真三轴应力条件下储层岩石的多物理场耦合响应特性研究
储层岩石处于应力、温度和流体流动等多物理场耦合条件下，其力学特性和渗流规律是评价和影响储层资源开发的关键因素。由于构造应力的存在，储层岩石往往处于真三轴应力状态（σ1>σ2>σ3）。本论文以储层岩石作为研究对象，综合运用试验研究、理论分析与数值模拟等手段，系统性地分析真三轴应力条件下储层岩石的多物理场耦合响应特性。自主研制了多功能真三轴流固耦合试验系统；开展了真三轴应力条件下砂岩、页岩和煤的力学特性与渗流规律研究，重点探讨了中间主应力和中主应力比对储层岩石强度特性和渗透率的影响；基于裂隙压缩率假设，从应力角度推导了储层岩石渗透率与各主应力的关系，提出了真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型；基于真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型，构建了储层岩石热流固耦合模型；利用试验结果对所构建的储层岩石热流固耦合模型进行了验证，并将其用于现场工况模拟。本文的主要研究成果如下：
①自主研制了多功能真三轴流固耦合试验系统。该系统可以对真三轴应力条件下的岩石力学特性与流体渗流规律进行研究。该系统所具有的内密封渗流系统和伺服增压系统相互配合，对试件进行了有效的密封，首次实现了真三轴应力条件下气液的自由渗流控制与监测。
②开展了真三轴应力条件下储层岩石强度特性试验。随着最小主应力和中间主应力的升高，储层岩石抗压强度逐渐升高，岩石破坏时的广义剪应力也逐渐升高。同时，岩石抗压强度的σ2效应强弱还受σ3大小的影响。
③开展了真三轴应力条件下砂岩渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，砂岩渗透率均表现出下降的趋势。然而，砂岩渗透率的下降并不明显，仍保持在同一个数量级。在σ1、σ2和σ3的升高过程中，σ3对砂岩渗透率的影响最大，σ2次之。σ1最小。
④开展了真三轴应力条件下页岩渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，不同层理方向条件下页岩渗透率均表现出下降的趋势。页岩渗透率下降幅度大约为2~3个数量级，较之砂岩渗透率下降幅度更为明显，表现出对应力较强的敏感性。各方向主应力对渗透率的影响是有差异的，其渗透率变化过程表现出明显的各向异性，而渗透率下降最明显的过程均为加载垂直于层理面方向应力的过程。结果表明了页岩层理对其渗透率的控制作用。
⑤开展了真三轴应力条件下原煤渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，原煤渗透率均表现出下降的趋势。整个应力升高过程，原煤渗透率降低了大约1~2个数量级，其对应力的敏感性介于页岩和砂岩之间。
⑥储层岩石初始的裂隙分布、弯曲度和连通度等都具有明显的各向异性。除此之外，由于裂隙形态和其变形模量的各向异性，裂隙在应力升高过程中的变化也是各向异性的。基于储层岩石各向异性的考虑，在S&D渗透率计算模型的基础上提出了真三轴应力条件下储层岩石的渗透率计算模型，并利用试验结果对该模型的适用性进行了验证。
⑦构建了储层岩石热流固耦合模型，实现了CH4流动与储层岩石变形的耦合。利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件，验证了所建立的储层岩石热流固耦合模型，并利用该模型开展了CH4抽采热流固耦合数值模拟。
1.1 引言
