第22卷第5期岩石力学与工程学报22(5)：742～746 2003年5月Chine Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2003不同围压下砂岩孔渗规律试验研究*
彭苏萍孟召平王虎马春丽潘结南
1985今年多大年龄
(中国矿业大学(北京校区)资源开发工程系北京 100083)
摘要采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力-应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力-应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明：岩石在全应力-应变过程中，渗透率的变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。砂岩的孔渗性与其所承受的有效侧压大小密切相关，表现为岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律；成岩作用不同的砂岩孔隙度和渗透率减小的速度和程度不同，表现为在侧压的作用下，成岩作用程度较弱的砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的砂岩。
关键词岩石力学，围压，砂岩，孔渗性，油气开发
分类号 O 357.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)05-0742-05
TESTING STUDY ON PORE RATIO AND PERMEABILITY OF SANDSTONE UNDER DIFFERENT CONFINING PRESSURES
Peng Suping，Meng Zhaoping，Wang Hu，Ma Chunli，Pan Jienan
(China University of Mining and Technology，Beijing 100083 China )
Abstract By using the triaxial rock mechanics experimental system，testing study is made to analy the change rule of permeability during the whole stress-strain process and the pore ratio and permeability of sandstone under different confining pressures，and the qualitative and quantitative relationship is established among stress-strain and pore ratio permeability of sandstone. It is shown that during the whole stress-strain process，the permeability reduces slightly with the increa of stress in the elastic stage，after coming the elastic and plastic stage，along with expanding and breakthrough of the induced fracture，the permeability of the rock increas slowly at first and then sharply reaches the maximum value before or after peak point，and at residual flowage stage the existent fracture is presd cloly，and the permeability begins decreasing. The pore ratio and permeability of the sandstone are cloly related to the effective confining pressure. The pore ratio and permeability decrea along with the accretion of confining pressure，and conform to the chang
