复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 张玉于婷婷张通刘书言周家文 Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths ZHANG Yu.YU Ting-ting,ZHANG Tong.LIU Shu-yan,ZHOU Jia-wen 引用本文： 张玉，于婷婷，张通，刘书言，周家文.复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究.工程科学学报，2021,43(7)：903- 914.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.05.27.005 ZHANG Yu,YU Ting-ting,ZHANG Tong,LIU Shu-yan,ZHOU Jia-wen.Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths[].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):903-914.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.27.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.27.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响 Effect of bedding dip on energy evolution and rockburst tendency of loaded phyllite 工程科学学报.2019,41(10：1258 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.09.18.003 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报.2017,391)：133 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.01.017 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报.2017,399y:1295 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.001 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报.2019,41(7)：864 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.004 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland 工程科学学报.2017,393：323 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.03.002 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 程科学学报.2020,42(12：1588 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.07.001

复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 张玉 于婷婷 张通 刘书言 周家文 Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths ZHANG Yu, YU Ting-ting, ZHANG Tong, LIU Shu-yan, ZHOU Jia-wen 引用本文: 张玉, 于婷婷, 张通, 刘书言, 周家文. 复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 903- 914. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.27.005 ZHANG Yu, YU Ting-ting, ZHANG Tong, LIU Shu-yan, ZHOU Jia-wen. Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 903-914. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.27.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.27.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响 Effect of bedding dip on energy evolution and rockburst tendency of loaded phyllite 工程科学学报. 2019, 41(10): 1258 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.18.003 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报. 2017, 39(1): 133 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.017 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报. 2017, 39(9): 1295 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报. 2019, 41(7): 864 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.004 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland 工程科学学报. 2017, 39(3): 323 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.002 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 工程科学学报. 2020, 42(12): 1588 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.07.001

