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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 298-307页

作者：卢义玉赵贵林汤积仁贾云中陈罗成其刘彦麟重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

在页岩气开采过程中,储层中的剪切裂缝作为重要的渗流通道,受页岩层理方向的影响,表现出不同的导流特性。为揭示层理对页岩剪切裂缝导流特性的具体影响,选取中国重庆涪陵地区龙马溪组页岩,制作平行层理与垂直层理2个方向的剪切裂缝,采... 详细信息

在页岩气开采过程中,储层中的剪切裂缝作为重要的渗流通道,受页岩层理方向的影响,表现出不同的导流特性。为揭示层理对页岩剪切裂缝导流特性的具体影响,选取中国重庆涪陵地区龙马溪组页岩,制作平行层理与垂直层理2个方向的剪切裂缝,采用三维形貌扫描仪对裂缝表面进行表征,分析裂缝初始形貌与机械开度,采用煤岩三轴流变实验系统开展不同有效应力下的气体导流实验,分析裂缝导流特性。研究结果表明:垂直剪切裂缝表面具有较大的粗糙度、较大的开度分布标准差、较多的小开度裂缝(<200μm)等特征;在有效应力较低时(<8 MPa),垂直剪切裂缝的等效水力开度(17~100μm)高于平行剪切裂缝(22~66μm),此时垂直剪切的导流能力更强,随着有效应力的增加,平行剪切裂缝具有更强的导流能力;相较于平行剪切裂缝的临界雷诺数(4.2~8.5),垂直剪切裂缝的临界雷诺数(3.1~15.6)整体较大,在相同条件下更不易发生非线性流动,对裂缝的气体流态分析也表明垂直剪切裂缝中同时存在层流、过渡流和紊流,而平行剪切裂缝中只存在过渡流和紊流。

关键词：岩石力学页岩层理剪切裂缝裂缝开度导流能力气体流态

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超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构演化时间效应规律

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天然气工业 2024年第7期44卷 97-108页

作者：葛兆龙张翔宇刘浩侯昱东符文宇贾云中煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室·重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室·重庆大学重庆朝阳气体有限公司

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精... 详细信息

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精度，通过对重庆市南桐矿区无烟煤进行超临界CO2吸附实验、低温氮气吸附实验、X射线衍射测试、核磁共振测试、扫描电镜测试等实验，研究了不同超临界CO2作用时间对该区域内煤样孔隙结构的演化规律。研究结果表明：（1）超临界CO2作用后煤样孔隙度的变化主要发生在7 d内，处理7 d后煤样孔隙度增加了3.20%,7～14 d内煤样孔隙度仅增加了0.05%；（2）随作用时间增加，煤样孔隙的比表面积增加但变化量逐渐减小，7 d内日均增长19.74%～24.50%,7～14 d内日均增长2.37%～4.60%，其变化规律近似呈对数函数关系；（3）超临界CO2与煤产生的化学反应引起矿物质的溶解，增大了煤体的表面粗糙度，表征煤样粗糙度的分形维数随着作用时间的增加持续增大；（4）超临界CO2作用后能有效改变煤样的孔隙度及表面形貌，为CO2吸附提供了更多吸附点位，超临界CO2对孔隙结构的改造效果在7 d内比较明显。结论认为，超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构的变化随作用时间增加最终会趋于稳定，研究结果可为无烟煤储层CO2地质封存潜力评价提供理论指导。

关键词：无烟煤超临界CO2 孔隙结构作用时间 CO2地质封存核磁共振分形维数

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不同初始储层压力下CO_(2)驱替CH_(4)试验研究

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煤田地质与勘探 2025年第4期53卷 94-105页

作者：许江蒋石宇彭守建王忠晖陈嘉璇牛慧婷重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

【目的】为揭示注二氧化碳强化煤层气开采(CO_(2)-ECBM)过程中的储层参数演化规律及初始储层压力对煤层气注气开采效果的影响。【方法】利用多场耦合煤层注气增产物理模拟试验系统,开展了恒定注气压力2.0 MPa和初始储层压力分别为1.5、... 详细信息

