了得網自然科學_致密岩石滲透測試與滲流力學特性

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《致密岩石滲透測試與滲流力學特性》適於水利水電、礦山、交通、環境、石油和核廢料處置等行業從事岩石滲流力學和工程的科研人員使用，還可作為高等院校和科研院所相關專業研究生的教學參考書。

內容簡介

《致密岩石滲透測試與滲流力學特性》以致密岩石的滲流力學特性為主題，介紹致密岩石滲透特性的試驗測試設備、技術、方法和理論。通過開展大量典型致密岩石在不同條件下（不同圍壓、不同滲壓、循環加卸載、滲流應力耦合等）的滲流力學特性試驗，建立圍壓、滲壓與滲透率和孔隙度之間的變化規律。通過試驗論證氣體在致密岩石中流動時存在滑脫效應現像。建立變形、屈服和破壞過程中致密岩石的滲流演化規律和滲透率演化概念模型。通過宏觀和微觀試驗，探討致密岩石的滲透破壞機制。

序
前言
第1章致密岩石氣體滲透特性測試技術方法
1.1概述
1.2致密岩石氣體滲透特性測試繫統研發
1.3致密岩石氣體滲透率測試原理與方法
1.3.1準靜態法測試原理與方法
1.3.2氣體壓力脈衝法測試原理與方法
1.3.3氣體流量法測試原理與方法
1.4致密岩石有效孔隙度測試原理與方法
參考文獻
第2章致密岩石氣體滲透特性試驗研究
2.1概述
2.2致密岩石孔隙度與滲透率測試試驗方案與程序序

前言

第1章致密岩石氣體滲透特性測試技術方法

1.1概述

1.2致密岩石氣體滲透特性測試繫統研發

1.3致密岩石氣體滲透率測試原理與方法

1.3.1準靜態法測試原理與方法

1.3.2氣體壓力脈衝法測試原理與方法

1.3.3氣體流量法測試原理與方法

1.4致密岩石有效孔隙度測試原理與方法

參考文獻

第2章致密岩石氣體滲透特性試驗研究

2.1概述

2.2致密岩石孔隙度與滲透率測試試驗方案與程序

2.2.1滲透率測試試驗(方案一)

2.2.2滲透率和孔隙度測試試驗(方案二)

2.3圍壓作用下致密岩石滲透率演化特征(方案一)

2.3.1不同圍壓下的滲透率變化特征

2.3.2加卸載過程對滲透率的影響

2.3.3加載過程中滲透率與圍壓函數關繫

2.4圍壓作用下致密岩石孔隙度與滲透率演化特征(方案二)

