗透特性的实验,主要是其强度、渗透性、隔水性等,得出了几种典型的隔水层与含水层的相似材料配比,为今后真实再现工程实际中的固流耦合问题的研究提供模拟的理论依据及材料配比,同时介绍了作者单位研制的大型三维固流耦合相似模拟实验设备及其测试系统。     

聚苯乙烯轻质混合土渗透特性的试验研究

为研究聚苯乙烯轻质混合土在海岸工程、堤防工程等建设项目中作为筑堤材料的可行性，通过对不同配比聚苯乙烯轻质混合土渗透性能的试验研究，得到了聚苯乙烯轻质混合土渗透系数的大致范围及其随配比变化规律，渗透系数大约在10^--10^-7cm／s之间变化，随水泥掺入比增高、龄期延长、密度变大而有所降低，降低的幅度因配比不同而异，认为轻质混合土抗渗透性能较好，可在沿海工程建设中使用。     

低渗透油藏两相渗流参数及驱油效率的应力敏感性研究

储层物性参数及渗流参数受作用在岩石上的应力状态的影响。开发过程中由于地层压力的下降而导致应力状态变化,这种变化会带来岩石的不可逆伤害而影响物性参数、渗流参数及开发效果。建立了室内模拟地层压力变化的实验技术。定量研究了地层压力下降过程中油水两相渗流特征以及水驱油效率的变化规律。借助压汞、核磁共振等测试手段,分析地层压力下降过程中岩石孔喉结构特征参数的变化规律,定性研究了低渗透油藏两相渗流参数及水驱油效率的应力敏感性作用机制。研究结果表明,低渗透油藏岩石的油水两相渗流参数及水驱油效率具有应力敏感性,且岩石的渗透率越低,应力敏感性越强。不同渗透率级别岩石孔喉尺寸的差别决定两相渗流参数及水驱油效率的应力敏感程度。研究结果可为低渗透油藏的储层保护和水驱高效开发提供理论指导。     

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     

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。     

一种页岩相似材料的配制及其力学性能的研究

以地质力学模型试验的相似理论和相似材料的选择原则为基础,以砂子为骨料,石蜡为胶结剂,石膏为调节剂作为相似材料制成了一批可以模拟页岩的模型试件。该相似材料满足相似原理,且具有取材方便、经济成本低、制作工艺简单、成型时间短以及变形量大等优点。对5种不同配比下的软岩相似材料试件进行了大量的单轴、三轴试验,验证了该相似材料模拟页岩具有可行性。结果表明,该相似材料的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角随砂胶质量比的增大而减小,泊松比随砂胶质量比的增大而增大。该研究为进一步的模型试验提供了理论指导。     

加压时间对储层岩心渗透率的影响

目前储层应力敏感性研究仅限于有效覆压对渗透率的影响,忽略了加压时间对岩石变形的作用.在高压孔渗仪上用拟三轴岩心夹持器和天然岩心,考察了加压时间对岩石渗透率的影响,提出并计算了单位覆压下渗透率绝对变化速率和相对变化速率.结果表明,岩石变形或渗透率变化与时间有关,渗透率随加压时间的延长而降低.在加压初期渗透率变化幅度较大,随着时间的延长,渗透率变化逐渐变缓;幂函数在总体趋势上能拟合渗透率随时间的变化,其拟合误差在工程应用的合理范围内;基础渗透率大于4.6×10-3 μm2的岩心,渗透率下降主要发生在4 h内;渗透率绝对变化速率随时间的延长而降低;渗透率绝对变化速率和相对变化速率与岩石物性有关,岩心基础渗透率越高,渗透率绝对变化速率越大,相对变化速率越小.渗透率相对变化速率的建立,为储层应力敏感性评价提供了一个新的定量参数.     

加压时间对储层岩心渗透率的影响

目前储层应力敏感性研究仅限于有效覆压对渗透率的影响,忽略了加压时间对岩石变形的作用.在高压孔渗仪上用拟三轴岩心夹持器和天然岩心,考察了加压时间对岩石渗透率的影响,提出并计算了单位覆压下渗透率绝对变化速率和相对变化速率.结果表明,岩石变形或渗透率变化与时间有关,渗透率随加压时间的延长而降低.在加压初期渗透率变化幅度较大,随着时间的延长,渗透率变化逐渐变缓;幂函数在总体趋势上能拟合渗透率随时间的变化,其拟合误差在工程应用的合理范围内;基础渗透率大于4.6×10-3 μm2的岩心,渗透率下降主要发生在4 h内;渗透率绝对变化速率随时间的延长而降低;渗透率绝对变化速率和相对变化速率与岩石物性有关,岩心基础渗透率越高,渗透率绝对变化速率越大,相对变化速率越小.渗透率相对变化速率的建立,为储层应力敏感性评价提供了一个新的定量参数.     

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...     

低渗透油藏地层压力保持水平对驱油效率的影响

低渗透储层由于岩性致密、渗流阻力大、压力传导能力差,导致开发过程中地层压力下降快、下降幅度大,从而造成岩石骨架变形而影响其物性和渗流能力。这种变化必然会影响到油气井的产能和油气田的开发效果。作为评价油气田开发效果的重要参数驱油效率一直是油藏工作者研究的热点问题,多年来对驱油效率影响因素的研究主要集中在岩石固有性质(润湿性、孔隙结构)、流动介质(油水粘度比)、动力条件(驱替压力梯度及速度)等方面,遗憾的是未见到考虑地层压力保持水平因素的研究。通过室内流动实验,模拟再现了地层压力下降过程,研究了低渗透油气藏不同地层压力保持水平条件下驱油效率的变化规律。结果表明,水驱驱油效率是地层压力保持水、储层岩石初始空气渗透率的函数,其随着地层压力保持水平、储层岩石初始空气渗透率的下降而单调下降,表现出应力敏感性特征,且地层压力下降幅度相同时,储层岩石初始空气渗透率越低,水驱驱油效率降幅越大,驱油效率的应力敏感程度越强。分析认为储层岩石的弹塑性变形是驱油效率应力敏感性的根本原因,因而提出了储层岩石初始渗透率越低,越应尽早注水保持地层压力开发的低渗透油气藏开发理念,为高效开发低渗透率油气藏提供了理论依据。     

含水率对相似材料模型强度的影响规律

为减少含水率对相似材料模型强度的影响,利用时域反射技术对相似材料模型含水率变化特征进行了监测,通过不同含水率值的相似材料试件,获得了相似材料试件单轴抗压强度与含水率的关系;提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率,得出了含水率变异函数表达式;以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象,搭建了长×宽×高为1 000 mm×120 mm×700 mm的相似材料模型,利用FDR传感器监测模型含水率,绘制模型含水率分布图。结果表明,当配比为8∶3∶7且含水率在0.2%～2.3%之间时,相似材料试件的单轴抗压强度与其含水率呈负线性关系;通过模型含水率分布云图,模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征,中硬度岩石相似材料模型含水率值达到1.7%～2.2%时,模型强度达到预期强度;相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度,中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判模型干燥养护程度的方法,为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。