不同孔隙度人工岩心流固耦合特征试验研究_钟安海.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023不同孔隙度人工岩心流固耦合特征试验研究钟安海,张子麟,杨 峰,张潦源,鲁明晶(中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院,山东 东营 257200)摘 要:孔隙度对岩心的渗流-力学参数具有决定性作用,非均匀性导致天然岩心孔隙度对渗流-力学参数的影响程度离散性大、规律性不强;利用人工岩心,可以限定其孔隙率、孔径等性质,量化孔隙度的影响程度。利用水泥、骨料制备不同孔隙特征的人工岩心,开展分级围压条件下岩心物理力学测试,分析孔隙度对岩心渗透率、强度以及弹性参数的影响规律、以及材料配比与孔隙度的相关性。该研究可望为人工岩心制备及岩心渗流力学性能分析提供参考。关键词:人工岩心;孔隙度;渗透率;实验研究中图分类号:TE341 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0108-04 基金项目:中石化科技攻关项目(30200019-22-ZC0699-0019);国家科技重大专项(2017ZX05072)。第一作者:钟安海(1976-),男,高级工程师,从事储层压裂酸化研究工作。Experimental Investigation on Fluid-solid Coupling Characteristicsof Artificial Cores with Different PorosityZHONG An-hai,ZHANG Zi-lin,YANG Feng,ZHANG Liao-yuan,LU Ming-jing(Research Institute of Petroleum Engineering,Shengli Oil Field,SINOPEC,Shandong Dongying 257200,China)Abstract:Porosity plays a decisive role in seepage-mechanical parameters of cores,and heterogeneity leads to largediscreteness and weak regularity of influence degree of natural core porosity on seepage-mechanical parameters.Usingartificial core,we can limit its porosity,pore size and other properties,and quantify the influence degree of porosity.Artificial cores with different porosity characteristics were prepared by cement and aggregate,and physical and mechanicaltests of cores under graded confining pressure were carried out to analyze the influence of porosity on permeability,strength and elastic parameters of cores,and the correlation between material ratio and porosity.This study was expectedto provide reference for artificial core preparation and core seepage mechanical performance analysis.Key words:artificial cores;porosity;permeability;experimental investigation由于岩石结构的复杂性,天然岩石的孔隙结构呈现出无序、不系统的状态,这就决定了实验结果自身的局限性,所以天然岩心取芯加工后,不同的实验结果之间通常存在很大的差异、数据离散性较大1-6。然而,对具有典型结构的人工岩心进行实验,可以限定岩心的孔隙率、孔径等性质,因此其结果具有可比性,更有利于总结规律性认识。目前利用混凝土制作人工岩心是最常用的方法,也是公认的最经济最实用的方法,虽然关于混凝土配制人工岩心渗透性能的实验研究已有报道7-10,但是混凝土骨料含量、尺度与级配等对岩心流固耦合力学性能的影响,仍值得进一步深入研究11-12。本文的重点是探索合理搭配,参考混凝土的制造工艺,构建符合岩石结构特性的人工岩心,研究不同孔隙率岩心的渗透性和力学性能,并找出孔隙率与岩石特性(如渗透率、强度和刚度)的关系,该研究对于深入了解岩石渗流破坏机理具有科学意义13。1 人工岩心的制作和孔隙结构测试1.1 材料比例与岩心制作图 1 人工岩心制作过程Fig.1 Producing process of cores人工岩心由水、525#水泥和骨料按不同比例混合制成。骨料由粗粒(碎石灰石,直径 1.0 2.0 mm)、银砂(直径 0.5 1.0 mm)、细粉(碎石灰石,直径0.5 mm)组成。重量配比和岩心编号,如表 1 所示。编号为 S60 岩心,粗粒、银砂、细粉第 51 卷第 3 期钟安海,等:不同孔隙度人工岩心流固耦合特征试验研究109 在骨料中的比例为 0.4 0.6 0,其他为 0.27 0.27 0.46。材料充分混合后,放入直径 50 mm、高度 100 mm 的聚氯乙烯(PVC)模具中。在模具中摇晃成型,定型后将岩心放入水中保存 7 天。制作三个相同配比的岩心,分别用于测试力学参数、渗透率参数和孔隙结构。1.2 人工岩心孔隙结构特征岩心的特征参数由骨料的配比确定。