高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等4类花岗岩高温(500℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。研究得出4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低,溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外,得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为200℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为250℃左右。最后,得出了4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道,为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。

富台油田碳酸盐岩潜山裂缝充填特征及其控制因素

为研究富台潜山油田有效裂缝分布区域,利用岩心、薄片、流体包裹体分析等资料对富台潜山储层进行系统分析。综合研究结果表明:富台潜山裂缝充填成因主要是深层热液作用;裂缝充填物主要为方解石,少量为硬石膏;裂缝充填受围岩岩性、裂缝性质、热液温度和流速、与断层距离等多种因素控制。富台潜山的裂缝纵向上冶里-亮甲山组、凤山组的白云岩储层充填程度低,上、下马家沟组灰岩充填程度高;平面上背斜轴部远离埕南大断层及二台阶断层的部分充填程度低,靠近这2条断层区域充填程度高;低充填程度区为有效裂缝分布范围。

渤海湾盆地富台油田碳酸盐岩潜山裂缝充填机制

基于岩心和薄片观察、裂缝充填物包裹体分析、围岩及裂缝充填物碳氧同位素组成和微量元素分析,研究了渤海湾盆地富台油田寒武系—奥陶系碳酸盐岩潜山裂缝充填物的成因和分布。富台油田潜山储集层发育多种成因裂缝,裂缝多为方解石充填,充填率达60%以上,且多数为一期结晶的亮晶方解石。裂缝充填方解石中包裹体均一温度高于潜山储集层温度,而且裂缝充填方解石中发育含油包裹体,说明裂缝方解石充填与油气成藏同期;碳氧同位素和稀土元素组成分析表明,充填裂缝的方解石矿液既带来深层热液,又溶蚀潜山中的灰岩和白云岩,再在潜山浅部裂缝中沉淀形成方解石等物质。裂缝充填物的热液成因,有助于解释裂缝充填物的分布,即富台潜山靠近埕南和埕南二台阶等断层的裂缝充填程度高、远离断层的裂缝充填程度较低。

川北地区寒武系筇竹寺组钙质结核裂缝充填物特征及指示意义

川北地区寒武系筇竹寺组钙质结核泥页岩中早成岩期钙质结核较发育,结核裂缝中见多期次矿物充填。为揭示钙质结核裂缝形成机理,本次结合岩石学特征及地球化学特征等开展系统研究。川北筇竹寺组钙质结核裂缝中见三~四期矿物充填。第一期微晶方解石表面较脏,阴极发光暗淡,δ13C_(PDB)、δ18O_(PDB)平均值分别为-4.26‰及-7.69‰;第二期为细—中晶粒状方解石充填,阴极发光为橘黄色,流体包裹体均一温度为平均值为86.4℃,δ13C_(PDB)、δ18O_(PDB)平均值分别为-3.15‰及-7.41‰;第三期为粗晶方解石充填阴极发光暗淡,流体包裹体均一温度平均值为96.6℃,δ^(13)C_(_(PDB))、δ^(18)O_(_(PDB))平均值分别为-1.73‰及-10.28‰;第四期为重晶石充填。结合区域构造史—热演化史分析表明,钙质结核裂缝中四期充填物分别指示早期脱水、烃源岩早成熟期生烃、加里东构造运动抬升释压及深埋藏期硫酸盐热还原作用事件。

