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。     

评价盖层有效性的岩石力学实验研究

通过三轴压缩实验模拟地层埋藏过程中盖层韧脆性转变,通过三轴卸载实验模拟地层抬升过程中泥岩破裂过程。通过70个样品的三轴压缩测试实验,拟合出硬石膏、泥岩和泥灰岩3种岩性盖层由脆性向韧性转变的临界围压分别为68.5,81.35和92.35 MPa,折合埋深分别为4029,4782和5429 m。通过对泥岩盖层的卸压实验拟合出盖层的破裂围压与主压应力的数学回归方程：y=2.9296 x+134.28(R2=0.83)。该研究结果除了进一步证实泥岩在一定埋深下仍具有良好的塑性和封闭性能以外,还提供了研究盖层韧脆性转化和抬升过程中破裂边界的定量评价参数,为定量研究盖层有效性提供了基础。     

一种基于应力-应变特征的岩石脆性指数评价改进方法

脆性指数作为岩石力学评价的重要指标之一,对准确评价岩石脆性特征具有重要意义。选取四川盆地新场气田须家河组五段的21块岩石样品,对其开展室内三轴岩石力学实验,分别模拟了样品在围压0 MPa,12 MPa,22 MPa,32 MPa下的三轴饱水力学和声学测试,基于岩石应力-应变曲线分析不同岩石脆性特征参数的差异,分别计算基于杨氏模量的脆性因子（B_Ym）、基于泊松比的脆性因子（B_μ）、基于可恢复应变与总应变的脆性因子（B_Rε）、基于屈服强度与抗压强度的脆性因子（B_Rσ）,并对比、分析了现有的基于应力-应变曲线的脆性评价方法,进而综合室内岩石力学测试结果建立了脆性指数B_n与B_Ym,B_μ,B_Rε,B_Rσ的函数关系式,通过多元回归方法建立新的脆性指数模型,对岩石样品的脆性进行评价。结果表明：传统的脆性指数评价方法在区分岩石样品脆性时效果不佳;改进后的模型能够更好地区分研究区高脆性泥岩、低脆性泥岩和砂岩。该研究结果对于准确评价岩石脆性特征具有指导意义。     

油气藏盖层封闭性研究现状及未来发展趋势

盖层直接决定了油气富集规模,大中型油气田盖层岩性主要为泥岩、膏盐岩和碳酸盐岩。近几十年来,盖层封闭性研究在封闭机理与评价方法方面取得了很大进展。不同学者先后提出了毛细管封闭、水力封闭、超压封闭和烃浓度封闭机理,针对不同封闭机理建立了盖层封闭性评价行业标准,在区带评价和勘探目标选择过程中起到重要的指导作用。传统盖层封闭性主要是静态评价,经历多期埋藏-抬升的盖层封闭能力是变化的。金之钧等建立了盖层封闭能力动态演化过程定量评价方法,利用埋藏过程孔隙度-毛细管压力、抬升过程渗透率-毛细管压力关系和OCR定量预测盖层毛细管封闭能力变化过程,为多期构造演化盆地油气富集规律研究提供了合理依据。基于对以上机理和方法的研究,指出断层、构造裂缝和水力裂缝是盖层完整性破坏的关键因素,明确了油气穿越盖层运移条件,为寻找次生油藏提供了思路。断裂和裂缝形成演化过程及其对盖层完整性破坏取决于盖层岩石力学特征,即盖层脆-韧性变形,基于泥岩密度和岩石力学特征建立了泥质岩脆-韧性变形转换判别方法;基于拜尔利摩擦定律和盖茨准则建立了膏盐岩脆-韧性变形转换判别方法,明确了断裂和裂缝在脆性、脆-韧性和韧性盖层中形成演化机理和对盖层破坏作用。现今,盖层封闭性仍有许多问题需要深入探索,包括不同级别盖层对油气保存的影响,宏观地质因素对盖层封闭能力的影响,泥页岩岩石成岩阶段划分及封闭能力动态演化过程,盖层脆-韧性转化及破裂条件定量表征,深层断层对油气输导和保存,盖层完整性定量评价方法等。     

