探讨含水储层页岩的渗透率特征在循环加载和卸载条件下,测试页岩是露头取自Longmaxi重庆Shizhu县,被选中的渗透率实验。首先,粉页岩的矿物成分分析基于XRD衍射模型如图 1(一),显示的矿物石英、正长石、斜长石、方解石、白云石、伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石。根据国际岩石力学学会的方法(ISRM),所有测试样本的大小是圆柱直径50毫米和100毫米长度约,如图 1 (b)。它是观察从图 1 (b)的页岩是黑色的明显的床上用品。此外,声学排放所有标本检测和接收的非金属声学探测器RSM-SY5为了照亮每组储层砂岩标本均匀避免实验的样本的异质性影响效率和准确性。

所有渗流实验将在重庆大学岩土工程测试中心,和一个名叫岩石的岩石伺服控制三轴设备600 - 50 - ht + TOP-INDUSTRIE在法国生产的安排所有的测试。

实验装置由液压传递系统,一个压力室设备、液压系统、自动数据采集系统;进行三轴压缩试验围压(P2) 60 MPa,随着偏应力(P1)达到500 MPa,增加传感器,有一个分辨率为0.01 MPa。系统可以处理常水头,恒定的流量和瞬时脉冲磁导率测试在低或高的和水的压力。同时,可以选择不同的液体作为测试液和伺服控制流体泵可以调节孔隙压力60 MPa (P3、P4)根据实验目标。

这种装置可以执行机械测试,渗透测试,和流体力学的测试由计算机和自动化操作,确保所有测试数据可以分析安全,及时,准确。仪器可用于处理静水压力测试,三轴渗透测试,等四种加载模式包括位移加载,加载压力,应变加载和流加载用来满足不同的实验要求。和设备可以自动记录实时数据每5秒。

首先,页岩水化治疗与0天(无水),2天、5天、10天,如图 2和明显的裂缝观察页岩表面有水分的日子。进行页岩气渗流试验时,页岩标本封闭在一个3毫米厚的氟橡胶橡胶外套,然后放置在样品组装。测试时,轴向位移与两个位移线性测量,和周向变形与圆周测量传感器。考虑温度影响页岩变形和渗流特征,所有测试均在室温下进行( 25 ± 2 ° C )。

然后,相应测试水分的页岩在不同荷载组合。获取页岩水化的变异和渗透率的损害特征,所需的样品首先进行围压,和轴向应力成比例地增加围压的值,以确保一个初始各向同性压力或零偏应力。此外,上游压力(P3)和下游压力(P4)为确保页岩水化液平衡在一个单一的阶段。后来,偏应力增加逐步的渗透测试调用测量岩石的渗透率。这种渗透测试过程中,样品的渗透率可以通过测量液体体积计算泵的一段时间,写的 16] (1) k = μ l V 一个 Δ p Δ t , 在哪里 k 是页岩渗透率(m²), μ 粘度是流体动力学(水在哪里 T = 20. ° C , 1 × 10 − 3 巴勒斯坦权力机构 · 年代 ), l 页岩样品的高度(米), V 是体液(m³)泵的时间 Δ t , 一个 横截面积(m²), Δ p 是流体压差(Pa), Δ t 流时间(年代)。

至于渗流测试循环加载和卸载条件下,表中列出的详细设计 1。设计考虑渗流压力4 MPa 5 MPa和轴向压力和围压加载从5 MPa 11 MPa和卸载从11 MPa 5 MPa(增量1 MPa)五次,和水化页岩的渗透率在不同阶段可以测量,描述了不同渗透率变异设计负载条件下水化的日子。

为了描述的力学特性和相应的渗透率变异水化页岩与不同天(2天,5天,10天),偏应力和应变的曲线和渗透率和应变考虑渗流压力的荷载组合4 MPa和围压5 MPa如图 3。可以看出,偏应力和应变的变化规律相似;然而,页岩水化天治疗显示了较低的峰值强度。根据水分特征如图 2,可以得出的结论是,有更多的水吸收到页岩水化天,导致矿物生成絮状纤维扩张和分离和较大的孔隙结构,所以水可以流到毛孔和骨折越来越扩大页岩破坏。因此,页岩试样水化天生成更多裂缝迅速传播逐步加载条件下( 28),特别是页岩床上用品软化和润滑更容易削弱岩石强度和失败。