裂缝充填矿物和蚀变晕对火山岩储集层流体作用的指示——以克拉美丽气田滴西地区为例

为研究克拉美丽气田滴西地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩储集层的流体演化过程,对储集层裂缝中的石英、方解石、黄铁矿等自生矿物进行了电子探针、流体包裹体及同位素分析研究。结果表明,SiO2主要来自深部热液流体,CO2来源具有深部热液、烃类流体混合改造的特征。在压力梯度与浮力驱使下,富含SO2等挥发分的含硅热液沿断层向上及两侧运移,分别形成具拱张-高温特征以及具隐爆-低温特征的石英脉。伴随深部流体由酸性向弱碱性的演化、压力的降低、CO2含量和盐度降低、温度变化,在收缩缝中沉淀出早期方解石。在岩体顶部长期暴露出地表地质背景下,当大气淡水与偏碱性盆地流体相遇时,在风化缝中形成保留渗流环境特征的方解石胶结物。埋藏期构造作用形成构造裂缝,烃类的充注-漏失使孔隙流体再次由酸性变为碱性,并在溶蚀孔缝中沉淀出晚期亮晶方解石。晚期热液作用的叠加形成磷灰石、方解石及黄铁矿矿物组合。石英、方解石等的充填作用使裂缝由开启变为闭合,对储层物性主要起破坏作用。

裂缝充填模拟试验装置的研制

鉴于常规裂缝导流仪无法有效开展如压裂充填防砂、防支撑剂回流和压裂液在裂缝条件下的破胶过程以及对导流能力的伤害等试验研究问题,研制了裂缝充填模拟试验装置。该装置通过铺置岩板和支撑剂,可以针对不同闭合压力、温度、流体、流速、射孔孔径和孔密,更加全面准确地模拟地层内裂缝前端和两侧壁面的流体渗流、地层砂侵入,支撑剂回流状况,基于出砂量、裂缝导流能力、裂缝缝宽变化或支撑剂回流量等测试结果,可全面地评价优化支撑剂的嵌入程度、防砂和防支撑剂回流效果及裂缝充填层的伤害等指标。该装置为水力压裂中各种参数的优化评价构建了一个合理而有效的平台。

塔北地区寒武系白云岩储层裂缝充填特征与有效性

塔里木盆地寒武系白云岩储层具有年代老、埋深大、成岩作用强烈的特征,原生孔隙几乎被破坏殆尽,有效裂缝的发育程度是决定储层优劣的关键因素。根据岩芯描述、薄片鉴定、FMI成像测井、扫描电镜、阴极发光、电子探针以及流体包裹体分析等研究手段,开展了塔里木盆地北部地区(简称"塔北地区")寒武系白云岩储层的裂缝充填特征及有效性分析。塔北地区整体裂缝发育,天山南地区与塔河地区裂缝在产状、线密度、形态以及充填特征上存在差异。天山南地区裂缝线密度与有效性均低于塔河地区,充填矿物主要为自形白云石与石英,其次为方解石、石膏与黄铁矿。充填白云石分为3期,对应的温度区间分别为70℃～90℃、90℃～110℃及110℃以上,均为地层内的成岩流体成因;充填石英分两期,第一期为黏土矿物转化蚀变形成,第二期可能为热液成因。塔河地区裂缝线密度高,有效性较好,溶蚀作用发育,是有利的勘探地区,其充填物以热液矿物组合形式出现,主要为方解石,其次为石膏、鞍状白云石、黏土矿物、沥青等,重晶石以交代白云石的形式出现。充填方解石分为4期,对应的温度区间分别为70℃～100℃、100℃～130℃、130℃～180℃及180℃以上,前3期充填为不同埋深时期地层内成岩流体成因,最后一期充填为自下部运移而来的高温热液流体成因。

裂缝充填物对脉动水力压裂应力扰动效果的数值模拟

利用线性滑移模型、有限差分及交错网格技术研究脉动水力压裂过程中应力在含裂缝地层中的传播与分布规律，分析不同缝间距和震源频率下裂缝充填物对脉动水力压裂应力扰动效果的影响机制。结果表明：含矿物质裂缝对脉动水力压裂应力扰动影响微弱，可近似看作均质区域；含液体裂缝可通过反射作用引起强透射区与弱透射区介质速度的差异，引发剪应力形成拉伸破坏，但当距离震源较近时，反射波易抵消压力波，削弱压裂效果；含气体裂缝类似含液体裂缝，但反射作用更强烈，距离震源更远才能提升压裂效果；脉动水力压裂可利用裂缝的非均质性促进压裂效果，缝间距为初始人造裂缝长度的2~3倍时可获得较好的压裂效果。

