溫度對長石化細砂巖滲透率的影響

溫度對長石化細砂巖滲透率的影響

1網(wǎng)絡滲透率表征大自然的不同地質(zhì)作用將巖屑收集并形成復雜的空隙和裂縫結(jié)構(gòu)的集合，即巖石。作為表征巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù),巖石滲透率能夠很好地表征巖石內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡特征。巖石滲透率的研究已經(jīng)成為巖石力學一個熱點問題早在20世紀60年代,Somerton等巖石熱損傷特性是一個不可逆的演化過程,前人對巖石在溫度條件下滲透率的研究中,由于試驗條件限制,通常采取高溫冷卻后測取的方法。這樣并不能真實地反映巖石在溫度升高過程的滲透率變化,體現(xiàn)其熱損傷破壞的真實特性。本文采用中國礦業(yè)大學“211”工程建設項目:20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機2試驗設備和樣品2.1mn伺服控制高溫高壓巖體三軸機試驗采用中國礦業(yè)大學211工程建設項目“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機”,見圖1。試驗機由輔機裝料系統(tǒng)和主機加載系統(tǒng)構(gòu)成,通過溫控柜、熱電偶、電熱合金聯(lián)合控制和施加樣品溫度。2.2試驗樣本試驗樣品取自河南永城的長石細砂巖,加工成φ200mm×400mm圓柱體,對加工后的巖樣進行表面清潔,見圖2。2.3滲透率測試試驗總結(jié)由于本試驗機為高溫高壓巖體三軸試驗機,所采用的巖石樣品尺寸較大,在保證滲透率測試試驗順利進行的前提下,同時也要保證試驗結(jié)果真實有效。根據(jù)試驗機調(diào)試過程(初期預警試驗)中出現(xiàn)的主要問題,針對性地解決了試驗中需要注意的幾方面,分述如下。2.3.1高壓氮氣閥門關閉(1)測試介質(zhì)(冷)與測試樣品(熱)的接觸關系,即低溫氮氣對試驗砂巖的冷卻損傷劣化作用(2)高壓氮氣閥門的開放快慢直接影響試驗用氮氣的壓力,而易形成瞬時高壓氣流,產(chǎn)生對細砂巖裂縫的擴張作用,使試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定程度的“虛化”,為避免此現(xiàn)象產(chǎn)生,通過主機采集的數(shù)據(jù)反饋及先期預警試驗確定高壓氮氣氣源閥門打開幅度和快慢。2.3.2圍壓施加量通過主機加載控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力控制開關,先小幅度施加軸壓,再緩慢小幅度施加圍壓,控制進給壓力增加幅度(1MPa/次)。當壓力達到試驗要求后,調(diào)節(jié)溫度控制柜,設定試驗溫度值,對巖樣進行加溫(1℃/10min),達到預定溫度后,保溫2h,使巖樣均勻受熱。3試驗結(jié)果及分析3.1初始升溫期巖石熱破裂溫度與聲發(fā)射事件本試驗對溫度影響下的長石細砂巖滲透率進行了實時升溫階段的全程測量,試驗過程中保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定(軸壓為6MPa,圍壓為5MPa),孔隙壓力為1.0MPa,長石細砂巖滲透率(克氏滲透率)計算采用如下公式計算:式中:K為試驗巖芯的滲透率(μm通過滲透率K值,可以表現(xiàn)出長石細砂巖滲透率變化規(guī)律,而對于表征滲透率變化規(guī)律的階段性特征尚有不足。