含气页岩渗透率的围压敏感性和各向异性研究_陈天宇

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1.1
试验样品、设备及方法
试验样品 试验样品为下寒武统牛蹄塘组页岩，该页岩气
式中：k 为渗透率，D；p(t0)为初始 t0 时刻试样两端 的压差， MPa； p(tn)为 tn 时刻试样两端的压差， MPa； c 为流体压缩系数，Pa-1；μ为流体黏度，Pa·s；φ 为试样孔隙度；θ为定义参数，可根据式(2)求出； V 为试样孔隙体积，cm3；V1 试样高压端储水箱及 管路的总体积，cm3。
储层是中国页岩气勘探开发的主要层序之一。所取 含气页岩试样具有明显的沉积层理，为了调查含气 页岩渗透性能的各向异性特征，将含气页岩试样分 别沿层理方向和与层理相交 45°方向加工成标准圆 柱试样。试样的加工标准按照《工程岩体试验方法 标准》进行，要求加工后的试样满足：试样两端面 平整度偏差在 0.05 mm 内；岩样侧面光滑笔直，轴 向垂直度不超过 0.001 rad。
DOI:10.13545/j.issn1673-3363.2014.04.024
Research on confining pressure sensitivity and anisotropy for gas shale permeability
CHEN Tianyu1,2，FENG Xiating1,2，YANG Chengxiang1，CAO Weidong1，LIU Xiaoyu1
(1．东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819； 武汉 430071) 2．中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北
摘要
利用 MTS 岩石力学试验系统研究了牛蹄塘组含气页岩的渗透性能、变形随围压的变化规
律和各向异性特征，并利用 SEM 对试样进行了微观结构观察，揭示了含气页岩渗透率、变形随 围压变化的内因。结果表明：1) 围压 5~40 MPa 下，牛蹄塘组含气页岩渗透率范围为 5.06×10-7 ~1.02×10-5D。2) 含气页岩渗透率随围压增大而降低，两者之间总体服从幂函数关系。含气页岩 体积变形随围压增大逐渐增加。 3) 含气页岩渗透率和变形存在各向异性特征， 相同围压下顺层理 试样的渗透率和体积应变均大于 45°层理角度试样。4) 所取含气页岩试样具有明显的沉积层理， 试样中的大孔和微孔多沿层理方向分布。 5) 低渗透含气页岩体积应变对围压的敏感性随围压升高 呈现先增加后降低的趋势，渗透率对围压的敏感性随围压升高逐渐降低。 关键词 含气页岩；渗透率；变形；围压敏感性；各向异性 TE 311 文献标志码 A 中图分类号
(1．Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110819，China；2．State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
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围压对含气页岩渗透率及变形的影响
牛蹄塘组含气页岩渗透率很低， 由图 1 可得出：
围压 5~40 MPa 下，含气页岩平行层理方向渗透率
第4期
陈天宇等：含气页岩渗透率的围压敏感性和各向异性研究
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为 6.41×10-7~1.02×10-5 D，与层理 45°方向渗透率为 5.06×10 ~2.84×10 D。 由图 1 可见：含气页岩渗透率随围压增大而降 低，平行层理试样与层理夹角 45°试样在围压小于 15 MPa 时，渗透率随围压增加迅速降低；大于 15 MPa 后，渗透率随围压增加降低趋势趋于平缓。从 总体上看，不同围压下含气页岩渗透率与围压之间 服从幂函数关系。
10 8 6 4 2 (a) 平行层理 T4 K=2.677×10-4× R2=0.98
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含气页岩在沉积过程中具有明显的层理结构， 相同围压下，与层理夹角 45°试样与顺层理试样的 环向压缩应变均大于轴向压缩应变。由于试样中层 理的角度不同，顺层理试样环向变形与其轴向变形 之间的差别较大，与层理夹角 45°试样环向变形略 大于其轴向变形。
。
围压对岩石渗透率的影响和岩石渗透率的各 向异性特征一直是岩石力学和渗流力学领域的重 要研究内容之一。马占国、朱卓慧、彭苏萍、秦积 舜、黄远智、闫小波、田开铭等学者对岩石在不同 围压下的渗透特性和岩石渗透的各向异性特征进 行了探讨和研究
[9-14]
，但是上述研究多针对煤及砂
岩储层展开，针对含气页岩展开的研究甚为匮乏。 本文采用瞬态法研究不同围压下含气页岩的渗透 性能及各向异性特征，并通过分析含气页岩的变形 和微观结构，揭示含气页岩渗透率随围压变化和各 向异性特征的内因，为牛蹄塘组含气页岩的评价、 勘探和开发提供重要参数和依据。
收稿日期：2013-11-10 基金项目：国家自然科学基金重点项目(11232024) 作者简介：陈天宇(1986—)，河南省新乡市人，博士，从事流固耦合理论及其在非常规气藏应用的研究。 E-mail：chen_tianyu0526@163.com Tel：15941861710
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采矿与安全工程学报
[3-8] [2] [1]
1.2
试验设备及方法 试验采用 MTS815.03 型压力试验系统进行。 在
