真三轴循环荷载下含裂缝砂岩能量和损伤分析

探究真三轴循环荷载作用下含裂缝砂岩能量演化有助于明确岩石损伤破坏规律。开展了真三轴循环加卸载试验,分析了吸收总能量、弹性能、耗散能和塑性变形能的演化特征,并建立岩石损伤评价模型,结合断裂面细观损伤特征,探讨了岩石损伤破坏规律。结果表明:随着裂缝角度增大,试样强度越大,破坏时吸收总能量越大,分别为0.238、0.276、0.307、0.332 MJ/m^(3);试验时吸收总能量、弹性能、耗散能均逐渐增加,塑性变形能先减小后增大;通过滞回环能量和总耗散能量,建立岩石损伤破坏评价指标,两者评价结果一致,岩石损伤程度随加卸载进行呈非线性变化;试样破坏时经历循环加卸载次数越多,受挤压摩擦程度越高,断裂面细观形貌越复杂。

怒江夏里段变质砂岩不同卸荷速率下破坏特性研究

隧道不同的开挖掘进速率对岩体的力学特性有明显的影响,本文选取怒江夏里段典型变质砂岩,开展了不同速率条件下的真三轴卸荷试验。试验采用应力-应变监测、声发射监测、数值模拟等手段,探究了不同卸荷速率下岩石的变形破坏模式与破坏特性。结果表明:卸荷速率越快,张拉裂纹数量增加,岩石的破坏模式越复杂,呈现张剪共生的形态特征。不同的卸荷速率下,能量具有相同的演化趋势,随着卸荷速率的增加,试样弹性应变能占比增加,耗散能占比降低,用于破坏的能量增加,试样破坏越严重。试样的声发射能量变化表明在卸荷阶段,高卸荷速率产生的损伤变形最小,能量损伤也越小,在破坏阶段损伤发生的时间提前,从而形成更加剧烈的破坏。数值模拟试验表明随着卸荷速率的增加,岩石由剪切破坏逐步向张剪破坏过渡,在高卸荷速率下岩石破坏更为剧烈,同时能量演化规律与室内试验一致。

射孔参数对砂砾岩储层压裂的影响

砂砾岩油藏具有应力差大、破裂压力高的特点,导致造缝难度大,如何降低破裂压力是安全压开储层的关键。将水泥与石英砂按3∶1混合并随机混入不同直径的鹅卵石和细碎石粒,制作边长300 mm的人造砾岩,使用水力喷砂射孔枪进行射孔,通过改变角度0~90°、深度1.5~6 cm模拟现场不同射孔方位角和炮眼深度,根据现场数据设置实验三向应力分别为9.4、19.3、24.8 MPa,排量为50 mL/min,压裂液黏度为45 mPa·s,开展室内水力压裂实验,分析射孔角度和射孔深度对裂缝起裂及破裂压力的影响。研究结果表明,射孔方向与最大水平主应力夹角为0°时破裂压力最低,为11.9 MPa,减小射孔方位角能够降低破裂压力3.55 MPa;射孔深度由1.5 cm增加至6.1 cm,破裂压力降低了4.63 MPa;当射孔孔眼附近存在砾石,破裂压力异常增高约10 MPa。建议通过合理优化射孔方位角,适当增加射孔深度,同时遴选砾石粒径较小且分选性较好的层段进行施工,提高压裂改造成功率。研究成果为制定玛湖射孔方案提供了参数优选的依据。

真三轴条件下延安蟠龙地区致密砂岩力学特性试验

为了研究不同荷载作用下延安蟠龙地区致密砂岩的强度及变形特征,对致密砂岩开展真三轴试验,研究常规三轴应力下抗压强度与围压的关系,以及真三轴应力下σ_(3)和σ_(2)对致密砂岩强度和变形的影响。研究结果表明,真三轴应力下,σ_(3)和σ_(2)对致密砂岩的强度都起了一定的保护作用,使得岩石的承载能力增强;随着σ_(3)和σ_(2)的增大,岩样的弹性模量和峰值强度均不断增大,峰值应变逐渐减小。σ_(1)-ε_(1)峰值前后曲线陡升陡降,说明研究区致密砂岩具有明显的脆性特征,表明研究区在压裂过程中容易形成压裂缝,有利于非常规油气的开采。该研究对致密砂岩油气开采具有借鉴意义。

