应力作用下的储层页岩力学性能及其渗透性研究

摘要

“清洁低碳”的天然气作为优质的清洁能源，符合国际社会的发展要求。近年来，我国天然气产量也一直处于稳定增长态势，但增速远不及天然气消费量，2018 年天然气进口量1254亿立方米，同比增长31.7%，对外依存度攀升至45.3%。可见，全面提升天然气产量是优化我国能源结构、构建开放条件下天然气安全保障体系的重要基础。而我国页岩气藏储量大，开发潜力大，开展自主勘探开发页岩气是解决当前天然气紧缺问题的重要举措。基于对北美页岩气开发技术的追踪及其我国示范基地的发展，产量逐年递增，但与北美相比差异较大。因此，形成符合我国页岩气储层的开发技术是关键，而储层渗透率作为影响页岩产能的重要因素之一，是当前亟待解决的关键课题。因此，研究复杂赋存环境中的页岩力学特性及其渗透性具有重要的意义。以现场采集的龙马溪组露头页岩为研究对象，进行了三轴应力作用下的页岩力学性能及渗透性试验，分析原页岩、水化页岩及酸化页岩的力学参数变化、破坏特征及渗透率变化规律，理论分析荷载作用下的页岩应变、损伤变量与渗透率的关联性，揭示页岩损伤过程中的渗透性演化机理。论文结合试验分析、理论研究及数值模拟，获得了如下研究成果：　　（1）进行不同层理倾角的页岩力学特性试验，分析了页岩在荷载作用下的力学响应特征。其结果表明：应力作用下的各类页岩力学参数各向异性特征显著；页岩的层理倾角由0°到90°增大时，其弹性模量随之增大，峰值强度先减小后增大；加载过程中的裂纹首先出现在层理面，沿轴向加载方向形成竖向裂纹，逐渐贯通形成破坏面，大多表现为沿层理面的脆性破坏。　　（2）开展不同浸泡液的页岩力学特性试验，对比分析原页岩、水化页岩和酸化页岩的力学特性。其结果表明：页岩进行酸化、水化处理后，其弹性模量、内摩擦角、粘聚力和强度峰值相比原岩显著降低，且酸化页岩的力学参数降低更多。　　（3）进一步开展页岩在应力作用下的渗透试验，分析了荷载作用下的页岩渗透率的变化规律。其结果表明：特定荷载作用下，其渗透率表现为初始阶段平缓、缓慢增大、急剧增大、快速减小的变化趋势，其变化与应力作用下的页岩渐裂破坏的四个阶段密切相关。在此基础上，基于损伤-渗流力学理论，建立损伤变量表达的渗透率演化模型，揭示荷载诱发页岩损伤的渗透性机理。　　（4）采用有限元析软件COMSOL Mutiphysics模拟页岩力学和渗流特性的结果表明：应力作用下的页岩水力学特性试验结果与模拟结果具有一致性，且数值模拟能较好地再现荷载诱发页岩损伤的渗透率演化过程，其研究成果对解决工程储层页岩的实际问题具有重要意义。

目录

1 绪 论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 页岩力学特性的研究现状

1.2.2 页岩渗透特性的研究现状

1.3 本文研究的内容

1.4 技术路线

2 储层页岩的力学试验及其特性分析

2.1.1试验设备

2.1.2试件加工

2.1.3试验方案

2.2试验力学参数处理及力学特性分析

2.2.1围压影响的页岩力学特性分析

2.2.2不同层理倾角影响的页岩力学特性分析

2.2.3不同处理方式的页岩力学特性试验

2.2.4孔隙水压影响的页岩力学特性分析

2.3.1 裂纹环向应变表征的岩样破坏演化特性

2.3.2 岩样内部损伤表征的损伤变量分析

2.4本章小结

3 三轴应力作用下的页岩渗透试验及其渗透性研究

3.1 页岩渗透率的测试原理及方法

3.2 三轴应力下的页岩渗透试验

3.2.1考虑气体介质的页岩渗透特性研究

3.2.2 考虑液体介质的页岩渗透特性研究

3.3 不同影响因素的渗透率变化规律

3.3.1 不同层理倾角页岩的渗透率变化规律

3.3.2 不同围压、渗透压的页岩渗透率变化规律

3.4 本章小结

4 荷载诱发页岩损伤的渗透性演化机理研究

4.1 三轴压缩下页岩损伤变量的计算模型

4.2 关联损伤变量的页岩渗透率分析模型

4.3.1 基于两种损伤模型的渗透率对比分析

4.3.2 应力诱发页岩损伤的渗透率演化研究

4.4 本章小结

5 考虑水力耦合过程的储层页岩渗透特性研究

5.1有限元软件COMSOL Multiphysics简介

5.2 储层页岩水力耦合模拟的理论基础

5.3.1模拟理论条件

5.3.2 渗流应力耦合模型的建立

5.4模拟结果及分析

5.4.1页岩力学响应及渗透率模拟结果及分析

5.4.2页岩裂纹开展过程的模拟

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2后续研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 学位论文数据集

致谢