波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究.pdf

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1、第45卷第3期力学学报Vb1．45，NO．32013年5月ChineseJoumalofTheoreticalandAppliedMechanicsMav，2013波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究朱伯靖2)石耀霖，(中国科学院计算地球动力学重点实验室，中国科学院大学地球科学学院，北京100049)摘要致密砂岩渗透率在油气勘探开发、地应力测量及水库地质灾害等领域具有重要意义，但鉴于目前实验技术局限性，温压耦合渗透率测量尚无法通过实验手段实现．在已有研究工作基础上，首次建立了基于D3Q27数字岩芯模型，并计算了高温压耦合低渗砂岩渗透率问题．首先，以鄂尔多斯

2、盆地某油田延长组致密砂岩为例，利用x射线CT断层成像技术岩芯获取l0岬，5岬，2分辨率致密砂岩内部结构数据，应用基于量子力学第一性原理的D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型建立数值模型．进而，利用自编3DLBM程序分别计算了不同分辨率渗透率随围压(0一一200MPa)、孔隙压(0~65MPa)和温度(25。C～180。C)变化规律，通过与IncAUTOLAB2000C岩石测试分析系统实验结果对比，验证了程序的可靠性，得到低渗砂岩断层最佳分辨率；最后，在并行CPU—GPU平台上计算了高温高压耦合(0。c～400。C，0~1．4GPa)下致密砂岩渗透率值及其各

3、向异性随温压变化规律，并讨论了致密砂岩中水在达到超临界状态后对致密岩石内部结构的影响．关键词D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型，致密砂岩渗透率，X射线CT断层成像分辨率，并行CPU—GPU中图分类号：00357．2，00373，P313．1文献标识码：ADOh10．6052／0459—1879—12273引言理对岩土中弹塑性渗透固结问题进行了研究，姚同玉等[31应用表观渗透率概念，对页岩气超低渗透率渗透率作为一个重要岩石物性参数，与岩石蠕问题进行了研究，但高温压下致密岩石渗透率研究变、黏弹和强度等参数关系密切，反应了岩石脱水一仍处于探索阶段．致密岩石渗透

4、力学／物理过程涉相变一熔融过程，并依赖于温度、压力和化学组分变及流体运动和固体骨架相互作用变形破坏、超临界化；岩石渗透率，特别是致密岩石渗透率研究，不仅态水(温度大于375。C，压力大于22MPa)的化学活在石油、天然气(页岩气、煤成气)开发和地应力测动性变化问题；对于流体部分运动状态及相变描述量等应用研究领域具有重要价值，而且对了解地球非常复杂，不能用传统经典流体力学理论去分析，内部结构、物质疏运和含水断层／板块运动(水库地因构建起宏观流体力学的基于质量守恒原理的连续震／洋壳与陆壳俯冲)机理理论研究具有重要意义．性方程、基于动量守恒原理的动量方程和基于

5、能量实验方法作为岩石渗透率测量的传统和基本手守恒原理的能量方程在微观尺度下已经不能很好满段，由于实验技术局限性，对于苛刻工况致密岩石足．流体运动特征尺度减小到微米量级后，支配流体渗透率尚不能完全通过实验手段实现，温度和压力运动各种作用力发生变化，在宏观流动中居于次要耦合作用下渗透率测量尚无实验方法．同时实验手地位而被忽略的表面力超过了体积力，而成为微流段存在测量精度低、受试样尺寸效应影响、测量时体运动支配力，这就意味着传统宏观流体驱动技术间长、无法实现野外实地测量、成本高等局限性；和研究方程在微流体研究中会被修正(体积力依赖以致密砂岩为例，一个试样单向渗

6、透率测量时间需于特征尺度三次幂，表面力依赖于特征尺度一次／两7～14个工作日，临界工况围压为200MPa，孔隙压为次幂，随着流体特征尺度降低，表面力作用不断增60MPa，无法考虑温压耦合作用⋯．强)；随特征尺度继续减小表面现象作用迅速增加(表在数值方法方面，曾攀等【]应用参变量变分原面积与体积比迅速增大)，使微观流体运动呈现出与2012—1o．11收到第1稿，2012—11-22收到修改稿．1)国十资源部深部探测Sinoporbe．07基金(0819011A90)和国家自然科学面上基金(D0408／4097409)资助项目2)朱伯靖，副教授，主要研究方向

7、：断裂力学、地球物理学．E—mail：cynosureorion@ucas．ac．cn；bO-jingzhu@gmai1．com3)石耀霖，中国科学院院士，第三世界科学院院士，主要研究方向：地球物理学E—mail：shiyl@ucas．ac．cn第3期朱伯靖等：波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究385常规流体运动不同性质．基于连续介质假设纳维一术获取岩芯10岬(日本高知岩芯中心)、5(中科斯托克斯方程不能处理壁面与流体问速度滑移，固院同步辐射中心)、2岬(中科院同步辐射中心、中国液界面边界条件本身成为求解变量，微观黏度与体计量科学研究院)分辨率数据；建立

8、D3Q27格子波积黏度不一致，这些都是经典连续介质模型不能解尔兹曼和有限元流固耦