鄂尔多斯盆地大牛地气田致密砂岩储层三维岩石力学参数场研究

作为中国石化重要的天然气勘探开发基地之一,鄂尔多斯盆地大牛地气田上古生界致密砂岩气藏目前水平井压裂开采效果不理想。针对该气田上古生界致密砂岩储层岩石力学参数研究较为薄弱的现状,在对目的层岩心力学参数单轴/三轴压缩试验测试和纵横声波速度测试的基础上,首先建立了静态、动态弹性参数转换关系和纵横波速关系;在此基础上结合前人成果构建了岩石力学参数单井计算模型;并进一步运用测井资料和三维地震层速度资料确定了目的层力学参数场特征。结果表明,该区上古生界致密砂岩储层内聚力在2～10MPa之间,内摩擦角在30°～42°之间,抗张强度多数集中在5～15MPa之间,抗压强度多数集中在150～250MPa之间。太2段-盒1段弹性模量大部分在15～40GPa之间,泊松比在0.22～0.27之间,横向上每一层岩石弹性参数都存在明显的非均一性,垂向上随深度增加岩石力学参数呈变大趋势。该研究成果一方面可为该区地应力场模拟、气田钻完井设计及目的层压裂改造施工提供基础力学参数,同时研究中确定的动静态岩石力学参数转换、纵横波速等定量关系可为邻近地区相关研究提供参考或借鉴。     

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。     

川西新场气田沙二段致密砂岩储层岩石力学性质

对川西新场地区侏罗系沙溪庙组二段致密储层样品所进行的岩石力学实验结果表明，岩石抗张及抗压强度随着岩石密度的增加而增大、岩石孔隙度的增加而减小，且随着岩石粒度的增加，抗张强度减小、抗压强度增大；砂岩的弹性模量明显高于泥岩，且随着岩石密度的增加而增加、孔隙度的增加而减小。与常温常压下相比，模拟地层条件下沙溪庙组泥岩饱和介质为气体时，抗压强度高3.2倍，弹性模量低2.35倍，泊松比高2倍；当砂岩饱和介质为水时，与饱和气体介质的砂岩相比，强度及弹性模量均降低，泊松比增大。这说明水介质对岩石有“软化效应”。进而在实验研究的基础上，应用测井、压裂资料计算了地层的岩石力学参数，通过对三种方法所得结果的对比分析，评价了地层条件下岩石力学参数，由此获得了较为合理、可信的地层岩石力学参数剖面。     

川西坳陷深层岩石力学特征及其影响因素

为了确定川西坳陷深层须家河组致密砂岩的破裂特征及其影响因素，在模拟地层条件下，利用MTS岩石物理参数测试系统对该区岩石有关力学参数进行了测试。实验结果表明，随着孔隙度的增加，岩石抗压强度和静弹性模量降低；随着轴向差应力的增加，岩石波速先增加后降低；多数情况下，静泊松比大于动泊松比，动弹性模量大于静弹性模量、岩石经泥浆处理后塑性有所增加，抗压强度和弹性模量下降；除个别岩石外，多数岩石经泥浆浸泡后泊松比增大.     

考虑钻井液浸入的砂岩井壁坍塌模型

长时间裸露在钻井液中的砂岩地层扩径严重,通过研究钻井液侵入对井周围岩弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等力学性能的影响,开展了井周围岩坍塌压力的研究。研究了钻井液侵入后井周应力场变化规律,并在此基础上建立了考虑钻井液侵入影响的井壁坍塌模型。通过实验与模型计算可以看出,钻井液滤失,将会在地层周围形成与原地层岩石力学特性不同的侵入区。钻井液的侵入导致侵入区弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小,而泊松比增加,随着侵入时间的增加,弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小越多,而泊松比上升也增加;岩石力学参数的变化与侵入时间呈现线性关系;由于弹性模量、泊松比的变化,井周应力重新分布,井壁的垮塌决定于此时的井周应力与岩石强度;井眼开挖后,井壁坍塌压力往往是先减小后增大。     

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.     

