储层岩石孔裂隙三维可视化及渗流-应力耦合研究

摘要

本文以川煤集团芙蓉公司某煤矿的煤样和川东南的下志留统龙马溪组页岩试样为研究对象，在物理实验研究方面，利用压汞法和低温氮气法对煤样和页岩试样进行孔裂隙的初步分析；借助“μCT225kVFCB型高精度CT实验分析系统”对不同含水状态下的煤样和页岩试样进行了扫描实验，分析了不同含水状态下孔裂隙的结构特性；依托“美国MTS815岩石力学实验装置”、“PCI-2型声发射装置”、重庆大学自主研制的“煤岩热流固耦合实验系统(THM-2)”以及SOMATOM Scope的CT机对煤样和页岩试样进行了不同应力条件下的实验，分析了不同应力条件下煤样和页岩试样的力学特性、渗流特性及孔裂隙演化规律；在数值模拟方面，通过 Avizo 软件建立煤样和页岩试样孔裂隙三维模型并模拟甲烷在孔裂隙中的流动情况，计算甲烷气体流动模拟的渗透率值，与物理渗流实验结果对比。综合上述物理实验及数值仿真研究结果，得到以下主要结论：　　①通过压汞法和低温氮气法的实验结果可知，煤样的孔径范围为300~1200nm，页岩试样的孔径范围为50~650nm；说明此次实验煤样和页岩试样中孔较为发育。　　②自然含水状态下煤样的孔裂隙半径主要集中于0~200μm区间，孔裂隙率位于2%~5%之间；自然含水状态下的页岩试样孔裂隙半径主要集中于0~100μm区间，孔裂隙率位于 1%~2.5%区间。饱和处理或干燥处理均会使煤样或页岩试样分布在0~300μm 的孔裂隙数量急剧增长，说明饱水处理或干燥处理均会促进煤岩或页岩试件体内孔裂隙的扩展。　　③在常规三轴加载过程中，随着应力的增加，煤样和页岩试样的声发射信号增多，孔裂隙也随之增多。根据实验结果将煤样和页岩试样在应力条件下孔裂隙演变划分为三个阶段：孔裂隙初始阶段、孔裂隙扩展阶段、孔裂隙贯穿阶段。煤样与页岩试样的不同之处在于页岩试样的孔裂隙贯穿阶段时间较短，说明页岩的破坏比煤的破坏更为迅速。　　④在应力-渗流耦合作用下，煤样的渗透率变化规律为先减小后增大；随着渗透率的增大，孔裂隙数量呈正线性增加。用CT扫描重构后的模型模拟甲烷气体的流动，获得了甲烷渗流的流线分布。综合数值模拟和物理实验所得的渗透率对比发现：数值模拟的渗透率值与物理实验测得的渗透率大体一致，说明本数值模拟结果较为准确真实。

目录

1 绪 论

1.1 课题的选择及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 储层岩石三维可视化研究现状

1.2.2 储层岩石不同应力条件及渗流-应力耦合研究现状

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 储层岩石孔裂隙基本特征

2.1 样品选择

2.2 煤和页岩孔裂隙基础实验

2.2.1 高压压汞法煤和页岩孔裂隙研究

2.2.2 低温氮法煤和页岩孔裂隙研究

2.3 本章小结

3 储层岩石不同含水状态下三维可视化

3.1 实验装置

3.2.1 自然含水状态下煤样三维可视化

3.2.2 自然含水状态下页岩三维可视化

3.3 不同含水状态下储层岩石三维可视化

3.3.1 实验方案

3.3.2 不同含水状态下煤的三维可视化

3.3.3 不同含水状态下页岩的三维可视化

3.3.4 饱水和干燥处理对储层岩石孔裂隙结构的作用

3.4 本章小结

4 三轴应力作用下储层岩石三维可视化

4.1 实验装置

4.2 实验方案

4.3.1 煤样孔裂隙演化规律

4.3.2 页岩孔裂隙演化规律

4.3.3 页岩脆性指数的计算

4.4 本章小结

5 储层岩石的应力-渗流耦合特性

5.1 物理实验中储层岩石的应力-渗流耦合特性

5.1.1 实验装置

5.1.2 实验方案

5.1.3 实验结果

5.2.1 实验方法

5.2.2 模拟结果

5.2.3 模拟值和实验值对比

5.2.4 页岩模型气体流动模拟

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的研究成果及结论

6.2 主要创新点

6.3 后续工作展望

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C.作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

D.学位论文数据集

致谢