深部膏泥岩盖层动静态岩石力学弹性性质分析

基于矿物组分分析和动、静态岩石力学弹性参数同步测试实验,对塔里木盆地西南部玉北地区古近系厚层膏泥岩盖层进行系统的实验岩石力学分析。研究结果表明,在单轴应力条件下,膏泥岩的变形呈现出明显的弹性变形特征;而在三轴应力条件下,则表现为明显的弹-塑性特征。在地层围压条件下,随着轴向载荷的增加,膏泥岩依次经历了初始压密、线弹性变形、非线性稳定延展变形、非线性非稳定延展变形及峰后应变共5个阶段。硬石膏质泥岩相比泥质硬石膏岩具有更高的纵波波速、横波波速以及纵横波波速比。纵横波波速比与硬石膏组分含量之间具有较好的正相关性。随着硬石膏含量从10%增至90%,其纵横波波速比约从1.63增至1.88,增幅明显。进而确定膏泥岩的纵、横波时差转换关系,且具有较高的精度。泥质硬石膏岩的动态杨氏模量、泊松比及剪切模量均明显高于硬石膏质泥岩。最终建立膏泥岩盖层的动、静态岩石力学弹性参数转换关系。     

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。     

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。     

泥页岩脆-延转化带及其在页岩气勘探中的意义

泥页岩的脆-延性在页岩气勘探开发中备受关注,如何确定泥页岩脆-延转化深度是页岩气保存条件和水力压裂评价的关键问题。基于岩石力学试验,建立了一套泥页岩脆-延转化带确定方法。通过单轴应变试验确定名义固结压力、三轴压缩试验确定泥页岩超固结比（OCR）门限值和脆-延转化临界围压。依据最大古埋深和OCR门限值确定脆性带底界深度。由脆-延转化临界围压确定延性带顶界深度。脆-延转化带即脆性带底界和延性带顶界之间的深度带。按照以上方法确定的泥页岩脆性带、延性带和脆-延转化带,可用于页岩气保存条件和水力压裂评价。在脆性带内,页岩气保存条件不好,构造作用下易于发生脆性破裂。在延性带内,水力压裂效果不好,压裂裂缝容易闭合。在脆-延转化带内,不仅页岩气保存环境较好,而且泥页岩又具有较好的可压性。脆-延转化带是中国南方海相页岩气勘探开发的最佳深度带。勘探实践表明,志留系龙马溪组页岩气高产稳产探井产层的埋深位于按此方法所确定的脆-延转化带之内。     

致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法

研究致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法对致密油压裂优化设计具有重要意义。文章以辽河盆地沙河街组致密碎屑岩储层为例,开展了不同岩性岩石的三轴压缩实验,分析了宏观破裂行为和压后岩石显微裂缝的发育类型,通过对比常规的弹性参数法和矿物组分法等脆性评价方法,建立了基于三轴压缩破裂过程中能量守恒的新脆性评价方法。实验表明,岩石破裂特征受控于岩石脆性和岩石所处的围压条件。一方面,脆性较强的岩石主要发育穿晶张裂缝,随着脆性程度减弱,裂缝数量逐渐减少,类型则以晶内裂缝为主;另一方面,随着围压增加,压裂后岩石内部微裂缝类型从穿粒张裂缝向晶内裂缝过渡,说明围压极大地抑制了微裂缝的扩展。传统弹性参数法表征的脆性结果与实验描述的脆性破裂特征相反（即脆性指数高,而岩石破裂程度差）,而矿物组分法不能描述不同围压下岩石的脆性程度。本文提出的新脆性评价方法,可以连续地描述岩石从超脆性到韧性变形的力学演化过程,脆性指数不仅与峰前的杨氏模量有关,而且还与峰后应力降梯度（软化模量）有关。利用该方法表征了不同围压下致密砂岩脆性程度,其结果与实验描述岩石脆性破裂特征相符合,证实了方法的可行性。     

深层背斜圈闭中泥岩盖层完整性评价方法及其应用——以四川盆地川中地区震旦系气藏为例

深层致密泥岩盖层由于成岩程度高、脆性强,易发生脆性破裂并造成盖层泄漏,因此,盖层的完整性评价十分关键.泥岩盖层的变形特征主要受泥岩密度和围压控制,随着埋深增大,泥岩会经历塑性—脆性—塑性的复杂转变,但在沉积盆地埋深范围内总体以发育脆性变形为主.深层泥岩盖层在抬升过程中由于脆性增强,更易发生脆性破裂.在同样的抬升背景下,...     