e rule of logarithm function. The sandstone of different diagenesis has different speed and degree in decreasing of pore ratio and permeability. It is shown that under confining pressure the pore ratio and permeability of the sandstone with weaker diagenesis are evidently higher than tho of sandstone with stronger diagenesis at decreasing speed and degree. The results obtained from the testing study can be applied into the project of petroleum and gas exploitation，where the variation of in-situ stress affect the pore ratio and permeability of strata evidently.
Key words rock mechanics，confining pressures，sandstone，pore ratio and permeability，petroleum and gas exploitation
2001年9月29日收到初稿，2001年11月17日收到修改稿。
* 国家杰出青年基金(50025413)、国家自然科学基金(40172059，49872053)和全国优秀博士学位论文专项基金资助项目。
作者彭苏萍简介：男，44岁，博士，1982年毕业于淮南矿业学院地质系地质专业，现为中国矿业大学(北京校区)研究生院副院长，主要从事工程
地质与工程物探方面的教学和科研工作。
第22卷 第5期 彭苏萍等. 不同围压下砂岩孔渗规律试验研究 • 743 • 1 引 言
砂岩储层孔渗性的分布直接影响油气开采效
果，是油气开采评价的重要参数。渗透性的原始定
义是给定面积内液体流过孔隙介质一种的度量。渗
透是固体本身所固有的性质，渗透率k 可以直接由
达西定律(Darcy’s law)来定义：
1
天气冷的幽默句子−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂−=s h g A Q k ρμ (1)
式中：Q 为单位时间内液体通过横截面积为 A
的流量，μ 为流体的粘度，ρ为流体密度，g 为重
力加速度，∂h /∂s 为流动方向s 上的水力梯度。
灯火作文达西定律本身并没有反映出渗流与孔隙介质应
力-应变状态的关系。上世纪50年代人们才开始对
裂隙岩体的水力特征以及其中流体的流动进行定量
评价。Romm(1966)，Snow(1969)，Louis(1974)，
Wittke(1970)等人相继进行裂隙岩体水力学的试验
研究，建立了裂隙岩体渗流模型。通过试验及理论
研究，国内外已经初步得到了岩体应力与渗流之间
一些基本关系[1]。文[2]通过对花岗岩进行高压状态
下的渗透性试验得出花岗岩的渗透性随着有效围
压、围压与孔隙压差的增加而减小。文[3]推导出确
定孔隙介质渗透性随围压变化的的唯象学模型，指
出岩石的广义渗透性0/)(k p k 随着广义围压0
/p p 的增加而降低。文[4]研究了孔隙压力和围压对裂隙
渗透性的影响。文[5]对殷庄砂岩在全应力-应变过
程中的渗透性进行了研究，并提出岩石的渗透性与
岩石的应力、应变有较强的函数关系等认识。但从
目前的研究状况看，对砂岩储层的研究主要还是集
中在储层特征上，对不同围压下砂岩孔渗规律的研
究还很不够，因此，在油气开发过程中对储层岩石
的孔渗性与岩石发生破裂的发展过程的认识在一定
程度上受到限制[6，7]。井壁围岩处于一定的应力状
态之中，钻井活动不可避免地造成岩体局部应力集
中和破坏，最终影响到岩石的孔渗性。在岩石全应
力-应变过程中，岩石先后经历初始孔隙压密、线弹
性变形、非线性弹塑性变形、峰值应力和应变软化
阶段[7]。对于不同阶段岩石渗透规律的认识，是油
气开发研究的重要内容。因此，本次试验对塔里木
盆地塔河油田石炭系和三叠系砂岩储层岩石进行了
三轴应力状态下的渗透试验，获得了砂岩岩石在全
应力-应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下
的渗透规律，建立砂岩储层岩石应力-应变与渗透率之间的定量关系，这些认识将有助于油藏的合理开
生命的认知采，减少地层伤害，提高最终采收率。 2 试验设备与方法 为了研究岩石渗透性与岩石力学性质关系，在室内进行岩石渗透性试验。研究的主要内容有：(1) 岩石在全应力-应变过程中渗透率的变化规律；(2) 不同围压下岩石渗透率的变化规律。岩石样品采自塔里木盆地塔河油田石炭系和三叠系砂岩储层，岩石试件为圆柱形，试验时要求密封良好，确保加压用的油不会从防护套和试件间隙渗漏，然后置于加载架上进行试验。 试验采用电液伺服试验机(MTS 815)进行。该 系统为当今世界上最先进的室内岩石力学性质试验设备，它具有单轴压缩、三轴压缩、孔隙水压试验、水渗透试验等功能，并且是目前国内独一无二具有液体渗透试验功能、计算机控制、自动数据采集的电液伺服设备。水渗透试验原理如图1所示。 图1 水渗透试验原理图 Fig.1 The principle of water permeability test 图中，2P 为围压，1P 为轴向压力，3P 为试件上端水压，4P 为试件下端水压，P Δ为两端压差(43ΔP P P −=)。在试件的上下二端各有一块透水 板，透水板是具有许多均匀分布的小孔的钢板。其作用是使水压均匀地作用于整个试件端面。在上透水板的上部为上压头，下透水板的下部为下压头。其中心各开有一竖向小孔，这是水流动的通道。本试验测定渗透率采用瞬态法。其基本原理是：先施加一定的轴压1P 、围压2P 和孔压3P (始终保持3P ＜2P )，然后降低岩石试件下端的孔压值P 4，在试件两端形成渗透压差43ΔP P P −=，从而引起水体通过试件渗流。渗流过程中，P Δ不断减少，其减少的速率，与岩石种类、岩石结构、试件长度、试件截面