為了更好地對長石細砂巖滲透率隨溫度變化的階段特征進行分析,本文取參數(shù)M式中:n為溫度測點號;M本試驗中巖樣初始溫度為25℃,因此,在25℃時,取M通過表1可以看出,總體上砂巖的滲透率隨溫度升高的同時也在逐漸增大。在溫度的初升時期(25~100℃),巖石滲透率主要表現(xiàn)為有所減小,100℃與25℃相比減少了23%,這是由于細砂巖礦物顆粒的熱膨脹行為對原生孔隙、裂隙的擠壓、封閉作用,所以總體上導致氣體通道不暢,阻力增大,宏觀表現(xiàn)為細砂巖滲透率的下降。在溫度達到200℃左右,砂巖的滲透率急劇增大,說明在砂巖的滲透率變化過程中存在一個閾值溫度(對長石砂巖來說為200℃)。當?shù)陀陂撝禍囟葧r,砂巖滲透率變化緩慢,而一旦臨近或者達到閾值溫度,滲透率變化劇烈,與原始狀態(tài)(25℃)相比,滲透率由0.073×10由表1可知,在初始升溫階段滲透率變化率M由于巖石滲透率的變化能夠直接反映巖石內(nèi)部裂縫結(jié)構(gòu)的變化情況,據(jù)此可通過滲透率發(fā)生突變的溫度來推斷巖石熱破裂的閾值溫度范圍。由于巖石剛產(chǎn)生熱破裂裂縫時,因每條裂縫均是相互獨立的,對滲透率的影響還不是很大。只有當裂縫發(fā)育到一定程度時,巖石的滲透率才相應的增大。因此,用這種方法得到的巖石熱破裂閾值溫度一般稍高(見圖4),聲發(fā)射事件是通過聲發(fā)射儀數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)對聲發(fā)射探頭的測量信號進行采集、存儲;最后由數(shù)據(jù)采集板將數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理,輸出數(shù)字信號),在砂巖滲透率達到峰值之前,砂巖AE事件計數(shù)率已經(jīng)達到峰值,表明砂巖內(nèi)部裂紋網(wǎng)絡出現(xiàn)急劇擴展,具有明顯突變性;而隨著砂巖滲透率接近峰值,砂巖聲發(fā)射事件計數(shù)率逐漸減小,說明砂巖內(nèi)部的變形破壞逐漸減少,并趨向階段性穩(wěn)定,此階段影響砂巖滲透率大小的主要因素是砂巖內(nèi)部大裂縫的溝通和形成,而非新裂縫的產(chǎn)生3.2高溫加熱期對砂巖滲透率的影響在溫度影響下,砂巖滲透率變化劇烈,在溫度25~100℃階段(M在溫度處于100~250℃階段(M試驗發(fā)現(xiàn)巖芯滲透率在2個溫度段出現(xiàn)降低:(1)25~100℃(M對于第1種情況,主要由于加溫后,長石細砂巖中的組巖礦物顆粒產(chǎn)生微小熱膨脹,對顆粒之間的孔隙產(chǎn)生封閉作用,并導致原生的裂隙閉合,使可供連通的有效通道減少。因此,此時所測取的砂巖滲透率出現(xiàn)降低;對于第2種情況(250~350℃),砂巖滲透率出現(xiàn)大幅降低,造成這種現(xiàn)象的原因,本文從宏觀和細觀兩方面進行分析。3.2.1高溫三軸試驗ae事件發(fā)生的期在熱、力耦合作用下,當達到熱破裂閾值時,長石細砂巖內(nèi)部裂縫數(shù)量形成相互貫通的裂縫網(wǎng)絡,此時裂縫的數(shù)量、張開度都達到最大,巖石滲透率達到峰值;而后隨著溫度升高,裂縫數(shù)量進入相對平靜期,根據(jù)長石細砂巖的高溫三軸試驗AE現(xiàn)象可以判定(見圖4,達到滲透率峰值后,砂巖AE事件計數(shù)率急劇減小并穩(wěn)定,說明砂巖內(nèi)部裂縫的發(fā)展進入一個相對的穩(wěn)定期,表明此時砂巖內(nèi)部由溫度升高導致的熱膨脹引起的內(nèi)部變形和破壞開始穩(wěn)定,砂巖內(nèi)部裂紋的擴展也較為緩慢和穩(wěn)定,甚至有所停滯)。