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。     

综合矿物组分和弹性力学参数的页岩脆性评价方法

利用常规测井和阵列声波、元素俘获等特殊测井资料,结合X衍射和岩石三轴抗压强度等岩石力学实验,综合考虑不同矿物组分与弹性力学参数的关系,建立了一种新的脆性指数评价模型。新的岩石脆性计算方法既克服了岩石力学参数法不考虑微观矿物组分的缺点,又解决了矿物组分法对宏观岩石力学参数缺乏考虑的问题。与已有的脆性指数计算方法相比,新方法较准确地体现了不同矿物组分对页岩脆性的贡献率,为研究区页岩储层的压裂工作奠定了基础。     

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。     

砂砾岩油藏影响压裂效果关键地质力学因素研究及应用

地质工程一体化技术是致密砂砾岩油藏实现效益开发的有效途径,地质力学参数在地质工程一体化中起桥梁作用。以准噶尔盆地中拐—玛南地区上乌尔禾组砂砾储层为例,分析了影响储层压裂效果的关键地质力学因素。首先,通过研究乌尔禾组储层岩石力学参数与声波、体积密度间的关系,揭示储层岩石力学参数的响应机制,并建立储层岩石力学参数的测井计算模型,基于已钻井压裂和测井资料,建立了地层孔隙压力多参数预测模型和地应力计算模型;然后采用灰色关联法研究了地质力学参数与米采液指数的关联程度,明确了影响压裂效果的地质力学主控因素依次为水平应力差、脆性指数、弹性模量、抗张强度以及单轴抗压强度;最后利用层次分析法构建了综合考虑主控因素影响的储层压裂工程评价模型,为研究区储层压裂优化设计提供了依据。     

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。     

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。     

页岩储层水力裂缝网络多因素耦合分析

为优化压裂设计、提高页岩储层的改造效果,基于室内真三轴水力压裂模拟实验、现场压裂实践和理论分析的方法,从页岩绪层岩石的脆性指数、水平应力差、天然裂缝的力学特征和发育程度、液体黏度和施工参数等方面分析了页岩储层压裂形成缝网的受控因素。结果表明:页岩储层的水力裂缝网络发育程度受到地质因素和工程因素的双重作用;从储层地质因素上看,岩石的脆性指数越高、天然裂缝越发育、天然缝胶结程度越差,越有利于形成缝网;从压裂作业的因素看,压裂液黏度越低以及压裂规模越大,越有利于形成充分扩展的缝网。在分析单个因素的基础上,建立了多因素耦合的缝网发育指数来表征页岩储层水力裂缝网络发育程度,并用于评价页岩储层压裂后水力裂缝的复杂程度。     

渤海湾盆地沾化凹陷陆相页岩储层岩石力学特征及可压裂性研究

页岩储层的岩石力学性质与可压裂性对页岩油气的开发具有重要影响。目前对于陆相页岩的岩石力学特征和可压裂性方面的研究较少。利用X射线衍射和岩石力学实验等方法，测试沾化凹陷沙河街组陆相页岩全岩矿物组分、在不同成熟度、不同围压条件下的抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数，并且对页岩储层的可压裂性进行了分析。页岩矿物成分主要为碳酸盐矿物，平均为44.93%，脆性矿物含量稍高于黏土矿物，分别为30.98%和24.09%；单轴压缩时页岩多为劈裂式破裂，易形成缝网；加围压后破坏形式变为剪切式，抗压强度、杨氏模量和泊松比均增大，可压裂性降低；页岩可压裂性与加热温度，即热成熟度呈正相关。综合考虑页岩矿物成分、力学性质、成岩作用和围压等因素，建立可压裂系数数学模型，可对页岩储层的可压裂性进行定量评价，为压裂选层提供依据。      