我国非常规天然气资源丰富，原地资源量为320×1012 m3，其中致密气、煤层气和页岩气为主要的非常规天然气，原地资源量高达175×1012 m3，可采资源量预计为70×1012 m3，相当于常规天然气资源量的3~4倍[1]。随着我国能源对外依存度的攀升，非常规天然气的有效开发利用对我国能源结构具有改善意义，可保障我国的能源安全。为满足国内快速增长的天然气需求，“十三五”期间我国将大力发展非常规天然气的开采与利用。
储层岩石处于应力、温度和流体流动等多物理场耦合条件下，其力学特性和渗流规律是评价和影响储层资源开发的关键因素。由于构造应力的存在，储层岩石往往处于非静水压力状态。此外，针对储层的工程扰动行为也会造成应力重分布，进而导致工程岩体处于三向不等压的应力状态，即真三轴应力状态（σ1>σ2>σ3）。由于缺乏能进行真三轴应力条件下岩石多物理场耦合试验的仪器和方法，对岩石力学特性和岩石中流体流动规律的研究通常在常规三轴（σ1>σ2=σ3）或单轴（σ1>σ2=σ3=0）应力条件下进行，不能真实反映现场应力环境，其研究结果忽视了中间主应力对岩石力学特性和渗流规律的影响。因此，有必要研制一套新的多功能真三轴流固耦合试验系统，并在此基础上进行真三轴应力条件下岩石力学特性和渗流规律的研究
不同种类的储层岩石由于其成分、成岩方式和结构等的区别，它们在多物理场耦合条件下的力学特性和渗流规律存在差异。由于这些差异的存在，在开采不同岩石种类的储层资源时，需根据储层岩石的特点加以分别研究。
产能评价、预测和储层模拟的准确程度取决于储层岩石渗透率计算模型。现有的渗透率计算模型均未考虑真三轴应力条件下储层岩石的多物理场耦合响应特性。为提高渗透率计算模型的准确程度，需要在深入探讨真三轴应力条件下储层岩石力学特性和渗流规律的基础上，发展新的渗透率计算模型。
储层岩石可视为双重孔隙介质，岩石中的孔隙和裂隙为CH4的储存和流动提供了空间。原始储层应力处于相对平衡状态。在实际的CH4排采过程中，CH4压力下降促使基质中的CH4解吸，解吸的CH4扩散、渗流到自由面，这种气体运移过程会改变储层岩石骨架有效应力，使岩石骨架产生附加变形。气体流动过程中由于热对流效应也会影响岩石内温度场分布。岩石骨架的变形可导致其渗透率发生变化，从而影响CH4在岩石中的流动过程。此外，岩石变形所产生的形变能也会影响到温度场分布。温度场通过影响渗透率以及气体压力改变CH4渗流场。总之，CH4在储层岩石中的运移是一个动态的多物理场耦合过程。针对储层岩石热流固耦合模型的研究可深化对储层性质的认识。
本研究结合国家自然科学基金重点项目(51434003)、国家自然科学基金面上项目(51374256)、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2011CB201203）和国家科技重大专项课题(2011ZX05034-004)等项目，自主研制了“多功能真三轴流固耦合试验系统”，利用该系统研究了真三轴应力条件下储层岩石（砂岩、页岩、原煤）的力学特性和渗流规律，探讨了中间主应力对其强度和渗透率的影响，在此基础上提出了真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型，建立了储层岩石热流固耦合模型并对模型进行了应用。研究成果可为我国非常规天然气的安全高效开采提供理论指导，对提高储层产能评价和预测准确度具有重大的实践意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 真三轴试验系统的研究现状
Kjellman于1936年研制了世界上第一台用于进行砂土力学特性试验的真三轴装置 [2]。此后，国内外的岩石力学专家先后探索和研制了不同结构和类型的真三轴试验装置，推进了真三轴应力条件下岩土试验的准确性和可靠性。