2.4.1不同圍壓下有效孔隙度與滲透率變化特征

2.4.2加載過程中滲透率與圍壓函數關繫

2.4.3加載過程中有效孔隙度與圍壓函數關繫

2.4.4有效孔隙度與滲透率函數關繫

2.5致密岩石滲透率影響因素

2.5.1微觀結構排列

2.5.2微裂紋分布

參考文獻

第3章致密岩石氣體滲流滑脫效應試驗研究

3.1概述

3.2滑脫效應產生原因

3.3氣體滑脫效應試驗方案

3.4氣體滑脫效應影響

3.4.1致密岩石氣體流動特征

3.4.2孔隙壓力對滑脫效應的影響

3.4.3氣體滑脫效應對氣測滲透率的貢獻

3.4.4滑脫因子與滲透率函數關繫

3.4.5滑脫效應與克努森數

參考文獻

第4章致密岩石循環加卸載條件下滲透率演化規律試驗研究

4.1概述

4.2試驗方案和試樣材料

4.3循環加卸載作用下有效孔隙度隨圍壓演化規律

4.3.1初次加卸載過程中有效孔隙度隨圍壓變化關繫

4.3.2多次循環加卸載過程中有效孔隙度與圍壓變化關繫

4.4循環加卸載作用下滲透率隨圍壓演化規律

4.4.1初次加卸載過程中滲透率隨圍壓變化關繫

4.4.2多次循環加卸載過程中滲透率隨圍壓變化關繫

4.5循環加卸載作用下滲透率與有效孔隙度變化關繫

4.5.1初次加卸載過程中滲透率與有效孔隙度變化關繫

4.5.2循環加卸載過程中滲透率與有效孔隙度變化關繫

4.6循環荷載作用下致密岩石有效孔隙度與滲透率演化影響因素

參考文獻

第5章致密岩石滲流應力耦合作用下滲流演化規律試驗研究

5.1概述

5.2致密岩石滲流應力耦合作用下氣體滲流演化規律

5.2.1試驗設備與試驗方法

5.2.2不同圍壓作用下致密岩石氣體滲流規律

5.2.3不同圍壓作用下致密岩石氣體滲流破壞特征

5.3致密岩石滲流應力耦合作用下液體滲流演化規律

5.3.1試驗設備

5.3.2不同圍壓和不同滲壓條件下的試驗方案及試驗材料(方案一)

5.3.3不同滲壓條件下的試驗方案及試驗材料(方案二)

5.4致密岩石液體滲流演化規律(試驗方案一)

5.4.1不同圍壓和滲壓作用下的岩石應力-應變特征

5.4.2不同圍壓下的軸向應力-應變與滲透率變化關繫

5.4.3不同圍壓下的體積應力-應變與滲透率變化關繫

5.4.4滲壓對岩石強度參數的影響

5.4.5不同圍壓和滲壓作用下的岩石滲流破壞特征

5.5致密岩石液體滲流演化規律(試驗方案二)

5.5.1不同滲壓作用下砂岩應力-應變特征

5.5.2不同滲壓作用下砂岩滲流特征

5.5.3滲透率演化規律和概念模型

5.5.4不同滲壓作用下的滲透破壞特征

參考文獻

附錄常見致密岩石氣體滲透測試結果

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第1章致密岩石氣體滲透特性測試技術方法
1。1概述
致密岩石滲透特性測試是研究其滲流特性的前提。標準常規的測試岩石滲透特性的方法有液體測量法和氣體測量法，兩種方法都是基於達西定律，采用穩流技術(Jones et al。，1980；Zeynaly-Andabily et al。，1995；Dana et al。，1999；Davy et al。，2007)。液體穩流技術測量法的適用有一定的範圍，當岩石的結構致密，液體流動速率小，通過岩樣微小流量需要很長的時間纔能達到穩定流速，長時間的試驗過程增大了測量誤差，也制約了致密岩石滲流規律以及滲流應力耦合規律的研究。1968年，Brace等首次提出了應用瞬時壓力脈衝法測量Westerly花崗岩滲透率的測量方法，由於試驗過程中監測的是壓力而不是流量，高精度的壓力測量比流量測量容易實現，同時壓力可以實時測量，這一技術節約了不少試驗時間，因此瞬時壓力脈衝法後來被廣泛應用於致密岩石滲透率的測量中(Brace，1980；Bourbie，1982；Jones，1997)。
西南石油學院研究和發展了這種技術，並建立了瞬時脈衝試驗裝置(高家碧等，1991)，所得測試結果與美國岩芯公司的常規氣體滲透率測試儀的測試結果比較接近，說明了使用這一技術可測試滲透率低於10-17m2的致密岩石。為了縮短滲透試驗時間，並提高測量的準確性，開發研制了定水位法、定流量法和壓力脈衝法進行測量的通用滲透試驗裝置(Zhang et al。，2000；張銘，2003)。但這些方法的測試精度如何，其測試結果與真實值的誤差有多大，一直為人們所關注，尤其是當使用液體作為滲透介質，在致密岩石中需要很長的時間纔能達到穩定流速，長時間的試驗過程增大了測量誤差。
由於液體穩流測試法的種種局限和弊端，實驗室和現場試驗進而采用氣體測試法。使用氣體測試，其優點為：①使用惰性氣體，滲透介質不與岩石固體骨架發生化學作用，岩石能夠保持其原有的物理化學特性；②氣體滲透速度快，試驗時間較短，避免了長時間的試驗引起洩露、溫度變化等帶來的測量誤差；③可以直接使用達西定律來計算其流量；④在一定試驗條件下，可以完成不同飽和度岩石的滲透率測定。要解決致密岩石滲透測試問題，除了需要一套適用於致密岩石滲透特性測量儀器，還需要掌握合理的測試方法和對測試結果準確性的校正，纔能得到相對精確的致密岩石滲透屬性(王欣，2013)。
1。2致密岩石氣體滲透特性測試繫統研發
致密岩石惰性氣體滲透測試試驗繫統由河海大學岩石力學實驗室與法國國家科研中心裡爾力學研究所共同開發研制。試驗主體裝置如圖1。1所示。該試驗裝置圍壓的施加範圍為0~60MPa，高精度氣體流量計的測量精度為10-4MPa，滲透率測量有效值可達到10-24m2。
圖1。1致密岩石惰性氣體滲透測試裝置第1章致密岩石氣體滲透特性測試技術方法