此外,渗透率演化在不同围压和不同水压力的组合是绘制在图 3,表明考虑到相同的加载条件下,给定的渗透性降低水化天初始加载阶段,然后随着负载的增加而增加;变化是根据上述阶段的页岩裂纹扩展和渗透率演化在文献[ 26],深深校准渗透率的同步进化与裂纹萌生和扩展。此外,它可以从表 2的初始渗透率页岩水化0天,2天,5天,10天,分别 6.63 × 10 − 18 米², 8.69 × 10 − 18 米², 14.65 × 10 − 18 米², 26.58 × 10 − 18 米²,这表明页岩的渗透率与初始压实阶段水化天更大,因为更多的裂缝中提到的人物 2。和增加页岩渗透率比考虑水化天从0天到2天,2天到5天,5天到10天,分别为31.07%,68.58%,和81.43%,渗透率的比较表明,对水化时期更加敏感。的渗透率变异可以解释长期水化导致更多的孔隙和裂缝传播扩大渗流通道,导致渗透率大大增加。因此,从上述数据观测表明,水化不应该被忽视的油藏钻井和水力压裂页岩气开采的过程。

同时,相应的最小渗透率页岩没有水化,水化2天、5天、10天在相同载荷条件下,分别与价值观 3.31 × 10 − 18 米 2 , 3.52 × 10 − 18 米 2 , 6.49 × 10 − 18 米 2 , 12.54 × 10 − 18 米 2 也列在表中 2。它可以被观察到的最小渗透率页岩也增加了更多的水分天,显示更多的和更大的裂缝与长时间的页岩水化仍占主导地位。此外,相应的最大渗透率是列在表中 2和相应的值是29.57×10^-18年米²,39.54×10^-18年米²,201.55×10^-18年米²和387.61×10^-18年米²考虑水化,水化2天、5天、10天,表明磁导率考虑水化10天没有水的13.1倍,而认为骨折产生更多的这种页岩水化在同等条件下的天。

因此,渗透率变化的曲线可以总结成水化天导致更多的毛孔和骨折扩大更大的渗流通道,水是加速流动的裂缝导致相应的渗透率页岩水化天从而增加更明显在上述相同的荷载组合。的主要原因水化扩大裂缝孔径和数量是裂纹传播和新裂缝开始在无机矿物中,之间的裂缝扩大带状有机材料和无机矿物质。同时,离子如Na⁺K⁺,Ca^{2 +}将溶解;一旦流出水,离子会聚集在粘土表面造成更广泛的裂纹。因此,应该连接形成更大的裂缝,裂缝和相应的渗透率将大大增加。

全面描述储层岩石的渗透率变化,一个名叫损伤变量的重要指标 D 描述缺陷变化密切相关的微裂纹增长,提出了微观结构演化。基于研究文献中 16),假定岩石微量元素的力量服从威布尔随机分布;因此,损伤变量 D 可以被描述为 (2) D = 1 − 经验值 − F F 0 米 , 在哪里 米 和 F 0 威布尔参数和吗 F 是随机强度变量的岩石微量元素。

假设 F = f σ ~ ′ ,在那里 σ ′ ~ 是有效应力张量,因此岩石破裂准则可以写的 (3) F = f σ ′ ~ − k 0 = 0 , 在哪里 k 0 是常数与凝聚力和摩擦角度考虑岩石屈服; F = f σ ′ ~ ≥ k 0 代表岩石屈服或失败。和描述的岩石破裂准则可能基于Drucker-Prager标准 (4) F = α 我 ′ ~ 1 + J ′ ~ 2 , (5) α = 罪 φ 9 + 3 罪 2 φ , 在哪里 ϕ 摩擦角; 我 ~ 1 ′ 首先是有效应力张量不变量,然后呢 J ~ 2 ′ 是第二个的有效应力张量不变量。

假设岩石的应力-应变服从广义胡克定律,stress-stain原则可以写的 (6) ε ~ 1 ′ = 1 E σ ~ 1 ′ − μ σ ~ 2 ′ + σ ~ 3 ′ , 在哪里 E 弹性模量和吗 μ 泊松比。