测试内容包括:(1)采用压汞法测试孔径、孔隙等级和孔隙率(2)用电子显微镜观察标本切片的显微形貌。所得结果,如表 1 所示。累积侵入体积与岩心孔径的关系,如图 2 和图 3 所示。图 4 为编号为 S40 岩心的电镜断面显微形貌。从图 1 中我们可以看出,当孔径在 10 20 m 和 150 250 m 范围内时,侵入体积从 0.0006 mL/g 变为 0.0016 mL/g。该范围内的侵入体积大于其他范围内的侵入体积,因此可以得出该范围内直径的孔隙占较大比例。测试中编号为 S40 岩心的累积侵入量为 0.0259 mL/g,经计算其孔隙率为 9.8%。表 1 混合比与孔隙结构的关系Table 1 The relation between mix-ratio and pore structure编号混合比例(骨料 水泥 水)粗粒百分比/%质量/g累计侵入体积/(mL/g)不同孔径的侵入体积百分比/%1 10 m10 100 m100 1000 m孔隙度/%S303 1 0.6520.255.53650.01235.0020.8313.307.70S353.5 1 0.6520.94-7.90S505 1 0.922.55.73050.016836.9022.0210.719.09S606 1 123.145.78450.015130.4622.5212.909.38S707 1 123.635.51650.009827.5536.7313.279.77S404 1 0.5548.005.82350.025556.8616.0714.509.80 注:编号 S35 的岩心没有进行压汞测试,孔隙率是通过饱水称重法测得。图 2 编号 S40 岩心孔径与累积侵入体积的关系Fig.2 The relationship between pore diameter and cumulativeintrusion volume in core No.S40图 3 编号 40 号岩心电子显微镜切片剖面图Fig.3 Sectional view of electron microscope section of core No.S40压汞法和电子显微镜得到的结果表明:(1)20 50 m 和100 400 m 范围内的岩心孔径占很大比例,因为前者的数量大,直径后者很大。(2)随着骨料比例的增加,不同配比岩心的孔容增加趋势不明显,其原因是细粉(直径0.5 mm)在骨料中的比例不变,为 46%。随着骨料含量的增加,细粉增加,大量的孔隙(直径 40 400 m)被细粉填满,因此岩心的孔隙率没有明显增加。但由于水泥含量的降低,岩心的胶结程度降低,可能影响岩心的强度。(3)编号为 S40 岩心中没有细粉,所以岩心中的颗粒大,孔隙直径大。累积体积是其他的 1.5 2.0 倍,孔隙率高。(4)随着粗骨料比例的增加,岩心孔隙率单调增加,1 10 m 范围内孔隙量减少,10 100 m 和 100 1000 m 范围内孔隙量增加。由于编号 S40 岩心中没有细粉(直径0.5 mm),其中粗骨料的含量比其他的增加一倍,其中大部分孔的直径在 100 1000 m 之间,因此得出:孔隙率由粗骨料(直径 1 2 mm)决定。(5)岩心的孔隙率随着骨料含量的增加而增加。骨料与孔隙率呈正相关,但不同配比岩心的孔隙率差异不明显。主要原因是骨料中细粉占比较大,抵消了粗骨料的作用。图 4 岩心孔径与累积侵入体积的关系Fig.4 The relationship between pore diameter andcumulative intrusion volume in cores2 人工岩心渗透性及应力应变实验渗透率测试中,岩心在恒定围压 2 MPa 和恒定孔隙压1.5 MPa 下变形时测量渗透率。使用电液伺服控制岩石力学测试系统 MTS 815 进行测试。系统最大承载能力为 3000 kN。最大围压和孔隙压力可达 50 MPa。该系统配备了脉冲衰减瞬态设备,用于进行岩石和混凝土的渗透性测试。测试过程如下:(1)用塑料薄膜将圆柱形样品沿圆周套住,并固定在负载架下压板上的腔室中;(2)施加初始荷载,上下两端规定围压 2 MPa,孔隙压 1.5 MPa;(3)将岩心一端的孔隙压力降至 0 MPa,产生1.5 MPa 的孔隙压差,同时采集数据;(4)施加荷载增量,保持围压为 2 MPa,孔隙压差为 1.5 MPa,重复步骤(3)和(4),110 广 州 化 工2023 年 2 月记录数据。岩心的变形及相应的破坏过程以及渗透率的演变,将在下文中介绍。需要注意的是,当施加载荷达到岩心临界强度的 50%80%左右时,应在轴向加载模式下采取位移控制模式,以确保试验能够顺利进行。然后将收集到的数据代入以下式(1):k=9701.5976Hln(Pi/Pj)5D2t10-6Darcy(1)式中:H 为样品的高度,cm;Pi、Pj为初始和最终水压差,MPa;D 为样品的直径,cm;t 为记录数据的时间间隔,s。3 实验数据与分析图 5 显示了典型人工岩心的失效模式,图 6 显示了不同条件下应力和应变的关系。孔隙度对强度和剪切模量的影响见表 2和图 7。渗透率和孔隙率的关系见图 8。3.1 岩心破裂模式和应力-应变曲线根据实验结果,观察到两种破坏模式:(1)塑性共轭剪切区呈 X 形,在岩心中间扩张;(2)高倾角剪切破坏。图 5 人工岩心典型断裂模型Fig.5 Typical fractured mode of cores3.2 孔隙率和骨料配比对渗透率的影响(1)孔隙率与渗透系数的关系随着岩心孔隙率的增加,渗透系数与孔隙率呈正相关,可以用幂函数表示,如下式(2)所示。k=a(2)式中:k 为渗透系数;为岩心孔隙率;a 为尺度系数;为孔隙敏感性指数。通过实验回归得到 a=0.0027,=3.1042。(2)孔径与渗透系数的关系直径在 20 50 m 和 100 400 m 范围内的孔隙占岩心孔隙体积的比例较大。孔隙分布不随岩心配比的不同而变化