测试前， 将试样表面清理干净， 放入蒸馏水中浸泡。 试验前将试样进行热塑密封，并将环向和轴向位移 传感器固定于热塑后的试样表面，以测量试验过程 中的试样变形。试验所使用的轴向位移传感器固定 于试样中部，避免了端部摩擦效应对试样变形的影 响，所测得的变形更为准确。渗透溶液为蒸馏水， 试样和上下压头之间放置多孔刚性垫片，以使得渗 透过程流体可以均匀地通过含气页岩试样。 试样安装后，首先对试样施加围压 pc，围压加 载速率为 0.2 MPa/min。待围压稳定后打开试样上、 下端进出流体阀门，对试样上、下端同时施加较高 的渗透压 pu。待流体压力稳定后，关闭试样上、下 端进、出流体阀门，并将下端管路进出流体阀门关 闭，降低试样上端管路中流体压力至 pd，然后打开 试样上、下端进、出流体阀门，采集试样两端流体 压差随时间的变化，待两端压差稳定时试验停止。 含气页岩渗透试验的围压设置级别为：5，6， 8，10，15，20，25，30，35，40 MPa。先开展同 一试样低围压试验，记录下加载过程中试样变形。 试验结束后将围压卸载，再接续开展高围压试验， 以考察试样在上级围压中是否产生了塑性变形。试 样下端流体为高压流体，压力为 4 MPa；试样上端 流体为低压流体，压力为 1 MPa。每级围压渗透实 验重复 3 次，取平均值作为最终实验结果。 试验所采用的渗透率计算公式如下： ln p(tn )- ln p(t0 ) c L2 k =tn -t0 2 V tan V1 (1) (2)
第 31 卷 第 4 期 2014 年 07 月 文章编号：1673-3363-(2014)04-0639-051
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
Vol.31 No.4 July 2014
含气页岩渗透率的围压敏感性和各向异性研究
陈天宇 1,2，冯夏庭 1,2，杨成祥 1，曹卫东 1，刘晓宇 1
Abstract
MTS has been used to study the effects of confining pressure on permeability, deformation
and the anisotropic characteristics of Niutitang gas shale. SEM has also been used to observe the samples' microstructure, which reveals the real reason of the confining pressure effect. The results show that: 1) The Niutitang gas shale permeability is between 5.06×10-7 D and 1.02×10-5D as the confining pressure raises from 0 to 40 MPa; 2) The gas shale permeability decreases with the increment of confining pressure, which obeys a power-law relationship, but the volume deformation of shale increases as confining pressure gradually increases; 3) The gas shale permeability and deformation are anisotropic, that is, under the same confining pressure, the permeability and volume deformation of sample paralleled to bedding plane are both greater than the sample with beddings at an angel of 45 degrees to the plane; 4) Obvious sedimentary structure is observed in the gas shale samples, and the pores distribute along the direction of the bedding; 5) The volume strain sensitivity to the confining pressure of low permeability gas shale decreases after an initial increase with the increase of confining pressure, and the permeability
第 31 卷
sensitivity to the confining pressure is gradually reduced with the increase of confining pressure. Key words gas shale；permeability；deformation；sensitivity to confining pressure；anisotropy 中国页岩气资源丰富，其储量超过常规天然气 资源，是重要的非常规补充能源。含气页岩渗透率 是影响页岩气井产能和开发方案制定的重要参数， 我国含气页岩储层埋深较大，储层岩石致密，渗透 率低，含气页岩渗透率的准确获得成为页岩气开发 中的一个关键问题。 由于沉积过程中矿物颗粒的择优取向，含气页 岩具明显层理结构特点。 含气页岩致密低渗，采用稳态法进行渗透率测 定耗时较长， 且试样下游出口处的流量较难测量 。 1968 年，W．F．Brace 等人提出了利用瞬态压力脉 冲法测量晶质岩石的渗透率 ，该方法通过向试样 一端施加压力脉冲，监测试样两端的压力随时间的 变化计算试样的渗透率，测试过程中试样内部流体 为非稳态流。该方法缩短了测试时间，提高了测量 精度，成为测量低渗透岩石的有效方法，得到国内 外学者的广泛应用
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含气页岩渗透率和变形的各向异性特征
由于沉积层理的存在，含气页岩渗透率及变形
存在各向异性特征。 不同围压下渗透率对比见图 3。
12 渗透率/(10-6D) 10 8 6 4 2 0 10 20 30 围压/MPa 40 T8-与层理夹角45° T4-顺层理试样