页岩储层的岩石力学特性

页岩储层岩石具有基质致密,微裂隙、层理面发育,岩石性脆等非常规地质特征,其力学性质与一般的致密砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石力学性质,利用MTS多功能岩石力学实验系统对取自四川盆地某区的M组页岩开展了三轴、单轴、巴西力学实验。结果表明：页岩岩石三轴平均抗压强度为265.75 MPa,平均杨氏模量为4.59×10⁴ MPa,平均泊松比为0.25,属于中硬地层;单轴垂向取样抗压强度（151.92 MPa）是水平取样抗压强度（为69.18 MPa）的2.2倍;页岩抗张强度较低,平均为2.94 MPa。综合分析页岩储层脆性指数后认为,M组页岩属于脆性岩石,储层脆性指数均超过50,有利于对页岩储层进行大型水力压裂;压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式,压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。     

超临界二氧化碳对致密砂岩力学特性影响的实验研究

超临界二氧化碳压裂改造有利于提高单井产量,但超临界二氧化碳对岩石力学特性的影响规律亟待室内实验分析。利用高温高压岩石三轴仪对致密砂岩开展超临界二氧化碳作用下岩石力学特性测试实验,研究超临界二氧化碳、水等饱和流体作用效果及超临界二氧化碳作用下不同温度、围压和孔压对致密砂岩弹性模量、抗压强度、泊松比和脆性指数的影响规律。实验结果表明:相比无孔隙流体和饱和水,饱和超临界二氧化碳时砂岩抗压强度和弹性模量明显降低;饱和超临界二氧化碳时,温度升高时致密砂岩岩样的抗压强度和杨氏模量增大、泊松比和脆性指数减小,围压增大时致密砂岩岩样的抗压强度和杨氏模量先减小后增大、泊松比先稍有增大后明显减小、脆性指数先稍有减小后大幅降低,孔压增大时致密砂岩岩样的抗压强度、杨氏模量和脆性指数减小、泊松比增大。本文研究结果对于超临界二氧化碳压裂施工参数设计具有一定指导意义。     

高邮凹陷阜四段页岩可压裂性分析

利用X衍射和岩石三轴定向力学技术,获取了高邮凹陷阜四段(E1f4)页岩的矿物组成、杨氏模量、泊松比及脆性系数等参数,分析了页岩的可压裂性。认为高邮凹陷E1f4页岩脆性矿物含量高(平均大于50.72%),泊松比适中(0.19~0.26),脆性指数较高(30.10%~44.71%),与中国东部泌阳凹陷核三上、东营凹陷沙三下页岩一样,具有较好的可压裂性。但页岩杨氏模量相对较低(12.9~19.4 GPa),可压裂性略差于中国南方海相龙马溪页岩和美国Barnett页岩;且页岩粘土矿物含量较高,组成以伊/蒙混层矿物为主,遇水易膨胀。综合评价E页11f页34可压裂性最好,E1f页24和E1f4次之,E1f页44最差。     

页岩气储层可压裂性评价技术

从页岩气储层岩石的脆性指数、断裂韧性、岩石力学特性3个方面,对中国页岩气储层可压裂性评价技术进行了研究。根据弹性模量与泊松比的分布范围,建立了适用于四川盆地下志留统龙马溪组页岩的脆性指数预测模型;总结了室内实验测定和利用测井数据计算页岩储层Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性的计算方法;初步建立了以弹性模量E、泊松比μ、单轴抗拉强度S_t三项岩石力学参数为自变量,可压裂指数F_rac为因变量的可压裂性评价方法;绘制了可压裂指数立体图版,据此评价页岩气储层压裂的难易程度,弹性模量值越高,泊松比和抗拉强度值越低,则F_rac值越高,反映储层越容易被压裂。根据地震测井和垂直地震剖面(VSP)等资料,结合室内实验校正,获取整个储层的岩石力学参数后,可以计算任意处的可压裂指数,建立储层可压裂性立体分布图。     

陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化特征

以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组陆相页岩储集层为研究对象，岩性分别为白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩、白云质粉砂岩和粉砂岩，通过室内力学实验，研究了陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化规律。结果表明，陆相页岩储集层不同岩性岩石力学特性存在较明显差异，白云岩、白云质粉砂岩、粉砂岩、泥质白云岩和白云质泥岩的抗压强度分别为112.09 MPa、98.20 MPa、85.98 MPa、81.28 MPa和58.30 MPa；随着围压增大，陆相页岩储集层岩石脆性减弱，延性增强；陆相页岩储集层不同岩性岩样在峰值强度处的能量大小不同，反映不同岩性岩样间存在较强的非均质性，此外，三轴压缩条件下，相同岩性岩石弹性能、耗散能和总能量都大于单轴压缩条件。     