Mogi解决了真三轴加载中的试件对中问题，自主研制了世界上第一台用于演示的真三轴仪，利用该仪器深入研究了岩石抗压强度和中主应力的关系[3, 4]。此后的大部分真三轴仪均以Mogi型真三轴仪为基础发展而来。尹光志、鲜学福和李贺等自主研制了一种Mogi型岩石真三轴仪，较早地研究了中间主应力对岩石强度和变形特性的影响[5, 6]。许东俊等研制了RT-3真三轴仪，其三个主应力均可被独立控制，还可测量三个方向上的岩石变形和声波反馈参数[7]。孙晓明、何满潮等为了研究真三轴应力条件下软岩的力学特性，自主研制了一套真三轴拉压试验系统，该系统既可以进行真三轴应力条件下的压缩试验，还能进行真三轴应力条件下的拉伸试验[8, 9]。李维树等研制了两套真三轴试验系统，一套用于研究真三轴应力条件下中尺寸岩样的的力学特性，其试件尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间，一套用于研究现场工程岩体的蠕变响应，可进行超声波和声发射信号测试[10, 11]。邵生俊等研制了一种新型真三轴试验装置，它具有轴向刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的三向加载方式[12]。Haimson等设计研制成功了一种高压真三轴试验装置，可用于硬岩真三轴试验[13]。冯夏庭等研制了一种用于硬岩的新型Mogi型真三轴仪，其可视化和自动化程度均较高[14]。Alexeev等设计研制了一种搭接式真三轴试验装置，并将其用于煤与瓦斯突出预测研究[15]。李夕兵等研制了一种用于岩石的真三轴扰动试验系统，并能够模拟动载荷的对岩石作用[16]。
在真三轴流固耦合试验仪器方面，尹立明、郭惟嘉等自主开发了一种可进行岩石流固耦合试验的真三轴仪，该仪器可独立地控制与监测三个方向的应力，同时还可外接声发射测试仪进行声发射事件实时监测与破裂位置定位[17]。Frash等开发了一种真三轴试验装置，并将其用于研究真三轴应力条件下水力压裂所导致的岩石裂缝扩展规律 [18]。Lombos、Nasseri和Young等与美国MTS公司共同研制了能同时实现真三轴加载、温度控制和渗透性测试的试验装置，该仪器可研究复杂环境下的岩石力学特性[19, 20]。
综上所述，国内外的岩石力学专家研制了多种真三轴仪，一定程度上推进了岩石力学、渗流力学及地质科学方面的研究。但能进行真三轴应力条件下岩石多物理场耦合试验的仪器还较为缺乏。
1.2.2 岩石力学特性与渗流规律研究现状
众多学者对常规三轴条件下岩石的力学特性进行了研究[21-60]。真三轴应力条件下岩石力学特性的研究成果则相对较少。Chang和Haimson对角闪岩和花岗岩在真三轴应力条件下的强度特性进行了研究[61]。Wang和Kemeny对凝灰岩在真三轴应力条件下的强度特性进行了研究[62]。M. Takahashi和H. Koide则对细砂岩在真三轴应力条件下的强度特性进行了研究[63]。陈景涛等对拉西瓦花岗岩和锦屏大理岩的真三轴强度特性进行了研究[64]。尤明庆指出，上述岩石强度数据存在离散性的影响[65]。
何满潮等利用自主研制的真三轴软岩试验系统进行了多种拉压组合试验及卸荷试验，深入研究了岩爆的发生机理[9]。Alexeev等利用真三轴仪进行了煤与瓦斯突出预测研究[15]。李夕兵等研究了真三轴卸载条件下岩体破裂特性，得到岩石抗压强度随中主应力的升高而升高。中主应力较小时，岩石为剪切破坏，中主应力较大时，岩石为板裂破坏[16]。
