文摘

砂岩和煤炭在本质上是两种最常见的类型的水库。在含油砂岩地层的渗透性控制其石油和天然气产量;含瓦斯煤层的渗透率有至关重要的影响瓦斯抽放效率。影响岩石渗透率的主要因素之一是空间分布和连通性岩石的孔隙和裂缝。在这篇文章中,一个小型样品直径5毫米,10毫米的高度是用于测试。不同应力状态下的岩石样本进行扫描在渗流的实时测试。基于二维图像,三维数字样本重构。我们提取孔隙和裂缝的三维数字样品,研究了最大的集群的大小和分布的样本,并揭示了围压的影响和渗透压力渗流概率和渗透率的样本。研究结果表明,脆弱的砂岩和塑料煤,两种类型的岩石与完全不同的力学性能,在空间分布上有明显的区别最大的集群。在相同的应力状态下,脆性sandstone-like岩石中,裂缝的连通性影响渗透率的主要因素,和毛孔是辅助因子; for plastic rocks such as coal, the situation is just the opposite, pores are the primary factor affecting permeability, and fissures are the auxiliary factor. The research results answer the question: Hydraulic fracturing technology can increase the oil and gas production of sandstone reservoirs but cannot increase the drainage efficiency of coalbed methane.

1。介绍

岩石是一种天然的多孔介质材料,大量的随机分布的孔隙和裂缝,孔隙和裂缝构成岩石的孔隙,和这些空洞的分布和连通性对岩石的渗透率的影响至关重要。此外,岩石含有丰富的能源资源,特别是沉积岩石如砂岩和煤。这些岩石的渗透性具有重要意义的提取石油、天然气、甲烷。因此,砂岩的渗透性和煤炭和孔隙和裂缝的分布一直是学者们的研究重点。

孔隙和裂缝岩石为流体提供存储空间和传输通道,因此研究孔隙裂缝的分布特征是一个基本的工作。当前的实验方法用于研究孔隙和裂缝主要包括以下:水星入侵porosimetry (MIP) [1,2),气体吸附(N₂/公司₂)[3,4),电脑断层摄影术(CT) (5- - - - - -8)和核磁共振(NMR) (9- - - - - -11]。但这些方法有一定的局限性;MIP极有可能破坏孔隙结构由于高压注入水银,这可能会导致一些误导性信息在毛孔12- - - - - -14]。气体吸附法不能摧毁孔隙结构,但是它只能用于干燥的岩石样本,不含水样品15),它假定孔隙的形状是圆柱形4];核磁共振是一种快速、无损的方法描述多孔介质微观结构。然而,在微观结构表征方面,核磁共振有一个可怜的识别影响大孔隙。此外,金属矿物样本可能影响核磁共振T2弛豫时间分布(16,17]。与上述方法相比,微ct是一种无损和高精度可视化扫描技术(5,18),得到了广泛的应用。ct机不仅可以分析孔隙和裂缝的空间分辨率几微米孔喉大小分布也得到信息,如孔隙直径、喉道长度,和孔隙连通性(19,20.]。王等人。7,21]研究了微观结构、煤变形和水运异构煤炭利用ct机的行为。施等。22]分析了裂隙在不同等级的详细结构煤通过ct机扫描和确定了煤阶对裂隙的物理性质的影响。

岩石渗透率的研究中,海兰德(23)使用砂岩为研究对象,研究变形和破坏过程中渗透率特征和岩石渗透率的演化前后失败;陈等人。24)也用砂岩的三轴压缩试验变形特性进行实验研究,渗透率变化规律,和围压卸载过程的声发射特征,和测试结果说明变形特征之间的相关性,声发射,在卸载和岩石的渗透性;王等人。25]用岩石力学测试系统进行三轴压缩试验砂岩和石灰岩;他们的结果显示在岩石破裂渗透率的演化特征,岩石强度之间的关系,变形,渗透之前和之后的失败。