工程科学学报.第43卷，第7期：903-914.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:903-914,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.27.005;http://cje.ustb.edu.cn 复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 张 玉1,2)四，于婷婷)，张通》，刘书言”，周家文) 1)中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院.青岛2665802)四川大学深地科学与工程教育部重点实验室，成都6100653)安徽理工大 学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南232001 ☒通信作者，Email:zhangyu@upc.edu.cn 摘要油气主要储集在岩石孔隙和缝洞内，深部复杂应力环境下储层岩石裂隙渗透演化直接影响油气的运移规律，是油气 勘探开发的重要研究对象.为了解复杂应力路径下含裂隙岩石的渗透演化特性，利用高精度渗流-应力耦合三轴实验设备， 对含随机分布裂隙泥岩开展了单试样-复杂应力路径加卸载过程中的渗透性演化试验研究，试验方案依次为：（①围压递增条 件下渗透性测试：()渗透压力递增条件下渗透性测试：（而偏应力循环加卸载条件下渗透性测试：(）围压、偏应力同步增长 条件下渗透性测试.结果表明裂隙泥岩中的渗流可视为低渗流速度的层流；裂隙发育丰富岩样(2)渗透率及应力敏感性明 显较高.渗透率随渗透压力、围压分别呈正、负的指数函数变化.偏应力加载导致渗透率降低，卸载引起渗透率上升，但整体 呈不可逆降低；围压、偏应力同步增长引起渗透率呈下降趋势，并逐步趋于稳定：围压10.3MP作用下，渗透率基本保持恒 定.由此，基于裂隙双重介质模型，考虑泥岩变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用以及外部应力作用下的裂隙膨胀变 形，构建了裂隙泥岩渗透率演化力学模型：模型模拟结果与试验结果具有较好的一致性.相关成果可为裂隙泥岩渗透性演化 预测和油气高效开采提供重要的理论依据 关键词岩石力学：复杂应力路径：裂隙泥岩：渗透性试验：渗透性演化：渗透率演化力学模型 分类号TU458+ Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths ZHANG Yu2),YU Ting-ting,ZHANG Tong,LIU Shu-yan,ZHOU Jia-wen 1)College of Pipeline and Civil Engineering.China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China 2)Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering(Sichuan University),Ministry of Education,Chengdu 610065,China 3)State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China Corresponding author,E-mail:zhangyu@upc.edu.cn ABSTRACT The main reservoirs of oil and gas are in the pores and fractures of rocks.Under deep and complex stress environments, reservoir rock fracture permeability evolution directly affects the flow of oil and gas,which is an important research object of oil and gas exploration and development.In order to study the permeability evolution of fractured rock under complex stress paths,a permeability test of a single sample in the process of loading and unloading complex stress paths was performed using high-precision hydro- mechanics coupled with triaxial experimental equipment.The experimental scheme entails permeability tests under (i)increasing confining pressure;(ii)increasing liquid pressure;(iii)cyclic loading and unloading deviatoric stress;and (iv)increasing confining pressure and deviatoric stress synchronously.The results show that liquid flow in fractured mudstone can be regarded as laminar flow 收稿日期：2020-05-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51890914)：山东省自然科学基金资助项目(ZR2019MEE001):深地科学与工程教育部重点实验室 (四川大学)开放基金资助项目(DESE201903)