于奇西地区奥陶系储层裂缝充填物碳氧同位素地球化学特征

本文通过对于奇西地区8口井内的岩心裂缝充填物取样,并对样品进行裂缝充填方解石晶体和泥质的δ13C、δ18O稳定同位素测试分析,综合讨论裂缝充填物的碳、氧同位素地球化学特征。研究结果表明,部分溶蚀孔洞和裂缝方解石晶体的碳氧同位素分布接近于早期岩石的形成环境,形成较早,充填环境较封闭;大多数的构造裂隙、洞穴充填方解石晶体充填较晚,充填成岩体系环境开放;大气淡水岩溶发育可以作为于奇西地区寻找有利储层的一种指示。

陕北黄土高原地区煤矿地裂缝发育分析及充填处理方法应用

煤炭资源的开采,导致矿区地裂缝的持续发育并对矿区地质环境及安全生产造成危害。本文在对地裂缝的产生及危害进行论述的基础上,结合陕北黄土高原地区某煤矿的地裂缝的发育现状,采用高精度正射影像目视解译、手持GPS、卫图软件野外实地核查等手段,对陕北某煤矿的研究区域内地裂缝的发育情况进行了调查,并采用煤矿采空塌陷地裂缝充填处理方法对区域内的地裂缝进行了充填和剥覆处理,并对其工程效果和产生的效益进行了分析。结果表明,煤炭开采导致的矿区地裂缝的发育,会对矿区环境产生各种危害,必须要进行治理;地裂缝的发育与煤炭开采方式、周边地质环境等多种因素有关,会对矿区环境及开采安全造成直接威胁;对地裂缝进行充填和土壤剥覆治理可以达到良好的效果,在类似区域可以进行推广应用。对陕北神府矿区煤矿开采地裂缝的形成及治理进行研究,对于实现矿区煤炭安全、绿色开采,促进陕西黄河流域生态保护和高质量有重要的科学和实践意义。

页岩气储层充填天然裂缝渗透率特征实验研究

为了解页岩储层充填天然裂缝开启前、后的渗透率特征,利用四川盆地充填裂缝的不同页岩,结合裂缝面形貌测试,实验对比分析了天然裂缝原位闭合、剪切错位及酸处理后的渗透率特征。实验结果表明:混合充填裂缝矿物颗粒大,硬度高,渗透率应力敏感程度低于方解石充填裂缝。当剪切裂缝错位位移大于0.15mm时,渗透率大小主要受控于裂缝断面整体粗糙度。当错位位移小于0.15 mm时,充填矿物颗粒类型、大小控制的小尺度形貌更起决定作用。酸液溶蚀胶结物形成不整合面,大幅度提高裂缝导流能力,但也需要考虑酸液弱化页岩强度以及颗粒运移而产生的不利影响。

煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响

为研究水力压裂过程中产出的煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制,有效优化煤层气井的排采机制;运用支撑剂充填裂缝内多相流实验平台,制定相应的实验方案,针对煤层气井排采过程中产出的煤粉造成的支撑剂充填裂缝导流能力伤害问题进行实验研究。研究结果表明:悬浮煤粉质量分数越大,支撑剂充填裂缝出水时间越晚,出水点处压差值越大;且随着悬浮煤粉质量分数增大,裂缝内的煤粉沉积量呈线性增长趋势,煤粉沉积率先急剧增长到最大值后缓慢下降,支撑剂充填裂缝渗透率及导流能力呈下降趋势。

无充填周期性裂缝岩体的等效渗透系数

为研究无充填周期性裂缝岩体的渗流特性,建立地下水流动分析模型,该模型假定裂缝和岩石交界面流速相等且剪应力连续。根据分析模型的边界条件,由连续性方程分别联立Navier-Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程,推求出裂缝和岩石中水流的流速分布。结合线性Darcy定律,推导出无充填周期性裂缝岩体沿裂缝方向等效渗透系数的理论表达式,该表达式揭示了裂缝开度对等效渗透系数起控制作用。为进一步验证理论模型推求的成果,研制试验装置开展渗流试验;试验时用混凝土模拟岩石,用混凝土间缝隙模拟岩石裂缝;试验测得的平均渗透系数和理论计算得到的等效渗透系数在同一量级,且相差很小。试验结果验证了所推求等效渗透系数表达式的正确性和可靠性。

