超低温环境下致密岩石孔隙力学特性研究及应用

超低温环境下致密岩石孔隙力学特性研究及应用

论文摘要

随着非常规油气资源的大规模开发,水力压裂的广泛应用不仅消耗大量淡水资源,还引起地下水污染等环境问题。许多国家已禁止将水力压裂用于油气开采,因此急需一种环保高效的无水压裂技术来代替常规水力压裂。液氮压裂作为一种以液氮为压裂液的无水环保压裂新技术,是水力压裂的潜在替代选项。然而目前液氮压裂领域的研究还很匮乏,一方面液氮超低温(-196℃)环境下储层岩石的力学性质变化规律及损伤机制还不明确,另一方面液氮压裂过程中裂缝的起裂和扩展规律尚无清晰认识。基于上述问题,本文通过研发新型试验设备,创新试验方法,开展了不同饱和条件致密砂岩在液氮超低温环境下的孔隙力学特性及液氮压裂应用研究。首先通过不同饱和条件致密砂岩在常温及液氮超低温实时作用下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验,对其宏观拉压力学性质的变化规律进行了探究。在液氮超低温环境下,致密砂岩的抗拉强度、抗压强度、弹性模量等力学参数,均随含水饱和度的增加呈先减小后增大再减小的趋势。然后为了明确宏观力学性质变化背后的微观机制,分别采用数字图像相关方法、核磁共振试验、微观电镜扫描试验,对液氮超低温作用下不同饱和条件致密砂岩的热变形特征,以及孔隙和微观结构的演化规律进行了观测分析。在宏观力学性质变化的同时,不同饱和条件致密砂岩均出现呈条带状分布的不可恢复损伤变形区,致密砂岩在液氮超低温作用前后的孔径分布和总孔隙度也发生显著变化,且液氮超低温作用后致密砂岩的微观结构出现多种形式的破坏。接下来从孔隙力学角度出发,根据前期不同尺度下的试验研究结果,对液氮超低温环境下发生在不同饱和条件致密砂岩内部的复杂物理力学耦合过程进行了理论分析和推导。液氮超低温环境下,致密砂岩孔隙水所对应的临界相变温度随孔径减小而降低,孔隙水多级相变导致的膨胀压力与岩石基质收缩变形共同作用,加之强结合水相变以及毛细管力效应的影响,是导致致密砂岩宏观力学性质变化以及岩石结构改变的根本原因,这为后续液氮压裂等相关应用研究提供了理论指导。最后在上述液氮超低温环境下致密砂岩孔隙力学特性研究的基础上,提出了液氮压裂三阶段模型,并开展了液氮压裂相关数值模拟和物理试验研究(依托自主研发的液氮压裂试验设备),对液氮压裂过程中裂缝的起裂和扩展规律进行了探究。致密砂岩在液氮压裂试验过程中形成了由主裂缝、分支裂缝以及空间裂缝共同构成的复杂裂缝网络,其裂缝形态复杂程度远大于水力压裂试验所形成的单条裂缝,与液氮压裂三阶段模型相吻合。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 创新点
  • 第1章 绪论
  •   1.1 选题背景和研究意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 低温对岩石力学性质的影响研究现状
  •     1.2.2 液氮压裂研究现状
  •   1.3 存在的问题
  •   1.4 研究内容
  •     1.4.1 超低温环境下致密岩石宏观力学性质研究
  •     1.4.2 超低温环境下致密岩石变形及结构演化规律研究
  •     1.4.3 超低温环境下致密岩石孔隙力学理论分析
  •     1.4.4 液氮压裂过程中致密岩石裂缝起裂和扩展规律研究
  •   1.5 技术路线
  • 第2章 超低温环境下致密岩石宏观力学性质研究
  •   2.1 超低温作用对致密岩石压缩力学性质影响研究
  •     2.1.1 试件制备
  •     2.1.2 试验设备与试验方案
  •     2.1.3 压缩试验结果
  •     2.1.4 力学参数变化分析
  •     2.1.5 声发射特征及损伤描述
  •   2.2 超低温作用对致密岩石拉伸力学性质影响研究
  •     2.2.1 试件制备
  •     2.2.2 试验设备与试验方案
  •     2.2.3 拉伸试验结果及分析
  •   2.3 本章小结
  • 第3章 超低温环境下致密岩石变形及结构演化规律研究
  •   3.1 超低温环境下致密砂岩变形特征研究
  •     3.1.1 试件制备及试验流程
  •     3.1.2 DIC变形测试结果
  •     3.1.3 致密岩石变形特征总结
  •   3.2 超低温作用对致密岩石孔隙结构的影响研究
  •     3.2.1 试件制备及试验流程
  •     3.2.2 核磁共振试验结果分析
  •   3.3 超低温作用对于致密岩石微观结构的影响研究
  •     3.3.1 试件制备及试验流程
  •     3.3.2 电镜扫描试验结果分析
  •   3.4 本章小结
  • 第4章 超低温环境下致密岩石孔隙力学理论分析
  •   4.1 致密岩石热变形分析
  •   4.2 致密岩石孔隙水的多级相变分析
  •     4.2.1 致密砂岩孔隙水的多级相变
  •     4.2.2 不同饱和条件致密砂岩试件的相变过程差异
  •   4.3 强结合水相变分析
  •   4.4 毛细管力效应分析
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 液氮压裂试验及数值模拟研究
  •   5.1 液氮压裂研究意义及现状
  •   5.2 液氮压裂三阶段模型
  •     5.2.1 液氮压裂对地层岩石的作用效应
  •     5.2.2 液氮压裂三阶段模型
  •   5.3 液氮压裂数值模拟研究
  •     5.3.1 温度场作用下的天然裂缝扰动
  •     5.3.2 液氮汽化压力在孔隙中的传递
  •   5.4 液氮压裂试验研究
  •     5.4.1 液氮压裂试验装置
  •     5.4.2 试件制备及试验方案
  •     5.4.3 液氮压裂试验结果分析
  •     5.4.4 小结
  •   5.5 本章小结
  • 第6章 结论
  •   6.1 主要结论
  •   6.2 研究展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果
  • 学位论文数据集
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 赵波

    导师: 张广清

    关键词: 非常规油气,液氮压裂,超低温,多级相变,复杂裂缝

    来源: 中国石油大学(北京)

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,石油天然气工业,建筑科学与工程

    单位: 中国石油大学(北京)

    分类号: TU45;TE357

    DOI: 10.27643/d.cnki.gsybu.2019.000002

    总页数: 156

    文件大小: 11949k

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