【目的】为揭示注二氧化碳强化煤层气开采(CO_(2)-ECBM)过程中的储层参数演化规律及初始储层压力对煤层气注气开采效果的影响。【方法】利用多场耦合煤层注气增产物理模拟试验系统,开展了恒定注气压力2.0 MPa和初始储层压力分别为1.5、1.0和0.5 MPa的注CO_(2)驱替CH_(4)试验研究,探讨了CO_(2)驱替CH_(4)过程中储层压力、温度和体积应变等多物理场参数的时空演化规律及其驱替效果,并在分析其作用机制的基础上对CO_(2)驱替CH_(4)过程进行了阶段划分。【结果和结论】结果表明:(1)在驱替过程中,注气井储层压力高于生产井储层压力,且压差随初始储层压力增大而增大,最大值为0.34 MPa,而储层平衡压力随初始储层压力增大而减小。(2)储层温度在距离注气井越近的位置越早上升,且初始储层压力越小温度上升速率越大,储层平衡温度随初始储层压力增大而减小。(3)储层体积应变演化可划分为缓慢上升、急速上升、趋于平缓3个阶段,储层体积应变随初始储层压力增大而减小。(4)在驱替过程中,初始储层压力从0.5 MPa依次增至1.0、1.5 MPa时,CH_(4)采收率由91.00%依次降至88.48%、86.81%,随初始储层压力增大呈现减小趋势,与之相反,CO_(2)突破时间和CO_(2)封存效率随初始储层压力增大而增大。驱替过程各阶段作用机制不同,阶段1 (CO_(2)未突破阶段)和阶段2 (CO_(2)突破阶段)的CH_(4)累积体积、CO_(2)封存体积随着初始储层压力的增加而增加,均占整个驱替过程中CH_(4)累积体积、CO_(2)封存体积的80%以上。研究成果为构建煤层气高效开采协同CO_(2)地质封存一体化技术提供理论依据。

关键词： CO_(2)-ECBM 初始储层压力储层参数演化驱替效果多场耦合真三轴应力状态

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可视化三轴渗流-应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

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岩石力学与工程学报 2023年第S01期42卷 3281-3292页

作者：陈奕安许江彭守建曹琦饶豪魁重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流-应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流-应力耦合试验。... 详细信息

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流-应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流-应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流-应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流-应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。

关键词：岩石力学力学试验渗透压差渗流状态径向应变场破坏模式

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三轴应力条件下凝灰岩广义应力松弛流变模型的构建

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采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1264-1272页

作者：许江饶豪魁彭守建陈奕安陈灿灿马天宇重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

岩石的长期稳定性是影响岩土工程设计和施工的重要因素。在由弹性元件和Abel黏壶元件串联组合得到Abel黏壶蠕变模型的基础上,进一步提出适用于描述流变各个方向应变随时间演化的流变模型——广义Abel黏壶模型。根据不同围压条件下凝灰... 详细信息

岩石的长期稳定性是影响岩土工程设计和施工的重要因素。在由弹性元件和Abel黏壶元件串联组合得到Abel黏壶蠕变模型的基础上,进一步提出适用于描述流变各个方向应变随时间演化的流变模型——广义Abel黏壶模型。根据不同围压条件下凝灰岩广义应力松弛特性试验结果,对凝灰岩流变特性进行分析计算,并将适用于蠕变方向的广义Abel黏壶模型与Kelvin蠕变模型进行对比。结果表明:构建的广义Abel黏壶模型能很好地描述凝灰岩广义应力松弛流变减速阶段和稳定阶段中的应变变化规律,对凝灰岩广义应力松弛特性的分析具有更好的拟合优度。

关键词：岩石力学广义应力松弛特性流变模型 Abel黏壶

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排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

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煤炭科学技术 2023年第9期51卷 189-201页

作者：许江曹琦彭守建陈奕安张倩文饶豪魁重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征,利用可视化三轴伺服控制试验系统,结合三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC),开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验,对岩石力学、... 详细信息

为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征,利用可视化三轴伺服控制试验系统,结合三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC),开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验,对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析,并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明:排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值,且随着渗透水压增大,砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大,出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前;当渗透水压相同时,不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽,即岩石的宏观裂纹更明显,排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走,形成孔洞,其破裂面的表面比不排水条件下更光滑,而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着;所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点,平均提高了1.23%,变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大,即启动的时间点更提前,排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水条件下的值,平均分别提高了1.85%和2.21%,渗透水压相同时,不排水条件下启动应力及应力水平受水压的影响比排水条件更明显。

