盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制,对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设;在此基础上,考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件,建立盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流–溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流–溶解耦合过程进行试验研究,并应用盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型进行模拟分析与验证,计算结果与试验结果非常吻合,表明所建立的盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流–溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力–渗流–溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。

层状盐岩中裂纹扩展规律的细观实验研究

层状盐岩力学行为的研究是地下盐岩储库建设的科学基础。借助可以进行原位加载下实时观测的SEM实验系统,对载荷作用下层状盐岩开裂破坏时的裂纹扩展规律进行研究,并从能量耗散及释放的角度探讨层状盐岩破坏的细观机制。观察发现,层状盐岩中岩盐与泥岩夹杂的细观结构有着较大差异,从而影响着盐岩的宏观力学行为。层状盐岩中裂纹扩展路径一般不是沿着岩盐与夹杂的界面,而是在岩盐或夹杂中扩展。且当裂纹在泥岩夹杂中扩展时,能量耗散明显,形成不规则的裂纹,其分形维数大于1,并有可能出现分叉,此时盐岩承载能力较弱,外载做功还较小时就会导致破坏;当裂纹在岩盐中扩展时,伴随较多的弹性能快速释放,形成较平直的裂纹,其分形维数近似为1,并有可能出现较大张开,此时盐岩承载能力较强,吸收外载做功的能量较高。

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。

盐岩损伤自愈合特性研究综述

盐岩具有渗透率低、延展性高、蠕变特性好以及损伤自愈合等特性,已经成为国内外公认的地下石油天然气储库以及储存放射性废料最理想的储存介质之一。盐岩损伤自愈合作为盐岩损伤演化重要的一部分,对储库开采扰动区盐岩力学稳定性以及渗透性具有重要影响。从发生机制、影响因素、本构模型等方面综述了国内外盐岩损伤自愈合研究进展,总结了国内盐岩损伤自愈合研究成果。盐岩损伤自愈合主要机制包括压力闭合、表面能驱动下的扩散效应以及盐岩内部晶体再结晶作用。影响盐岩损伤自愈合特性的主要因素有压力、温度、初始损伤、湿度、化学环境等。对考虑盐岩损伤自愈合特性的MDCF模型以及Lux/Hou模型作了简要介绍。最后指出了我国含杂质层状盐岩损伤自愈合特性值得关注的几个重点研究方向。

考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,基于黏结裂缝模型,构建一种可以考虑层状盐岩地层界面启裂、裂隙扩展和流体渗漏的黏结单元,导出地层界面损伤演化方程、裂隙扩展准则以及缝内流体流动方程,建立考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型,通过典型算例验证模型的有效性。研究层状盐岩地层界面启裂与裂隙扩展过程。研究结果表明:地层的渗透性和裂缝面漏失系数对地层界面裂隙扩展有明显影响,地层渗透性系数越小,地层开裂程度越大;而裂缝面漏失系数越大,地层开裂程度越弱,但流体渗漏程度加大。

单轴条件下层状盐岩的表面裂纹扩展分析

利用荧光法和细观分析技术对单轴条件下层状盐岩表面裂纹扩展及分布进行了研究,并简要分析了国内外盐岩物理力学性质的差异。试验结果表明:纯盐岩表面裂纹以盐晶粒间错动裂纹为主,晶间裂纹扩展贯通形成破坏性主裂纹,裂纹分布受盐晶粒大小及分布均匀性的影响,国外细晶粒盐岩的强度和变形能力均大于国内粗晶粒纯盐岩;纯夹层表面裂纹多产生在几种矿物交杂沉积处,裂纹分布由夹层矿物成分和组成结构决定;含夹层盐岩表面裂纹扩展分布受夹层与盐岩界面过渡形式影响,一般锯齿型交界面裂纹由盐岩部分主裂纹向夹层扩展而成,而过渡分明并含有薄泥层的交界面裂纹由盐岩部分主裂纹和泥层碎散型裂纹汇集扩展而成。

三轴应力作用下岩盐溶解特性试验分析

岩盐地下储备库是能源储备重要方式。三轴应力作用下岩盐溶解特性的研究,为岩盐地下储库水溶造腔的形状控制、安全建设等提供理论基础。运用三轴岩盐溶解试验机进行了岩盐试样在三轴应力作用下溶解特性试验,研究发现在应力作用下岩盐溶解特性发生显著变化。计算分析了岩盐试样通水孔壁处应力与试样外部载荷轴压和围压的关系,运用等效应力描述通水孔壁处应力分布情况。采用多组围压条件下三轴应力和溶解耦合试验,分析了不同围压条件下岩盐溶解速率与等效应力之间的关系。研究结果表明,岩盐溶解速率随着等效应力的增大先缓慢减小,随之降到最低点,然后又随着等效应力的增加而迅速增大。三轴应力对岩盐溶解速率的影响主要是由于岩盐试样在三轴应力加载过程中造成试样内部裂纹发育及溶蚀面积的变化,在弹性阶段时溶蚀面积减小(裂纹闭合),溶解速率降低,而在塑形阶段时溶蚀面积增大(裂纹发育),溶解速率升高。