海相与陆相页岩微观特征差异及其对可压性的影响

为确定海相与陆相页岩微观结构差异及其对可压性的影响,利用扫描电镜、核磁共振、CT扫描、岩石力学测试及水力压裂实验,结合分形几何与岩石力学理论,对四川盆地龙马溪组和鄂尔多斯盆地延长组页岩进行对比.陆相页岩黏土矿物含量高,约占45.3％,海相页岩以石英和长石等脆性矿物为主,约占67.9％.海相页岩孔隙度约为陆相页岩的2倍,...     

海/陆相页岩微观力学性质压痕测试研究

页岩微观力学性质对页岩油气储层钻井、完井、压裂改造具有关键影响。利用X射线衍射、微观结构扫描电镜及压痕测试等手段对四川盆地海相页岩和内蒙古石拐盆地陆相页岩进行研究,结果表明：海相页岩由石英、方解石、白云石及黄铁矿等自生矿物组成,微观结构较为致密,维氏硬度平均值为2.43 kN/mm²,岩石坚硬、刚度大,储层破裂压力较高;陆相页岩由石英、钠长石、高岭石和蒙脱石等外源矿物组成,黏土矿物含量高是其显著特征,粒间孔隙发育,结构相对疏松,其维氏硬度平均值为0.80 kN/mm²,储层破裂压力较低。海相页岩不同方向上压痕位移差异大,易形成辐射裂缝(纹),其脆性强,储层压裂可采取低裂缝净压力以减小裂缝后期回弹;而陆相页岩不同方向上压痕位移相似且不易形成辐射裂缝,其脆性弱,储层压裂可考虑高裂缝净压力加载,以保障压裂裂缝残余宽度。     

页岩气储层岩石力学特性及脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对开发影响极大,进行页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气钻井和压裂设计工作提供技术支撑。采用室内试验和测井分析相结合的方法,在黑色页岩力学特性研究的基础上,分析了其脆性破坏特征及影响因素,提出了一种利用岩石弹性参数和矿物组成综合评价页岩脆性的方法,并介绍了利用测井资料计算单井脆性剖面的流程。研究表明,页岩普遍具有脆性破坏的特征,破坏类型与页岩种类、取心深度、取心方位和加载条件相关,低围压下标准试样以劈裂式破坏为主,全应力应变曲线经历极短的塑性屈服阶段即发生破坏,高围压时多出现双剪式和单剪式破坏,页岩的脆性与试样的弹性参数和矿物组成关系密切。实例分析表明,脆性特征影响压裂效果,与压裂造缝能力和产气情况吻合良好。综合脆性评价既是储层岩石力学特性分析的重要内容,也是压裂选层的重要依据。      

页岩页理分形特征及在页岩油水平井体积压裂模拟中的应用

页岩储层非均质性强,导致水力压裂裂缝的扩展行为复杂、常规方法模拟难度大.压裂人工缝扩展的有效模拟和预测对页岩油藏的开发至关重要.引入分形因子理论,对页岩储层压裂人工缝的复杂度进行定量描述,建立压裂缝与弹性模量、泊松比和脆性指数等储层岩石力学参数之间的关系,在微地震监测成果的基础上,应用非结构化网格的离散裂缝技术,精细模...     

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组含油页岩岩石力学特性及可压裂性评价

页岩油储层具有油气丰度低、渗透能力差、单井无自然产能或自然产能低于工业油流下限、能量衰减快等特点，在水平井或多分支井的基础上实施高效的压裂改造是实现页岩油效益开采的关键。围绕吉木萨尔凹陷芦草沟组含油页岩储层的可压裂性评价，实验测试与理论分析相结合，研究认识了岩石的变形破坏特征、力学强度特性及其纵向分布特征；在芦草沟组页岩储层可压裂性影响因素分析的基础上，建立了可压裂性指数评价方法。结果表明：芦草沟组含油页岩的变形破坏呈现显著的脆性特征，且层理、微裂缝等结构面发育，具备压裂改造形成复杂缝网的内在地质力学条件；芦草沟组页岩储层间存在岩石力学强度、地应力相对较高的隔层，对该类型储集体的压裂过程中在兼顾裂缝网络复杂化的同时还应强化压裂缝对上下储层的沟通能力，实现压裂改造有效体积的最大化；综合脆性指数、水平应力差、层间应力差以及断裂韧性等指标，建立了可同时表征水平井体积压裂缝网形成难易与压裂缝穿越隔层沟通纵向储层能力的可压裂性评价方法；基于微地震压裂监测结果的验证分析表明所建立的可压裂性指数评价方法在以吉木萨尔凹陷油页岩为代表的薄互层状页岩地层中具有较好适用性。     