复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 张    玉1,2) 苣，于婷婷1)，张    通3)，刘书言1)，周家文2) 1) 中国石油大学 (华东) 储运与建筑工程学院，青岛 266580    2) 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室，成都 610065    3) 安徽理工大 学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001 苣通信作者，Email：zhangyu@upc.edu.cn 摘    要    油气主要储集在岩石孔隙和缝洞内，深部复杂应力环境下储层岩石裂隙渗透演化直接影响油气的运移规律，是油气 勘探开发的重要研究对象. 为了解复杂应力路径下含裂隙岩石的渗透演化特性，利用高精度渗流−应力耦合三轴实验设备， 对含随机分布裂隙泥岩开展了单试样−复杂应力路径加卸载过程中的渗透性演化试验研究，试验方案依次为：(i) 围压递增条 件下渗透性测试；(ii) 渗透压力递增条件下渗透性测试；(iii) 偏应力循环加卸载条件下渗透性测试；(iv) 围压、偏应力同步增长 条件下渗透性测试. 结果表明裂隙泥岩中的渗流可视为低渗流速度的层流；裂隙发育丰富岩样（R2）渗透率及应力敏感性明 显较高. 渗透率随渗透压力、围压分别呈正、负的指数函数变化. 偏应力加载导致渗透率降低，卸载引起渗透率上升，但整体 呈不可逆降低；围压、偏应力同步增长引起渗透率呈下降趋势，并逐步趋于稳定；围压 10.3 MPa 作用下，渗透率基本保持恒 定. 由此，基于裂隙双重介质模型，考虑泥岩变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用以及外部应力作用下的裂隙膨胀变 形，构建了裂隙泥岩渗透率演化力学模型；模型模拟结果与试验结果具有较好的一致性. 相关成果可为裂隙泥岩渗透性演化 预测和油气高效开采提供重要的理论依据. 关键词    岩石力学；复杂应力路径；裂隙泥岩；渗透性试验；渗透性演化；渗透率演化力学模型 分类号    TU458+ Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths ZHANG Yu1,2) 苣 ，YU Ting-ting1) ，ZHANG Tong3) ，LIU Shu-yan1) ，ZHOU Jia-wen2) 1) College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China 2) Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering (Sichuan University), Ministry of Education, Chengdu 610065, China 3) State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhangyu@upc.edu.cn ABSTRACT    The main reservoirs of oil and gas are in the pores and fractures of rocks. Under deep and complex stress environments, reservoir rock fracture permeability evolution directly affects the flow of oil and gas, which is an important research object of oil and gas exploration and development. In order to study the permeability evolution of fractured rock under complex stress paths, a permeability test  of  a  single  sample  in  the  process  of  loading  and  unloading  complex  stress  paths  was  performed  using  high-precision  hydro￾mechanics  coupled  with  triaxial  experimental  equipment.  The  experimental  scheme  entails  permeability  tests  under  (i)  increasing confining  pressure;  (ii)  increasing  liquid  pressure;  (iii)  cyclic  loading  and  unloading  deviatoric  stress;  and  (iv)  increasing  confining pressure and deviatoric stress synchronously. The results show that liquid flow in fractured mudstone can be regarded as laminar flow 收稿日期: 2020−05−27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51890914）；山东省自然科学基金资助项目（ZR2019MEE001）；深地科学与工程教育部重点实验室 （四川大学）开放基金资助项目（DESE201903） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：903−914，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 903−914, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.27.005; http://cje.ustb.edu.cn