众多学者对常规三轴条件下岩石中流体渗流规律进行了研究。Harpalani等研究了煤中孔裂隙结果与CH4流动的关系[66]。George研究了应力条件下CH4解吸所导致的基质收缩问题[67]。刘继山等[68]对气体吸附引起煤渗透率的变化进行了研究。Connell等研究了流固耦合条件下CH4渗流与储层变形的关系[69]。Liu W等研究了损伤砂岩渗透率对应力的响应特性 [70]。Mazumder等研究了二氧化碳注入对煤膨胀和渗透率的影响[71]。Gentzis等研究了加拿大西部丘陵地区煤的力学特性和渗流规律[72]。Fathi和Akkutlu研究了储层的各向异性对储层中气体运移的影响[73]。Zhao进行了煤热解过程中渗透性和结构变化之间关系的试验研究[74]。孙维吉等研究了CH4吸附作用和渗流方向对煤渗透率的影响[75-77]。
Soeder对阿帕拉契盆地的页岩渗透率进行了测试，其渗透率均低于0.1×10-15 m2，并提出了使用裂隙开度计算渗透率的公式[78]。Ohmyoung等对富含伊列石的页岩平行层理渗透率与有效应力之间的关系进行了研究，当有效应力从3 MPa升高至12 MPa时，其渗透率从300×10-21 m2降低到3×10-21 m2[79, 80]。此外，页岩渗透率还与其层理方向有关。Ross和Bustin等加拿大西部盆地的页岩渗透率进行了测试，其渗透率均低于0.04×10-15 m2，且其渗透率随着有效应力的升高以指数方式降低[81, 82]。Dong等对页岩渗透率的研究也表面了其渗透率对应力的高敏感性[83]。
迄今为止，关于真三轴应力条件下岩石中流体渗流规律的研究还较少。聂百胜等对真三轴应力条件下煤的渗透率进行了测试，得到其渗透率和体应力之间的关系[84]。尹立明、郭惟嘉等研究了花岗岩在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程[17]。Nasseri、Lombos和Young等进行了不同主应力条件下砂岩三向渗透率的测试，发现其各向渗透率均随应力升高而降低[19, 20]。
综上所述，针对真三轴应力条件下岩石力学特性的研究已较为广泛。然而由于缺乏有效的测试设备和方法，针对真三轴应力条件下岩石渗流规律的研究还较少。
1.2.3 岩石渗透率计算模型研究现状
储层岩石渗透率变化规律对油气资源的评价和开采十分关键。应力、孔压、吸附膨胀变形和流体滑脱效应等都影响着储层岩石渗透率的变化规律。国内外学者对其进行了大量研究，并建立了相关的渗透率计算模型。赵阳升等对三维应力作用下煤体中瓦斯渗流规律进行了试验研究，得出了煤体渗透率与体积应力、孔隙压力的拟合关系表达式[85]。傅雪海等研究了应力条件下煤基质收缩与其渗透率的关系 [86]。Gray建立了考虑孔隙压力与吸附应变的渗透率计算模型[87]。Shi和Durucan在Gray模型的基础上，推导了基于应力效应的渗透率模型，即S&D模型，该模型是迄今为止应用最广泛的渗透率计算模型之一[88-90]。鲜学福等考虑了有效应力和煤基质收缩效应等对煤储层渗透率的影响，建立了以孔隙度表达的渗透率计算模型[91]。Palmer和Mansoori所提出的渗透率计算模型考虑了有效应力和基质收缩对煤渗透率的作用[92]。Seidle和Huitt所提出的渗透率计算模型考虑了基质变形所导致的渗透率变化[93]。Connell等给出了多种边界条件下的渗透率计算模型[94,95]。
在Shi和 Durucan的研究中，他们认为只有水平应力对渗透率造成影响。Cui与Bustin则认为渗透率变化受平均应力（σm = (σ1 + σ2 + σ3) / 3）的控制[96]。Mckee等人提出了基于应力的裂隙压缩率计算方法，Shi和 Durucan将其应用于渗透率计算模型中[97, 98]。
综上所述，储层岩石裂隙渗透率的大小取决于其初始的裂隙分布、弯曲度和连通度等因素，而这些因素都具有明显的各向异性。除此之外，由于裂隙形态和其变形模量的各向异性，裂隙在应力升高过程中的变化也是各向异性的。前人所提出的模型未考虑各向异性对储层岩石渗透率的影响，无法反映真三轴应力条件下储层岩石裂隙对各主应力的响应情况。