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。     

岩石力学性能实验与水泥环胶结强度评价

通过对新庄油田４口井不同井深岩心以及固井水泥石的三轴抗压强度实验研究, 获得了该油田区块层岩石和水泥石的密度、 弹性模量、 泊松比、 抗压强度、 内聚力以及内摩擦角等, 为该区块地应力场的反演研究提供了必不可少的岩石力学参数数据, 根据大量实验结果的岩心差应力 －应变曲线, 把三轴抗压实验曲线划分为了３个典型的区域阶段, 根据这３个阶段可以直观地得到岩心的弹性模量和抗压强度数值。提出了水泥环与地层岩石第二界面胶结强度评价标准, 地层岩石抗压强度小于等于２ ０ＭＰ ａ 时, 对水泥环第二界面的胶结强度属于“ 不稳定区” ; 地层岩石的抗压强度为２ ０～ ３ ０ＭＰ ａ 时, 水泥环第二界面的胶结强度为“ 次稳定区” ; 地层岩石的抗压强度在小于等于３ ０ＭＰ ａ 时, 水泥环第二界面的胶结强度为“ 稳定区” 。并对所研究的４口井不同井深地层岩石与水泥环第二界面胶结强度进行了评价, 其评价结果为该区块套管柱强度设计提供了可靠的依据。     

含水饱和度对岩石力学参数影响的实验研究

利用人造岩样,对地层的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数随含水饱和度的变化规律进行了实验研究,并摸索出了从岩样制备到实验方案确定的适合于松散砂岩力学性能测试的一整套方法。研究表明：疏松砂岩的弹性模量很小;随着含水饱和度的增大,弹性模量减小,泊松比的变化规律不太明显;随着含水量的增大,岩样的三轴强度下降,含水饱和度对弱胶结岩石强度的影响比对胶结较好的地层敏感。     

致密储层岩石的微观结构和力学性质试验分析

以致密砂岩为研究对象,利用美国GCTS公司研制的RTR-1000型静(动)三轴岩石力学测试系统对川中某气田和苏里格气田储层致密砂岩进行了模拟地层条件的岩石力学性质测试,获得了致密砂岩在储层条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度等岩石力学参数。采用岩石显微组构分析和岩石力学试验相结合的方法,探讨影响岩石力学性质的因素,为该类型储层条件下岩石力学性质的研究提供了一些基本参数。     

潜江凹陷潜四下段页岩油储层力学性质特征研究

采用矿物成分测定,孔隙结构分析,单-三轴力学参数测定,抗拉强度、界面抗剪切强度测定,以及地应力测定等方法对潜江凹陷潜江组潜四下段典型页岩油储层进行研究.研究结果表明:①矿物成分特征主要是"低黏土矿物、低石英、高碳酸盐、局部高蒸发岩".孔隙主要以次生孔隙为主,包括晶间孔、粒内孔;②潜四下段24韵律储层抗压强度较大,6韵律...     

注水开发引起泥岩层套管损坏机理研究

油田注水开发以后,由于泥岩层吸水软化,改变了作用在套管上的非对称外挤蠕变载荷分布而导致套管出现径向缩径变形的损坏现象。通过建立套管—水泥环—围岩的三维有限元数学模型,定量分析了注水开发引起泥岩蠕变对套管的影响,给出了注水开发引起泥岩层套管受蠕变载荷作用而损坏的机理。研究表明:蠕变载荷从0上升到最大的稳定值时间与泥岩的蠕变特性有关,一般约需400 d;当弹性系数由10 GPa降低到6 GPa时,套管所受径向载荷由61.95 MPa增大到68.36 MPa;泥岩吸水软化后,随着泥岩弹性模量的降低,套管外壁的附加载荷会明显增大,即泥岩在较高的注水压力下吸水软化,加剧蠕变载荷分布的非均匀性并加大蠕变载荷值,超过套管的抗外挤能力使套管柱发生径向缩径变形而损坏。     

