充填粘土裂缝砂岩N-ESLK理论与实验研究

Given the fractured sandstones filling with clay as the research object, the micro-structure, fracture shape of the samples are observed, meanwhile the occurrence and the content of the clay mineral are detected with the application of the environmental scanning electron microscope and CT scanner, et al. Moreover, a series of mathematical models are adopted to describe the shapes of fractures filling with clay. Further investigation on the concept of nonlinear effective stress is conducted, and the experiment schemes of N-ESCK testing are designed. At the meantime, a reliable approach is explored to determine N-ESCK by analyzing and processing experimental data. At different confining pressures and pore pressures, the permeability tests are performed to obtained N-ESCK and analyze its variation with confining pressures and pore pressures. On the basis of the development and deduction of the N-ESCK model, together with theoretical and experimental studies on the elastic properites of clay, the effects of micro-structure, fracture shape and the clay mineral on N-ESCK are analyzed quantitatively. With the comparison of the present theoretical and experimental results and that of the previous researches, the N-ESLK of fractured sandstone filling with clay are further understood. Thus a systematic research method is formulated on the study of nonlinear permeability effective stress of fractured sandstone filling with clay.

以充填粘土裂缝砂岩为研究对象，用环境扫描电镜和CT扫描仪等研究实验岩心微观孔隙结构、裂缝形态以及粘土矿物产状和含量，并用数学模型描述充填粘土裂缝的形态。进一步探讨非线性有效应力概念，研究并设计测试N-ESCK的实验方案，提出一套分析处理实验数据而获取N-ESCK的方法；完成不同高围压和高内压下渗透率测试，计算测试路径内N-ESCK并分析其随围压和内压的变化规律。建立并推导N-ESCK理论模型，结合粘土矿物弹性参数理论与实验研究，定量分析微观孔隙结构、裂缝形态以及粘土矿物对N-ESCK的影响。将理论研究与实验结果与以往研究结果进行对比分析，从机理上认识充填粘土裂缝砂岩非线性渗透率有效应力的变化规律和成因，并形成一套充填裂缝岩石非线性渗透率有效应力的研究方法。

低渗致密砂岩常见许多微裂缝，且微裂缝中充填有粘土。对于这类低渗致密砂岩有效应力变化规律没有人研究。因此，有必要开展充填粘土裂缝砂岩的有效应力的实验与理论研究，研究渗透率随有效应力的变化规律，并结合岩石微观结构的研究，初步形成岩石应力敏感评价标准。.研究都表明，存在微裂缝的低渗致密砂岩，不能用线性有效应力方程计算有效应力。为此，提出了响应面平移法计算非线性有效应力系数。通过研究发现，非线有效应力系数N-ESCK是围压和孔隙流体压力差值的函数，可根据这一关系，确定不同压力下的N-ESCK，这样可以十分方便地计算有效应力，满足工程上简化计算的需要。项目基于典型的粘土矿物与岩石的接触关系，提出了含粘土裂缝岩石的椭圆模型，分析发现粘土矿物与岩石骨架间力学性质差异越大、裂缝特征越不显著时，粘土矿物对有效应力的影响就越显著。理论研究还证明，表征渗透率与有效应力关系的对数模型和二项式模型分别与裂缝模型和圆形管束模型一致；乘幂模型和指数模型分别与裂缝模型和星形模型对应。结合岩石微观孔隙结构的研究，提出了用S作为评价储层岩石应力敏感性划分参数：S>0.40为强应力敏感性；S<0.25为弱应力敏感性；0.25≤S≤0.4为中等应力敏感性。进一步分析还发现粘土矿物的类型和裂缝特征与储层岩石的应力敏感性相关。强应力敏感岩心可以用对数模型计算岩石的渗透率，弱应力敏感岩心可以用指数模型和二项式模型计算渗透率，中等应力敏感岩心可以用乘幂模型来计算岩石的渗透率。.在地球物理最具影响力期刊JGR上发表文章2篇，GJI上发表和录用各1篇，SCI文章9篇，文章它引7次；1人获四川省优秀博士生称号；1人获省部级科技进步奖一等奖2项；项目延伸的研究工作列为2015年国家重点基础研究973项目“陆相致密油高效开发基础理论”课题二中的重要研究部分。