岩石渗流研究基于CT机而言,当前的主要研究思路是通过CT扫描获得3 d数字岩石样本的岩石样本,然后使用数值模拟方法来研究渗透率的变化规律的数字岩石样本,最后建立了岩石渗流模型通过比较仿真结果与实际渗流测试结果(26- - - - - -28]。由于缺乏渗流实验设备能够进行实时CT扫描,很少有研究孔隙和裂缝的分布和连通性如何改变随着围压的增大,渗流压力在渗流试验和连通性之间的关系是什么孔和裂缝,岩石渗透率。

解决上述问题,本文我们新开发的一套特殊的实验设备,它可以用ct机扫描岩石样本进行渗透测试,研究了孔隙的分布和连通性和裂缝岩石样本,和孔隙和裂缝的连通性之间的关系和围压渗流压力根据实时ct机扫描。

2。实验

2.1。样品制备

这个测试中使用的黄砂岩是来自内江城市的郊区的一个采石场,四川;这种砂岩,中抗压强度,良好的均匀性,和一些可见的自然裂缝,是一种理想的材料研究脆性岩石的渗透率。煤炭样本检索从地下矿山位于沁水盆地东南部的在中国的山西省,涂有蜡,运到实验室。归类为无烟煤煤低强度,质地均匀,孔隙度高,和丰富的自然解理缝;这是一个塑性岩石。

选择这两种岩石的主要原因为研究对象如下:本文的主要目的是研究围压的影响和渗透压力的渗透脆性和塑性岩石失败后,获取连接模式的变化与应力增量的孔隙和裂缝。对脆性岩石,没有明显的层理砂岩满足这个需求。同时,它包含大量均匀分布的毛孔,所以在实验中使用的黄砂岩是一个理想的岩石渗流研究[29日- - - - - -31日]。塑料岩石、煤是一种岩石明显的塑性变形特征。然而,在大多数类型的煤,关节和床上用品开发和不均,这将影响测试结果;为了消除这种效果,我们选择这样的无烟煤和高孔隙度和相对良好的均匀性为研究对象。处理过的煤样和砂岩样品直径5毫米,10毫米高度图所示1。

2.2。实验仪器

2.2.1。高分辨率ct机系统

高分辨率ct机的模型系统中使用这个测试μCT225kvFCB。系统由一个x射线源,一个非晶硅平板探测器和一个样品阶段。用于图像采集的非晶硅平板探测器组成 像素,每个像素的大小是127μ米,如图2。采用数字控制样品阶段三个方向的移动 , ,和 ,可实现高精度定位。

扫描正在运行电流的主要参数为120μ工作电压100 kV, 2 s /图像的曝光时间,和36.04的几何放大率;每个像素的分辨率为5.38μ米,这意味着最小的孔隙大小,可以确定是5.38μm。在扫描期间,样品阶段的旋转角度为每个投影为0.9°,样品阶段是旋转360°,预测的数量是400。

2.2.2。小型三轴渗流测试机

这个测试中使用的测试机是由我们的研究团队新开发;是开发小型岩石样本(5 - 7毫米直径,10 - 20毫米高)。这台机器可以用于单轴压缩实验,三轴压缩实验中,渗流实验,实时CT扫描。试验机的刚度 ,加载装置的弹性模量是206 GPa,剪切模量是80 GPa,泊松比是0.26。适用的样品的弹性模量是0.25 - 5 GPa,泊松比是0.11 - -0.25,刚度 。

小型三轴渗流试验机由一个轴向加载装置,轴向应力传感器、轴向压力显示,围压输入端口,渗流压力输入端口,和三轴压力室,如图3。

2.2.3。渗透测试系统实时CT扫描

样品的系统可以进行CT扫描在实时进行渗透测试和获得的变异趋势连接孔隙和裂隙的岩石样本在不同的应力场。这个系统显示在图4。

围压和渗流压力都含有一个水泵,加载介质是蒸馏水。当围压需要申请,关闭阀门⑤,打开阀门④,高精度和增压水泵①;当需要应用渗流压力,关闭阀门④⑤并打开阀门。这样,系统可以在两个压力线之间自由切换。以确保稳定的压力线,一个蓄电池连接到每一行。渗透测试期间,小型三轴渗流试验机⑥固定在样品阶段的ct机进行实时扫描。