砂岩孔隙介质内天然气运移的微观物理模拟实验研究

采用真实的砂岩微观模型,通过与实际地质状况较为相似条件下的气驱水运移实验模拟天然气在砂岩孔隙内的二次运移,直接观察了天然气在砂岩孔隙、喉道内运移的过程和特征,在此基础上,分析和探讨了真实砂岩孔隙介质中天然气的微观运移机理。研究发现,天然气运移路径的形态通常迂回曲折,表现复杂的分支状特征,而且气体只沿毛细管阻力最小的运移路径向前运移;受真实砂岩孔隙结构的非均质性和运移动力变化的影响,天然气运移的速率不均一,呈现出跳跃式的运移方式;在孔喉比相差较大的亲水介质中,气体的卡断现象较为普遍,卡断增加了气体运移的阻力,对天然气运移十分不利;外界突发性的振动能够增加天然气运移的有效性。

松软煤层及砂岩顶板水力挠动卸压增透效果对比分析

为了考察水力挠动措施对软煤及砂岩的卸压增透效果,克服采取高压注水进行煤层瓦斯增浓提效的盲目性。采用自行设计改造的"真三轴水力挠动-瓦斯渗流实验装置"对正方体砂岩及松软煤样试件进行了水力挠动实验。根据泵注压力实时演化曲线分析掌握了2种试件注水过程中裂隙发育、延展规律:泵注过程中砂岩试件经历压裂—多次压裂—完全破裂,最终被高压水完全压裂,其内部裂隙得到充分扩张、衍生,最终相互贯通的裂隙网形成;相反,软煤样试件则经过压裂—压实—闭合,最终被压实闭缝,内部裂隙网络未能展开连通。基于挠动前后渗透率分析对比的基础上实验验证了水力挠动措施对2种试件的适用性:挠动后砂岩试件的渗透率成百倍增加,而软煤试件的渗透能力几乎丧失。与模拟实验相对应,在试验井松软煤层及顶板砂岩中分别布置钻孔进行高压水挠动,措施后采用相关指标对挠动后的瓦斯抽采效果进行了考察:砂岩挠动钻孔措施后的抽采流量、浓度及纯量大幅增加,衰减系数急剧下降;而煤层挠动钻孔相应指标则呈相反趋势。实验结果及现场工程实践均表明:水力挠动作用下砂岩内部发生脆性变形,持续高水压作用下裂隙较好地发育、延展、贯通,较发育的网络系统形成,为下部煤体瓦斯解吸、扩散和运移提供了畅通的流动通道。相反,尽管挠动初期松软煤体内部出现裂隙,但随着注水持续,煤体发生塑性变形,水与煤体形成的煤泥堵塞了天然及人造裂缝(隙),软煤逐渐被压实,瓦斯流动性弱化,渗透性降低。研究成果表明转移挠动对象松软煤体至其坚硬顶板是松软煤层卸压增透的有效途径之一,应用于不适宜采用水力挠动的低透气性突出煤层有望取得较理想的瓦斯治理效果。

砂岩输导层内天然气运移速率影响因素的实验研究

采用岩心的砂岩微观模型进行气驱水运移实验,从实验观察和实验数据定量统计两个角度探讨了在岩心砂岩孔隙介质内影响天然气运移速率的主要因素。实验中发现,天然气在岩心砂岩孔隙介质内运移过程中,经常发生前缘跳跃和卡断—聚并现象,运移的速率是极不均一的,通过对这一现象的分析认为,砂岩孔隙结构特征、运移动力以及含气量是影响天然气渗流速率的主要因素。定量统计岩心砂岩的特征参数——渗透率、压力梯度、含气饱和度与平均运移速率的关系表明,天然气平均运移速率的大小与它们的综合效应成正比。

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.

煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验

为揭示煤矿基本顶细砂岩定向水力压裂裂缝起裂、扩展规律,在煤矿井下原位获取并加工成300 mm×300 mm×300 mm大尺寸细砂岩,在试样正中布置直径26 mm的压裂孔,采用专用切槽钻头垂直钻孔轴向预制长12 mm的三维楔形横槽,开展大型真三轴定向水力压裂试验与高能工业CT扫描,研究了原生层理方向与水平应力差大小对水力裂缝起裂压力、扩展形态、水压-时间曲线、压裂体积的影响规律,并引入定向偏转距概念(预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的距离)来表征定向压裂效果。试验结果表明:预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、扩展,裂缝形态分为单一横切型和复杂“H”型;水压-时间曲线根据裂纹扩展阶段的不同,分为平缓式波动型和断崖式跌落型。水平应力差对切槽处的裂缝定向偏转距影响程度大于层理方向。高水平应力差作用下切槽尖端应力集中程度更高,穿越层理面能力更强,裂缝从切槽尖端起裂后与层理交汇后不发生偏转,切槽定向效果较好;而低水平应力差作用下裂缝扩展时遇到层理易发生转向,切槽定向效果差。高水平应力差作用下裂缝定向偏转距为低水平应力差作用下的10倍,前者切槽可定向裂缝扩展至试样边界,后者切槽仅可控制其附近裂缝扩展方向,之后逐渐偏转至与最大水平主应力方向平行。层理平行切槽时,裂缝平均起裂压力、压裂体积是垂直切槽时的1.7倍;高水平应力差作用下裂缝平均起裂压力、压裂体积是低水平应力差作用下的1.3倍。层理效应在低水平应力差作用下明显,当切槽与层理方向一致时,切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展,裂缝宽度与形态复杂多样,反之,较难被激活,裂缝形态单一;而高水平应力差作用下不同方向的层理均能被激活,裂缝扩展充分,形成形态复杂多样的缝网。

真三轴大物模水力压裂裂缝起裂及扩展模拟实验

目的鄂尔多斯盆地长7致密砂岩储层岩石致密、非均质性强,孔喉分选性及连通性较差。前期常规压裂工艺改造手段单一,裂缝欠发育的致密储层改造效果不佳。方法根据量纲分析法(π定理)优化了物理模拟实验相似准则设计思路,设计了等比例缩小的压裂裂缝起裂及延伸模拟系统。利用大尺寸真三轴模拟实验系统,系统开展了30 cm×30 cm×30 cm致密砂岩露头岩样水力压裂模拟实验。利用三维扫描仪量化评价压裂裂缝改造面积,结合岩体破裂时的实验泵压峰值,揭示裂缝起裂及延伸规律。结果量化了天然裂缝及弱面、应力差、压裂液体类型和施工排量条件下压裂裂缝起裂压力及其改造面积,揭示了地质工程因素对压裂裂缝延伸行为的影响规律,明确了地质工程参数对压裂裂缝延伸及复杂缝网形成的影响程度。结论天然裂缝及弱面发育、低应力差、低黏滑溜水和高排量是获得复杂裂缝形态的有利因素,为研究区块体积压裂工艺试验进行了实验佐证和理论依据。建议采用“大液量、大排量、扩大波及体积”为主的体积压裂思路及工艺技术,以获得复杂缝网的改造目标。

牛圈湖油田西山窑组水驱油效率影响因素研究

物性较好且孔隙结构分选和连通性较好的储层,其驱油效率较高;在注水开发初期,提高注入压力和增加注入量,对驱油效率的影响较明显,当注入量超过3Pv之后,二者的增加对驱油效率的影响将明显减弱。