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流-固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。

三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验研究

通过大量的三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验,对岩盐溶蚀特性进行了研究,结果表明,对于岩盐溶解速率来说,三轴应力作用的影响不可忽略;采用宏观溶解速率(即溶蚀质量)与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系来定量描述三轴应力作用下岩盐溶解速率的变化,并在试验的基础上获得了宏观溶解速率与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系表达式;在相同的溶解时间、塑性体应变条件下,不同围压下岩盐试样溶蚀前后的形态差异较明显,应力影响质量变化较大,且随着围压的增加,试样溶蚀后形态的变化越小,应力影响质量越小;揭示了三轴应力作用下岩盐溶蚀特性变化机制,得出三轴应力作用下岩盐溶解速率变化与不同围压下表面裂纹的发育与扩展有着直接的联系。该研究成果为进一步研究岩盐应力-溶解耦合机制奠定了试验依据以及理论基础。

岩盐水压致裂溶解的数值模拟

在建立岩盐水压致裂溶解过程的固流传质耦合数学模型的基础上,对该过程进行了数值模拟.由模拟结果分析得出,岩盐水压致裂溶解过程裂缝的扩张以及裂缝宽度的变化受水压和溶解双重因素的影响.水压较大时,裂缝扩展速度快,水压对裂缝张开起主导作用;而裂缝内空间增大,会导致缝内水压降低,此时裂缝扩展速度也随着降低.当缝尖压力接近临界破裂压力时,裂缝停止扩张,缝内压力趋于稳定,此时岩盐溶解对裂缝张开起主导作用.

单轴压缩下含裂隙盐岩力学特性颗粒流研究

为了研究盐岩在裂隙和孔洞等缺陷下的损伤闭合行为,对盐岩试样进行室内单轴压缩试验,建立含孔洞-裂隙组合下的数值模型。结果表明:当岩盐试样保持完整(没有缺陷)时,其峰值强度随着加载速率的增大而增大,符合幂指数函数关系,其弹性模量也随之增大,符合线性函数关系;缺陷的存在降低了盐岩的峰值强度,在加载的过程中裂隙会出现闭合,在闭合后的裂隙附近萌生微裂纹,逐渐扩展、贯通形成主裂纹,造成试样的破坏;在轴向力的作用下,不同倾角裂隙闭合程度有所差异,90°倾角下的裂隙基本不会出现闭合行为;圆孔孔洞的存在直接影响裂纹萌生的位置,且围绕在圆孔周围的不同倾角裂隙对圆孔的闭合不产生显著影响。

鄂尔多斯盆地奥陶系中组合内幕气源特征及勘探方向

鄂尔多斯盆地下古生界马家沟组按照勘探程度划分为上、中、下3个组合,分别为马家沟组五段1—4小层(上组合)、马家沟组五段5—10小层(中组合)和马家沟组四段—马家沟组一段(下组合)。为探索中组合内幕天然气气源特征,开展了天然气组分、同位素、流体包裹体、天然气成因识别及烃源岩评价等研究工作,并与研究区上古生界及奥陶系风化壳的天然气开展比较分析。研究结果表明:①奥陶系中组合内幕天然气在组分特征、同位素特征等方面与上古生界石炭系—二叠系及风化壳天然气存在差异;利用天然气组分数据,结合前人实验图版判识,认为奥陶系中组合内幕天然气中存在原油裂解气。②奥陶系中组合内幕发育沥青,是内幕烃源岩生成液态烃热裂解产物。③受潮坪环境沉积体系控制,中组合典型烃源岩层段(马家沟组五段6小层)可以划分为泥云坪环带、含膏盐缓坡、膏盐岩洼地3个相带。④马家沟组五段6小层烃源岩主要分布在泥云坪环带,累积厚度可达8~20 m,有机碳含量最高达1.75%,R_o为1.9%~2.7%,处于热裂解生气阶段,具备规模供烃潜力。⑤泥云坪环带和含膏盐缓坡是有利勘探方向,乌审旗东部、靖边西北部和吴起—志丹地区是3个有利勘探区带。