不同流体作用下低渗砂岩渗透率有效应力研究

Experimental studies on the elastic properties of different kinds of clay aggregates and their mixtures by various ratios are performed with different fluids under different given stresses. Meanwhile, the occurrence of clays in low-permeability sandstones in different environments and fluids is observed by the environmental scanning electron microscope, helping us to understand different elastic properties adopted in previous researches. The permeability of dry and wet low-permeability sandstones is measured with different pore fluids at constant-pore-pressure cycles by cycling confining pressures. And the ESCK values are obtained by analyzing the experimental data with the slide method or linear fitting method. Moreover, the ESCK models are improved by theoretical studies, being applicable to calculating the samples of the ESCK for low-permeability sandstones with different types of clays in various pore fluids. In comparison with the experimental observations, the elastic properties of clays and the ESCK models are validated, providing a theoretical basis for the calculation of effective stress for permeability in low-permeability sandstone reservoirs. The study presents the acquisition of the effective pressure law for permeability in low-permeability sandstone rocks saturated with different pore fluids, and improving our understanding of the cause of the effective pressure law for permeability, providing a new research clue for modeling permeability variation with formation pressure and evaluating stress sensitivity objectively in laboratory work.

测试不同类型粘土、不同类型粘土按不同比例配制成的粘土集合体在不同流体和应力作用下的弹性参数，并结合环境扫描电镜观察低渗孔隙性砂岩中粘土矿物在不同保存环境和不同液体介质中的产状变化，从机理上认识以往文献中使用不同粘土弹性参数的原因。对烘干和保存在潮湿环境下的岩心，用多种流体介质测试岩心在不同内压下循环围压时的渗透率，采用曲线平移法或线性拟合法确定实验岩心的ESCK。建立适合不同孔隙流体介质含不同粘土矿物孔隙性岩石ESCK模型，计算多种流体介质作用下实验岩心的ESCK，并与实验测得的ESCK进行对比，进一步分析研究所得的粘土弹性参数和ESCK计算模型的合理性，为低渗砂岩储层渗透率有效应力计算提供理论依据。研究成果不仅可以得到多种流体介质饱和的含粘土低渗砂岩有效应力变化规律，深化渗透率有效应力成因的认识，也为模拟地层条件下渗透率随地层压力变化及客观评价储层岩石应力敏感性提供新的研究思路。

文献调研分析表明，烘干后的低渗砂岩用氮气、地层水测试有效应力系数（ESCK）。这时粘土矿物的晶面距小，弹性模量大，就会从含粘土低渗砂岩测试中得到小于1.0的有效应力系数ESCK，改变人们一直认为含粘土砂岩ESCK大于1.0的观点，研究结果还会明确ESCK的下限值。此外，进一步研究低渗致密砂岩非线性有效应力变化规律，获取工程上简化的有效应力计算方法，改变人们用ESCK=1.0来计算低渗砂岩有效应力的习惯，也是本次研究的重点。.实验表明，地层流体对有效应力影响不大。扫描电镜观察也发现，不同的流体介质中（干燥的氮气条件、地层水和蒸馏水）高岭石和绿泥石厚度没有变化,伊利石/蒙脱石饱和蒸馏水时相比饱和氮气时变厚，而地层水对伊利石/蒙脱石的厚度影响不大。因此，在地层流体的作用下，粘土矿物的晶面距几乎没有变化，不影响ESCK。研究还表明，低渗致密砂岩有效应力系数不是常数，而是随围压和孔隙流体压力的变化而变化，变化范围在0-1.0之间（因此，有效应力不能用通常认为的等于围压减去孔压的差值来计算），理论也证明了这一变化范围在φ-1.0之间，下限值为φ。提出了响应面割线有效应力系数法计算非线性有效应力系数ESCK。通过研究发现，非线性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ESCK，这样可以十分方便地计算有效应力，满足了工程上简化计算的需要。进一步的研究表明，地层因素有效应力也不是线性的，地层因素与有效应力之间有良好的关系（F-1/2=A•ln(peff)+B）。.在地球物理最具影响力期刊JGR上发表文章1篇，GJI上发表和录用各1篇，SCI文章7篇，文章它引6次；做物理力学分会场邀请报告1次；1人获四川省优秀博士生称号，1人正申请博士后创新人才计划；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成功申报2016中化联合基金重点支持重点支持项目。