904 工程科学学报，第43卷，第7期 with low velocity.The sample containing more fracture (R2)has a significantly higher permeability and stress sensitivity.The permeability changes with both liquid and confining pressure as a function of positive and negative exponential functions.The increase in deviatoric stress leads to a decrease in permeability,and unloading causes permeability to increase.The whole evolution of permeability is irreversibly reduced.During the increasing confining pressure and deviatoric stress stage,permeability also decreases, and tends to stabilize.Under a confining pressure of 10.3 MPa,permeability remains basically constant.Therefore,based on the double medium model of fracture,the permeability evolution model of fractured rock was proposed considering the interaction among fracture system,matrix system,and the expansion deformation of fracture under external stress.The simulation results of the model are in good agreement with the experimental results.These results can provide an important theoretical basis for the prediction of permeability evolution of fractured mudstone and efficient oil and gas exploitation. KEY WORDS rock mechanics;complex stress paths;fractured mudstone;permeability test;permeability evolution;permeability evolution mechanical model 裂隙是油气储层主要的储集空间及流体运移 力-应变过程中，峰后阶段裂隙快速发展，相关成 通道，其渗透性演化是油气藏储层评价的重要指 果并不多见.于洪丹等对裂隙砂岩开展了加卸 标-水力压裂、酸化增透是提高油气开采效率的 载条件下的渗透性测试，认为加载过程导致渗透 重要技术手段，其主要作用是通过改善裂隙特征提 率下降，渗透率与有效围压呈负指数函数关系：卸 高储层裂隙的导流能力，进而加快油气运移，提高 载过程引起渗透率上升，但回升路径明显低于原 油气开采量6刀.但由于深部油气储层地质环境复 始路径，表明裂隙存在塑性变形.赵延林等认 杂，高地应力和构造应力影响显著，导致造缝后的 为裂隙岩石在全应力一应变过程中的渗透演化规 岩石极易呈现压密、闭合、扩展的现象，结合高流 律可表述为缓慢下降一缓慢增加一快速增长一小 体压力的影响，裂隙的变形破坏机制尤为复杂图 幅度下降4个阶段 鉴于渗透演化规律可从微细观力学角度反映岩石结 裂隙泥岩油气藏是油田勘探、开发的新增重 构压缩闭合、扩展贯通和断裂破坏的全过程-0， 点研究目标作为由泥巴及黏土、石膏固化而 深部储层岩石裂隙率远小于孔隙率，但裂隙渗透率 成的烃源岩，油藏泥岩内部结构较为复杂，裂隙十 远高于孔隙渗透率，故复杂应力路径下裂隙的渗透 分发育20-四高埋深储层在外界施工扰动作用下 演化特性是研究储层岩石油气运移规律的关键山. 将产生应力集中；高应力条件下，泥岩储层裂隙结 作为多孔介质，渗透性是指流体作用下岩石 构会产生明显损伤，渗透性显著改变)然而，目 孔隙和裂隙渗透的能力，是岩石重要的力学特性， 前对造缝后裂隙泥岩渗透性研究鲜有成果，高地 具有应力敏感性)应力加卸载将导致岩石渗透 应力、高流体压力及加卸载等复杂应力路径下的 率产生2~5个数量级的变化，且具有强烈的方向 渗透演化规律研究更是处于空白.鉴于此，本文以 性)因此，复杂应力环境是裂隙岩石渗透性测试 裂隙泥岩为研究对象，单试样-复杂应力路径加卸 必须考虑的因素.应力作用导致裂隙产生压密、 载渗透性演化试验研究基础上，分析了渗透压力、 剪胀和屈服：流体渗流作用于裂纹尖端，引起裂隙 围压及偏应力循环加卸载等对裂隙泥岩渗透率的 宽度和裂隙条数改变，形成动态平衡的渗流通道 影响规律：由此构建了考虑复杂应力路径的裂隙 Lu等测试了含裂隙砂岩和煤岩的渗透性，认为 泥岩渗透率演化力学模型，并开展了模拟研究.相 围压对渗透性演化影响显著.杨金保等6对单裂 关成果可为发展新的渗流理论进而揭示裂隙岩石 隙岩石开展了不同水力梯度下的加卸载渗流试 流体渗流运动形态和规律提供参考 验，发现加载过程中流量与渗透压差呈线性关系， 1随机裂隙泥岩岩样制备及试验方法 但卸载过程中两者呈非线性关系，裂隙渗透性能 恢复具有明显的滞后效应：满轲等刀研究了大尺 1.1岩性分析及岩样制备 度单裂隙花岗岩渗透演化规律，认为裂隙表面粗 深层泥岩整体呈深灰色，砂状结构，块状构 糙度是影响裂隙渗透性的重要因素.但上述研究 造.岩样碎屑物矿物组分质量分数为石英54%和 多集中于规则单裂隙或双裂隙形式的裂隙岩石渗 长石5%；填隙物矿物组分质量分数为泥质物 透性研究，随机分布裂隙岩石渗透性鲜有研究.此 35%、铁质物4%和不透明矿物2%：其中石英呈次 外，现有裂隙岩石渗透性测试多集中在峰前全应 棱角状和次圆状，后期边缘存在重结品现象：长石

