Chapter9_Permeabilityofsaltrock

1、含夾層鹽巖滲透特性及其細(xì)觀含夾層鹽巖滲透特性及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征緒論緒論樣品制備及其成分測(cè)定樣品制備及其成分測(cè)定含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)論與展望結(jié)論與展望2約約31993起，中國(guó)成起，中國(guó)成為石油為石油進(jìn)口國(guó)進(jìn)口國(guó)鹽穴地下存儲(chǔ)研究背景v 孔隙度很小v 滲透率極低v 力學(xué)性能較為穩(wěn)定(損傷自我恢復(fù)) v 鹽巖溶解于水使鹽巖峒庫(kù)的開(kāi)挖更加容易和經(jīng)濟(jì) v 良好的流變特性研究背景美國(guó)美國(guó):7800萬(wàn)噸萬(wàn)噸德國(guó)德國(guó):1000萬(wàn)噸萬(wàn)噸金壇儲(chǔ)氣庫(kù)20082008年已投入運(yùn)營(yíng)，到年已投入運(yùn)營(yíng)，到20102010年，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)有效地下溶年

2、，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)有效地下溶腔達(dá)腔達(dá)465465萬(wàn)立方米，儲(chǔ)氣量將萬(wàn)立方米，儲(chǔ)氣量將達(dá)到達(dá)到7.987.98億立方米。億立方米。滲透性能孔隙特征研究意義密封性安全性穩(wěn)定性Ki=f(1,i)(i=1,2,3,)宏觀微細(xì)觀社會(huì)效益社會(huì)效益經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益低滲透非線性特征曲線 巖鹽孔隙度低，滲透率極低，由于滑脫效應(yīng)的存在，在一定程度上會(huì)表現(xiàn)出非達(dá)西滲流特征。典型的低滲透非線性滲流主要表現(xiàn)為：存在著不為零的啟動(dòng)壓力梯度。滲流速率與壓力梯度存在非線性關(guān)系 。鹽巖的滲透特性可認(rèn)為鹽巖在未擾動(dòng)態(tài)時(shí)小于10-20m2，處于擾動(dòng)態(tài)的滲透率為10-1610-20m2 。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀測(cè)試手段：測(cè)試手段：1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法

3、 毛管壓力曲線法(半滲透隔板 法、離心機(jī)法、壓汞法等)、鑄 體薄片法、掃描電鏡法、CT掃 描法等2）仿真模擬方法 物理模型方法 分形模型方法3）測(cè)井資料現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法 電阻率測(cè)井資料方法 核磁共振測(cè)井資料方法細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)緒論樣品制備及其成分測(cè)定樣品制備及其成分測(cè)定含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)論與展望SR:高純度鹽巖SL:含夾層鹽巖25mm50mm 取自湖北應(yīng)城鹽礦標(biāo)準(zhǔn)試件的制備成分測(cè)定試樣編號(hào)礦 物 種 類 和 含 量（%）粘土礦物總量(%)石 英白云石石鹽硬石膏SR07/100/SL051.37.870.817.62.5SL060.74.287.64.72.8夾層=石鹽+硬

4、石膏+白云石+其他粉末X射線衍射儀緒論樣品制備及其成分測(cè)定含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)論與展望樣品烘干烘干條件:溫度：溫度：75時(shí)間：時(shí)間：48h設(shè)備名稱：CMS-300巖芯自動(dòng)測(cè)試儀在(3.570MPa)靜水壓力下的滲透率測(cè)量范圍可低至0.110-18m2。在極低的滲透率下誤差范圍可控制在10內(nèi)，如果滲透率稍高，誤差低于5。滲透性測(cè)試設(shè)備樣品夾持器真空泵計(jì)算機(jī)打印機(jī)氦氣系統(tǒng)圍壓系統(tǒng)N2u 精確性好u 測(cè)定參數(shù)多u 自動(dòng)化程度高瞬態(tài)法瞬態(tài)法KPQAL22ppcxkt在巖石的一端提供一個(gè)壓力脈沖，通過(guò)測(cè)定壓差的衰減規(guī)律而間接測(cè)定滲透率，這種方法所需時(shí)間短