2.3。实验方法

本文的研究对象是失败后的岩石样本的渗流特征。因此,在渗流试验之前,一个增加轴向载荷应用于样本前缀的围压下,直到达到强度极限和失败。然后,保持轴向应变不变,卸载围压,开始重新加载围压和渗透压力,测量岩石的渗透率样本,并执行实时CT扫描。

3 d数字岩石样本可以重建CT扫描获得的基于二维灰度图像;在数字岩石样本,灰度值越高,像素密度越大。研究孔隙的连通性和裂缝在不同压力条件下,首先需要识别和提取孔隙和裂缝;最常用的方法是binarize数字样本。在这个过程中,阈值的选择是一个非常重要的一步,决定了识别孔隙和裂缝的准确性。在这里,DTM阈值分割的方法是使用32]。图5是砂岩的比较之前和之后的二进制图像处理。

根据上面的方法,一个空间骨架组成的毛孔是复制。在骨架中,所有相邻的毛孔形成连接集群,并有许多3 d数字集群的样本。我们称之为集群包含最多的孔隙像素”最大的集群。“随着样品的孔隙度增加,孔隙中包含的像素的数量最大的集群将增加(33]。的渗流概率可以表示的三维数字样品以下公式: 在哪里是渗流概率。是孔隙中包含的像素的数量最大的集群。像素的总数在3 d数字样本。

3所示。实验结果和分析

岩石的渗透率受围压的影响和渗透压力。为了找出这两种压力的影响岩石的渗透率变化,渗透测试和实时ct机扫描执行砂岩和煤,具有不同的力学性能。

3.1。围压对砂岩渗透率的影响

首先,2.5 MPa的围压和2 MPa的渗流压力应用于砂岩样品,然后,轴向压力缓慢加载,直到样品失败。裂缝性砂岩样品如图6。保持渗透压力维持在2 MPa,开始逐步增加围压。测量水的通量退出每个围压下的出口和执行实时ct机扫描。测试结果如图7。

从图可以看出7当渗流压力保持不变,渗透率随围压的增加而减小。它表明,当围压的增加,样本被压缩的原始裂缝,裂缝的宽度减少,最终导致可怜的渗透率。拟合曲线如图7表明,磁导率与围压之间的关系是一个幂律关系。

3.2。围压对砂岩渗流的影响概率

在不同围压下,实时ct机扫描执行砂岩重建3 d数字样本。基于数字样本,我们提取骨架孔隙和裂缝,获得最大的连接集群,并计算出渗流概率。图8显示数字样本的空间分布和不同围压下的最大的集群。

比较裂缝在数字样本和最大的集群在图8可以看出,空间形式的裂缝和最大的集群是相似的。随着围压的增加,压缩和关闭首先小裂缝,大裂缝的宽度变得越来越小。规模最大的集群逐渐随围压的增加而减小。计算规模最大的集群和计算渗流概率在不同围压下,结果如图所示9。

3.3。渗透压力对煤渗透率的影响

4.5 MPa的围压和0.5 MPa的渗流压力应用于煤炭样本,然后,轴向压力缓慢加载,直到样品失败。破碎煤样例图所示10。保持围压在2 MPa,开始逐步增加渗透压力。测量水的通量排放从每个围压下的出口,并执行实时ct机扫描。测试结果如图11。

