页岩力学参数各向异性研究

页岩气开发过程中钻遇的页岩储层,由于其层理构造具有明显的各向异性,开展相关研究对钻井和储层改造是十分重要的。分析认为,可以假设页岩为横观各向同性介质,并从横观各向同性应力应变关系的坐标变换出发,能够推导出层理性页岩方向性的弹性模量、泊松比与垂直层理、平行层理方向弹性常数的关系。通过不同层理倾角页岩岩样的单轴压缩实验和超声波实验测量岩样的抗压强度、动静态弹性模量和动静态泊松比,研究了页岩层理对其力学参数的影响。实验和理论计算结果均表明：将层理页岩看做横观各向同性介质在力学上是相对准确的;垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比;动态弹性参数的各向异性程度强于静态弹性参数的各向异性程度;层理岩石弹性模量、泊松比随层理倾角有规律变化;根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。     

涪陵焦石坝区块页岩动静态弹性模量转换关系研究

油气开采过程中，常通过测井资料和室内试验2种方式获得岩石的力学参数，通过测井资料获得的动态力学参数与通过室内试验获得的静态力学参数相比，在资料的数量、实时性以及获取成本等方面都具有明显优势，而现有力学本构关系是基于静态力学参数建立的，因此有必要建立动静态力学参数的转换关系。鉴于此，选取层理发育完好的涪陵地区焦石坝区块下志留统龙马溪组页岩，逐一分析不同层理角度、孔隙度和声波频率对页岩弹性模量的影响，结果表明，层理角度对页岩弹性模量影响规律最强。根据试验结果，利用相关性分析法建立了层理角度与动静态弹性模量的转换关系模型，并对相同区块的页岩进行了模型验证，发现该模型预测值的平均误差小于6%，具有误差小且计算简单的特点。该研究结果可为获得层理性页岩的动静态弹性模量转换关系提供一种快速有效的方法。      

原位条件下致密储层岩体力学动静态参数校正

为更加准确测量储层岩体力学动、静态参数,归纳两者关系并探讨差异的影响因素,对岩体地下所处条件（即综合考虑围压、孔隙压力、温度和饱和流体的影响）进行了恢复,同步测量了49块不同地区储层岩样的动、静态参数。结果表明：①在原位条件下动、静态杨氏模量相关性好;②对于低渗透储层,动态杨氏模量普遍大于静态,而且随着岩样致密程度的增大差异变大;③针对不同样品,根据物性细分,各自建立动、静态参数图版,大大地提高了相关性和准确性。最后根据中国陆相松辽、鄂尔多斯两个大型盆地低渗透储层样品物性的差异,建立了原位条件下杨氏模量动、静态校正图版,为进一步建立低渗透油气藏岩体力学参数场和地应力场,优化压裂参数设计和提高施工成功率提供较可靠的资料。     

岩石弹性参数对渗流测试分析的影响

岩石的动、静弹性参数在地质勘探与油气开发等多种工程技术领域均有着重要的应用意义。采用岩石物性参数自动测试系统，进行了实验测试分析，得到了不同岩石的动、静弹性模量和动、静泊松比。分析结果表明：不同岩性的岩石动、静弹性参数关系并非线性关系，其中储层砂岩的动、静弹性模量关系为幂函数曲线，砂岩的动、静泊松比关系为二次函数曲线；使用上述函数，可以由岩石动弹性模量与动泊松比计算出储层岩石静弹性模量及静泊松比，再根据弹性模量与压缩系数的关系，可准确获得储层岩石的压缩系数，从而为油气渗流测试分析提供精确的基础资料。此外，根据砂岩气藏渗流气井实测压力恢复资料，进行了实例井的试井分析，得到了砂岩气藏渗流气井压力历史拟合曲线和双对数拟合曲线。研究表明：当岩石体积模量减小（即岩石压缩系数增大）引起综合压缩系数增大20%时，得到的岩石渗透率减小24.73%，井筒存储系数增大3.7%，表皮系数减小44.92%。因此，岩石弹性参数对渗流测试分析有着较大地影响。     