礁灰岩油藏微粒过饱和充填技术机理及创新实践

南海东部地区流花油藏为礁灰岩油藏,按其内部结构特点,包括基质、裂缝及溶孔三重介质。油井含水上升速度快,各项常规增产技术均无明显效果。该油田在“微粒环空充填技术”的基础上,在业内首次创造性提出并尝试了“微粒过饱和充填技术”,已实施的3口井均取得明显效果,在保证产能的同时,含水率比邻井低30%以上,且含水上升速度慢,预测该技术单井增油5×10^(4)m^(3)。但由于礁灰岩油藏地质油藏条件的复杂性,该技术应用的作用机理多有争论。因此,综合裂缝特征、渗流力学、油藏工程、完井工艺、数值模拟等研究,进行了礁灰岩油藏“微粒过饱和充填技术”的作用机理研究,认为起到“控水、堵缝、储层改造”三重作用,早期以储层改造为主、一定程度起到堵缝作用,相对高压充填微颗粒对近井储层起到扩张微裂缝、沟通更多基质储层、增大波及范围,后期以控水为主。该研究将指导本油田对微粒过饱和充填的后续应用,以及对其它裂缝性礁灰岩油田或者底水砂岩油田的控水增产具有较强的指导意义。

充填钻石及其鉴别

钻石以其无可匹敌的美征服了所有人的心。其实,自然产出的钻石并非颗颗都那样光彩照人,其中大多数都存在一定缺陷,这些存在缺陷的钻石,往往需要利用高新技术进行优化处理,使其尽量符合人们对美的追求。对于钻石中不同的缺陷,有各种不同的处理方法。裂隙充填就是其中的一种。

异常高压碳酸盐岩油藏应力敏感实验评价——以滨里海盆地肯基亚克裂缝-孔隙型低渗透碳酸盐岩油藏为例

根据滨里海盆地肯基亚克盐下异常高压碳酸盐岩油藏储集层特征,制备人造岩心,研究基质岩心、不充填裂缝性岩心、半充填裂缝性岩心以及全充填裂缝性岩心的应力敏感特征。实验采取气测法,实验中首先逐级增加人造岩心样品围压,然后逐级降压,稳定后测定每个压力点的孔隙度和渗透率,以分析岩心的应力敏感性。结果表明,4种岩心应力敏感性由强到弱依次为:不充填裂缝性岩心、半充填裂缝性岩心、全充填裂缝性岩心、基质岩心。随着岩心裂缝充填程度降低,岩心渗透率的应力敏感性增强,渗透率恢复程度降低;随着压力的恢复,基质岩心和全充填裂缝性岩心孔隙度和渗透率恢复程度较高,岩心表现为弹塑性特征,而半充填和不充填裂缝性岩心孔隙度和渗透率恢复程度较低,表现为塑性特征;随围压的增加,孔隙度、渗透率变化呈现较好的指数变化规律。

陇东地区延长组构造裂缝方解石脉特征及其与烃类流体活动的关系

通过微量元素与稳定同位素分析对鄂尔多斯盆地陇东地区延长组广泛发育的构造裂缝方解石充填物的成因及其与烃类流体活动的关系进行研究。结果表明:该区砂泥岩裂缝中充填的方解石为相对富集Fe和Mn而贫Mg的(含)铁方解石,其δ13CPDB为-6.6‰～2.7‰,δ18OPDB为-23.0‰～-14.9‰;方解石脉中富集的Mn元素主要源于酸性烃类流体对长7段源岩内部凝灰岩的溶蚀,其成因主要与有机质演化过程中甲烷生成作用产生的相对富13C二氧化碳和脱羧作用产生的贫13C二氧化碳有关;方解石脉主要形成于早白垩世长7段烃源岩生排烃期间,稍早于或同步于烃类流体的大规模活动,侏罗纪末期形成的裂缝构成了延长组烃类流体活动的重要通道,有利于烃源岩排烃及低渗透砂岩储层的油气运移。