图11表明,随着渗流压力的增加,煤样的渗透率先增加然后减少;渗流压力是2 MPa时,磁导率达到最小值。这种渗透率变化的原因如下。在测试的开始阶段,相对较高的围压裂缝表面处于压缩状态。除此之外,煤炭的低强度矩阵引起围压下发生明显的变形,导致裂缝关闭和裂缝的连通性变得更糟。渗透率下降的另一个原因是,水只能渗透裂缝表面的一小部分,当渗流压力非常小的价值。在这种情况下,向外开放力产生的渗透压力作用于裂缝表面相比是很小的闭合力由于围压,因此,裂缝进一步不能打开。因此,在渗流压力足够高到足以打开裂缝,渗流压力可以被视为轴向压力作用于样品,这就增加了样本体积应力,导致渗透率下降。当渗流压力达到2 MPa的压力已经高到足以导致裂缝慢慢开启;因此,煤样的渗透率相应开始增加。

3.4。渗透压力对煤的影响渗透概率

不同渗流压力下,实时ct机扫描执行对煤炭样本重建3 d数字样本。基于数字样本,我们获得的骨架孔隙和裂缝,最大连接集群,并计算渗流概率。图12显示了最大的集群的空间分布在不同渗透压力。

比较图12以上与图8,我们可以看到最大的集群煤炭和砂岩有一个完全不同的空间形式。在煤样例中,最大的集群分布相对均匀,和它的结构就像随机分布的毛孔,像海绵一样的,裂缝的存在几乎是看不见的。砂岩样品的形式最大的集群是由裂缝控制,和它的结构是一样的裂隙结构的样本。这表明控制塑性岩石的渗透性的主要因素和脆性岩石是不同的;在脆性sandstone-like岩石、裂缝的连通性影响渗透率的主要因素,和毛孔是辅助因子;在塑料岩石如煤炭,情况恰恰相反,毛孔影响渗透率的主要因素,裂缝是辅助因素。

大量的工程实践经验表明,水力压裂技术可显著提高砂岩储层的石油和天然气生产,但不能提高煤层的瓦斯抽放效率。原因在于,煤层是一种塑料岩层,及其渗透性主要由毛孔而不是裂缝。弱者煤发生大变形的作用下上覆岩层,和高压水所产生的裂缝再次很快。对脆性岩石如砂岩,如上所述,其渗透率的主要控制因素是裂缝而不是毛孔;在骨折后,砂岩有大量的裂缝,大大提高了渗透率。

渗流概率与渗流压力的变化如图13。

从图可以看出13的渗流概率与渗流压力的增加呈指数增长。此外,通过比较数据13和11,当渗流压力大于2 MPa,渗流概率和渗透率增加渗透压力的增加,和变异模式是相同的。然而,当渗流压力小于2 MPa,渗流概率和渗透率的变化趋势不一致;原因是渗流压力相对小于围压;在这个时候,它的主要功能是增加体积应力的煤样,导致渗透率下降。

4所示。结论

本文以脆弱的砂岩和塑料煤为研究对象,主要研究这两种岩石的渗流特征与完全不同的力学性能。在渗透测试中,使用微型样品和实时ct机扫描在同一时间执行。渗流理论被用来分析最大的集群的大小和形状的变化在不同应力状态下的岩石样本,和主要控制因素这两种岩石的渗透性进行了讨论。主要结论如下所述。(1)在不同围压下,渗透率随围压的增加,和两者之间的幂律关系满意;与此同时,随着围压的增加,渗透概率也随围压的增加而减小;两者之间仍满足幂律关系(2)不同渗流压力下,渗透率的增加先增加然后减少渗流压力和渗透率达到最低时,渗流压力是2 MPa。然而,当渗流压力超过2 MPa,渗流概率随渗流压力的增加;当渗流压力小于2 MPa时,只有在渗流概率略有增加。渗流概率和渗透率的变化趋势是一致的(3)最大的集群的空间分布在不同应力状态的主要因素表明,控制塑性岩石的渗透率和脆性岩石是不同的;在脆性sandstone-like岩石、裂缝的连通性影响渗透率的主要因素,和毛孔是辅助因子;在塑料岩石如煤炭,毛孔影响渗透率的主要因素,裂缝是辅助因素。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。