而巖石彈性模量逐漸降低,增加了巖石的變形能力,巖石內(nèi)部裂縫的張開度減小,由于試樣滲透率主要由裂縫數(shù)量、張開度所控制。裂縫數(shù)量相對穩(wěn)定,裂縫張開度減小,減弱了試樣內(nèi)部裂縫網(wǎng)絡的流通能力,導致滲透率下降。3.2.2熱應力作用及儲層材料特性結(jié)合砂巖的細觀結(jié)構(gòu)圖(圖5)可以看到:(1)在溫度升高初始階段,巖石內(nèi)部所產(chǎn)生的裂紋主要分布在礦物晶體顆粒之間,當溫度足夠高,由于部分礦物晶體顆粒內(nèi)在非均勻性,而導致礦物晶體顆粒內(nèi)部穿晶裂紋的萌生、起裂,新生晶內(nèi)裂紋的開裂,對于原有的礦物顆粒之間的裂紋張開度是負作用,它減小了原有裂紋的張開度,從而占據(jù)了原有晶間裂紋空間,減少了一部分已有流通通道,對原有的裂紋網(wǎng)絡形成了一種削弱作用,導致巖石滲透率下降。(2)在試樣中產(chǎn)生的熱應力變得足夠高以致引起結(jié)構(gòu)破壞之前,當溫度足夠高,由于礦物顆粒發(fā)生熱膨脹而使體積增加,占據(jù)了部分原有的孔隙空間,使孔喉直徑減小,進而減小了流動通道,最終造成滲透率下降。(3)長石細砂巖內(nèi)部的礦物晶體顆粒在溫度進一步升高后,在250~350℃時,部分細砂巖礦物發(fā)生熱熔效應,致使長石細砂巖內(nèi)部的一些裂縫愈合,而后隨著溫度的持續(xù)升高,砂巖礦物發(fā)生了重結(jié)晶,導致氣流通道減少,也是導致砂巖滲透率降低的一個重要因素根據(jù)對細觀結(jié)構(gòu)分析,在350~450℃階段(M在本試驗中,巖石滲透率發(fā)生突變的轉(zhuǎn)折點與巖石發(fā)生熱破裂的界限溫度(即閾值溫度)相對應。從材料力學觀點來看,只有當施加的外力達到一定限度后才會發(fā)生材料的破壞。大量研究表明,巖石中裂縫的產(chǎn)生與礦物顆粒之間因熱膨脹不匹配和熱膨脹各向異性而產(chǎn)生的熱應力集中有關,而加熱溫度的大小決定著巖石中熱應力的強弱。當巖石加熱到某一溫度使其內(nèi)部聚集的熱應力超過巖石抗張強度時,巖石中會有新裂縫的產(chǎn)生與連通,從而引起巖石滲透率的變化。4儲層巖石滲透率分析采用20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機對恒定壓力、溫度作用下的長石細砂巖滲透率規(guī)律進行了研究,得出以下結(jié)論:(1)溫度作用下長石細砂巖滲透率存在溫度閾值為200℃。當達到閾值溫度,砂巖滲透率急劇增大,滲透率峰值較室溫狀態(tài)的滲透率值增加65倍。隨后砂巖滲透率出現(xiàn)下降,并達到谷值,為室溫砂巖滲透率值的8倍,說明經(jīng)過熱破裂作用的砂巖滲透率處于較高的水平。(2)三軸應力條件下,隨著溫度升高,砂巖滲透率變化存在階段性特征,表現(xiàn)為5個階段:(1)低溫段,滲透率略有下降;(2)閾值溫度前段,滲透率值急劇增大,并產(chǎn)生一個突躍;(3)閾值溫度后段,砂巖滲透率快速減小;(4)穩(wěn)定段,砂巖滲透率達到谷值并波動;(5)高溫段,砂巖滲透率重新增大。(3)砂巖滲透率變化的階段特征與礦物顆粒邊界及內(nèi)部因局部熱應力集中而誘發(fā)產(chǎn)生的微裂縫在溫升過程中的開閉有關;低溫階