超深层致密砂岩储层构造裂缝分布特征及其成因--以塔里木盆地库车前陆冲断带克深气田为例

综合采用岩心、薄片及成像测井等资料,对塔里木盆地克深气田巴什基奇克组超深层致密砂岩储层构造裂缝的基本特征与形成序列进行了分析,在此基础上讨论了裂缝产状、力学性质、密度、开度、充填性和充填物的差异性分布及其成因,最后探讨了不同气藏应采取的储层改造措施和有利勘探目标。结果表明:克深气田主要发育3期构造裂缝,各个气藏之间构造裂缝具有明显差异性,主要受构造变形时间和成岩孔隙水介质环境控制。北部克深5和克深6气藏为早期缓慢挤压变形,主要形成与背斜长轴近似平行的直立或高角度张性裂缝;中部克深2气藏变形时间稍晚,近NS走向剪切裂缝和近EW走向张性裂缝共存,并且前者略占优势;南部克深8和克深9气藏变形时间最晚,主要形成近NS走向的直立剪切裂缝。自北向南,主差应力与岩石抗压强度的比值先增大后减小,裂缝密度随之先增大后减小,同时裂缝优势走向与现今水平最大主应力之间由大角度相交逐渐变为近似平行,并且裂缝形成时间越来越晚,充填率逐渐降低,因此裂缝有效开度逐渐增大。巴什基奇克组沉积期的水体总体呈咸化状态,北部克深5、克深6和克深2区块为淡水-半咸水介质成岩环境,裂缝充填物主要为方解石,储层改造措施应以酸化为主;南部克深8和克深9区块为偏碱性水成岩环境,裂缝充填物主要为硬石膏和白云石,储层改造措施应以压裂为主。克深8气藏的构造裂缝有效性最好,其次为克深2和克深9气藏,克深5和克深6气藏较低。克深18、克深19、克深20和克深24号构造的裂缝可能比较发育,可作为克深气田下一步勘探的重点目标。

裂缝后期充填花岗岩体裂缝分布特征研究

干热岩地热能作为一种绿色、可再生资源,其规模高效开发一直是世界性的研究热点。为解决完整干热岩地热EGS(enhanced geothermal system)开发所面临的热交换体积小、换热效果差等问题,深入研究深部天然干热岩体的裂缝分布特征。通过实地勘察发现,深层花岗岩体构造裂缝普遍会被热液或岩浆充填,形成裂缝后期充填花岗岩体。通过显微观测试验得出,受充填体高温作用影响,裂缝后期充填花岗岩热破裂裂缝数量随着距胶结界面距离的变化可分为裂缝数量平缓波动区、裂缝数量剧烈增加区和裂缝数量波动减小区。裂缝后期充填花岗岩主要产生长度大于50μm及长度大于100μm的微裂缝,且不同尺度裂缝数量最大值的位置皆位于距胶结界面一定距离的母岩中。当裂缝充填体厚度为3.4 cm时,裂缝充填体高温作用的单侧影响范围约为1 m。普遍赋存的裂缝充填体使花岗岩母岩形成巨大的弱面结构。通过水力压裂试验得出,弱面结构可成为水力压裂建造人工储留层的破裂通道,并且可大幅减小破裂压力,从而实现规模高效建造干热岩人工储留层。以此为基础研究干热岩地热开采中人工储留层建造新技术,即构成了干热岩地热开发的新的研究方向。

土质心墙坝垫板裂缝渗流及充填保护试验研究

通过进行心墙垫板裂缝渗流及充填保护试验,分析了在裂缝上游侧设粘土保护层的作用效果,比较了不同裂缝开度和围压对坝体抗渗性的影响。结果表明这种新型保护措施可以较好地保护心墙粘土不被坝基裂缝中的水流冲刷,并能对裂缝进行部分充填,使遭到破坏的防渗体性能逐渐恢复。试验的各项结果符合工程实际。