真三軸應(yīng)力條件下儲(chǔ)層巖石的多物理場(chǎng)耦合響應(yīng)特性研究_.pdf

1、儲(chǔ)層巖石處于應(yīng)力、溫度和流體流動(dòng)等多物理場(chǎng)耦合條件下，其力學(xué)特性和滲流規(guī)律是評(píng)價(jià)和影響儲(chǔ)層資源開發(fā)的關(guān)鍵因素。由于構(gòu)造應(yīng)力的存在，儲(chǔ)層巖石往往處于真三軸應(yīng)力狀態(tài)（σ1>σ2>σ3）。本論文以儲(chǔ)層巖石作為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值模擬等手段，系統(tǒng)性地分析真三軸應(yīng)力條件下儲(chǔ)層巖石的多物理場(chǎng)耦合響應(yīng)特性。自主研制了多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)；開展了真三軸應(yīng)力條件下砂巖、頁巖和煤的力學(xué)特性與滲流規(guī)律研究，重點(diǎn)探討了中間主應(yīng)力和

2、中主應(yīng)力比對(duì)儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度特性和滲透率的影響；基于裂隙壓縮率假設(shè)，從應(yīng)力角度推導(dǎo)了儲(chǔ)層巖石滲透率與各主應(yīng)力的關(guān)系，提出了真三軸應(yīng)力條件下儲(chǔ)層巖石滲透率計(jì)算模型；基于真三軸應(yīng)力條件下儲(chǔ)層巖石滲透率計(jì)算模型，構(gòu)建了儲(chǔ)層巖石熱流固耦合模型；利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所構(gòu)建的儲(chǔ)層巖石熱流固耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并將其用于現(xiàn)場(chǎng)工況模擬。本文的主要研究成果如下：
　?、僮灾餮兄屏硕喙δ苷嫒S流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)真三軸應(yīng)力條件下的巖石力學(xué)特性與流體滲

3、流規(guī)律進(jìn)行研究。該系統(tǒng)所具有的內(nèi)密封滲流系統(tǒng)和伺服增壓系統(tǒng)相互配合，對(duì)試件進(jìn)行了有效的密封，首次實(shí)現(xiàn)了真三軸應(yīng)力條件下氣液的自由滲流控制與監(jiān)測(cè)。
　?、陂_展了真三軸應(yīng)力條件下儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度特性試驗(yàn)。隨著最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力的升高，儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度逐漸升高，巖石破壞時(shí)的廣義剪應(yīng)力也逐漸升高。同時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度的σ2效應(yīng)強(qiáng)弱還受σ3大小的影響。
　?、坶_展了真三軸應(yīng)力條件下砂巖滲透率試驗(yàn)。隨著σ1、σ2和σ3的升高，砂巖滲透率均

4、表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。然而，砂巖滲透率的下降并不明顯，仍保持在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。在σ1、σ2和σ3的升高過程中，σ3對(duì)砂巖滲透率的影響最大，σ2次之。σ1最小。
　?、荛_展了真三軸應(yīng)力條件下頁巖滲透率試驗(yàn)。隨著σ1、σ2和σ3的升高，不同層理方向條件下頁巖滲透率均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。頁巖滲透率下降幅度大約為2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，較之砂巖滲透率下降幅度更為明顯，表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)力較強(qiáng)的敏感性。各方向主應(yīng)力對(duì)滲透率的影響是有差異的，其滲透率變化過程表現(xiàn)出明

5、顯的各向異性，而滲透率下降最明顯的過程均為加載垂直于層理面方向應(yīng)力的過程。結(jié)果表明了頁巖層理對(duì)其滲透率的控制作用。
　?、蓍_展了真三軸應(yīng)力條件下原煤滲透率試驗(yàn)。隨著σ1、σ2和σ3的升高，原煤滲透率均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。整個(gè)應(yīng)力升高過程，原煤滲透率降低了大約1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，其對(duì)應(yīng)力的敏感性介于頁巖和砂巖之間。
　?、迌?chǔ)層巖石初始的裂隙分布、彎曲度和連通度等都具有明顯的各向異性。除此之外，由于裂隙形態(tài)和其變形模量的各向異性，裂隙