不同应力路径下深部岩石真三轴卸荷特性试验

为了研究深部地下工程施工过程中,受开挖扰动影响下深部岩石的变形破坏特性,以砂岩为研究对象,采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统,分别进行真三轴压缩试验、恒轴压单面卸荷试验、增轴压单面卸荷试验与降轴压单面卸荷试验,分析了深部岩石在不同应力路径下的变形破坏特征及力学参数演化规律。研究结果表明:三轴压缩条件下,岩石变形表现为轴向压缩以及沿最小主应力方向扩容,破坏模式为剪切破坏,破坏原因为外部载荷不断增大超过岩石承载能力。卸荷条件下,变形表现为沿卸荷方向强烈扩容,破坏原因为卸荷面荷载不断减小使岩石承载能力不断降低最终小于所受外部载荷,破坏模式为张剪复合破坏。不同卸荷路径下,最大主应力σ1变化对岩石变形破坏影响显著,增轴压路径下,卸载卸荷面应力的同时增加σ1,加剧岩石应变能的释放,破坏更剧烈。而卸轴压路径下,σ1的减小降低卸荷面应力变化对岩石变形破坏的影响岩石,岩石破坏变形过程相对较平缓,岩石破坏主要是因为卸除卸荷面应力使岩石承载能力降低速率大于外部载荷降低速率。三轴压缩条件下,随σ1增大,岩石变形模量E不断减小,泊松比μ不断增加,且变化速率随σ3增大而降低。卸荷条件下,E随卸荷的进行不断减小,μ不断增大,在临近破坏时变形参数劣化速率迅速增大。在卸荷条件下,岩石承载能力随着卸荷面应力的减小而不断减小,增轴压路径下卸荷的同时增大σ1促进了岩石内部裂隙的萌生扩展,岩石承载强度降幅最大,而卸轴压路径下,σ1的降低在一定程度上抑制了裂隙的扩展,岩石承载强度降幅相对较小。

温度和应力对砂岩渗透率影响规律研究

岩石的渗透率反映了其通过流体的能力,为了解决砂岩气、页岩气等油气藏开采过程中储层岩石渗透率低,资源开采量少的问题,在太原理工大学自主研发的高温高压真三轴试验机上,模拟研究了页岩气藏储层砂岩在地下深部实际高压状态,探究了真三轴试验状态下砂岩在100～400℃下的渗透率演化规律。研究结果表明:砂岩的渗透率在100～280℃内的渗透率变化为缓慢下降,渗透率为10^(-16)～10^(-17)m^2数量级,渗透率在阈值温度280℃后,砂岩渗透率增大数倍到数10倍,最高增幅达46倍,在温度340℃后渗透率趋于平稳,处于10^(-15)m^2数量级。同时也表明岩石的应力状态对渗透率有直接的影响,相同围压条件下的砂岩,最大主应力大多试件其最大主应力方向上的渗透率在阈值温度前后的增幅越大。

CO_2/水孔流作用下砂岩真三轴应变分形特征研究

以砂岩为主要研究对象,以CO_2、水为孔隙流体介质,通过真三轴压缩试验得到不同孔流作用下应力应变数据,分析并比较了砂岩受力破坏各个阶段中应变分形曲线特征。研究结果表明:分形维数的突变与应变的突变具有一致性,分形维数的范围与最大值的排序为:干燥>CO_2>水。干燥砂岩的应变分形变化规律为:在孔隙压密阶段,分形维数增大;弹性阶段,分形维数略有上升;屈服阶段,分形维数波动较大;峰后阶段,分形维数减小。含水砂岩和含CO_2砂岩的应变分形规律具有共性和差异性。共性表现在孔隙压密阶段和峰后阶段:孔隙压密阶段两者分形维数减小,峰后阶段两者分形维数增大。差异性体现在中间阶段:含水砂岩的分形维数在很小的范围内波动,而含CO_2砂岩波动较大。试验结果可以在一定程度上定量地反映岩石受力破坏全过程特征,同时给岩石力学行为与破坏机理研究带来新思路。在实际工程中,岩石结构的应变分形结果对其稳定性分析及预测具有指导意义。

不同含油、含水饱和度致密砂岩真三轴力学特征

致密砂岩储层中水、石油或天然气等流体赋存可能会对致密砂岩的力学特征产生影响。选取鄂尔多斯盆地蟠龙地区延长组致密砂岩,利用YSZS-2000型多功能电液伺服岩石真三轴试验机对不同含油和含水饱和度致密砂岩力学特征进行了研究。结果表明:(1)含油性对砂岩的峰值应力和弹性模量产生弱化作用,表现为峰值应力和弹性模量随着含油饱和度的增大而减小,“准饱和”时峰值应力可下降5.35%,弹性模量可下降11.38%;(2)含水砂岩根据其吸水特性曲线分为Pa型与Pb型,含水性对砂岩的峰值应力产生弱化作用,饱和时Pa型砂岩峰值应力可下降11.58%,Pb型砂岩峰值应力可下降15.95%;(3)观察实验后浸油砂岩内部结构发现,油集中分布于砂岩矿物间裂隙,对破裂面产生润滑作用从而降低了砂岩的承载力。本研究成果可以对致密油气的开发提供可靠依据。