5、，一般用于測(cè)量低滲，特低滲巖石的滲透率。p為巖石中一點(diǎn)的壓力，Q為流體的流量， k為巖石的滲透率，c為巖石和流體的綜合壓縮系數(shù)。 為流體粘度，在巖石的兩端提供穩(wěn)定的壓差，通過(guò)測(cè)量流量從而獲得巖石的滲透率。該實(shí)驗(yàn)的需要的時(shí)間較長(zhǎng)，但精度較高，適用于具有較大滲透率的巖石。本次實(shí)驗(yàn)共測(cè)試了20個(gè)樣本，只有10個(gè)樣本成功測(cè)試了滲透率，仍有10個(gè)樣本測(cè)試的滲透率為0。P(MPa):7.5,10,12.5,15,17.5,20,25,30.PPP實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)方案滲透性測(cè)試結(jié)果滲透性測(cè)試結(jié)果鹽巖內(nèi)部的連通孔隙很少，測(cè)得的孔隙度普遍低于0.25%，滲透率極低，為10-1610-18m2 。隨著靜水壓力的增大，

6、孔隙度逐漸減小，從總體趨勢(shì)上看，滲透率也不斷下降。滲透性測(cè)試結(jié)果0.000.040.080.120.160.200.24 PorosityPorosity/%Effective volume stress)/MPa2040608010004080120160200240 Air permeabilityPermeability/10-18m2 Klinkenberg permeabilitye-0.0270.379ee-0.034-16air4.04 10eKe-0.038-163.59 10eK滲透參數(shù)均值隨有效體積應(yīng)力的變化規(guī)律滲透參數(shù)擬合結(jié)果緒論樣品制備及其成分測(cè)定含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試

7、含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)論與展望匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱設(shè)備名稱：設(shè)備名稱：X射線工業(yè)射線工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)(ACTIS300-320/225) 適用于測(cè)試多種密度的金屬、巖石等非金屬材料 可實(shí)現(xiàn)斷層掃描和螺旋掃描 具有320 KV和225KV兩個(gè)獨(dú)立的X射線系統(tǒng) 系統(tǒng)配有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)臺(tái)和切片定位軸，可實(shí)現(xiàn)橫向或縱向巖芯檢測(cè)，轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)精度最高達(dá)10 可實(shí)現(xiàn)加載條件下對(duì)樣品的觀測(cè) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)液體在巖石孔隙中流動(dòng)情況的實(shí)時(shí)觀測(cè) 切片厚度：320kV標(biāo)準(zhǔn)射線源：0.4 mm-10.0 mm可調(diào)，225kV微焦點(diǎn)射線源：10 m-1.0 mm 可調(diào)u 實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)u 同步加載系統(tǒng)

8、u 物理分辨率0.01mm掃描設(shè)備掃描設(shè)備分辨率水平:29m 光源電壓:190KV電流:150A試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：了解各個(gè)鹽巖標(biāo)準(zhǔn)試件滲透測(cè)試前后細(xì)觀孔隙的分布情況。間隔:0.5mm掃描100層CT掃描示意圖掃描實(shí)驗(yàn)方案掃描實(shí)驗(yàn)方案掃描圖像處理過(guò)程掃描圖像處理過(guò)程拉伸去噪閾值分割孔隙分布圖(a) 孔隙原圖 (b) 孔隙 (c) k=2 (d) k=4 (e) k=8 (f) k=16 (g) k=32 (h) k=64i0123456k1248163264Logk0 0.3010.6021 0.9031 1.2041 1.5051 1.8062 Nk11793129027841LogNk3.0715

9、2.4942 1.9542 1.4314 0.9031 0.6021 0討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)由于每個(gè)試件密度的差異以及CT系統(tǒng)的狀態(tài)不能完全一致，所以不同試樣掃描圖片的CT數(shù)均值不具備可比性。10個(gè)試樣的掃描圖像CT數(shù)方差均較大，即鹽巖的密度分布不均勻(雜質(zhì)或孔隙)。討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)鹽巖試件的孔隙結(jié)構(gòu)均質(zhì)性很好且表面很不光滑，這對(duì)保證鹽巖峒室的密閉性十分有利。2849350總的說(shuō)來(lái)，鹽巖試樣的孔隙很少，而且每個(gè)試樣的孔隙含量差異較大，與滲透試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果很一致。SR07實(shí)驗(yàn)前SR01實(shí)驗(yàn)后SR04實(shí)驗(yàn)前孔隙均為孤立的。最大孔隙半徑約為

10、0.5mm。1cm1cm20th80th重構(gòu)區(qū)域示意圖重構(gòu)區(qū)域討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià) (a)第40層(距上端2cm) (b) 第50層(距上端2.5cm) (c) 第60層(距下端2cm) 試樣SR04滲透實(shí)驗(yàn)前通過(guò)X射線工業(yè)CT系統(tǒng)得到的孔隙結(jié)構(gòu)并不是對(duì)鹽巖滲透特性起決定性作用的關(guān)鍵孔隙關(guān)鍵孔隙，該部分孔隙通過(guò)尺度更小的微裂紋和微孔洞連通而形成氦氣滲流的通道滲流的通道。 討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)討論一：試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)討論二：夾層與純鹽巖之間差異討論二：夾層與純鹽巖之間差異夾層與純鹽巖對(duì)比示意圖通過(guò)對(duì)CT數(shù)均值和方差以及孔隙面積的計(jì)算，來(lái)比較夾層和純鹽巖的細(xì)觀孔隙結(jié)

