岩层渗透系数在构造作用下的变化及其对流体运移影响的数值模拟.ppt

1、岩层渗透系数在构造应力下的变化及其对流体运移影响的实验模拟,2012.5,汇报人：霍庆龙,提纲,一,二,三,四,实验的目的及意义,基本理论,研究背景及问题的提出,实验模拟方案,五,考虑的问题,一、实验的目的及意义,地壳中固体和流体之间尽管存在着相互作用, 但由于它们遵循着不同的运动学及动力学规律, 因而又各自自成体系。那么, 这二者在力学机理上以怎样的方式联系起来? 分析这种固- 液相互作用, 以流体作为研究对象, 按照渗流力学原理, 影响流体运移的主要因素可以概括为流体的运移通道( 孔隙和裂隙) 、流体的边界和初始特征以及流体自身的物理状态( 密度、粘度等) 3 个方面。,固相的空间变化直接

2、影响岩层的渗透性能, 改变流体的运移通道。因此选择岩层渗透系数受应力影响而变化及其对流体运移控制作用问题作为研究对象,特别考虑构造附加静水应力状态, 提出应力对岩层渗透系数及其对流体运移影响的数值模拟研究。,二、研究背景及问题的提出,流体在地壳中作用的研究成为国际地质学界的一个新的跨学科的前沿领域（国家自然基金委员会，1991，贾跃明，1993）。Fyfe等（1987）第一部较全面论述流体在地壳中作用的专著，从区域变质作用有关的化学反应和岩石变形两个角度探讨了流体作用的一些细节，但却没注意到这两过程之间的联系。,为了研究流体在岩石变形和化学反应关联性方面的作用，首先要解决的是理论-构造变形应力

3、怎样影响压力和温度的问题。“构造附加静水压力”（吕古贤，1982，1987,1995）概念和构造作用力影响静水压力问题研究对这一问题做了初步的然而是创新性的工作。,流体问题中“生、运、藏”三个中心环节中与“运”有关的两个关键问题是驱动力源和运移通道。附加构造动力学参量可以部分解释流体水平长距离的驱动力源。而岩层的渗透率则直接影响流体运移的通道（孙雄等，1998）。,三、基本理论,渗透系数是反映流体在多孔介质中渗透性能的一个物理指标, 它主要反映流体的运移通道特征, 按达西定律: V = - K J 。V 是流体通过多孔介质某一断面时的渗透速度; J 是水力坡度; K 是介质的渗透系数, 在数值

4、上等于水力坡度为1 的渗透速度, 它具有速度的量纲。影响渗透系数的主要因素是具有连通性质的空隙( 包括孔隙和裂隙) 的多少、大小及流体的物理性质( 容重、粘滞性等) 。Nutting( 1930) 给出了渗透系数K 的表达式：,K = v/ = g/ 式中: 介质的渗透率, 它和多孔介质结构有关; v流体的容重; 流体的动力粘滞系数; 流体的密度; g重力加速度。,多孔介质的空隙与介质沉积环境及受力情况有密切关系。因而, 岩层受力后通过直接改变岩层的空隙大小而影响岩层的渗透性能。 渗透系数K 和孔隙度n 的关系, 前人作过不少的研究, Garman( 1938, 1956) 根据模型 研究得到

5、如下关系式:,K = K0 n/n03 (1- n0)/(1-n) 2 法国A. Rivera 等人( 1990) 在研究墨西哥城地面沉降问题时, 根据大量的测试结果, 得出了渗透系数和孔隙率之间的经验公式, 即: K = K0 n( 1- n0)/ n0( 1- n) m 上两式中: n 岩层的孔隙率; n0 岩层的初始孔隙率; K 对应于n 时的岩层渗透系数; K0 对应于n0 时的渗透系数; m 经验指数, 一般取m= 3。,对于特定沉积环境下形成的介质, 孔隙率n 是应力状态的函数, 也就是说, 应力的作用使介质的空隙度发生变化。从物理过程看, 空隙随应力的变化可以分成两个阶段: 一是

6、垂向压实固结和构造应力侧向挤压( 未破碎) 阶段; 二是扩容破裂阶段。表现在地质过程中为压实固结作用和断裂作用。,这两个阶段孔隙率与应力的关系完全不同。此实验着重研究压实固结作用及构造应力对渗透系数的影响问题, 如果构造附加静水压力也作为影响渗透系数的基本量, 则从广义地说, 此实验模拟即是探讨压实作用对渗透系数的影响。,四、实验模拟方案,所建立的三个实验模型的区别是它们的应力状态不同，具体模型如下： 模型（一） 模型一设为基本模型，作为下面两个模型的参照，不考虑其应力的差别，设渗透系数各处相等，流体运移只受边界条件的控制。,模型（二） 模型二考虑垂向上的应力变化，相当于重力作用下地层从深至浅部所受的地应力状态。从浅到深划分为5个等厚度的不同应力分布区 ，来分析渗透率的变化。,五,四,三,二,一,模型（三） 该模型考虑水平方向上的应力变化, 并应力大小在横向上分成5个不等长度的不同应力分区。可以认为, 它表明由水平构造外力产生一部分构造附加应力而产生的结果。相当于一个强挤压构造带从中心向一侧的构造应力状态。,这3 组模型, 只有应力状态不一致，其余条件完全相同, 来研究流体运移特征是否相同, 这样也可以演示应力状态对岩层渗透性是否具有显著影响, 进而改变流体运移方向和状态的规律。,五、考虑的问题,1.本研究模拟的压实固结作用的实验条件