ΔP =P 3—P 4
• 744 • 岩石力学与工程学报 2003年 尺寸、流体粘度与密度以及应力状态和应力水平等
质检员工作总结因素有关。考虑到采用水渗透如密封不好易导致油
水混合而难于清理，故渗透试验流体介质采用油，
因渗透率与流体介质无关，故不影响渗透的实质。
根据试验过程中计算机自动采集的数据，可按下式
计算岩石渗透率的值：
∑=−−×=A
I I P I P A K 16)](Δ/)1(Δlg[1052651 (2) 式中：A 为数据采集行数，)1(Δ−I P 为第(I －1)行渗透压差值，)(ΔI P 为第I 行渗透压差值。 在一定的1P ，2P ，3P 和4P 下的渗透性试验完成后，可以调整、改变上述参数开始下一轮的渗透性试验。先固定2P ，3P 和4P 不变，在伺服机的载荷控制方式下，使轴压1P 从岩样处于弹性段的低应力开始，逐步提高至与弹性段相对应的应力。当应力接近峰值时，载荷控制方式极易导致岩石突然破坏而无法进行峰后区的试验。因此，峰后区无法用载荷控制方式进行
试验。所以，当应力接近峰值及处于峰后区时，应该自动转换为冲程控制方式。在冲程控制方式下，能够方便地进行峰值应力以及峰后区的渗透试验。总之，全应力-应变过程的岩样的渗透特性试验可以通过计算机程序控制，从而使该试验能在同一试件上，以不间断的、一气呵成的方式
自动完成。 不同围压下岩石孔隙度的变化规律是在美国Core Lab 生产的孔隙度仪上进行，通过给定不同围 压来测定岩芯孔隙度的变化。 3 砂岩全应力-应变过程的渗透规律 本次试验所选岩样为石炭系的细砂岩和中砂
岩，在围压4.0 MPa ，孔隙压3.8 MPa 条件下，进行
砂岩全应力-应变过程的渗透规律研究。试验结果表
明，对于中、细砂岩，在达到岩石峰值强度之前的
弹性阶段，渗透率随应力的增大而略有降低(原生裂
隙闭合阶段)或渗透率变化不大(原生裂隙不发育)。
进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩
石渗透率先是缓慢增加然后急剧增大。岩石渗透率
峰值滞后于岩石强度峰值，岩石渗透率峰值基本发
生在岩石破坏后的应变软化阶段，说明岩石在弹性
阶段原生微裂隙较少，故这一阶段渗透率变化不大。
在弹塑性阶段，岩石发生剪胀变形破坏，裂隙开始
贯通；至峰后阶段，随着应变增加，由于岩石颗粒
较粗，裂隙进一步产生，但尚未被压密，因而渗透
率仍有增加的趋势；在残余流动阶段，原有裂隙开
始压密闭合，渗透率则开始降低，如图2
所示。
图2 岩石全应力-应变渗透曲线
Fig.2 The whole stress-strain and permeability curves of rock
在油气开发过程中，井壁围岩的应力分布较好
地再现了岩石应力-应变的全过程，从井壁向围岩深
处，由破坏区向塑性区和弹性区变化。井壁围岩的
应力-应变状态对地层的渗透性质产生比较大的影
响。
4 不同围压下储层岩石的孔渗性
试验样品为石炭系和三叠系中粗粒砂岩，在围
压为5～55 MPa 条件下分别进行砂岩孔隙度变化规
律研究。
试验表明(图3和4)，碎屑岩储层的孔渗性与其
所承受的有效侧压大小密切相关。表现为岩石的孔
隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数
函数变化规律，即岩石的孔隙度和渗透率与围压的
关系为
b x a y +−=)(ln (3)
式中：y 为岩石的孔隙度或渗透率，孔隙度单位
为%，渗透率单位为10－3μm 2；x 为侧向应力，单位
为MPa ；a 和b 分别为待定常数。
在围压作用下，不同时代的储层孔隙度与渗透
率减小的和速度和程度不同。分析表明，在围压作
用下，三叠系砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速
度和程度明显地高于石炭系砂岩储层，其关系式如
表1所示。
在围压作用下，渗透率急剧下降，裂缝逐渐趋
于闭合。这可解释该裂缝性油藏开采不久，随地层
(a) 三叠系下油组砂岩储层
(b) 石炭系IV 油组砂岩储层
图3 侧向应力与孔隙度关系曲线
