砂岩渗透参数随渗透水压力变化的CT试验

运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石空隙率计算公式,从CT尺度上分析了岩石空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随渗透水压力的变化规律,结果表明:岩石的渗透参数(空隙率、微管径、渗透率)随渗透水压力的增加而增大,渗透参数随渗透水压力的变化呈对数关系,这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形,从宏观应力-应变关系看,岩石并未出现宏观破坏,还处于弹性变形阶段;而渗流速度与渗透水压力呈线性关系,符合宏观尺度渗流的达西定律。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

陷落柱骨架砂岩三轴压缩渗流特性及声发射特征试验研究

为研究陷落柱骨架砂岩在不同围压及渗透压条件下的力学性质、渗流特性和声发射基本特征,采用岩石三轴渗流实验系统及AE21C声发射监测系统,开展三轴压缩条件下渗流试验,得到砂岩变形过程全应力–应变及渗透率演化曲线,同时获得砂岩变形、渗透率及声发射信号演化规律。研究结果表明:(1)陷落柱骨架砂岩具有明显的脆性特征。渗透压相同时,砂岩应力峰值强度、弹性模量及峰值应变随着围压的增大而增大;围压对砂岩宏观破坏特征影响明显,破坏形式由多裂纹剪切破坏逐渐变为单斜面剪切破坏。(2)砂岩总体呈现低渗透特性。砂岩渗透率演化规律与三轴加载应力–应变关系具有密切的相关性。渗透率总体呈现出逐渐减小,平稳发展,迅速增加的三阶段变化特征。(3)声发射变化特征与应力–应变及渗透率曲线特征基本一致。初期阶段,振铃计数率随围压升高而减小;裂隙发育扩展阶段,声发射振铃计数率呈现密集活跃状态并逐渐增大;失稳破坏阶段,振铃计数率迅速增大后又快速回落。试验结果对于研究岩溶陷落柱的稳定性及渗透性变化规律具有重要参考价值。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

采气–采煤阶段煤岩渗透率演化机制研究

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力–应变–渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度–应力的煤岩渗透率模型,探讨温度与应力作用下煤岩瓦斯渗流演化机制。新建的煤岩渗透率模型包括有效应力、吸附/解吸、热膨胀及热裂四部分影响因素,并使用损伤变量表征裂纹扩容过程中产生的基质膨胀效应(热裂),结果表明:(1)当外应力恒定时,不同温度下渗透率随孔隙压力减小先略有减小而后迅速增大;当孔隙压力恒定时,渗透率随温度增大整体呈先减小后增大的趋势。(2)在煤岩全应力-应变–渗流试验过程中,渗透率随轴向应力的增大呈先减小后增大的趋势;煤岩弹性模量及峰值强度与温度之间呈负相关关系。(3)新建渗透率模型的计算值和实测值基本一致,可较好表征渗透率随孔隙压力及有效应力的演化规律。(4)基于内膨胀应力的定义,探讨温度与应力作用过程中内膨胀变形对渗透率的贡献。在温度恒定时,渗透率随内膨胀因子的增大而减小;煤岩裂隙宽度与损伤相关,在温度突变系数增大过程中渗透率随之减小。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

顶板–煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

基于声发射和数码摄像机录像系统,对不同高比的5组顶板砂岩–煤柱结构体进行单轴压缩试验,研究其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩–煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合,摩擦效应加强了交界面处煤样强度,而削弱了交界面处砂岩强度;顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势;在同等条件下煤样原生裂纹越发育,顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,大部分起裂位置位于煤样上,但当岩煤高比为9∶1时,交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏,同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏;砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的,且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同,砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏,随岩煤高比增大,煤样和砂岩破坏程度增大,煤样更加破碎。     

细砂岩破坏全过程渗透性与声发射特征试验研究

为探讨细砂岩变形破坏过程中的渗透特性及声发射特征,采用MTS 815岩石力学试验系统及PAC PCI–2声发射测试工作站,对细砂岩进行三轴压缩条件下的渗透性和声发射特征试验,分析全过程中渗透率的变化规律、渗透率–应变关系、声发射特征及其与渗透性之间的关系。研究表明:细砂岩变形破坏过程中渗透率随应力–应变曲线呈阶段性变化,不同围压下渗透率的变化规律相似,随着围压升高,渗透率量值降低;横向应变ε3与渗透率K随轴向应变ε1的变化规律基本一致,横向变形增加的突变点与渗透率的突变点相对应,更能反映渗透性的变化;声发射特征反映了细砂岩变形破坏过程中裂纹的发展、演化过程,声发射和应力–应变、渗透率均具有很好的相关性;声发射特征参数能量率随围压升高而增大。基于声发射特征的分析能更好地揭示岩石变形破坏过程中裂纹的产生和发展状况,有助于深入认识岩石渗透性的变化机制。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