油井水泥石在围压作用下的力学形变行为

目前在单轴条件下研究油井水泥石力学行为通常忽略了井下情况环境对水泥石力学行为的影响，认为凝固后的油井水泥石是非均质脆性体，且在受力超过水泥石屈服极限时瞬间脆裂将会引起井下水泥环层间密封性能失效，但水泥环在井下的实际力学形变能力却受到温度和压力的影响，笼统认为油井水泥石是单纯的脆性材料具有一定的片面性。针对此种情况进行了实验研究，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR 100研究了油井水泥石在围压作用下的力学形变行为。实验结果表明，单轴受力下水泥石为典型的脆性材料特征，而围压作用下水泥石破坏前为一定的塑性形变行为，特别是在高围压作用下塑性形变效应更明显；在围压作用下油井水泥石为脆塑性材料力学形变特征。     

吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储集层岩石力学特征

吉木萨尔凹陷致密油藏储量巨大,但储集层孔渗性差,其单井产量低、生产周期长、开发成本高,系统地研究储集层岩石物理力学和地应力特征,对致密油藏的勘探开发有着重要意义。为了认识致密油藏储集层的岩石力学特征,建立储集层岩石力学参数测井评价模型,优化工程技术措施,选取吉A井和吉B井全直径岩心,在围压分别为0.689 5 MPa,11.032 0 MPa,22.064 0 MPa 下进行声波测试和三轴抗压测试。结果表明,纵波和横波速度、动静态杨氏模量相互关系显著,三轴抗压强度随围压增大近似线性增大,围压对样品的破坏形态具有显著影响。     

复杂构造变形地区致密岩石力学性质实验分析

在模拟地层条件下,利用“MTS 系统”,对川东北河坝构造陆相地层样品作波速及力学参数的同步测试,分层位、分岩性研究纵向上岩石力学参数的变化规律及动态、静态参数的关系。地层条件下,砂岩的抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角分别为241.87 MPa,35.5 GPa,0.27,29.32 MPa 和36.1°;泥岩的抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角分别为115.63 MPa,24.8 GPa,0.33,10.11 MPa 和19°;砂岩的抗张强度为自流井组>须家河组>沙溪庙组>千佛崖组,平均值分别为7.09 MPa,6.2 MPa,4.72 MPa,4.51 MPa。岩石力学参数受颗粒大小、泥质含量、胶结物性质及孔隙度大小的影响。饱水后岩样的纵波速度、弹性模量、泊松比较饱水前明显增加。随着围压的增大,岩石塑性变形的比例也增大,更多地表现出弹-塑性变形特征。     

深层海相页岩脆性特征分析与表征

针对中国南方深层海相页岩气开发尚未突破的现实,以四川盆地五峰组—龙马溪组页岩为研究对象,聚焦深层海相页岩的脆性表征,建立了基于全应力—应变曲线的脆性定量评价指标,以峰值应变和峰后坡降陡度分别表示页岩发生脆性破坏的难易程度和充分程度。在此基础上,通过对硅质页岩、钙质硅质页岩、钙质页岩和黏土质硅质页岩开展高围压三轴压缩岩石力学实验,明确了围压对页岩脆性的影响,建立了适用于研究区深层海相页岩的脆性评价方法,开展了深浅层页岩脆性对比。结果表明,低围压时,围压主要表现为对页岩抗压强度的强化,脆性随围压增加而增强,高围压时,围压则主要表现为对裂缝产生与扩展的抑制,脆性随围压增加而减弱;以弹性参数为岩性指示因子,以断裂韧性为围压指示因子,建立了力学脆性指数,可作为矿物法和弹性参数法的补充,有效应用于3 500 m以深页岩储集层的脆性评价;硅质页岩和钙质硅质页岩在4 500～5 000 m仍具有优质储集层的潜力,但是深层海相页岩脆性的弱化使得优质储集层厚度减小。     

济阳坳陷泥灰质纹层页岩脆性各向异性数值模拟研究

为了掌握济阳坳陷博兴洼陷北部沙四纯上亚段页岩脆性各向异性的规律,选用该区块樊页X井泥灰质纹层页岩岩心,以通过室内试验获得的岩心应力–应变曲线为基准标定岩石力学参数,采用三维数值模拟方法,计算分析了岩心的泊松比、弹性模量和强度参数;并采用4种典型的脆性指数计算方法,计量了所有岩心的脆性指数.研究发现:随着围压升高,各力学...     

