致密砂岩气藏岩石非线性有效应力耦合机制研究

The microstructure of pore and fracture, the mineral components, and diagenesis in tight gas sandstones are analyzed using the constant-rate mercury porosimetry data and slice thin section, et al.. Then the suitable theoretical model is established to calculate the nonlinear effective pressure in the fractured tight gas sandstones. Moreover, the data of permeability, deformation and velocity for our samples are collected simultaneously decreasing pore pressure Pf from in-situ pore pressure to a value close to the atmosphere pressure under three confining pressures Pc and three differences Pc-Pf respectively. Response Surface Method are used for determining the effective pressure coefficients for permeability, deformation and velocity. At the same time, the nonlinear effective pressure in tight gas sandstones are calculated based on the theoretical model, the parameters of pore and fracture, mineral composition and elastic parameters obtained from the nano-indentation tests and previous studies. In the comparison with the experimental results, the model describing fracture, the elastic parameter selected and the theoretical model of the effective pressure in tight gas sandstone are validated, providing new insights and methods for the effect of the nonlinear effective pressure on rock physical parameters and their coupling relationships, and enriching the theory of the effective pressure.

基于致密砂岩气藏岩石的恒速压汞、铸体薄片鉴定、裂缝扫描等实验，获取其孔隙与裂缝特征、矿物组成和成岩作用，建立适合裂缝致密砂岩的非线性有效应力计算模型。分别在三个恒定围压下以及对应的三个恒定围压与孔压压差下，同时测定孔压从地层压力降低到接近大气压时岩样的渗透率、形变和声波；用响应面割线系数法计算到三个物理性质对应的有效应力系数。结合纳米压痕实验以及以往获取的实验岩样及其组成矿物的力学参数，理论计算孔隙与裂缝参数、矿物组成和弹性模量等影响下三个物理性质的有效应力系数，对比分析实验获取的有效应力系数与围压和孔隙的线性组合关系及其相互间的耦合关联式，进一步论证表征裂缝数学模型、选取的弹性参数和有效应力计算模型对致密砂岩的适应性，为非线性有效应力作用下致密砂岩物理性质及其相互关系的研究提供新的思路与手段，丰富和发展有效应力理论。

有效应力是储层岩石物理性质计算与评价的重要基石，在非常规油气储层岩石中通常表现出明显的非线性特征，且不同的物理性质对应的有效应力又不一样，这限制了有效应力理论在储层岩石中的应用。为此，本项目建立了岩石多物理性质（如渗透率、声波等）有效应力实验装置，完成了致密岩石多物理性质有效应力实验，结果进一步证实了致密岩石不同物理性质的有效应力具有非线性特征，且有效应力系数会出现大于1.0情况；横波有效应力和纵波有效应力间不存在相关性，而与渗透率有效应力间具有较好的相关性。同时，基于微观特征研究成果，建立了双组份有效应力模型，分析了矿物组成、孔隙结构对非线性有效应力的影响，从理论上得到的渗透率有效应力与声波有效应力的耦合关系与实验结果一致。最后，研究发现基于非线性有效应力的应力敏感性评价结果更为客观。项目取得的成果更有助于不同物理性质非线性有效应力实验方案科学合理的建立，使实验更能真实地模拟地层条件下岩石物理性质及其耦合关系，为数值模拟的研究提供了可靠的基础数据，进而客观地评价了致密岩石的应力敏感性，进一步丰富和发展了非线性有效应力理论。