考虑 σ 1 > σ 2 = σ 3 在三轴测试和 ε 1 = ε ~ ′ 1 ,替换表达式 σ ~ ′ 我 j = σ 我 j − p w δ 我 j / 1 − D 在方程( 6)给 (7) σ 1 = E ε 1 1 − D + 2 μ σ 3 + 1 − 2 μ p w

同时,测量轴向偏应力 σ 1 t 和真正的轴向污点 ε 1 应该显示在方程( 8)和方程( 9)。 (8) σ 1 t = σ 1 − σ 3 (9) ε 1 = ε 1 t + ε 10

因此,统计损伤本构模型( 16)考虑孔隙压力可以写的 (10) σ 1 t = E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − p w 经验值 − F F 0 米 + 2 μ − 1 σ 3 − p w F = E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − p w σ 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − p w ⋅ 罪 φ σ 1 t + 3 σ 3 − 3 p w 9 + 3 罪 2 φ + σ 1 t 3 , σ 1 t − 2 μ − 1 σ 3 − P w E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − P w = 经验值 − F F 0 米 , 在哪里 E 弹性模量, ε 1 t 是偏应变; σ 1 t 偏应力, σ 3 围压, p w 是渗透压力, φ 内摩擦角, μ 泊松比。

然后,方程( 5)可能改变如下: (11) σ 1 t − 2 μ − 1 σ 3 − P w E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − P w = 经验值 − F F 0 米 , ln ln σ 1 t − 2 μ − 1 σ 3 − P w E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − P w = 米 ln F − B , Y = 米 X − B , 在这, X = ln F ; Y = ln ln E ε 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − p w / σ 1 t + 1 − 2 μ σ 3 − p w ; B 拟合参数;和 F 0 可以通过计算 F 0 = 经验值 B / 米 根据拟合分析。

基于以上推导公式,页岩损伤和应变和渗透率曲线和应变可计算和数据所示 4(一)- - - - - - 4 (c)。的比较关于页岩的渗透率和相应的损伤变化与不同水化天呈现相似的变化。然而,这是观察从图 4页岩水化的十天有更大的破坏和更大的渗透率具有相同应变,表明更多的骨折,裂缝代表更大的破坏已经生成的这个页岩水化的天。至于页岩水化天相同的样本,可以看出,损伤和渗透率变异的变异模式类似于图偏应力变化 3,表明增加负荷扩大页岩伤害和渗透性,所以损伤变异率可以被认为是描述裂纹扩展和渗透发展。

因此,磁导率与损伤变量 D 可以写的方程( 12)使用水化2天的测试数据,5天,10天,如图 5(一个)- - - - - - 5 (c)。从拟合曲线可以看出,磁导率的关系以及相应的损伤变量可以表示通过指数函数相关系数超过0.97,表明逐渐损害是描述渗透率演化的关键。 (12) k = ζ 经验值 一个 + b D + c D 2 , 在哪里 k 磁导率, D 是损伤变量, ζ 是一个参数值10^-18年, 一个 , b , c 基于实验数据的拟合参数。

而且,它可以观察到,页岩渗透率增加更大的损伤变量,表明页岩破坏变异可以代表内部裂纹扩展,和渗透裂纹扩展演化密切相关,因此,渗透率演化与损伤演化是同步的。此外,该曲线 k ~ D 在数据 5(一个)- - - - - - 5 (c)表明,页岩渗透率在图 5 (c)为期10天的水化天是最大的在相同的加载条件下相对于其他少用页岩水化天;主要原因是认为初始损伤是最大的10天水化页岩导致最大的初始磁导率,保持最大的甚至用同样的损伤变量,解释渗透率页岩水化的影响。

为了描述渗透率演化在循环加载和卸载条件下,曲线考虑五个周期如图 6(一)- - - - - - 6 (d)已经比较详细。比较表明,页岩渗透率的变化模式相似变化考虑第一个装卸条件。并从曲线可以清楚地看到在图 6(一)②代表放大四个周期,考虑围压增加从5 MPa 11 MPa在第二个循环加载和卸载过程中,页岩渗透率没有水化,水化2天,5天,10天下降 1.54 × 10 − 18 米 2 , 1.39 × 10 − 18 米 2 , 2.5 × 10 − 18 米 2 , 4.9 × 10 − 18 米 2 来 0.28 × 10 − 18 米 2 , 0.25 × 10 − 18 米 2 , 0.69 × 10 − 18 米 2 , 0.4 × 10 − 18 米 2 。而且,当你考虑围压降低从11 MPa 5 MPa,页岩渗透率的水化,水化2天,5天,10天增加 0.21 × 10 − 18 米 2 , 0.25 × 10 − 18 米 2 , 0.69 × 10 − 18 米 2 , 0.4 × 10 − 18 米 2 来 0.7 × 10 − 18 米 2 , 0.82 × 10 − 18 米 2 , 1.74 × 10 − 18 米 2 , 2.58 × 10 − 18 米 2 。

