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。     

基于应力—应变模型的脆塑性测井评价

页岩脆性的测井评价主要从岩石弹性参数特征和矿物含量特征2个方面进行。针对泥页岩高塑性的特征,提出在测井评价基础力学参数中引入峰值变形模量,在此基础上可以对基于应力—应变模型的脆性参数和塑性参数进行解释,获得塑性应变和基于峰前可恢复应变与峰前总应变之比的脆性指数2个力学参数。在实例应用中,该方法计算得到的脆性指数、塑性应变不仅与矿物组分脆性指数吻合较好,与水力压裂微地震事件监测结果也具有较好的耦合性,因此,该方法能够较好地反映岩石的脆性和塑性特征,为页岩气储层脆性评价提供重要依据。     

库车坳陷泥岩盖层脆韧性破裂特征数值模拟

随着埋藏深度增加,岩石经历脆性、脆-韧性、韧性3个变形阶段。以库车坳陷泥岩盖层为例,通过三轴力学试验,在围压为5、10、20、40 MPa下得到峰值强度、残余强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦系数等岩石力学参数,应用离散元数值模拟方法进行了相同围压的模拟,模拟结果与三轴压缩试验吻合度高。利用该组参数进行较高围压(72、90、120、140 MPa)条件下的模拟,模拟结果拟合出Mohr-Coulomb破裂包络线、残余强度包络线,结合Byerlee的摩擦滑动定律,预测出盖层脆韧性转换的临界值:72 MPa是脆性到脆-韧性转换的临界点;140 MPa是脆-韧性到韧性转换的临界点。根据地应力梯度25 kPa/m,推测吉迪克组泥岩盖层在深度达到5 600 m时,理论上不容易被错断,封闭效果较好。     

基于多元力学实验的深层页岩气储层脆性影响因素分析与定量评价

在地下高温高压条件下,川南深层海相页岩塑性显著增加,现有单一脆性评价方法难以准确表征其可压裂性,严重制约了该区“甜点”优选和工程改造。以川南深层五峰组—龙马溪组页岩为研究对象,通过三轴高温高压、断裂韧性及X射线衍射实验,开展了多种类型的页岩岩石力学性质评价及其影响因素分析,量化了不同载荷条件下岩石破裂的形态特征,并以此为标准,进行了脆性影响因素分析及综合量化评价研究。研究认为川南深层海相页岩具有高弹性模量、较低的I型断裂韧度特征,其脆性性质主要受控于矿物组分、温压条件及页理发育程度,并通过裂纹分形维数量化了岩石破裂的形态特征,且在高石英矿物含量（>50%）、低围压（<20 MPa）、中低温（<60 ℃）及页理化程度较高条件下,实验结束后的样品试件分形维数较高,破裂裂纹以复杂劈裂与剪切复合裂缝为主,相应的脆性较高。通过归一化的岩石力学参数和应力—应变曲线的脆性指数与分形维数之间的相关性分析,利用层次分析法建立了能够表征深层海相页岩脆性的综合评价指标。该评价指标能够很好地表征深层海相页岩脆性特征,且评价认为龙一段3¹小层脆性指数较高,为后期页岩气开发的主力目的层。     

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。     

超临界二氧化碳压裂过程中注入压力对致密砂岩力学特征的影响

针对致密砂岩气藏采用超临界二氧化碳压裂技术开发中,未考虑二氧化碳流体对储层岩石力学影响,从而导致设计压裂施工参数与现场实际不吻合问题,取苏里格气田2 800 m左右石盒子组地层岩心,在围压38 MPa、温度85 ℃下,模拟地层条件开展超临界二氧化碳压裂致密砂岩岩石力学特征实验,测试二氧化碳注入压力从3 MPa增加到35 MPa,然后加轴向压力至岩石破坏,获得致密砂岩岩石应力—应变曲线。研究表明,随超临界二氧化碳注入压力增大,致密砂岩抗压强度、弹性模量均减小,泊松比则增加,脆性指数先略微增大而后呈减小趋势。拟合出脆性指数与二氧化碳注入压力的关系式,相关系数为0.903 6,注入压力为4.55 MPa时脆性指数极值为0.483 5。超临界二氧化碳压裂时应考虑注入压力对岩石力学参数的影响,弹性模量、泊松比、脆性指数等岩石力学参数影响致密砂岩裂缝起裂及扩展规律。     

