真三軸應力條件下儲層巖石的多物理場耦合響應特性研究_.pdf

1、儲層巖石處于應力、溫度和流體流動等多物理場耦合條件下，其力學特性和滲流規(guī)律是評價和影響儲層資源開發(fā)的關鍵因素。由于構造應力的存在，儲層巖石往往處于真三軸應力狀態(tài)（σ1>σ2>σ3）。本論文以儲層巖石作為研究對象，綜合運用試驗研究、理論分析與數值模擬等手段，系統(tǒng)性地分析真三軸應力條件下儲層巖石的多物理場耦合響應特性。自主研制了多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng)；開展了真三軸應力條件下砂巖、頁巖和煤的力學特性與滲流規(guī)律研究，重點探討了中間主應力和

2、中主應力比對儲層巖石強度特性和滲透率的影響；基于裂隙壓縮率假設，從應力角度推導了儲層巖石滲透率與各主應力的關系，提出了真三軸應力條件下儲層巖石滲透率計算模型；基于真三軸應力條件下儲層巖石滲透率計算模型，構建了儲層巖石熱流固耦合模型；利用試驗結果對所構建的儲層巖石熱流固耦合模型進行了驗證，并將其用于現場工況模擬。本文的主要研究成果如下：
　?、僮灾餮兄屏硕喙δ苷嫒S流固耦合試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對真三軸應力條件下的巖石力學特性與流體滲

3、流規(guī)律進行研究。該系統(tǒng)所具有的內密封滲流系統(tǒng)和伺服增壓系統(tǒng)相互配合，對試件進行了有效的密封，首次實現了真三軸應力條件下氣液的自由滲流控制與監(jiān)測。
　?、陂_展了真三軸應力條件下儲層巖石強度特性試驗。隨著最小主應力和中間主應力的升高，儲層巖石抗壓強度逐漸升高，巖石破壞時的廣義剪應力也逐漸升高。同時，巖石抗壓強度的σ2效應強弱還受σ3大小的影響。
　?、坶_展了真三軸應力條件下砂巖滲透率試驗。隨著σ1、σ2和σ3的升高，砂巖滲透率均

4、表現出下降的趨勢。然而，砂巖滲透率的下降并不明顯，仍保持在同一個數量級。在σ1、σ2和σ3的升高過程中，σ3對砂巖滲透率的影響最大，σ2次之。σ1最小。
　?、荛_展了真三軸應力條件下頁巖滲透率試驗。隨著σ1、σ2和σ3的升高，不同層理方向條件下頁巖滲透率均表現出下降的趨勢。頁巖滲透率下降幅度大約為2~3個數量級，較之砂巖滲透率下降幅度更為明顯，表現出對應力較強的敏感性。各方向主應力對滲透率的影響是有差異的，其滲透率變化過程表現出明

5、顯的各向異性，而滲透率下降最明顯的過程均為加載垂直于層理面方向應力的過程。結果表明了頁巖層理對其滲透率的控制作用。
　　⑤開展了真三軸應力條件下原煤滲透率試驗。隨著σ1、σ2和σ3的升高，原煤滲透率均表現出下降的趨勢。整個應力升高過程，原煤滲透率降低了大約1~2個數量級，其對應力的敏感性介于頁巖和砂巖之間。
　?、迌訋r石初始的裂隙分布、彎曲度和連通度等都具有明顯的各向異性。除此之外，由于裂隙形態(tài)和其變形模量的各向異性，裂隙