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。      

利用地应力校正致密砂岩储层弹性参数方法

文章以川西地区三叠系致密砂岩储层为例,利用差应变实验测试及压裂法确定储层地应力大小,在考虑岩石热膨胀系数(β)基础上,提出了利用地应力校正致密砂岩弹性参数(杨氏模量及泊松比)的方法,同时与常规解释方法进行了对比。研究结果表明,利用常规方法所建立的致密砂岩储层泊松比动静态值转换关系可靠性较低;而杨氏模量的动静态值转换关系基本可靠。β对地应力的影响不容忽视,目的层致密砂岩β值取9×10^-6/℃时,所提出的预测模型可靠。通过本文方法对弹性参数进行校正后,弹性参数变化规律与地应力间具有更好的相符性。该方法相比常规方法而言,解释结果更为合理。本文所取得认识对指导非常规致密储层地应力场模拟、压裂设计及井网优化等方面均具有一定参考价值。     

徐深气田A区块岩石力学参数及地应力分析

松辽盆地徐深气田A区块下白垩统营城组火山岩储层非均质性强,单井自然产能低,储层的岩石力学性质、地应力特征与储层中裂缝的分布情况有着密切关系,是油田后期开发井网部署、水平井优化设计、压裂方案制定的重要依据。通过岩石力学参数测试分析了工区营城组火山岩的岩石力学参数特征,找出了动、静态岩石力学参数之间相关关系;通过波速各向异性结合测井解释确定了工区水平最大主应力方向,并利用声发射效应计算了水平最大、最小主应力值及应力梯度。结果表明:①营城组火山岩的岩石力学参数明显高于沉积岩,且火山岩中不同岩性之间岩石力学参数存在差异性;②动静态岩石力学参数相关关系表现为静态弹性模量和动态弹性模量相关性一般,静态泊松比和动态泊松比相关性较差;③火山岩水平最大主应力方向在NE83.4～129.6°,多集中在NE106.1°附近;④火山岩主应力随深度增加而增大,水平最大主应力介于83.8～96.1MPa,水平最小主应力介于63.9～79.9 MPa。结论认为,该区水平井轨迹延伸方向为SN向且施工压裂大于87 MPa时,更易形成纵横交错的裂缝网络。     

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。     

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。     

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。     

川东北地区致密碎屑岩动静弹参数实验研究

利用“MTS系统”对四川盆地东北部上三叠统和中侏罗统致密碎屑岩进行了模拟地层条件下的波速及力学参数同步测试,并讨论了弹性参数的变化规律以及动静态参数间的关系。随着岩石中泥质含量和孔隙度的增加,波速和杨氏模量均降低。多数情况下,平行层理方向样品的波速、动态杨氏模量和体积模量大于垂直层理方向。随着温度的升高,波速、动态杨氏模量和体积模量都呈下降趋势。随着有效围压的增加,波速、动态杨氏模量和体积模量均呈现增加趋势,而泊松比在饱水时降低、干燥时增加。随着轴向差应力的增加,波速先增后降;对于砂岩,纵横波峰值速度大致在极限强度的80%和50%处。饱水样品的纵波速度和动弹模量明显大于干燥样品,而横波速度与饱水与否无关。动杨氏模量大于静杨氏模量,而动静泊松比间的相对大小关系不明显。      