应用矿物成分评价致密油储集层脆性方法

岩石脆性评价是致密油储集层"七性"评价中的重要内容,是表征岩石在外界应力作用下形成缝网能力的一项重要指标。为了建立基于矿物成分的岩石脆性评价方法,通过开展三轴应力实验及X射线衍射分析,获得岩石力学参数及矿物成分、含量,根据岩石力学参数求取弹性脆性指数,以此为标准,开展脆性指数与单一矿物及组合矿物含量相关性研究,研究表明:脆性指数与单一矿物的相关性较差,与石英、方解石含量呈正相关,与斜长石、黏土矿物含量呈负相关;脆性指数与组合矿物石英+方解石含量呈正相关,相关性较好。在此基础上,以大庆探区扶余油层组30块岩石样品为实验分析对象,建立了矿物成分的岩石脆性评价方法,在实际生产中应用,见到了较好的效果。     

基于岩屑分形维数的岩石脆性评价方法

岩石脆性指数是水平井压裂施工的重要参数,现有获取脆性指数的方法受限于成本高和时效性差,现场推广应用困难。基于录井岩屑资料明确其分形规律,建立岩屑分形维数计算方法,考虑岩石力学参数修正矿物组分计算脆性指数方法,获取岩屑脆性指数后,进一步建立研究区块岩屑分形维数与脆性指数相关性模型,形成基于岩屑资料快速获取岩石脆性指数方法。研究表明：水平段岩屑分形规律符合G-S分布函数,分形维数相关性系数r²平均大于0.89,具有明显的分形特征;岩屑分形维数与脆性指数相关性系数r²大于0.95。该方法在邻井应用效果较好,岩屑分形维数计算的岩石脆性指数与矿物组分法计算的岩石脆性指数绝对误差小于4%,该方法为脆性指数的现场推广应用提供了一种新思路。     

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。     

基于VTI介质弹性参数的页岩脆性预测方法及其应用

大量的科学研究表明,页岩的脆性对油气储层的各向异性、储集能力、渗透性和可改造性等具有重要的影响,因此岩石的脆性预测成为了评价页岩气藏的重要内容。实验测试分析也已经证实,页岩的脆性与岩石中的矿物含量和孔隙结构等影响力学性质的因素密切相关。Rickman等（2008）提出了基于弹性参数的脆性系数计算方法,融合了力学参数杨氏模量和泊松比。然而,目前计算杨氏模量和泊松比的方法均以各向同性介质为前提,受此局限,脆性系数计算公式必然不能精确地描述复杂介质中的脆性特征。为此,引入Thomsen（2013）提出的VTI介质弹性参数计算方法,推导出隐含了各向异性参数ε,γ和δ的脆性系数计算公式,从理论上直接把页岩的脆性和各向异性密切地联系了起来,较好地诠释了现实中脆性页岩存在各向异性的岩石物理特性。将该方法应用于四川盆地西部新场-孝泉地区须家河组五段页岩气的开发实践中,结果表明脆性系数高值异常区储层脆性较强,能有利于在优质储层中识别出“脆性甜点”储层。预测结果与现仅有的两口页岩气专层井吻合良好。     

川南地区龙马溪组元素地球化学特征及有机质富集主控因素

为了研究川南威远-长宁地区龙马溪组古氧化还原条件及有机质富集主控因素,对4口取心井开展了主、微量元素分析。结果表明：①威远-长宁地区龙马溪组龙一1亚段整体富集V、Ni、Ba、Th和U等元素,亏损Cr元素;龙一₂亚段整体富集V、Ba、Th和U等元素,亏损Co和Cr元素。②龙一₁亚段沉积初期,研究区为缺氧环境,至中晚期,威远地区演变为贫氧或含氧环境,长宁地区演变为含氧环境。③龙一₂亚段沉积时期,威远地区WD204 H井区为稳定的含氧环境,WD201井区仍为贫氧或偶含氧环境,而长宁地区整体处于稳定的含氧环境。④龙一₁亚段有机质的富集主要受古氧化还原条件控制,龙一₂亚段有机质的富集主要受古生产力强弱控制。该研究成果对川南地区龙马溪组的页岩气勘探具有重要参考价值。     