11、構(gòu)特征的差異。討論二：夾層與純鹽巖之間差異討論二：夾層與純鹽巖之間差異巖性特征巖樣編號(hào)CT數(shù)均值CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差孔隙面積/像素夾層SL0626582398181SL0726581414466純鹽巖SL06261683441553SL07252853056982夾層區(qū)域的CT數(shù)均值明顯大于純鹽巖區(qū)域，即夾層的密度大于純鹽巖部分。夾層區(qū)域的CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差也明顯大于純鹽巖部分，所以?shī)A層部分密度較純鹽巖部分分布更不均勻。 夾層更加致密，所以其對(duì)氣體滲透具有很明顯的屏蔽作用。討論三：滲透測(cè)試前后變化討論三：滲透測(cè)試前后變化滲透測(cè)試后，試件SR04的掃描層CT數(shù)均值均增大約20%，說(shuō)明在靜水壓力作用下，試件發(fā)生

12、了壓縮變形。 在靜水壓力和氣體滲流作用下，孔隙發(fā)生了收縮。 指標(biāo)3140層平均6170層平均CT數(shù)均值滲透測(cè)試前2956029579滲透測(cè)試后3543235055CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差滲透測(cè)試前40564078滲透測(cè)試后47344738孔隙面積/像素滲透測(cè)試前26881902滲透測(cè)試后24671395討論三：滲透測(cè)試前后變化討論三：滲透測(cè)試前后變化大部分孔隙出現(xiàn)愈合距頂部3.45cm距頂部3.35cm討論三：滲透測(cè)試前后變化討論三：滲透測(cè)試前后變化而部分區(qū)域產(chǎn)生了新孔隙。在宏觀上表現(xiàn)為其滲透率從總體趨勢(shì)上看，隨著靜水壓力的增大不斷下降，而局部出現(xiàn)明顯波動(dòng)。指標(biāo)平均值CT數(shù)均值滲透測(cè)試前24320 滲透測(cè)

13、試后32084 CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差滲透測(cè)試前3028 滲透測(cè)試后4163 孔隙面積/像素滲透測(cè)試前547 滲透測(cè)試后712 30mm指標(biāo)3140層平均6170層平均CT數(shù)均值滲透測(cè)試前2475425099滲透測(cè)試后3238732172CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差滲透測(cè)試前29743082滲透測(cè)試后42914196孔隙面積/像素滲透測(cè)試前353153滲透測(cè)試后170301滲透測(cè)試后CT數(shù)出現(xiàn)明顯增加，所以說(shuō)試件SL04在滲透測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了壓縮變形。CT數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差增加了約45%，遠(yuǎn)大于CT數(shù)增大的幅度，即微裂隙出現(xiàn)發(fā)育，擴(kuò)展。 滲透測(cè)試后，上部十層孔隙面積變?。幌虏渴畬悠骄紫睹娣e明顯增大，即下部區(qū)域在滲透測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)

14、生了新的孔隙，使得鹽巖內(nèi)部孔隙連通狀況出現(xiàn)改變， 故其滲透率出現(xiàn)局部波動(dòng)。討論三：滲透測(cè)試前后變化討論三：滲透測(cè)試前后變化緒論樣品制備及其成分測(cè)定含夾層鹽巖的滲透性測(cè)試含夾層鹽巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)論與展望結(jié)論與展望匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱結(jié)論與展望鹽巖結(jié)構(gòu)極其致密極其致密，連通孔隙很少孔隙很少，在7.5MPa靜水壓力下的平均孔隙度僅為0.21%。通過(guò)CT掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鹽巖內(nèi)部只含有很少的微孔洞和微裂紋，理論孔隙率小于0.5%。而且孔隙度隨著靜水壓力的增大逐漸減小逐漸減小，平均孔隙度隨有效體積應(yīng)力的變化關(guān)系如下式： e-0.0270.379e e-0.034-16air4.04 10Kee-0.038-163.59 10Ke結(jié)論鹽巖的滲透率極低滲透率極低，在一定靜水壓力下，絕大部分鹽巖試樣的滲透率小于10-16m2之間，可以看作不滲透。從總體總體趨勢(shì)上看，隨著靜水壓力的增大，試樣的滲透率逐漸下降逐漸下降。從局部局部來(lái)看，部分試件的滲透率隨著