深层页岩气储层岩石力学特性及对压裂改造的影响

赋存深度对页岩储层岩石力学特性具有显著影响.研究深层页岩的形变破坏机理,获得赋存深度对岩石力学参数的影响规律,能够为页岩油气开发提供至关重要的基础参数.采用不同深度页岩岩样系统开展了岩石力学实验,分析了深层页岩的关键力学性质,得到了其强度参数及形变模量的变化规律.结果表明:深层页岩在力学强度、抗形变破坏能力、破裂方式等...     

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组岩性对岩石力学特性的影响

以准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组储层岩石为研究对象,基于室内力学试验研究了风城组储层不同岩性岩石的力学行为,从而揭示风城组储层不同岩性岩石的力学特性。在此基础上,讨论了矿物组成对风城组储层岩石强度参数的影响。玛湖凹陷风城组储层岩石具有较强的非均质性,造成不同岩性岩石力学特性存在较明显的差异,其中云质类岩石的力学强度和弹性模量较大而泊松比较小;岩石破坏形式较单一,其中单轴条件下,岩样脆性较强,表现为拉张破坏特征,而高围压条件下,岩样脆性减弱、延性增强,主要表现为单剪切破坏特征;岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性值随着硅质矿物含量的增加呈减小的趋势,而随着钙质矿物含量的增加呈增大的趋势。      

海陆过渡相页岩力学特征及破坏模式——以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组为例

鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组是目前中国页岩气勘探开发的重要接替层位,研究储层页岩力学破坏特征是页岩地质精细评价和后续压裂施工方案制定的基础内容。在对山西组页岩样品开展矿物组成分析、沉积构造特征描述、岩石力学测试的基础上,明确了主要岩相类型及其力学特征,分析了储层岩石力学破坏特征的影响因素。结果表明：山西组页岩主要矿物为石英和黏土质矿物,可划分为硅质页岩、硅质黏土质页岩和黏土质页岩,储层页岩具有力学强度变化范围大、整体低值的特点。受控于岩相的影响,硅质页岩和硅质黏土质页岩力学强度和弹性模量强于黏土质页岩。纹层、充填裂纹以及生物碎屑等结构和构造,增大了力学非均质性,也容易影响裂缝的传播路径。巴西圆盘劈裂实验表明山西组页岩纹层和泥质条带对裂缝具有极强的捕获作用,容易导致裂缝沿着纹层和泥质条带扩展。围压降低了页岩的脆性,使页岩由劈裂破坏转换为剪切破坏,并伴随着充填裂纹和泥质条带的破坏,呈现出破坏形态由沉积构造和围压双重控制的模式,复杂的破坏模式有利于减弱页岩气开发过程中储层裂缝网络渗透率的应力敏感性。研究成果为后续水平井布井选层和压裂施工方案制定提供了借鉴。     

中伊朗盆地地层条件下裂缝性储层岩石力学性质实验分析

对中伊朗盆地Arn-2井和Fkh-1井2 300~3 300 m的库姆组灰岩在模拟地层条件下(包括围压、温度、孔隙饱和流体和取样方向)的岩石力学性质进行了测定.所测岩石的压缩变形特征按应力—应变曲线形态可分为2种类型:弹性变形和弹—塑性变形.绝大多数样品表现为脆性,破坏前的总轴向应变一般不超过3%,大多为1%左右.所有岩心样品由于其埋藏深度差异较大,力学参数的变化范围也较宽.所有样品的抗压强度介于46.52~288.31 MPa;杨氏模量介于11.00~286.53 GPa.Fkh-1井库姆组E段抗压强度、杨氏模量和泊松比均大于Arn-2井库姆组E段.同时Fkh-1井库姆组内抗压强度A段大于C段大于E段,反映了岩石抗压强度随深度增大而变大.地层条件下流体对Fkh-1井岩石力学性质的影响主要是岩石饱油抗压强度大于饱水抗压强度,岩石饱油杨氏模量大于饱水杨氏模量.当样品中存在薄弱面时,会显著地降低岩石的抗压强度和杨氏模量;多数样品平行层理方向的抗压强度和杨氏模量与垂直层理方向的抗压强度和杨氏模量不等.      