西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石力学特征与可钻性实验研究

东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层(玉泉组及以下地层)钻进速度低,严重影响了建井周期,因此认识该地区下部地层岩石力学特征是解决钻头优选、井壁稳定评价、钻井优化等关键问题的基础。开展了东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石力学特征与可钻性实验,并根据岩石强度、可钻性与声波时差的关系建立了井底围压条件下岩石强度与可钻性剖面。实验结果表明,该地区井深大于3 000 m的地层岩石单轴抗压强度50~80 MPa,无围压条件下岩石可钻性级值5.7~6.5。模型计算结果表明,无围压条件下该地区井深小于2 500 m的地层岩石可钻性级值小于4,井深3 600 m时岩石可钻性级值达到6以上;井底围压条件下该地区井深大于3 600 m的地层岩石可钻性级值达到8~10。上述结果对于认识东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层难以钻进的原因以及解决钻头选型和深井钻速提升等问题具有指导意义。     

典型碳酸盐岩渗透力学行为特征及其对储、盖性质的判定

目前对碳酸盐岩的研究主要关注其油气的储集空间,针对含油气盆地中碳酸盐岩的勘探也主要是为了寻找优质的油气储集体。然而,随着油气勘探向深层更古老的地层拓展,有效的碳酸盐岩储—盖配置显得至关重要。勘探证实,深埋条件下碳酸盐岩有利相带仍然发育高孔渗的优质储集体,然而是否发育与之配置的碳酸盐岩盖层就成为了制约深层碳酸盐岩油气勘探的关键因素。首次系统全面地通过对典型碳酸盐岩开展不同温度条件下三轴应力加载全过程渗透力学试验,得出了碳酸盐岩在破坏变形过程中渗透率随温度、围压的演化过程。试验分析结果显示,典型白云岩和典型灰岩在深埋应力作用过程中渗透力学行为特征具有明显差异,白云岩更多地显示出储集性能的特征,表现为脆—塑转换临界围压较大,岩石更容易形成裂缝,渗透率随温度的增加而增大等;而灰岩则表现出盖层的属性,体现在脆—塑转换临界围压小于白云岩,岩石相对容易形成密闭,渗透率随温度的增大逐渐减小。综合分析认为,白云岩和灰岩的纵向叠置能够形成有效的油气藏储—盖组合。     

磨料射流射孔增产技术研究与应用

介绍了磨料射流射孔机理、参数影响规律室内试验和油井射孔现场试验结果。研究表明，磨料射流射孔过程可分为脆性和延展性材料切割两个不同阶段，并得出了主要参数(包括压力、排量、磨料类别、磨料粒度、磨料体积分数、围压和岩石性质等)对射孔深度的影响规律和合理的参数范围。在地面模拟试验井，24～27MPa压力条件下射孔和割缝深度达0.50m以上；10口井11井次现场施工证明，磨料射流射孔工艺技术降低破裂压力5～10MPa，油井增产效果明显。     

膏盐岩盖层封闭性动态演化特征与油气成藏——以库车前陆盆地冲断带为例

受岩石力学特征及区域构造应力的影响,膏盐岩层也会产生断裂和裂缝,大规模油气可穿盐盖层运移。膏盐岩三轴加温加压应力应变实验表明,膏盐岩具有"浅埋低温脆变、深埋高温塑变、强挤压破坏形变"的岩石力学特征,膏盐岩脆-塑转换的关键地层温度约为100℃。结合库车前陆冲断带成藏期古地温参数,确定3 000 m是库车坳陷前陆冲断带膏盐岩脆-塑转换的关键埋深,塑性膏盐岩盖层挤压流动不易破裂,已有断层因岩盐的流动而弥合、焊接,野外盐构造特征及盐岩流体包裹体显微特征提供了有力的佐证。库车前陆冲断带膏盐岩盖层封闭性地质历史时期是演化的、且空间上具有一定分布规律,从而控制着冲断带油气成藏过程及差异。     

长庆气田长南区块石盒子组硬脆性泥岩井壁稳定性分析与对策

长庆气田长南三开气水平井石盒子组盖层硬脆性泥岩的坍塌,是制约该区域提速提效的主要因素。通过对该泥岩岩性的分析,结合施工中井塌的现象,找出其坍塌机理,提出从4个方面稳定井壁的思路:①提高钻井液抗温耐盐性能;②控制泥页岩水化分散和强化钻井液的封堵能力,有效保持岩石力学强度;③优化控制泥岩段井斜;④岩石力学强度的"补偿支撑"。通过在高桥34-58H1井和高桥32-58H2井侧钻井眼的应用,延长了该段泥岩的坍塌周期,保障了这两口井正常中完。