特低渗透岩石孔隙弹塑性变形与有效应力系数的实验研究

发布时间：2020-08-11 12:30

【摘要】：特低渗透和非常规油气在我国及世界油气资源开发中的重要性越来越高,其核心问题之一是其孔隙相关的性质。特别是在孔隙变形、渗透性和有效应力特性方面,特低渗透岩石都展现出了与常规中高渗透岩石不同的特性,其规律还没有很好的掌握,开展特低渗透岩石的孔隙弹塑性变形与有效应力特性研究具有重要意义。本文以典型特低渗透灰岩和页岩为研究对象,分析了其微观孔隙特征,开展了室内常规三轴应力实验和静水压下的有效应力实验,研究了应力作用下特低渗透岩石的孔隙弹塑性变形与渗透性、流体饱和对破裂特征的影响和有效应力特征,得到如下主要成果:(1)特低渗透岩石普遍具有孔隙细小、孔隙结构复杂、连通性差的特征。采用光学、微观扫描电镜以及压汞实验和核磁共振等多种手段,并结合大量文献资料,系统研究了特低渗透岩石的微观孔隙结构特征,结果表明,特低渗透岩石孔径分布范围广、孔隙连通性较差、微观非均质性强,是特低渗透岩石的普遍特征。(2)应力作用下,特低渗透岩石将发生孔隙弹塑性变形,孔隙的弹塑性变形不仅会引起孔隙体积变化,而且还会引起孔隙连通性的改变。特低渗透岩石孔隙结构复杂,不同类型孔隙的变形刚度不同,变形规律差异较大,狭长孔隙应力敏感性强,应力作用引起孔隙连通性的降低。渗透率的降低受到孔隙体积减小及孔隙连通性降低的双重影响。高围压下可引起孔隙坍塌或颗粒挤碎,极大降低孔隙连通性,导致渗透率大幅度下降。(3)应力作用下,将引起流体饱和页岩的局部孔隙压力,并影响岩石的微观破裂。页岩中部分孔隙在应力作用下变成孤立的不连通孔隙,在应力作用下,这些饱和的孤立孔隙变形将引起局部高孔隙压力,易于在层理等弱面处引起多点局部微破裂,增加裂缝系统的复杂性,改变页岩的破裂模式。(4)非均匀的孔隙结构对特低渗透岩石有效应力系数具有重要影响,并与孔隙连通性有关。实验发现,中高渗灰岩渗透率和孔隙度的有效应力系数小于1,而具有非均匀孔隙结构的特低渗透灰岩的渗透率和孔隙度的有效应力系数是大于1的。特低渗透岩石的非均匀孔隙结构易于引起孔隙连通性的变化,因而使其孔隙压力的作用大大增加,有效应力系数提高,基于连通孔隙的常规孔隙弹性理论已不能很好的解释有效应力系数大于1的现象,需要考虑应力作用下特低渗透岩石孔隙连通性的影响。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE311
【图文】：

路线图,研究技术,路线,特低渗透

中国石油大学（北京）博士学位论文1.5 技术路线图研究将按照图 1.1所示的技术思路展开研究，采用室内实验和理论分析相结合的方法，针对微观孔隙结构复杂的特低渗透岩石，系统地研究特低渗透岩石孔隙结构特征、孔隙变形与渗流规律、微观破坏机理以及孔隙弹性特性。

粒化,亮晶胶结物,微观图,微晶

图2.3Indiana灰岩微观结构图(a)光学显微镜下的完整Indiana样品，其中孔隙P，异粒化A，和亮晶胶结物C，(b)高倍镜下异粒化周围的微晶M，(c)和(d)为扫描电镜下的完整Indiana样品（微观图来自汲云涛等人[40]）Fig. 2.3 microstructure image of Indiana limestone (a) optical micrograph ofan intact sample of Indiana sample. Pore, allochems and spary cement aremarked in the image (b) higher magnification micrograph showing micritearound the allochems. (c) and (d): Backscattered SEM images of an intact sampleof Indiana（from Ji et al.2013）Purbeck 灰岩取自英格兰南海岸的区块，通过 X 射线分析可知，矿物成分主要包括约 80%的方解石和 20%的石英。微晶方解石四周环绕亮晶方解石（球粒径的范围为 100 到 500 ），石英以晶斑形式分布在整个岩石中[81]，在 500 尺度下，可以看出 Purbeck 散布着宏观孔隙和灰色的石英晶斑，嵌入在方解石基质中（如图 2.4c），在 50 尺度下观察，可以清晰看到存在两种不同孔隙尺寸的孔隙，许多的微孔隙分布在宏观孔隙周围，多为球粒状的粒内孔隙，利用密度估算方法得出孔隙度在 14%左右。

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图2.4Purbeck灰岩微观结构图(a)光学显微镜下的微观结构图(b)完整的Purbek灰岩在分别率为4 微米下的微观数据图像 (c) Pubeck 灰岩孔隙空间分为宏孔和微孔 (d) 在 Pubeck 灰岩中可以观察到许多尺寸低于20微米的微孔Fig. 2.4 Microstructure image of Purbeck limestone (a) optical micrograph ofan intact sample of Purbeck sample (b) CT data on intact Purbeck limestone withresolution 4 . Backscattered SEM micrographs of undeformed samples ofPurbeck limestones (c) The pore space of Purbeck limestone is partitionedbetween microporosity and macroporosity (d) Numerous micropores of size < 20 m observed in Purbeck limestone鲁家坪页岩样品来自中国重庆城口区露头样品，此样品是下寒武统鲁家坪组页岩。重庆城口区域黑色页岩系分布广泛，区内构造复杂，断层十分发育，以逆冲、逆冲推覆走滑断层为主，露头发育有膝褶，尖棱褶皱，倾竖褶皱，平卧褶皱等多种构造样式，该区下寒武统广泛发育海相页岩[82]，分布面积广、厚度大、TOC 高、有机质类型好、页岩含气量丰富，具有良好的页岩气形成条件[83, 84]，具有代表性的页岩储层。粘土矿物平均含量约为 20%（伊蒙混层占粘土矿物的 60%

【参考文献】