THMC耦合作用油页岩孔隙裂隙与力学特性实时演变规律研究

On the coupling effects of deformation, seepage, thermal and chemical reaction, the microstructure evolution of ore body pores and cracks, the constitutions of mineral, along with the real-time evolution of macroscopic seepage mechanics, solid mechanics, are not only the significant research area in the fields of fluid mechanics, rock mechanics and resource exploitation, but also the latest domestic and overseas research frontier. ..In this project, the body of oil shales would be used to carry out related research. In the range of 20-600℃, 5-30MPa triaxial stress of axial compression combined with confining pressure and 5-15MPa osmotic pressure, the newly developed CT-THMC coupling experiment system would be used to online synchro-study the evolution of pores and cracks of oil shales, macroscopic solid mechanics, seepage mechanics and related evolution laws of microscopic pores and cracks. Complex THMC coupling effects, the synchronous online test of macroscopic solid, seepage mechanics with microscopic pores and cracks, violent chemical reaction mineral samples, are the remarkable feature and innovation points of this project. ..This project would provide technical supports for oil shale in-situ exploitation. It would also expand the connotation of mechanics, deepen the rock mechanics, enrich seepage mechanics, and develop mechanics of macroscopic and microscopic and porous media transmission theory.

变形、渗流、热、化学反应耦合作用下，矿体孔隙、裂隙、矿物组构等细观结构发展变化，与宏观渗流力学特性、固体力学特性的实时演变相关规律是流体力学、岩体力学与资源开采领域的重要研究课题，也是国内外刚刚涉猎的前沿课题。本项目拟以油页岩矿体为代表，开展相关研究。.拟定在20-600℃范围内，5-30MPa轴压与围压组合的三轴应力下，5-15MPa渗透压作用下，采用我校刚研制的CT-THMC耦合实验系统，宏细观在线实时同步研究油页岩孔隙裂隙演变规律、宏观固体力学特性、渗流力学特性、以及与细观孔隙裂隙的相关规律。复杂的THMC耦合作用，宏观固体与渗流力学特性与细观孔隙裂隙同步在线试验，剧烈化学反应的矿岩样，是本项目显著特色与创新。.本项研究为油页岩原位开采提供技术支持。拓展力学学科的内涵，深入、丰富与发展岩体力学、渗流力学、宏细观力学与多孔介质传输理论。

油页岩原位开采过程中油气产率、孔隙裂隙发育程度与温度－应力－流体压力－矿床热解化学反应特征等条件变化有着密切的关系，直接影响开采的成败和效率，本项目以此为基础开展了以下研究：1）研制改进了THMC-CT微型试验机系统，利用此系统和高温单轴压缩试验系统，研究了实时控温条件下油页岩变形模量、泊松比、抗压强度等宏观力学特性随温度的演变规律，实时加载条件下油页岩的内部细观裂隙的演化特征及其二者的对应规律；2）采用显微CT技术，对在施加单轴应力条件下，室温～600℃升温过程中油页岩试件进行实时高温条件的扫描，得到：当载荷平行和垂直层理分布时，小尺度孔裂隙向大尺度裂隙转化的阈值温度分别为300℃和400℃；3）在经典的座逾渗模型中引入了一个孔隙分布特征影响因子m来表征油页岩中孔隙分布的非均匀性，并以此为基础研究了孔隙分布特征对逾渗阈值的影响规律，得到：孔隙连通性由孔隙率、孔隙数量、孔隙体积分布特征和孔隙空间形状等因素共同决定，仅依靠孔隙率无法对孔隙连通性做出准确判断；4）采用高温三轴渗透实验系统和气液两相渗透仪，研究了平行和垂直层理两个方向油页岩渗流的宏细观特性，得到：在三轴应力作用下，平行层理方向的渗透率远高于垂直层理方向，平行层理方向在室温～350℃的渗透率处于低渗透率阶段，当温度上升至400℃，平行层理方向裂隙增多导致渗透率增大；垂直层理方向渗透率在室温～450℃处于超低渗阶段，渗透率量级为10-20m2及以下，在450℃时由于大孔的连通导致渗透率增大；5）采用COMSOL多场耦合数值软件对原位注蒸汽热解油页岩进行了数值模拟研究，得到：油页岩储层的温度场分布与过热蒸汽在储层中的运移密切相关，在温度场边缘形成了温度快速降低带；对油气产量影响最大的因素为渗透率的各向异性，其次是力学参数的各向异性，而热传导系数的各向异性对油气产量影响不大。研究结果为油页岩原位开采技术的工业开发设计、大规模开发实施提供技术支持。