1。1概述

致密岩石滲透特性測試是研究其滲流特性的前提。標準常規的測試岩石滲透特性的方法有液體測量法和氣體測量法，兩種方法都是基於達西定律，采用穩流技術(Jones et al。，1980；Zeynaly-Andabily et al。，1995；Dana et al。，1999；Davy et al。，2007)。液體穩流技術測量法的適用有一定的範圍，當岩石的結構致密，液體流動速率小，通過岩樣微小流量需要很長的時間纔能達到穩定流速，長時間的試驗過程增大了測量誤差，也制約了致密岩石滲流規律以及滲流應力耦合規律的研究。1968年，Brace等首次提出了應用瞬時壓力脈衝法測量Westerly花崗岩滲透率的測量方法，由於試驗過程中監測的是壓力而不是流量，高精度的壓力測量比流量測量容易實現，同時壓力可以實時測量，這一技術節約了不少試驗時間，因此瞬時壓力脈衝法後來被廣泛應用於致密岩石滲透率的測量中(Brace，1980；Bourbie，1982；Jones，1997)。

西南石油學院研究和發展了這種技術，並建立了瞬時脈衝試驗裝置(高家碧等，1991)，所得測試結果與美國岩芯公司的常規氣體滲透率測試儀的測試結果比較接近，說明了使用這一技術可測試滲透率低於10-17m2的致密岩石。為了縮短滲透試驗時間，並提高測量的準確性，開發研制了定水位法、定流量法和壓力脈衝法進行測量的通用滲透試驗裝置(Zhang et al。，2000；張銘，2003)。但這些方法的測試精度如何，其測試結果與真實值的誤差有多大，一直為人們所關注，尤其是當使用液體作為滲透介質，在致密岩石中需要很長的時間纔能達到穩定流速，長時間的試驗過程增大了測量誤差。

由於液體穩流測試法的種種局限和弊端，實驗室和現場試驗進而采用氣體測試法。使用氣體測試，其優點為：①使用惰性氣體，滲透介質不與岩石固體骨架發生化學作用，岩石能夠保持其原有的物理化學特性；②氣體滲透速度快，試驗時間較短，避免了長時間的試驗引起洩露、溫度變化等帶來的測量誤差；③可以直接使用達西定律來計算其流量；④在一定試驗條件下，可以完成不同飽和度岩石的滲透率測定。要解決致密岩石滲透測試問題，除了需要一套適用於致密岩石滲透特性測量儀器，還需要掌握合理的測試方法和對測試結果準確性的校正，纔能得到相對精確的致密岩石滲透屬性(王欣，2013)。