with  low  velocity.  The  sample  containing  more  fracture  (R2)  has  a  significantly  higher  permeability  and  stress  sensitivity.  The permeability changes with both liquid and confining pressure as a function of positive and negative exponential functions. The increase in  deviatoric  stress  leads  to  a  decrease  in  permeability,  and  unloading  causes  permeability  to  increase.  The  whole  evolution  of permeability is irreversibly reduced. During the increasing confining pressure and deviatoric stress stage, permeability also decreases, and tends to stabilize. Under a confining pressure of 10.3 MPa, permeability remains basically constant. Therefore, based on the double medium model of fracture, the permeability evolution model of fractured rock was proposed considering the interaction among fracture system, matrix system, and the expansion deformation of fracture under external stress. The simulation results of the model are in good agreement  with  the  experimental  results.  These  results  can  provide  an  important  theoretical  basis  for  the  prediction  of  permeability evolution of fractured mudstone and efficient oil and gas exploitation. KEY  WORDS    rock  mechanics； complex  stress  paths； fractured  mudstone； permeability  test； permeability  evolution； permeability evolution mechanical model 裂隙是油气储层主要的储集空间及流体运移 通道，其渗透性演化是油气藏储层评价的重要指 标[1−5] . 水力压裂、酸化增透是提高油气开采效率的 重要技术手段，其主要作用是通过改善裂隙特征提 高储层裂隙的导流能力，进而加快油气运移，提高 油气开采量[6−7] . 但由于深部油气储层地质环境复 杂，高地应力和构造应力影响显著，导致造缝后的 岩石极易呈现压密、闭合、扩展的现象，结合高流 体压力的影响，裂隙的变形破坏机制尤为复杂[8] . 鉴于渗透演化规律可从微细观力学角度反映岩石结 构压缩闭合、扩展贯通和断裂破坏的全过程[9−10] ， 深部储层岩石裂隙率远小于孔隙率，但裂隙渗透率 远高于孔隙渗透率，故复杂应力路径下裂隙的渗透 演化特性是研究储层岩石油气运移规律的关键[11] . 作为多孔介质，渗透性是指流体作用下岩石 孔隙和裂隙渗透的能力，是岩石重要的力学特性， 具有应力敏感性[12] . 应力加卸载将导致岩石渗透 率产生 2～5 个数量级的变化，且具有强烈的方向 性[13] . 因此，复杂应力环境是裂隙岩石渗透性测试 必须考虑的因素. 应力作用导致裂隙产生压密、 剪胀和屈服；流体渗流作用于裂纹尖端，引起裂隙 宽度和裂隙条数改变，形成动态平衡的渗流通道[14] . Liu 等[15] 测试了含裂隙砂岩和煤岩的渗透性，认为 围压对渗透性演化影响显著. 杨金保等[16] 对单裂 隙岩石开展了不同水力梯度下的加卸载渗流试 验，发现加载过程中流量与渗透压差呈线性关系， 但卸载过程中两者呈非线性关系，裂隙渗透性能 恢复具有明显的滞后效应；满轲等[17] 研究了大尺 度单裂隙花岗岩渗透演化规律，认为裂隙表面粗 糙度是影响裂隙渗透性的重要因素. 但上述研究 多集中于规则单裂隙或双裂隙形式的裂隙岩石渗 透性研究，随机分布裂隙岩石渗透性鲜有研究. 此 外，现有裂隙岩石渗透性测试多集中在峰前全应 力−应变过程中，峰后阶段裂隙快速发展，相关成 果并不多见. 于洪丹等[18] 对裂隙砂岩开展了加卸 载条件下的渗透性测试，认为加载过程导致渗透 率下降，渗透率与有效围压呈负指数函数关系；卸 载过程引起渗透率上升，但回升路径明显低于原 始路径，表明裂隙存在塑性变形. 赵延林等[19] 认 为裂隙岩石在全应力−应变过程中的渗透演化规 律可表述为缓慢下降—缓慢增加—快速增长—小 幅度下降 4 个阶段. 