陆相页岩储层横观各向同性地应力测井预测

以新疆MH凹陷F组陆相页岩油储层为研究对象,开展了不同角度岩样声波波速测试以及单三轴压缩测试,分析并计算了研究区页岩油储层地层压力及构造应变系数,对比了使用均质体地应力模型（黄氏模型及组合弹簧模型）与横观各向同性地应力模型计算水平地应力效果。结果表明：0°、45°及90°方向岩样声波波速差异明显,体现出较强的各向异性特征;岩样破坏形态以脆性破坏为主,90°方向岩样抗压强度、弹性模量以及泊松比明显大于0°方向岩样力学参数值;横观各向同性地应力模型计算水平最小、最大地应力结果与实测地应力相对误差仅为1.79%、5.00%,相对于均质地层的组合弹簧模型和黄氏模型而言精度更高。因此,使用横观各向同性地应力模型计算陆相页岩油储层地应力有更好的效果,对于压裂层段优选、钻井安全钻进等均具有重要意义。     

模拟地层条件下泥岩三轴应力实验及其油气意义

泥岩的岩石力学性质既关系到了它能否成为良好的盖层,也关系到它能否成为优质的页岩气储层。为了明确地层条件下泥岩岩石力学性质的变化特征及其影响因素,选取四川盆地南部典型的志留系龙马溪组泥岩,进行了20（常温）,50,100,130℃四个温度点,每个温度点在0,10,20,40,60MPa五种围压条件下的20个三轴压缩实验,获得了泥岩岩石力学参数与温度和围压的关系。实验表明：在60MPa围压范围内,泥岩的弹性模量、泊松比、抗压强度和残余强度随着围压的增加而增加,基本呈线性关系;在130℃温度范围内,泥岩的弹性模量、泊松比、抗压强度的变化与温度变化没有明显的相关性,不同温度下,同一围压条件下,泥岩的岩石力学参数保持相对一致。这说明泥岩的岩石力学性质主要受埋藏深度（围压）的影响,温度变化对其影响不大。从岩石的应力-应变曲线上还可以看出,随着埋深的增加,即使是晚成岩阶段的泥岩也有从脆性向塑性转变的趋势。根据岩石峰值抗压强度和残余抗压强度的数学关系,计算出川南志留系龙马溪组泥岩脆延转变的临界深度约为4200～4400m。作为盖层时,超过该临界深度,泥岩不容易破裂,具有优越的封闭性;作为页岩气储层,超过该临界深度,泥岩的可压性变差。     

川中磨溪地区致密碳酸盐岩储层可压裂性预测

致密油气储层具有非均质性强、物性差、单井产量低、开发难度大等特点。为了准确识别高脆性层段、建立地层可压裂性模型,分析了可压裂性与岩石脆性、断裂韧性、抗压强度的关系,提出三者结合的可压裂性指数。研究表明,致密碳酸盐储层组成矿物简单,基于岩石力学参数法的脆性指数可以满足要求,较高的岩石脆性、较低的断裂韧性和抗压强度的地层为有利压裂层段。实例应用表明,新的预测方法能够准确刻画储层可压裂性,优选可压裂层段。     

复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

四川自贡、泸州等区块深层页岩硬度高、脆性强、层理缝发育,水平钻井过程中井下阻卡、溢流等事故频发。针对该问题,通过开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载围压速度下力学性能实验,研究了钻井液的封堵性及起钻速度对脆性页岩力学性能的影响及页岩破坏规律。实验结果表明:钻井液封堵性对深层脆性页岩强度和弹性模量具有明显影响,封堵性好时,页岩抗压强度可达350 MPa,弹性模量为16 000 MPa;封堵性差时,页岩抗压强度仅为40 MPa,弹性模量为6 000 MPa;围压卸载速度越快,脆性页岩越容易发生破坏,即起钻速度过快会导致井底有效液柱压力降低,引发井壁岩石崩落;井底压力环境下页岩多为沿层理裂缝发生破裂。该研究解释了复杂工况下深层脆性页岩力学性能及破坏规律,为现场制订防塌工艺措施提供了科学依据。