有效应力和温度对来自二氧化碳流的地热储层的砂岩渗透率的影响
摘要
岩石复杂多变，因此应考虑有效应力和温度对渗透性的不均匀性的影响。在此研究中，通过 Hooke模型（TPHM）了解有效应力和温度对渗透率的影响，它基于耦合热流体力学试验岩石的软、硬层(两部分)。在一个固定的温度等级(25℃、35℃、50℃、65℃、80℃、90℃和95℃)，通过传统的三轴系统进行实验，围压保持在50 MPa，孔隙按步骤逐步增加到规定的水平，即8MPa、18MPa、28Mpa、38MPa、41MPa、44MPa、46MPa、48MPa。在初步测试结果的基础上提出两者渗透性具有温度依赖关系。以温度和软质渗透率关系为基础，在低有效应力水平下（2-9MPa），得到65 -90℃的温度是CO2 -柱状地热(CPG)储集层砂岩的发育阈值。此外，还讨论了温度对岩石两部分的影响。结果表明, 在一个固定有效应力水平上,当温度从25℃增加到65℃时，硬质的流动通道对温度的响应比软质更强，这是与之相反的有效应力的情况。考虑到天然岩石的非均匀性和孔隙结构，建议对热裂解阈值之前两部分对温度有不同反应的现象进行物理解释。
1引言
岩石渗透性，取决于有效应力和温度，并且在各种工程应用中起着至关重要的作用，诸如石油开采、核废料处置、天然气勘探，二氧化碳(CO2)地质封存和地热勘探(Ran and Li,1997；He and Yang,2005;周等人,2016)。现在，在深层盐碱含水层中将二氧化碳封存与地热能捕获，称为CO2地热(CPG)系统，它被广泛认为是一种减少二氧化碳排放到大气的有效技术(Randolph和Saar,2011)。在低温流体(CO2)注入和高温流体(水)排放的过程中，储层砂岩的渗透性受孔隙压力和温度变化影响。这是一个对CO2封存和采热效率的重要的影响。因此，有必要探讨有效压力和温度对CPG水库砂岩的渗透率的影响。
长期以来，有效应力和温度对储集岩渗透率的影响，与许多已经报道的理论研究相关联，。例如，Ran和Li(1997)建议岩石总体积由基质体积与孔隙体积结合得到。岩石基质体积的变化完全由固体的热膨胀引起，以及渗透率、孔隙度的关系，并在KozenyeCarman方程基础上推导出有效应力和温度。此外，实验室测试结果表明在岩石发生热裂解之前，渗透率随有效应力和温度的增大而减小(He and Yang, 2005；Liu et al，2011； Zhou等人, 2016)
以前的研究已经表明，当有效应力从0增加到约为15MPa时，渗透率通常减少超过一个数量级(Thomas and Ward,1972；Jones and Owens, 1980；Kilmer et al，1987；David et al,1994)。此外，这种现象还伴随着轻微的孔隙度降低(David等，1994)。孔隙的变形对岩石流动通道具有重要的影响。然而,天然岩石是复杂多样的的，孔隙是不均匀的(Berryman,1992)。沃尔什(1980)指出，岩石孔隙可以分为两类:等维孔隙和平坦毛孔(裂缝或低纵横比孔隙)。此外,一些研究指出将封闭或者增大围压导致较大变形的微裂缝作为毛孔的一部分，(Brower和Morrow,1985;史密斯等,2009)。
为了解释在低有效应力范围内对于低渗透性岩石中渗透率的应力敏感现象，Zheng et al(2015)建立了渗透率与基于两部分的Hooke模型的有效应力（TPHM）之间的关系。TPHM是一个可以通过一种现象学的方式Liu et al.(2009)处理微型机械装置的宏观模型。TPHM将岩石分为两类:含微裂纹的软质和含一般孔隙的硬质。这两部分受到同样的压力但遵循不同的胡克定律的变化 Liu et al.(2009) Zheng et al. (2015)，它表明一般孔隙和微裂纹对渗透率有不同的贡献，以及派生的关系可以很好地解释在低有效应力范围内对于低渗透性岩石中渗透率的应力敏感现象。这进一步指出了软部在渗透率与有效应力之间关系中起着至关重要的作用，而不只是一小部分低渗性岩石。
孔隙的变形对连接温度和渗透率的变化起着桥梁作用(Zhang et al，2008)。几个尝试表明，有必要考虑非均匀孔隙在温度依赖性渗透性的关系中的作用。例如，He and Yang (2005)的测试结果表明在相同的温度水平下，渗透率比Ran和Li(1997)的公式所预测的结果要低得多，后者是基于毛细管束模型得出的。
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