裂隙泥岩油气藏是油田勘探、开发的新增重 点研究目标[2,4] . 作为由泥巴及黏土、石膏固化而 成的烃源岩，油藏泥岩内部结构较为复杂，裂隙十 分发育[20−22] . 高埋深储层在外界施工扰动作用下 将产生应力集中；高应力条件下，泥岩储层裂隙结 构会产生明显损伤，渗透性显著改变[23] . 然而，目 前对造缝后裂隙泥岩渗透性研究鲜有成果，高地 应力、高流体压力及加卸载等复杂应力路径下的 渗透演化规律研究更是处于空白. 鉴于此，本文以 裂隙泥岩为研究对象，单试样−复杂应力路径加卸 载渗透性演化试验研究基础上，分析了渗透压力、 围压及偏应力循环加卸载等对裂隙泥岩渗透率的 影响规律；由此构建了考虑复杂应力路径的裂隙 泥岩渗透率演化力学模型，并开展了模拟研究. 相 关成果可为发展新的渗流理论进而揭示裂隙岩石 流体渗流运动形态和规律提供参考. 1    随机裂隙泥岩岩样制备及试验方法 1.1    岩性分析及岩样制备 深层泥岩整体呈深灰色，砂状结构，块状构 造. 岩样碎屑物矿物组分质量分数为石英 54% 和 长 石 5%；填隙物矿物组分质量分数为泥质 物 35%、铁质物 4% 和不透明矿物 2%；其中石英呈次 棱角状和次圆状，后期边缘存在重结晶现象；长石 · 904 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

张玉等：复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 905· 呈次棱角状，存在泥化现象.岩样微孔隙裂隙分布 Apply axial pressure 广泛，填隙物均匀分布于碎屑间隙中，此外，岩样 孔隙率为102%，属小孔隙率泥岩. 将泥岩岩样制备为Φ50mm×100mm的圆柱状 Apply confining 试样.鉴于泥岩油气藏裂隙系统的复杂性，采用劈 pressure 五 0五 裂方法获取岩样内随机裂隙分布（图1）.泥岩劈裂 强度为2.15MPa;对R1、R2岩样分别施加50%和 Axial strain 75%的劈裂强度，达到预定荷载后，维持压力2min measurement 后卸载，得到随机裂隙泥岩岩样 Lateral strain Rock measurement (a) (b) Flow Apply pore measurement Mudstone pressure sample 图2渗透性测试装置 Fig.2 Permeability testing equipment 岩土材料孔隙渗流符合层流运动：但岩石裂 隙分布复杂，且具有强导水能力，故高渗压作用下 裂隙主导裂隙泥岩内的渗流运动状态.渗透水为 R2 不可压缩流体，且不考虑泥岩颗粒膨胀的基础上， Feldspar 在渗透压差和渗流速度达到稳定时，测试得到裂 隙泥岩渗透压差和渗流速度基本呈线性关系（图3）： elds pa 由此认为流体在裂隙泥岩中的渗流规律可视为低 渗流速度的层流运动，渗透率可基于达西定律计算： K=HLV (1) Perpendicular polarized light Plane polarized light A△p△t 图1裂隙泥岩岩样制备.(a)岩样劈裂试验：(b)裂隙泥岩岩样：(c)微 式中：K为岩样的渗透率，m2;V为△r时间渗流流体 观结构光学薄片鉴定，颗粒粒径：石英(0.02~015mm),长石 流入体积，m3:为水的动力黏滞系数，20℃时为 (0.02~0.1mm).其他(0.02-0.5mm) 1×103Pas:L为岩石的高度，m;△r为时间，s;A为 Fig.1 Preparation of fractured mudstone sample:(a)mudstone sample splitting test,(b)fractured mudstone sample;(c)photomicrographs of 岩样的横截面面积，m2;△p岩样两端渗透压差，Pa thin sections of microstructure,particle size:quartz(0.02-015 mm), feldspar (0.02-0.1 mm),others (0.02-0.5 mm) 2裂隙泥岩渗透性演化规律试验 1.2试验方法 2.1围压递增条件下渗透性测试 渗透性测试均在岩石全自动流变伺服仪上完 首先对裂隙泥岩开展了围压递增条件下渗透 成（图2），该设备安装有渗透压泵，可施加恒定的 性测试（图4）：该阶段R1和R2岩样的初始渗透率 渗透压力，1轴向压力采用流量加载控制，加载 分别为4.19×1019m2和2.37×107m2(围压3.8MPa、 速率为0.1 mL min.鉴于稳态法测量岩石渗透率 渗透压力3.5MPa).裂隙是流体流动的主要通道. 精度达10~9m42,故采用该方法开展裂隙泥岩单 围压增加导致裂隙宽度降低，逐渐压密闭合，引起 试样-复杂应力路径加卸载过程中的渗透性测试， 渗透率明显减小：渗透率随围压增加呈指数关系 流体介质为蒸馏水（室温20℃时的物理性质）.复 降低（图5）.加载初期，裂隙宽度减小速率较大， 杂应力路径测试方案依次包括：()围压递增条件 渗透率显著降低：随着围压增加，渗透率降低速率 下渗透性测试；（渗透压力递增条件下渗透性测 逐渐减小并趋于稳定.围压增加至6.3MPa时，R1 试；()偏应力循环加卸载条件下渗透性测试；（ⅳ） 和R2岩样渗透率降低率分别达23%和38%.R1 围压、偏应力同步增长条件下渗透性测试 和R2岩样的平均渗透率降低速率为0.19×10-9m/