川西坳陷须家河组二段气藏地震相特征研究

川西坳陷须家河组二段气藏埋深大，砂体超致密、非均质性强。砂体物性特征分析表明，优质储层的孔隙主要由溶蚀作用形成，且大都发育在河口坝砂体中。河口坝砂体成熟度相对较低，含有相对较多的长石。河口坝与前缘砂坝接触，酸性水容易进入河口坝，河口坝砂体中的长石受酸性水溶蚀，形成次生孔隙。由此建立油气富集模式：生烃时期，以断层为通道、厚大的前缘相砂体为疏导层，酸性水进入河口坝砂体，在长石砂岩中发生溶蚀作用，油气早期进入河口坝砂体，形成早期油气富集带。通过分析典型的X851井，建立河口坝砂体、油气富集带预测模式：河口坝在纵剖面上具有典型S型前积反射结构，横切面呈贝壳形丘状反射，平面呈马蹄形分布。用地震相特征预测了新场气田优质储层、油气富集带分布，结果与钻井吻合。     

岩石气水两相渗流的玻璃刻蚀驱替实验与有限元数值模拟对比

岩石微观可视化两相渗流特征研究对于油气田开发具有重要意义。分别采用微观可视化玻璃刻蚀驱替实验和有限元数值模拟对岩石中微观气水两相流体的动态渗流特征进行了研究,并将数值模拟结果与微观玻璃刻蚀驱替实验结果进行了对比验证。结果表明,有限元数值模拟结果与玻璃刻蚀驱替实验结果基本一致。气水两相流驱替实验过程中存在明显的指进现象;驱替结束后,分布在大孔喉和与大孔喉相连的孔隙中的水被驱替,未被驱替的水主要分布在小孔喉、小孔喉控制的大孔隙和孔隙盲端;单相渗流达到稳态后,流动通道中心的流体流速比入口处流体流速大,孔喉半径越大,压力降低越慢。微观玻璃刻蚀驱替实验方法能较好地观测微观指进现象和气体在通过狭窄喉道时的运移跳跃现象,而有限元数值模拟方法则具有成本低、易于操作、实验可重复性高等优点。微观玻璃刻蚀驱替实验与有限元数值模拟相结合研究气水两相渗流效果更佳。     

聚合物驱注采参数无梯度优化新算法

无梯度优化算法对最优化算法理论研究具有重要意义,已经被应用于许多实际问题的解决,也可以用来求解聚合物驱注采参数最优控制模型问题。针对有限差分随机逼近（FDSA）算法和同时扰动随机逼近（SPSA）算法的优缺点,提出了一种有限差分梯度引导的同时扰动随机逼近（SPSA-FDG）算法,建立了油藏数值模拟模型,开展了聚合物驱注采参数最优控制研究,并将3种算法的结果进行了对比和分析。结果表明：SPSA-FDG算法收敛性要好于FDSA算法和SPSA算法,且易于和任何油藏数值模拟器相结合,能够用来求解聚合物驱最优控制问题;与均匀注聚方案对比发现,采用由SPSA-FDG算法计算得到的优化方案,聚合物驱见效时间提前,含水下降漏斗加深,累积采出程度提高,油藏总体开发效果更好。SPSA-FDG算法可应用于其他化学驱油田以改善化学驱效果。     

SEL催化剂在淤浆法聚乙烯装置中的应用

在30万t/a Hostalen淤浆法聚乙烯生产装置中,采用国产SEL催化剂试生产了双峰聚乙烯薄膜料(牌号为HM-9455 F 1)。结果表明:试用SEL催化剂期间,装置运行平稳;SEL催化剂的组成、微观结构与参比催化剂(牌号为THT)相近;与参比催化剂相比,SEL催化剂的聚合活性提高了17%,氢气单耗和副产物蜡产量分别降低了6.6%,9.5%;由SEL催化剂生产的双峰聚乙烯薄膜料,粒径分布集中在>63～250μm。     