1。2致密岩石氣體滲透特性測試繫統研發

致密岩石惰性氣體滲透測試試驗繫統由河海大學岩石力學實驗室與法國國家科研中心裡爾力學研究所共同開發研制。試驗主體裝置如圖1。1所示。該試驗裝置圍壓的施加範圍為0~60MPa，高精度氣體流量計的測量精度為10-4MPa，滲透率測量有效值可達到10-24m2。

圖1。1致密岩石惰性氣體滲透測試裝置

該試驗裝置由七部分組成，結構示意圖如圖1。2所示。試驗裝置主要包括：圍壓加載繫統（1）、岩樣壓力室（2）、氣體控制面板（3、4）、氣壓加載繫統（5）、氣壓傳感器（6、7、8）及高精度氣體壓力計（見圖1。3）。其中氣體控制面板又由上遊（4）和下遊（3）壓力儲氣罐、氣體管道和閥門組成。通過調節圍壓加載繫統（1）控制岩樣所受圍壓。氣壓加載繫統（5）可調節整個氣體通道內的氣壓。

圖1。2致密岩石惰性氣體滲透測試結構圖

圖1。3高精度氣體壓力計

通過調節氣體控制面板控制岩樣上、下端面所受氣體壓力，進而調節岩樣所受孔隙壓力。通過數據采集儀器可自動記錄岩樣上、下端面所受氣體壓力，其中上、下遊氣體管道內體積分別為0。2L，上、下遊壓力儲氣罐體積分別為0。5L。高精度壓力計可連接至岩樣壓力室上遊出氣端，測量出氣端微小的氣體壓力變化，其精度達1×10-4MPa。

測試裝置使用氬氣為滲流介質，氬氣為惰性氣體，不與岩石固體骨架發生化學作用，使得測量值能夠保持岩樣原有的物理化學特性。

1。3致密岩石氣體滲透率測試原理與方法

滲透率是多孔介質的一個重要特征參數，依據達西定律定義有

Q=KAh1-h2L=kμAh1-h2L(1。1)

式中，Q為多孔介質過水斷面流量(m3/s)；A為多孔介質過水斷面面積(m2)；h1-h2為多孔介質上下遊過水斷面水頭(m)；L為流體滲流路徑長度(m)；K為多孔介質滲透繫數(m/s)；k為多孔介質滲透率(m2)；μ為流體黏度(Pa s)。

在一定的壓差下，岩石允許流體通過的性質稱為岩石的滲透性。從數量上度量岩石滲透性的參數稱作滲透率，滲透率又可以分為相對滲透率、滲透率和單相滲透率。

岩石中隻有一種流體通過時，岩石允許該流體通過的能力稱為單相滲透率。滲透率是指當岩石中隻有一種流體通過，且流體不與岩石發生任何物理和化學反應時，岩石允許該流體通過的能力。滲透率是岩石本身具有的固有性質，它隻與岩石的孔隙結構有關，與通過岩石的流體性質無關。

實質上任何一種流體都會或多或少地與岩石發生物理和化學反應，滲透率隻是一個理論值。在實際應用中，隻能選用一種與岩石反應非常少的流體的單相滲透率來近似代替滲透率，通常采用氣體如氬氣、氮氣、空氣的滲透率作為滲透率。試驗繫統使用單相流體氬氣作為滲透介質，所研究的即為岩石的滲透率。

依據研發的致密岩石惰性氣體滲透測試繫統，提出三種使用氣體作為滲流介質測量岩石滲透率的方法，分別是準靜態法、壓力脈衝法、氣體流量法。

1。3。1準靜態法測試原理與方法

準靜態法，即通過壓力室進氣端控制岩樣下端面氣體壓力，而壓力室出氣端（即岩樣上端面）與大氣相連，待岩樣上、下端面氣壓差形成穩態滲流後，通過記錄進氣端氣體壓力隨時間的變化，推求岩試的氣體滲透率。其原理示意圖如圖1。4所示。

圖1。4準靜態法示意圖

P0。標準大氣壓；P。進氣口氣體壓力；Pc。圍壓

準靜態法試驗技術原理如下(王欣，2013)：

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