另外,从曲线在图 6 (b)②考虑围压增加从5 MPa 11 MPa在第三个循环加载和卸载过程中,页岩渗透率没有水化,水化2天、5天、10天下降 0.7 × 10 − 18 米 2 , 0.82 × 10 − 18 米 2 , 1.74 × 10 − 18 米 2 , 2.58 × 10 − 18 米 2 来 0.18 × 10 − 18 米 2 , 0.56 × 10 − 18 米 2 , 0.45 × 10 − 18 米 2 , 0.31 × 10 − 18 米 2 。而且,当你考虑围压降低从11 MPa 5 MPa,页岩渗透率的水化,水化2天,5天,10天增加从0.18×10^-18年米²,0.16×10^-18年米²,0.27×10^-18年米²和0.31×10^-18年米²0.54×10^-18年米²,0.61×10^-18年米²,1.25×10^-18年米²和1.74×10^-18年米²。

从曲线在图中观察到的 6 (c)②考虑围压增加从5 MPa 11 MPa在第四个循环加载和卸载过程中,页岩渗透率没有水化,水化2天、5天、10天下降 0.51 × 10 − 18 米 2 , 0.61 × 10 − 18 米 2 , 1.25 × 10 − 18 米 2 , 1.74 × 10 − 18 米 2 来 0.11 × 10 − 18 米 2 , 0.09 × 10 − 18 米 2 , 0.27 × 10 − 18 米 2 , 0.25 × 10 − 18 米 2 。而且,当你考虑围压降低从11 MPa 5 MPa,页岩渗透率的水化,水化2天,5天,10天增加 0.11 × 10 − 18 米 2 , 0.12 × 10 − 18 米 2 , 0.45 × 10 − 18 米 2 , 0.25 × 10 − 18 米 2 来 0.45 × 10 − 18 米 2 , 0.53 × 10 − 18 米 2 , 1.12 × 10 − 18 米 2 , 1.49 × 10 − 18 米 2 。

此外,从数据的曲线 6 (d)②代表放大四个周期考虑围压增加从5 MPa 11 MPa在第五循环加载和卸载过程中,页岩渗透率没有水化,水化2天,5天,10天下降 0.46 × 10 − 18 米 2 , 0.53 × 10 − 18 米 2 , 1。1 × 10 − 18 米 2 , 1。5 × 10 − 18 米 2 来 0.10 × 10 − 18 米 2 , 0.12 × 10 − 18 米 2 , 0.26 × 10 − 18 米 2 , 0.24 × 10 − 18 米 2 。而且,当你考虑围压降低从11 MPa 5 MPa,页岩渗透率的水化,水化2天,5天,10天增加 0.10 × 10 − 18 米 2 , 0.09 × 10 − 18 米 2 , 0.26 × 10 − 18 米 2 , 0.24 × 10 − 18 米 2 来 0.40 × 10 − 18 米 2 , 0.52 × 10 − 18 米 2 , 1。0 × 10 − 18 米 2 , 1.42 × 10 − 18 米 2 。但是,它可以从数据得出结论 6(一)②, 6 (d)②,页岩渗透率的变异率更光滑后3循环加载和卸载的过程,表明页岩渗透率主要敏感第一荷载组合。

而且,页岩渗透率的拟合曲线在5循环加载和卸载条件下被列在表主电源功能 3。为深入研究循环加载和卸载条件下影响页岩渗透率变异,渗透率损失在荷载条件和渗透率恢复卸载条件介绍了描述复杂条件下渗透率演化。基于测试的渗透率是规范化 (13) F = k 我 k 0 × One hundred. % , 在哪里 F 是无因次渗透率的因素, k 我 是渗透在装载或卸载条件下, k 0 是原始渗透率。