GARDES技术在催化裂化汽油加氢装置上的工业应用

对中国石油四川石化公司采用GARDES技术新建110万t/a催化裂化(FCC)汽油加氢装置的开工和初期标定期间的运行情况进行了分析。结果表明:采用GARDES技术进行FCC汽油加氢处理之后,与原料FCC汽油相比,精制汽油中含硫量由60～80μg/g降至6～8μg/g,总硫脱除率达到88%～90%;精制汽油产品中烯烃体积分数为22%～23%,降低约6～7个百分点;芳烃体积分数为20%～22%,增加约2. 0个百分点;研究法辛烷值损失小于1. 0个单位。     

改性HZSM-5分子筛催化正戊烷与甲醇共芳构化反应

采用浸渍法对HZSM-5分子筛进行改性,得到不同金属离子改性的分子筛,并且借助X射线衍射法和吡啶吸附红外光谱法对催化剂性质进行了表征。在固定床微反装置中,以正戊烷与甲醇为共芳构化反应原料,评价了改性HZSM-5分子筛催化剂的反应性能。结果表明:由Zn,Ag,Ni离子改性的催化剂相对结晶度依次为89.30%,88.96%,91.32%;当金属离子负载质量分数为2%时,采用Zn离子改性HZSM-5分子筛(SiO_2/Al_2O_3,摩尔比,38)催化剂,在反应温度为475℃,原料烃质量空速为2.0 h~(-1)及常压条件下,甲醇和正戊烷转化率分别约为100%,92.76%;当甲醇/正戊烷(摩尔比)为1∶1时,正戊烷转化率降至87.89%;甲醇的加入可抑制干气生成;共芳构化反应中存在协同作用,提高了芳烃选择性。在正戊烷与甲醇共芳构化反应中,当金属离子负载质量分数为2%时,与Zn离子改性催化剂相比,Ni或Ag离子改性的正戊烷转化率提高了约10个百分点。     

Special Column for Petroleum Geology ＆ Geophysics： State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum

The State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum (Beijing) was designated to be a state key laboratory by the Ministry of Science and Technology in 2007. It was founded on the basis of     

考虑应力敏感和复杂运移的页岩气藏压力动态分析

页岩气藏渗透率极低,储层存在很强的应力敏感性,所以需对其进行水力压裂。通过分析吸附解吸、Knudsen扩散、非稳态窜流和渗流等多种气体运移机制来建立页岩气藏复合模型,采用Mathieu函数、Pedrosa变量代换、正则摄动理论、拉普拉斯变换和Stehfest数值反演等方法来求解数学模型,并绘制出无因次拟压力曲线,同时对渗透率模量、SRV半径、外区裂缝渗透率、扩散系数和解吸压缩系数等相关参数进行敏感性分析。结果显示：气体流动阶段可划分为9段,渗透率模量的增加导致气井定产量生产时所需压差增大,而SRV半径和解吸压缩系数的增大使得压差减小;较大的外区裂缝渗透率与较小的流度比相对应,扩散系数越大,页岩基质表观渗透率越大,窜流发生的越早。提出的试井模型可提高页岩气藏压力动态分析的准确性,对压裂开发页岩气藏具有一定的理论指导意义。     

致密砂岩气藏黏土矿物特征及其对储层性质的影响——以鄂尔多斯盆地苏里格气田为例

为了研究致密砂岩气藏的储层性质,以X射线衍射定量评价黏土矿物赋存特征为基础,结合铸体薄片、扫描电镜、高压压汞及核磁共振等资料,对鄂尔多斯盆地苏里格气田二叠系盒8段致密砂岩气藏15块黏土矿物样品进行了物性特征、孔隙结构及可动流体的影响因素等研究。结果表明：伊利石（体积分数为3.07%）及高岭石（体积分数为1.86%）是研究区主要的黏土矿物;黏土矿物本身发育丰富的微-纳米级孔隙,并贡献部分储集空间,同时也是论证次生溶蚀孔隙形成的间接证据;绿泥石主要起到晚期充填破坏孔隙的作用,伊利石及伊/蒙混层的大量出现会破坏储层性质;可动流体修正参数将孔隙表面亲水性考虑在内,突出了亲水性黏土与可动流体赋存特征的关系（R²>0.70）。该项研究提供了致密砂岩气藏黏土矿物与储层性质耦合关系的新视角,可为生产实践提供理论指导。