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《中国矿业大学(北京)》 2016年
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低渗透岩石的应力敏感性与孔隙结构三维重构研究

郑江韬  
【摘要】:低渗透岩石的物理力学性质是地下工程及基础设施建设、煤炭与油气资源开采、水力水电开发、核废料处置及能源储备、CO2地质封存等领域的研究热点。深入认识和理解低渗透岩石的物理力学性质是解决上述工程领域实际问题的核心与保障。这些工程的建设与实施过程中,由于开挖扰动或者实际工况影响,低渗透岩石所处的应力环境不断变化。低渗透岩石的物理力学响应随开采应力变化而不断演化。例如,地下硐室开挖导致原岩应力释放,在采动应力和初始地应力的共同作用下岩石中的微裂纹发育,导致围岩的物理力学性质,特别是渗透率随采动过程不断变化;深部煤与瓦斯共采时,需要考虑开采引起的煤层渗透率的变化规律,以便实施有效的抽采工艺;核废物处置工程中,需要考虑核废物衰变释放的热量导致的周围岩层物理力学性质的改变;低渗油气藏开采时,测量岩石样品的渗透率需要恢复样品所在地层的原始应力状态才能获得较准确的储层渗透率表征;CO2地质封存中,研究盖层密封性时需要考虑CO2上浮带来的盖层有效应力的变化对盖层岩石渗透率等物理力学性质的影响。因此,深入研究低渗透岩石物理力学性质随地层应力状态改变而变化的规律对于确定合理的工程建设设计与实施方案具有重要意义。定量研究和表征低渗透岩石渗透性质随应力的变化特征及演化规律是本文研究的重点。研究发现低渗岩石渗透率随有效应力的变化规律与常规岩石表现出了很大的不同。在较小的有效应力范围内,随着有效应力的增长,低渗透岩石表现出孔隙率变化不大但渗透率大幅下降的现象。渗透率甚至会下降几个数量级,国内学者将此现象称之为渗透率的压敏效应。为了描述与揭示低渗岩石压敏效应,国内外学者在宏观实验数据拟合以及在微观模型基础上开展数值分析两方面分别开展了相关研究,取得了不少进展。本文的研究在系统地收集了低渗岩石孔隙率和渗透率随有效应力变化的实验测量数据,并分析了当前学者用于描述低渗岩石孔隙率有效应力关系式和渗透率有效应力关系式后发现:这些关系式并不能准确描述整个应力范围内低渗岩石的孔隙率和渗透率的测量数据。并且这些关系式多半来自经验拟合,并不能准确反映岩石这些外在表象的内在物理规律,无法合理与准确地描述低渗透岩石的压敏效应。微观方面由于岩石内部孔隙、裂隙、节理等不连续结构的复杂性,大部分研究对这些不连续结构进行了过分简化。同时当前微观岩石模型难以准确表征受力后岩石内部不连续结构的变化。并且当前计算流体方法在处理岩石内部孔隙结构复杂边界条件时会遇到极大困难,使得模拟难以进行。本文针对上述问题,尝试从宏观和微观两个层面的研究出发,准确描述与定量表征低渗岩石渗透率和有效应力的关系,同时尝试结合宏观和微观分析得到的结论,对低渗岩石压敏效应外在表现的内在机理加以解释。在宏观方面,本文从实验测量数据出发,借助岩石“两部分胡克定律模型”,即two-parthooke’smodel(tphm)建立起了更符合实际物理规律的宏观理论关系式。tphm概念性地将岩石划分为“软”、“硬”两部分,并采用不同形式的胡克定律来描述软、硬两部分大不相同的变形规律。顾名思义,软的部分受力后产生相对自身尺寸来说较大的变形,采用自然应变关系来更准确描述;硬的部分变形规律描述与传统岩石小变形理论相似,采用工程应变关系近似描述。软硬两部分应力应变关系不同,导致它们对岩石孔隙率和渗透率的贡献大不相同。软硬两部分联合构成了岩石整体,采用这样的划分可以更准确地描述低渗岩石在应力作用下的渗透率变化规律。我们采用幂函数方程拟合了软的部分的孔隙率和渗透率的关系。拟合结果显示软的部分孔隙率和渗透率大致符合“立方定律”,这说明低渗岩石的渗透率压敏效应是由于岩石内部微裂纹闭合所导致的。本文建立起的宏观关系式具有如下优点:(1)宏观概念模型的建立考虑了岩石的非均质性。这为得到更合理的物理描述关系式打下了坚实的基础;(2)此宏观模型可以更准确地反映岩石在整个应力测试范围内物理力学性质的变化,尤其是可以表征岩石在较低有效应力范围内的非线性变化,例如较低有效应力范围内孔隙率的非线性降低和渗透率的大幅下降;(3)模型采用孔隙率作为中间桥梁,分析了低渗岩石受力后,由于不连续结构非均匀压缩变形导致的渗透率变化。