呈次棱角状，存在泥化现象. 岩样微孔隙裂隙分布 广泛，填隙物均匀分布于碎屑间隙中. 此外，岩样 孔隙率为 10.2%，属小孔隙率泥岩. 将泥岩岩样制备为 ϕ50 mm×100 mm 的圆柱状 试样. 鉴于泥岩油气藏裂隙系统的复杂性，采用劈 裂方法获取岩样内随机裂隙分布（图 1）. 泥岩劈裂 强度为 2.15 MPa；对 R1、R2 岩样分别施加 50% 和 75% 的劈裂强度，达到预定荷载后，维持压力 2 min 后卸载，得到随机裂隙泥岩岩样. (a) Mudstone sample R1 R2 Plane polarized light (b) Perpendicular polarized light Quartz Feldspar Mud (c) Mud Feldspar Quartz 图 1    裂隙泥岩岩样制备. （a）岩样劈裂试验；（b）裂隙泥岩岩样；（c）微 观 结 构 光 学 薄 片 鉴 定 ,  颗 粒 粒 径 ： 石 英 （ 0.02～ 015  mm） ， 长 石 （0.02～0.1 mm），其他（0.02~0.5 mm） Fig.1    Preparation of fractured mudstone sample: (a) mudstone sample splitting  test;  (b)  fractured  mudstone  sample;  (c)  photomicrographs  of thin  sections  of  microstructure,  particle  size:  quartz  (0.02 –015  mm), feldspar (0.02–0.1 mm), others (0.02–0.5 mm) 1.2    试验方法 渗透性测试均在岩石全自动流变伺服仪上完 成（图 2），该设备安装有渗透压泵，可施加恒定的 渗透压力[10,13] . 轴向压力采用流量加载控制，加载 速率为 0.1 mL·min−1 . 鉴于稳态法测量岩石渗透率 精度达 10−19 m 2[12] ，故采用该方法开展裂隙泥岩单 试样−复杂应力路径加卸载过程中的渗透性测试， 流体介质为蒸馏水（室温 20 ℃ 时的物理性质）. 复 杂应力路径测试方案依次包括: (i) 围压递增条件 下渗透性测试；(ii) 渗透压力递增条件下渗透性测 试；(iii) 偏应力循环加卸载条件下渗透性测试；(iv) 围压、偏应力同步增长条件下渗透性测试. Rock sample Axial strain measurement Apply confining pressure Apply axial pressure Lateral strain measurement Flow measurement Apply pore pressure 图 2    渗透性测试装置 Fig.2    Permeability testing equipment 岩土材料孔隙渗流符合层流运动；但岩石裂 隙分布复杂，且具有强导水能力，故高渗压作用下 裂隙主导裂隙泥岩内的渗流运动状态. 渗透水为 不可压缩流体，且不考虑泥岩颗粒膨胀的基础上， 在渗透压差和渗流速度达到稳定时，测试得到裂 隙泥岩渗透压差和渗流速度基本呈线性关系（图 3）； 由此认为流体在裂隙泥岩中的渗流规律可视为低 渗流速度的层流运动，渗透率可基于达西定律计算： K = µLV A∆p∆t （1） ∆t µ ∆t ∆p 式中：K 为岩样的渗透率，m 2 ；V 为 时间渗流流体 流入体积，m 3 ； 为水的动力黏滞系数，20 ℃ 时为 1×10−3 Pa·s；L 为岩石的高度，m； 为时间，s；A 为 岩样的横截面面积，m 2 ； 岩样两端渗透压差，Pa. 2    裂隙泥岩渗透性演化规律试验 2.1    围压递增条件下渗透性测试 首先对裂隙泥岩开展了围压递增条件下渗透 性测试（图 4）；该阶段 R1 和 R2 岩样的初始渗透率 分别为 4.19×10−19 m 2 和 2.37×10−17 m 2 （围压 3.8 MPa、 渗透压力 3.5 MPa）. 裂隙是流体流动的主要通道， 围压增加导致裂隙宽度降低，逐渐压密闭合，引起 渗透率明显减小；渗透率随围压增加呈指数关系 降低（图 5）. 加载初期，裂隙宽度减小速率较大， 渗透率显著降低；随着围压增加，渗透率降低速率 逐渐减小并趋于稳定. 围压增加至 6.3 MPa 时，R1 和 R2 岩样渗透率降低率分别达 23% 和 38%. R1 和 R2 岩样的平均渗透率降低速率为 0.19×10−19 m 2 / 张    玉等： 复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究 · 905 ·

906 工程科学学报，第43卷，第7期 2.0 1.4 (a) (b) 16 1.2 1.0 eronhtoleh 1.2 - 0.8 0.6 0.4 0.4 .…… ... O Flow velocity △Flow velocity 0.2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Liquid pressure difference/MPa Liquid pressure difference/MPa 图3渗流速度与渗透压差的关系.(a)R1岩样：(b)R2岩样 Fig.3 Relationship between liquid velocity and liquid pressure difference:(a)RI sample;(b)R2 sample 6.5 Liquid pressure:3.5 MPa 63 透率产生2个数量级的变化，R2岩样裂隙发育较 6.0 5.8 多，围压递增，渗透率下降速率较大，应力敏感性 亦高于R1岩样；且两个岩样的渗透率比随围压递 5.5 5.3 增均呈负指数函数关系. 5.0 48 2.2渗透压力递增条件下渗透性测试 4.5 43 对裂隙泥岩开展渗透压力递增条件下渗透性 测试（图7）.该阶段R1和R2岩样的初始渗透率分 4.0 3.8 别为3.24×10-9m2和1.46×1017m2(渗透压力3.5MPa, 3.5 2 3 4 围压6.3MPa).渗透压力增大，引起裂隙扩展和贯 Loading level 通，渗流通道逐渐增加，渗透率增大；渗透率随渗 图4围压递增渗透性测试方案 透压力的增长呈指数关系增长（图8）.渗透压力增 Fig.4 Schematic of permeability test with increasing confining pressure 长初期，渗透率增长速率略小：随着渗透压力持续 0.5MPa和0.18×10-7m2/0.5MPa 增长，渗透率增长速率增大.渗透压力增加至5.5MPa 将渗透率与初始渗透率的比值定义为渗透率 时，R1和R2岩样渗透增长率分别达30%和74%. 