吉木萨尔致密油储层脆性及可压裂性预测

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,总结、比较了现有脆性指数在致密油气储层脆性评价中的适用性,提出了适用于吉木萨尔地区的改进矿物组分法脆性指数,并在此基础上,分析了地层可压裂性与岩石脆性、断裂韧性、抗压强度的关系,提出了三者结合的可压裂性指数。研究表明：基于数据驱动的方法,认为白云石、长石和黄铁矿含量是影响吉木萨尔地区致密油储层岩石脆性的主要因素;致密油储层地层条件复杂,高脆性指数地层不一定具有良好的可压裂性,仅利用岩石脆性描述可压裂性还不够完善;新的可压裂性指数表明,具有较高岩石脆性指数、较低断裂韧性和抗压强度的地层为有利压裂层段。将新方法用于吉木萨尔J174井可压裂性预测,优选可压裂层段,对指导水力压裂施工具有重要意义。     

沾化凹陷罗家地区沙三下亚段页岩储层的岩石力学与脆性评价研究

页岩作为一种非常规储层,典型特点是低孔低渗,提高产能必须进行大规模的水力压裂,而储层压裂必须考虑脆性这一重要因素。沾化凹陷罗家地区沙三下亚段页岩油气资源丰富,从矿物组成、地球物理测井和三轴应力实验测试3个方面来研究页岩的脆性特征。研究结果表明,从页岩矿物组成角度来看,页岩脆性指数达到了56.3%,压裂后有利于形成复杂缝网系统;从地球物理的角度来看,页岩整体表现出高杨氏模量、低泊松比的特点,同时页岩脆性指数也都超过了40%,同样证明脆性程度较高;从三轴应力实验测试的角度来看,岩心样品的三轴压缩应力—应变曲线整体来说破坏形式都属于脆性破坏,再次表明页岩的脆性较好。综合以上结果可以得出这样的结论:沾化凹陷罗家地区沙三下亚段页岩脆性较好,具有一定的可压裂性。     

海陆过渡相不同页岩岩相的岩石力学特性及能量演化特征

针对海陆过渡相不同页岩岩相岩石力学特性及能量演化特征认识不足的问题,以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组山₂³亚段井下岩样为研究对象,开展了系列实验研究。结果表明:不同页岩岩相的力学特性差异较大,在单轴压缩实验下,硅质页岩相、黏土质页岩相抗压强度平均值分别为58.5、17.9 MPa;在单轴压缩条件下不同页岩岩相均有较强的脆性且为劈裂破坏,随围压增大,塑性增强且转变为剪切破坏,硅质页岩相破坏最严重;不同页岩岩相在峰值强度点处的能量参数有较大差异且受围压的影响程度不同,单轴压缩条件下硅质页岩相、黏土质页岩相、混合质页岩相的平均总能量分别为0.071、0.016、0.044 J/cm³。研究成果对海陆过渡相页岩储层井壁稳定和压裂优化研究具有一定的参考意义。     

含气页岩组分构成与岩石力学特性

页岩气储层的岩石力学特性能够影响钻井速度,进行含气页岩组构与岩石力学特性研究,可以为钻井设计和施工提供技术支持。采用X射线衍射分析、氩离子束剖光后扫描电镜观测和三轴岩石力学试验等方法,从矿物组分、微观结构、岩石力学性质等方面对蜀南页岩气钻井所取岩心和龙马溪组页岩野外露头进行了岩石力学特性研究。结果表明,龙马溪组含气页岩中黏土矿物的质量分数为16.3%~64.3%,伊利石占黏土总量的74.0%,不含蒙脱石,属于低水敏性页岩;粒径小于5 μm的基质矿物含量占绝对优势,其中分布少量细粉砂级碎屑或颗粒;平行于层理面方向和垂直于层理面方向的单轴抗压强度分别为137.0和132.4 MPa,45°方向抗压强度为平行层理面方向的66%,表明页岩力学性质存在明显的各向异性。      