含孔洞型缺陷砂岩真三轴力学特性研究

为深入认识深部含缺陷型岩石的力学行为与破坏特征,利用砂岩材料加工为不同孔径、不同孔数的立方体试样(50 mm×50 mm×100 mm),并利用GCTS RTX-3000岩石三轴仪对含孔洞型缺陷砂岩试件开展了真三轴试验,侧向应力加载到一定值后保持不变,最大主应力继续加载直至试件破坏,探究Mogi-Coulomb强度准则是否能用来描述含缺陷岩样的强度特征。试验结果表明:孔洞存在造成试件的力学参数劣化明显,试件会提前进入塑性屈服阶段,峰值强度下降明显;在加载初期,侧向应变增长速度随孔径、孔数增加而增加,而后趋于平缓,同时双孔洞、三孔洞条件下,试件扩容现象不明显;试件破坏以剪切破坏为主,单孔洞裂缝呈大"X"状延伸贯通整个试件,双孔洞为"N"状裂缝,但三孔洞条件下,孔洞周围的应力集中区形成应力屏蔽区,出现孔洞效应。

不同物性储层微观渗流特征差异研究

针对目前特低渗透储层开发难的特点,应用真实砂岩微观模型,对高、低渗不同物性储层微观渗流特征差异进行分析研究。研究表明:不同物性储层微观渗流特征差异显著,高低渗模型的驱油效率平均相差19%;储层物性及水驱油体系的能量耗散和能量释放、驱替压力、孔隙结构非均质性是影响高、低渗模型微观渗流特征和驱油差异的主要因素;在低渗模型中采用降阻剂驱替后,驱油效率提高11%。经过分析,建议低渗储层通过储层改造,或通过非常规水驱来改善油层水驱效果。

真三向应力作用下深部砂岩力学特性

基于真三轴试验机对取自某储气库、埋深3 600 m的试样开展了一系列砂岩真三轴压缩试验.研究了真三向应力作用下深部砂岩的强度、变形特征,并将深部砂岩与浅部砂岩的弹性模量、黏聚力、摩擦角和峰值破坏强度进行了对比.结果表明:在一定范围内随着中间主应力的增加,深部砂岩的峰值强度也会增加,深部砂岩的起裂应力和损伤应力也随之增加,峰值处的中间主应变呈现减小的趋势.随着砂岩深度的增加,砂岩的弹性模量、黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势.浅部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为非线性关系,而深部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为线性关系,且Mogi-Coulomb准则更适用于表述深部砂岩破坏时的强度特征.

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。

原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大,但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道,一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景,利用先进的地球物理成像真三轴测试系统,开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究,探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制,研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明:首先,裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加,压缩波速度明显大于剪切波速度;纵横波速比随有效应力增大而单调减小,表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比,发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次,原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构(裂缝)敏感性,早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响,渗透率各向异性随裂缝倾角减小而更加显著;与裂缝平面正(斜)交方向的渗透率相对比较平滑,而沿裂缝平面方向渗透率呈现出一定的波动特性,这主要是由于在压力流体冲刷和岩石骨架进一步受压变形双重作用下,破碎的微颗粒会在孔隙/裂隙中不断运移,造成岩石内部孔隙/裂隙周期性堵塞和疏通引起的。此外,在实验应力条件下(走滑应力状态),裂缝倾角越小,水平主应力方向上的地震波速度-渗透率相关性越不明显;最大与最小水平主应力方向上的地震波速度-渗透率关系应区分对待,最大水平主应力方向地震波速与渗透率的相关性明显优于最小水平主应力方向。