Fig.3 Relationship between confining pressure and pore ratio (a) 三叠系下油组砂岩储层 (b) 石炭系IV 油组砂岩储层 图4 侧向应力与渗透率关系曲线 Fig.4 Relationship between confining pressure and permeability 表1 不同时代的砂岩孔隙度和渗透率与侧向压力关系 对比表 Table 1 Relationship among pore ratio ，permeability and confining pressure for the sandstone of different periods 砂岩储层孔隙度/% 空气渗透率/10－3μm 2 三叠系 23.695)(ln 0.628 +−=x y 相关系数994.0=R 620.319)(ln 117.16+−=x y 相关系数997.0=R 石炭系 947.17)(ln 530.0 +−=x y 相关系数996.0=R 947.17)(ln 530.0 +−=x y 相关系数996.0=R 压力下降产量快速递减的原因；另一方面，从试验中还可以发现，在地层应力的作用下，裂缝趋于闭合，致使地层压力下降。这就是为什么有些裂缝性油藏地层在取芯观测时，其裂缝发育，但产油不理想的原因。因此，地层压力的下降对低渗透和裂缝性油藏的渗透率有较大的影响。 在油气开发过程中地应力的改变，特别是地层压力的变化对地层渗透性有较大的影响。在油藏开发早期，地层压力下降，相当于增加了地层的有效应力，当下降到一定程度，地层岩石将发生塑性变形。在注水恢复地层压力时，由于塑性变形的存在，相应表征孔隙特征的孔隙度和渗透率都产生了一些
不可恢复的伤害，影响最终采收率，对于胶结比较疏松的油藏甚至会造成出砂问题。
5 结论
通过上述力学模型计算分析得如下结论：
可以赚钱的(1) 岩石在全应力-应变过程中渗透率变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低(原生微裂隙闭和阶段)或渗透率变化不大(原生微裂隙不发育)；进入弹塑性阶段后，随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值；残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。在油气开发过程中井壁围岩的应力分布较好地再现了岩石全应力-应变过程，从井壁向围岩深处，由破坏区向塑性区和弹性区变化，井壁围岩的应力-应变状态对井壁围岩稳定性和地层的渗透性产生较大的影响。
(2) 砂岩储层的孔渗性与其所承受的有效围压大小密切相关。表现为岩石的孔隙度和渗透率均随围压的增大而减小，且服从对数函数变化规律。不同时代的成岩作用程度不同的砂岩储层孔隙度与渗透率减小的速度和程度不同，表现为，在围压的作用下，成岩作用程度较弱的三叠系砂岩储层的孔隙度与渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的石炭系砂岩储层。
(3) 在油气开发过程中地应力的改变，特别是地层压力的变化对地层的渗透性有较大的影响。在油藏开发早期，地层压力下降，相当于增加了地层的有效应力。当下降到一定程度，地层岩石将发生塑性变形。在注水恢复地层压力时，由于塑性变形的存在，相应表征孔隙特征的孔隙度和渗透率都产生了一些不可恢复的伤害，影响最终采收率，对于胶结比较疏松的油藏甚至会造成出砂问题。
参考文献
1 张金才，张玉卓，刘天泉. 节岩体渗流与煤层底板突水[M]. 北京：
地质出版社，1997
2 Brace W F，Walsh J B，Frangos W T. Permeability of granite under
放飞风筝
high pressure[J]. J. Geophys. Of Res.，1978，73(6)：2 225～2 236
3 Gangi A F. Variation of whole and fractured porous rock permeability
with confining pressure[J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech.
Abstr.，1978，15(5)：249～257
4 Walsh J B. Effect of pore pressure and confining pressure on fracture
permeability[J]. Int J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.，1981，18(5)： 429～435
5 Li S P，Li Y S，Wu Z Y. Permeability-strain equations corresponding to
the complete stress-strain path of Yinzhuang sandstone[J]. Int J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.，1994，31(4)：383～391
6 潘别桐，吴旭君. 工程岩体渗透性研究现状和趋向[J]. 地质科技情
报，1988，7(2)：61～67
7 彭苏萍，屈洪亮. 沉积岩石全应力-应变过程的渗透试验研究[J]. 煤
炭学报，2000，25(2)：113～116
下期《岩石力学与工程学报》为“在日中国学者论文专辑”，集中发表在日工作和学习的中国学者的论文，其主要内容为：
(1) 沉积软岩的各向异性和蠕变特性研究；
(2) 花岗岩、低渗透岩石与粒状材料的实验研究；
(3)DDA、流形元和其他数值方法的理论研究与工程应用；
(4) 基于GIS平台的滑坡、开采沉陷与其他工程应用研究；
(5) 二氧化化碳在地层中的流动与地中隔离技术；
发展英语(6) 微动勘探技术与掘进机械破碎岩片的研究。
下期内容预告