单轴–三轴和渗透水压条件下砂岩应变特性的CT试验研究

常规的应力应变试验难以清晰地反映砂岩在不同应力状态下的细观应变特性,然而,砂岩细观应变特性对一些工程的影响是非常巨大的。通过螺旋CT机以及与其配套的实时三轴加载和渗透压力设备对砂岩进行各种应力状态下的应变特性试验,反映出不同应力状态下的砂岩的应变特性有很大不同。结合CT图像和CT数的分析,对砂岩应变过程中的孔隙率的变化能直观地进行计算,以及对CT数方差的分析,能较简单地判断出砂岩的应变特性以及破坏模式。研究结果表明:(1)在单轴和三轴压力作用下,砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化,而方差比较稳定的地方发生塑性变化;(2)当有渗透水流作用时,砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异,峰值强度显著增大,残余强度也明显增加;(3)砂岩在单轴干燥状态下是发生脆性破坏,而在有渗透压力和围压的情况下发生的是塑性破坏,有围压而没有渗透压作用时的破坏介于两者之间。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

Effect of damage on gas seepage behavior of sandstone specimens

In underground engineering,such as geological CO_2 sequestration,unconventional oil and gas exploration,and radioactive waste storage,permeability of rock is important to evaluate the potential CO_2 storage capacity,improve oil and gas production,and prevent leakage of radioactive waste.In this study,hydrostatic stress tests and triaxial compression tests with gas permeability measurements were carried out on intact and damaged sandstone specimens.Three series of experiment were designed to evaluate the permeability evolution laws of sandstone under different testing conditions.They included triaxial seepage tests on intact specimens under different confining pressures,triaxial seepage tests on damaged specimens with different extents of damage,and hydrostatic seepage tests on damaged specimens under increasing and decreasing gas pressures.Based on the experimental results,the effects of effective confining pressure,extent of damage and increasing and decreasing gas pressure on permeability of sandstone were investigated.It shows that the permeability of the intact sandstone specimens first decreased and then increased,followed by a constant value with increase in axial strain.The permeability of the sandstone specimens was observed to decrease with increase in effective confining pressure.The extent of damage affects the permeability evolution,but does not influence the failure patterns of damaged sandstone.As the gas pressure increased,the permeability of the damaged sandstone specimen increased.Under the same gas pressure condition,the permeability during the decreasing process is generally higher than that during the increasing process.These experiments are expected to enhance our understanding of seepage behavior in underground rock masses.     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

用于岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用

 了观察和度量岩石空隙结构随应力的变化,研制了一种能和微焦X射线CT系统配套使用的三轴仪,该设备轻便,能够施加三轴压力,并在不卸载压力情况下对试样进行CT扫描和渗透系数的测量,且能够实时记录压力和变形等数据。利用研制的CT三轴仪得到了Berea砂岩在加载过程中的一系列CT图像,结合3DMA空隙结构计算方法,获得了Berea砂岩在不同应力状态下的有效孔隙半径分布、有效喉道半径分布以及弯曲度分布等定量细观几何特征。同时采用瞬态脉冲法测量了Berea砂岩不同方向的渗透率随有效围压的变化规律。结合围压对细观空隙结构参数的影响,认为细观空隙结构的变化是导致渗透发生改变的根本原因,当有效围压从零增至15 MPa时,半径40～100 μm的孔隙数量减少、孔喉半径减小以及Z方向的迂曲度增加,这是导致Berea砂岩渗透率随有效围压增大而降低的主要原因。     

砂岩隙宽变化与CT数变化的相关关系

利用最新研制的中低压多功能CT机配套专用渗流试验装置，分别对干燥砂岩试样和渗流砂岩试样进行了三维应力状态下的实时CT观测，根据试验结果初步讨论了砂岩裂隙隙宽变化与CT数变化的相关关系，并提出了裂隙隙宽的计算公式。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

渗流状态下砂岩的三维实时CT观测

利用中低压多功能CT专用渗流实验装置,进行了三维应力状态下砂岩的渗流实时CT观测试验研究。为使试验具有对比性,分别进行干燥试样的常规三轴试验和渗流三轴试验的CT实时观测,取得了渗流对岩石损伤演化规律影响的初步成果。根据试验过程的应力–应变曲线,提出试样强度和变形折减率的计算公式;分析了干燥试样和渗透试样CT数与应力的相关关系;提出了确定裂缝宽度的像素量测法;提出根据测区平均CT数与测区面积的相关关系来确定裂缝宽度的数值计算方法。