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。     

页岩力学特性的层理效应及脆性预测

为系统研究层理面对页岩力学性质的影响机理,以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例,首先使用偏光显微镜及扫描电镜等对页岩岩样进行微观分析,可见页岩的层理、层间微裂缝及微孔隙等较发育,黏土矿物呈定向排列,层间胶结作用较弱;再通过岩石单轴压缩物理实验和RFPA （真实破裂过程分析）数值模拟,系统研究不同的层理角度、层理密度及层理面力学性能等对页岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性等参数的影响;最后,采用统计学方法提出一种基于层理密度、层理角度、单轴抗压强度及层理面力学性能等参数的页岩脆性预测新方法。结果表明：页岩的弹性模量随着层理角度的增加呈现先减小再增加之后再次减小再次增加的趋势。页岩的单轴抗压强度和脆性指数的特征曲线均近似为U型,随着层理角度的增加而先减小后增大,且在层理角度为45°左右时,两者均达到最小值,在层理角度为0°和90°附近时,两者的值均相对较大。随着层理角度的增加,页岩的泊松比整体上呈现先降低再增加而后再降低的趋势,并在30°左右出现最小值,在70°左右出现极大值。页岩的弹性模量、单轴抗压强度和脆性指数等参数总体随层理密度的增大而降低;泊松比随着层理密度的增大在不同的层理角度表现出不同的状态。不同层理角度岩石的破裂类型不同。强度参数、弹性参数、脆性及破裂模式等均表现出很强的各向异性特征。整体而言,针对页岩力学特性的层理效应研究及脆性预测,可为页岩气的合理开发及页岩气井的井壁稳定提供一定的理论参考。     

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。      

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。     

压裂后焖井期间页岩吸水起裂扩展研究——以四川盆地长宁区块龙马溪组某平台井为例

为了确定页岩气井压后的焖井时间,需要预测关井期间储层条件下页岩自吸压裂液对裂缝起裂扩展的影响。为此,基于裂缝闭合判断准则,针对四川盆地长宁区块三轴地应力测试结果,判定裂缝的闭合状态,然后基于张开裂缝的拉伸和剪切起裂准则,计算拉伸破坏和剪切破坏情况下的最大周向应力和最大有效剪切应力,并结合三轴及单轴岩石抗压力学实验和单轴巴西劈裂抗拉强度实验结果,获得裂缝起裂阈值压力,进而探讨了该区块下志留统龙马溪组页岩气井的合理焖井时间。研究结果表明:(1)该区块龙马溪组页岩气井压裂后,在焖井期间储层中的微裂缝总是保持开启的;(2)储层条件下裂缝所处的应力状态十分复杂,即使是张开裂缝,也有可能发生剪切破坏;(3)当裂缝倾角为0°时,裂缝尖端获得最大周向应力值,对应裂缝起裂角为0°,即裂缝会沿着最大水平主应力方向起裂延伸,当缝内流体压力低于70 MPa后,裂缝不会再产生拉伸起裂;(4)当裂缝倾角为0°时,对应最大有效剪切应力,此时裂缝起裂角为55°,当缝内流体压力低于60 MPa后,裂缝不再产生剪切起裂;(5)若要充分发挥页岩气井压裂后焖井期间压裂液的改造作用,该区块龙马溪组气井压裂后的合理焖井时间为5～10天。     

渝西地区五峰组—龙马溪组深层页岩储层力学脆性的非均质性特征 ——以Z-3井为例

为了研究储层力学脆性对层段优选的作用,针对页岩储层力学脆性的非均质性特征,以渝西地区Z-3井五峰组—龙马溪组页岩储层为例,通过手标本观测、岩石薄片观测、扫描电镜观测、X射线衍射、单轴抗压实验、三轴抗压实验、巴西抗拉强度等储层分析手段,测试评价储层的力学脆性特征,并表征其层段非均质性.结果表明,深层页岩储层物性受特殊储层...