比，其演化规律可反映裂隙发育程度对渗透性的 R1和R2岩样的平均渗透增长速率分别为0.24× 影响（图6）.R1岩样由于劈裂荷载小于R2岩样， 10-9m2/0.5MPa和0.27×107m2/0.5MPa 裂隙发育较少，故渗透率明显低于R2岩样；R1岩 R2岩样裂隙发育丰富，渗透压力递增导致渗透 样渗透率数量级为10-9m2,R2岩样渗透率数量级 率增加速率高于R1岩样：渗透率比随渗透压力递增 为10~”m2,25%的劈裂荷载差值引起裂隙泥岩渗 呈指数函数增加（图9）.有效应力为围压和渗透压力 4.5 2.6 (a) O Test data b)、 △Test data -----.Fitting curve 、△ ---Fitting curve 4.2 图22 y=5.9431e0.094 1=4.8022e-t.19m R=0.9584 R2-=0.9434 C △ 3.6 .A 33 3.0 1.0 6 4 5 6 Confining pressure/MPa Confining pressure/MPa 图5围压递增条件下渗透率演化（图中R为拟合曲线的相关系数）.(a)R1岩样：(b)R2岩样 Fig.5 Permeability evolution with increasing confining pressure(R in the figure is the correlation coefficient of fitting curve):(a)RI sample(b)R2 sample

0.5 MPa 和 0.18×10−17 m 2 /0.5 MPa. 将渗透率与初始渗透率的比值定义为渗透率 比，其演化规律可反映裂隙发育程度对渗透性的 影响（图 6）. R1 岩样由于劈裂荷载小于 R2 岩样， 裂隙发育较少，故渗透率明显低于 R2 岩样；R1 岩 样渗透率数量级为 10−19 m 2 ，R2 岩样渗透率数量级 为 10−17 m 2 ，25% 的劈裂荷载差值引起裂隙泥岩渗 透率产生 2 个数量级的变化. R2 岩样裂隙发育较 多，围压递增，渗透率下降速率较大，应力敏感性 亦高于 R1 岩样；且两个岩样的渗透率比随围压递 增均呈负指数函数关系. 2.2    渗透压力递增条件下渗透性测试 对裂隙泥岩开展渗透压力递增条件下渗透性 测试（图 7）. 该阶段 R1 和 R2 岩样的初始渗透率分 别为3.24×10−19m 2 和1.46×10−17m 2 （渗透压力3.5 MPa， 围压 6.3 MPa）. 渗透压力增大，引起裂隙扩展和贯 通，渗流通道逐渐增加，渗透率增大；渗透率随渗 透压力的增长呈指数关系增长（图 8）. 渗透压力增 长初期，渗透率增长速率略小；随着渗透压力持续 增长，渗透率增长速率增大. 渗透压力增加至 5.5 MPa 时，R1 和 R2 岩样渗透增长率分别达 30% 和 74%. R1 和 R2 岩样的平均渗透增长速率分别为 0.24× 10−19 m 2 /0.5 MPa 和 0.27×10−17 m 2 /0.5 MPa. R2 岩样裂隙发育丰富，渗透压力递增导致渗透 率增加速率高于 R1 岩样；渗透率比随渗透压力递增 呈指数函数增加（图 9）. 有效应力为围压和渗透压力 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Flow velocity/(10−8 cm·s−1 ) Liquid pressure difference/MPa Flow velocity (a) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Flow velocity/(10−6 cm·s−1 ) Liquid pressure difference/MPa Flow velocity (b) 图 3    渗流速度与渗透压差的关系. （a）R1 岩样；（b）R2 岩样 Fig.3    Relationship between liquid velocity and liquid pressure difference: (a) R1 sample; (b) R2 sample 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 0 1 2 3 4 5 6 Confining pressure/MPa Loading level 3.8 4.3 4.8 5.3 6.3 Liquid pressure: 3.5 MPa 5.8 图 4    围压递增渗透性测试方案 Fig.4    Schematic of permeability test with increasing confining pressure y=5.9431e−0.094x R 2=0.9584 3.0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 3 4 5 6 7 Permeability/(10−19 m2 ) Confining pressure/MPa Test data Fitting curve (a) y=4.8022e−0.197x R 2=0.9434 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3 4 5 6 7 Permeability/(10−17 m2 ) Confining pressure/MPa Test data Fitting curve (b) 图 5    围压递增条件下渗透率演化（图中 R 为拟合曲线的相关系数）. （a）R1 岩样；（b）R2 岩样 Fig.5    Permeability evolution with increasing confining pressure（R in the figure is the correlation coefficient of fitting curve）: (a) R1 sample; (b) R2 sample · 906 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期