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。     

合成金刚石模具环材料试验研究与有限元分析

对美国牌号H_(11)(相当于中国4Cr5MoSiV)合成金刚石模具环材料进行了力学性能测试和结构有限元分析。结果表明,模具环常温和高温(180℃)的拉伸强度极限分别为1430.8MPa和1377.65MPa、弹性模量E=206 GPa、μ=0.285,有限元分析的最大等效应力为1836.9MPa,超过了模具环的拉伸强度极限,是模具环失效的根本原因。提出采用现代设计方法进行优化设计,使应力值降至1400 MPa以下,或选用拉伸强度极限高于1800 MPa的材料,是提高模具环寿命的两项可行措施。     

含薄夹层盐岩地层套管等效应力分析

采用FLAC3D三维有限差分软件,建立了套管-水泥环-层状地层三维有限差分模型,分别研究了泥岩夹层弹性参数、厚度对含薄夹层盐岩地层界面处以及层内套管等效应力的影响。夹层厚度对上下岩层中的套管等效应力都有影响,泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近套管受力不均衡;夹层较厚时,套管等效应力相对较小;与泥岩相比,盐岩中套管等效应力较大,套管更容易发生屈服;夹层弹性参数不同时,夹层弹性模量越低,界面处以及夹层层内套管等效应力越大。该研究为含薄夹层盐岩地层套管设计和井筒安全性评价提供了理论依据。     

苏里格致密砂岩压裂中转向剂用量与转向角的关系

绒囊转向剂通过改变岩石强度控制裂缝走向,已在现场应用获得印证,但是缺乏裂缝转向理论研究。转向剂强度与转向角的关系是转向裂缝准确地延伸至预定位置的关键之一。室内进行转向剂封堵实验和岩石三轴实验,用囊层剂+1.5%绒毛剂+0.3%成核剂+0.5%成膜剂配制绒囊转向剂,测得注入量为4、8、10、12 mL时,封堵后承压达到10.15、12.37、16.52、25.14 MPa;绒囊转向剂封堵直径75 mm致密砂岩岩心人造裂缝,通过三轴试验机测得封堵前后岩心径向应力应变曲线拐点从0.004 8 mm/mm升至0.012 7 mm/mm,轴向曲线拐点从0.014 3 mm/mm升至0.018 6 mm/mm,说明岩心强度提高。测得转向角增量分别为24.9°、23.2°、37.5°和55.9°。根据4组岩心封堵后弹性模量19.55、16.65、19.61、19.77 GPa和泊松比0.36、0.30、0.46、0.38,选择影响转向角度的参数为弹性模量和泊松比,用最小二乘法方法拟合参数与裂缝转向角度之间的数学关系,得到弹性模量与泊松比商的自然对数与转向角度呈线性关系,进而得到注入量与转向角的函数关系。结果表明,绒囊流体的注入量可以控制转向角度,进而实现转向裂缝准确延伸至目的层位。      

水泥环力学参数与载荷间的适应性

为选择水泥环力学参数,保障水泥环封固效能,利用套管- 水泥环- 地层组合体结合有限元力学模型,研究了蠕变地层不同井深条件下水泥环屈服强度、弹性模量、载荷对界面应力及破坏形式的影响,分析了强度、弹性模量与载荷的力学适应性关系。结果表明:套管内加载时井口处水泥环易于发生周向拉伸破坏,井下水泥环则易于发生屈服和出现高的压应力。加载中水泥环发生弹性变形时,水泥环屈服强度对界面各应力不产生影响;弹性模量增加,界面各应力增加。水泥环发生屈服变形时,水泥环屈服强度增加,界面各应力均增大;弹性模量增加,界面接触压力增大,内界面周向应力降低;卸载时井口处水泥环易于发生胶结界面撕裂。水泥环具有低弹性模量、适当屈服强度、高抗拉强度、高胶结界面强度时承载能力高。