关键词：三维数字图像相关法排水条件渗流–应力耦合变形局部化电镜扫描

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基于分形理论的煤岩裂隙网络渗透率模型

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 107-115页

作者：夏彬伟廖传斌罗亚飞冀凯楠重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力... 详细信息

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力,构建包含复杂弯曲裂隙特征的分形渗透率模型,将分形渗透率模型与S&D(Shi-Durucan)模型相结合,建立真三轴应力作用下的裂隙煤渗透率模型。开展真三轴应力条件下的气体渗流实验,将构建的渗透率模型与试验结果及S&D模型拟合数据对比,该渗透率模型与实验结果具有良好的一致性,能够体现出三向应力加载条件下应力对渗透率变化的影响趋势,与S&D模型相比更能反映煤岩渗透率的各向异性特征。基于该渗透率模型,定量分析了煤岩裂隙结构参数对其渗透率的影响。结果表明,煤岩渗透率与孔隙率φ(0.05~0.41)、分形维数D_(f)(2.37~2.81)、最大裂隙长度l_(max)(3.5~8.0 cm)、比例系数β(0.010~0.065)呈正幂律关系;与迂曲度分形维数D_(Tf)(2.005~2.275),裂隙倾角θ(10°~80°)呈负幂律关系。研究成果对准确预测煤岩储层渗透率,揭示煤储层中煤层气的流动机理具有重要作用。

关键词：煤层气渗透率迂曲度分形维数真三轴应力

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地面井分层卸压的煤系气合采原理及方式探讨

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煤田地质与勘探 2024年第2期52卷 171-179页

作者：李瑞金丽红夏彬伟葛兆龙重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

为了进一步认识制约煤系气合采的因素,提高煤系合层排采各产层的产气贡献,分别从动力、通道和气源条件出发,分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力,满足多层合采动力条件的原理,提... 详细信息

为了进一步认识制约煤系气合采的因素,提高煤系合层排采各产层的产气贡献,分别从动力、通道和气源条件出发,分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力,满足多层合采动力条件的原理,提出了地面井分层卸压的煤系气合采方式。该方式通过在地面进行定向钻井,在目标储层中进行高压水射流作业,人工创造卸压空间(缝、槽、穴等),改变地应力状态,降低有效应力伤害,增加储层导流通道的数量和开度,提高目标储层压降传递速率。待储层压力降至符合煤系气合采动力条件时进行合层排采,从而提高煤系合采各产气层的产气贡献。相较于常规增产改造措施,此方式能够减少煤系气储层在有效应力作用下的储层伤害,且有助于提高储层压降传递效率,增强煤系气的解吸和扩散,降低多层煤系气合采过程中的层间干扰。在以上研究基础上,认为地面井分层卸压的合采方式主要适用于储层地应力大、产层间距小的煤系气储层,且有望在薄互层煤系气储层增产改造及层间干扰严重的叠合共生煤系储层开发领域进行应用推广。

关键词：煤系气分层卸压多层合采高压水射流地应力有效应力

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基于实时核磁共振的煤岩气驱水流动特性试验研究

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采矿与安全工程学报 2023年第1期40卷 194-203页

作者：葛兆龙王浩明周哲卢义玉高飞飞重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤层气瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

煤层气排采过程中,气水两相流阶段极易产生储层伤害,正确认识气水产出机理对高效开发煤层气具有重要意义。本文利用核磁共振技术,基于CPMG回波序列法,实时测试煤岩不同围压条件下饱水及氮气驱水过程中的横向弛豫时间,结合分形理论分析... 详细信息

煤层气排采过程中,气水两相流阶段极易产生储层伤害,正确认识气水产出机理对高效开发煤层气具有重要意义。本文利用核磁共振技术,基于CPMG回波序列法,实时测试煤岩不同围压条件下饱水及氮气驱水过程中的横向弛豫时间,结合分形理论分析煤岩气驱水过程中围压及驱替压力对气水运移路径的影响,研究煤岩气液两相微观流动特征。结果表明:在饱水条件下,随着围压的增加,煤基质在围压与孔隙水压的共同作用下发生摩擦挤压作用,导致大孔明显减少,而微孔及中孔增加;气驱水过程中,气体会优先占据大孔中央,高围压会对煤岩产生不可逆的损伤,含水饱和度的降低主要发生在运移孔中,残余水主要分布在煤岩狭小喉道和孔隙盲端及被狭小喉道连通的大孔中。该研究对加深煤层气水产出机理的认识及煤层气开发排采技术选择具有重要意义。

关键词：实时核磁共振气驱水围压微观渗流

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基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

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岩土力学 2022年第5期43卷 1197-1206页

作者：彭守建张倩文许江陈奕安陈灿灿曹琦饶豪魁重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC)技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究... 详细信息

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC)技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明:(1)在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;(2)随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;(3)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;(4)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。

关键词：砂岩渗透水压渗流-应力耦合变形局部化三维数字图像相关技术

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