根据公式( 13),损失率 F 年代 在加载条件下被定义为渗透率的比值在开始阶段和结束阶段的渗透率 F 年代 = F 0 − F t ,在这 F 0 的无量纲因子渗透在开始加载阶段, F t 是无量纲的因素渗透的加载阶段结束。至于卸载阶段,恢复被定义为 F 米 = F C − F t ,在那里 F C 是无因次渗透率的因素考虑围压卸载原来的值。基于渗透率在不同的负载条件下,计算亏损率和恢复率和列在表 3。从表可以看出 3,没有水化的页岩渗透率损失率在第一循环条件大于90%,21%在第二周期,在第三周期8%,6.5%在第四周期,5.7%在第五周期。至于页岩水化的标本2天,渗透损失率在第一循环条件大于91%,13%在第二周期,在第三周期7.7%,5.6%在第四周期,5.0%在第五周期。至于页岩水化的5天,渗透损失率在第一循环条件大于92.4%,12.1%在第二周期,在第三周期8.6%,6.6%在第四周期,5.6%在第五周期。至于页岩水化的10天,渗透损失率在第一循环条件大于95.0%,18.0%在第二周期,在第三周期9.2%,6.1%在第四周期,5.1%在第五周期。不同条件下的渗透率损失表明,渗透率损失率降低更多顺利考虑负载周期考虑水化天相同。然而,扩大渗透水化天损失率前三周期,表明水化效应不容忽视的页岩渗透率的研究。

而且,卸载阶段的渗透率小于在加载阶段由于不可逆变形,所以表中列出的渗透率恢复 3相对较小。页岩的结果表明,由于没有水,第一循环条件下的渗透率恢复率为18.1%,8.9%在第二周期,在第三周期6.5%,5.4%在第四周期,5.1%在第五周期。至于页岩水化2天,循环条件下的渗透率恢复率为9.2%,7.1%在第二周期,5.9%在第三周期,在第四个周期的4.6%,4.4%在第五周期。至于页岩水化的5天,循环条件下的渗透率恢复率为7.4%,7.1%在第二周期,在第三周期5.7%,5.4%在第四周期,5.0%在第五周期。至于页岩水化的10天,循环条件下的渗透率恢复率为7.2%,6.7%在第二周期,5.6%在第三周期,在第四个周期的4.3%,4.2%在第五周期。渗透率恢复率小于20%第一次卸载后,表明页岩渗透率具有明显的不可逆变形加载条件下很难恢复到原始值。

此外,表中列出的比较 3表明,渗透率损失率和恢复率与水化天,表明损失率大,回收率与水化更少的日子里,起诉的渗透率对围压加载阶段是敏感,但对在卸围压条件。因此,渗透在每一个周期的结束由图给出 7,表明页岩考虑一定的水化天,多周期导致渗透率变化平稳,减少敏感的渗透率、渗透率是更大更多的水分天考虑相同的荷载组合,表明磁导率与水是更敏感的周期。

用于描述渗透率与围压的关系在循环加载和卸载条件下,敏感系数的定义探讨页岩渗透率变异。更大的系数表示渗透压力更敏感。根据引用( 29日, 30.),敏感系数 c k 可以由公式( 14), k 0 水化页岩样品的初始渗透率不同,和相应的渗透率是什么 6.63 × 10 − 18 米 2 , 8.69 × 10 − 18 米 2 , 14.65 × 10 − 18 米 2 , 26.58 × 10 − 18 米 2 为页岩没有水化,水化2天,5天,10天。 (14) c k = − 1 k 0 ∂ k ∂ p 。

结合渗透率表达式表 3的敏感系数 c k 可以计算出页岩没有水化,水化10天。和 c k 比较使用基于三个循环加载的测试数据研究情感变化。它可以看到从图 8在加载条件下, c k 随围压增大而减小,较大的变异率在低围压下,显示了较强的感性,和礼物不在乎围压越大,表明增加围压压缩页岩骨折和相同的压力增量不能大大改变了渗透率降低灵敏度。至于卸载条件下, c k 可能恢复顺利,降低围压。它可以得出结论,不可逆变形不能恢复到原来的牡鹿,和相应的 c k 小于同一围压条件下的加载阶段,这是按照渗透率的变异率和恢复率损失。相比之下,系数 c k 页岩的没有水化,水化10天, c k 在后一种情况是安静的大,强调对页岩水化影响损伤和渗透率。