相比直接分析渗透率随有效应力变化,更符合物理认知;(4)宏观模型关系式中各个参数具有明确的物理意义,而不是为了达到描述实验数据而进行的公式拟合;(5)此宏观模型可以给出符合物理定律的低渗岩石压敏效应描述与解释。在tphm理论框架下推导得到的一系列岩石孔隙率和渗透率随有效应力变化的关系式,可以更准确与合理地反映低渗岩石受力变化时的物理力学性质,同时可以对低渗岩石压敏效应加以合理解释。此外,我们应用宏观理论推导得到的关系式分析了页岩气开采产量递减曲线。作为tphm的一个应用,我们将页岩渗透率随有效应力变化的tphm关系式融合到了数值模拟软件中,采用comsol分析了页岩气产量递减曲线。通过模拟发现,对储层的合理改造是页岩气产量化开采的前提;储层气体压力的降低是页岩气产量下降的主要因素;储层岩石渗透率随有效应力的改变对页岩气产量递减曲线有着较大的影响。考虑储层岩石渗透率应力相关性的模型表现出了更迅速的产出速率递减,同时表现出了更长的生产年限。在微观方面,我们从岩石的孔隙结构特征出发,建立了可以准确表征岩石内部孔隙结构的数字岩心模型,并在此数字模型的基础上分析了岩石的渗透性质。首先,岩石渗透性质与岩石孔隙结构密切相关,准确和定量地表征孔隙结构十分重要。本研究中,我们通过ct扫描实验和计算机重构技术获得了岩石微观孔隙结构。作为CT扫描实验获得岩石孔隙结构的补充,重构方法在当前昂贵与耗时实验条件的限制下显得不可或缺。本文介绍了基于传统模拟退火算法改进得到的高效岩石孔隙结构模型重构算法。通过在重构过程中加入模拟岩石成岩的过程,改进了模型重构初期的执行效率和算法有效性;在重构算法中引入分形几何方法,更好地描述了孔隙结构复杂的几何形态;同时采用了新的系统迭代更新方式,提高了算法后期的执行效率。通过与CT扫描实验得到的参考模型相对比表明:重构模型与参考模型有较好的几何相似性,基本一致的几何统计特征,相似的小岛分形维数,相似的拓扑参数以及基本一致的单轴压缩力学响应。这些对比表明了重构算法的有效性。其次,由于当前实验条件的限制,难以通过实验直接获得低渗岩石内部不连续结构随应力变化的准确描述。因此利用岩石数字岩心模型开展相关研究,是完成这一任务必要和有效的方法。在微观模型的建立过程中,我们融合了宏观分析所得到的低渗岩石中微裂纹随有效应力增大而闭合的结论。在孔隙结构模型的基础上建立了岩石三维孔隙—微裂纹模型。通过在岩石三维孔隙结构模型的基础上增加随机构造的微裂纹,形成孔隙—微裂纹模型。分析中采用孔隙—微裂纹模型代表较低有效应力范围内低渗岩石内部的微观结构,采用孔隙模型代表较高有效应力范围内岩石内部的微观结构。这两组模型的建立,可以用来对比分析微观结构演化对岩石渗透率的影响。再次,我们采用格子玻尔兹曼方法,即Lattice Boltzmann Method(LBM),对比分析了两组模型内部流体的速度场分布,并换算得到了两个模型的渗透率。LBM可以直接利用具有复杂非连续结构的数字岩心模型进行渗透性质分析,相比传统计算流体力学方法难以考虑复杂边界具有天然的优势。通过对比计算发现,微裂纹的存在,大大增加了模型内部的有效流动通道。虽然微裂纹所占的孔隙体积比很小,但作为关键的流动通道,它们的存在大大提高了岩石的渗透性。在微观尺度上建立岩石内部孔隙及微裂纹结构,考虑由于应力改变导致孔隙结构的变化,并借助LBM方法研究结构内部流体的流动性质,可以直观定量地分析微观孔隙结构和岩石渗透性质之间的关系。通过LBM流动模拟,我们直观地展示了微裂纹对岩石渗透性质的巨大影响。总的来说,在岩石微观数字模型基础上开展的分析,可以帮助我们更深入地理解与认识岩石宏观物理力学性质外在表现背后的内在机理。本文从宏观和微观两个层面着手,详细地分析了低渗岩石渗透率的应力敏感性。在宏观描述方面,借助TPHM模型,建立了低渗岩石孔隙率、渗透率随有效应力变化的规律。在微观方面,建立了孔隙—微裂纹模型,借助LBM方法模拟了模型内部流体的流动规律,直观展示了微裂纹对模型渗透率的巨大贡献。分析表明低渗岩石内部的微裂纹在应力作用下产生相对自身来说较大的变形,这是低渗岩石渗透率应力敏感性外在表现的内在原因。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU45

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