非成岩弱胶结天然气水合物沉积物弹性力学参数的实验分析

海洋环境中的大部分天然气水合物(以下简称水合物)都存在于弱胶结沉积物中,原状取心难度大、成本高,因而不得不通过室内试验来了解水合物声学性质与弹性力学性质之间的关系。为此,通过室内制备水合物沉积物样品,并对其进行岩石物理实验,通过实验测得了水合物沉积物的岩电、声波参数,根据弹性理论计算出3种不同三轴压力、3种不同粒径骨架、3种不同泥质含量情况下的动态弹性力学参数,分析不同条件对水合物沉积物动态弹性力学参数的影响规律。研究结果表明:(1)在一定的水合物饱和度范围内,水合物的饱和度和沉积物的弹性参数呈现出一定的正比关系;(2)当水合物饱和度一定时,随着粒径(0.125～1.180mm)的变大、泥质含量的减少、轴压的增大,水合物沉积物的动态杨氏模量增大,而泊松比与轴压的关系则不大;(3)建立了弹性参数与泥质含量、轴压的关系模型。结论认为,利用声波测井方法分析水合物的动态弹性力学参数,可以解决水合物取心难、造价高、无法获取连续数据的问题;该研究成果为利用测井资料计算水合物沉积物的力学性质提供了借鉴和参考。     

岩性、含油气性、声波动力学特征规律的研究

在正旋回砂砾岩储层中,采集8种不同岩性的典型样品,在五种含油(气)水饱和状态下油饱和(S_o=100%)、水饱和(S_w=100%)、气饱和(S_g=100%)、束缚水(S_wi)、残余油(S_or)测试了不同有效覆盖压力(ΔP)下的纵横波速度V_p、V_s和力学参数(体积模模量K、扬氏模量E、切变模量μ、拉梅常数λ、泊松比v和密度ρ).通过分析表明:(1)弹性模量E、K、μ、λ随ΔP增加而增加,随ΔP变化在低压范围比高压范围更敏感;(2)同一油、气水饱和状态下,同一非均质单层的岩性变化范围控制了弹性模量一有效覆盖压力曲线族的宽度;(3)无论岩样的岩性、物性以及压力条件如何,弹性模量(E、K、μ、λ)和泊松比v与饱和度均呈线性关系;(4)在同一非均质单层内,岩石的模理一压力变化曲线族随着含油、气、水饱和状态的不同具有明显的分带性;(5)同一非均质单层内,岩样的动态压缩系数与静态压缩系数之间存在很好的相关关系。     

高温高压下蒙脱石水化特性的分子模拟

页岩中黏土矿物的水化膨胀是影响页岩气井井壁稳定性的一个重要因素，蒙脱石作为黏土矿物的主要成分，其水化机理对于解决页岩气井井壁失稳问题至关重要。为了深入探索高温高压地层环境下蒙脱石的水化机理，利用分子模拟软件从微观角度研究了不同水化程度的蒙脱石在不同温度压力条件下的晶层间距、晶层间物质的移动规律、离子水化参数以及力学参数的变化。研究结果表明:温度增加、压力降低时，蒙脱石层间距随之增加，且温度对层间距的影响较大，层间距范围在1.823～2.042 nm之间；层间水分子和钠离子的扩散速率随温度增加而加快，随压力升高而减慢；低温高压时钠离子的水化配位数较大，配位数范围在2.35～4.35之间；温度增加时，蒙脱石晶体的体积模量、剪切模量以及弹性模量随之减小，泊松比随之增加，而压力对蒙脱石晶体力学参数的影响却恰恰相反。可见，本文的研究结果对于高温高压地层环境下页岩地层水化机理的研究具有重要的理论指导意义。      

叠前地质统计学反演在页岩甜点和薄夹层预测中的应用——以西加拿大盆地W区块为例

页岩气是一种非常规天然气。在少井地区,在井之间预测高TOC （总有机碳含量）、高脆性及裂缝发育的甜点一直是页岩气勘探与开发的重要环节。西加拿大盆地W区块页岩目的层段厚度较薄（地震反射时间最大为20ms）,层内发育多套灰岩薄夹层（厚度为0.5～3m）,脆性页岩和塑性泥岩纵波阻抗值存在重叠区间,利用地震资料预测页岩甜点和灰岩薄夹层困难。为此,从岩石物理弹性参数分析出发,建立页岩甜点的岩石物理评价模板,明确了页岩甜点和灰岩夹层的弹性参数特征;应用三维岩性约束叠前地质统计学反演方法预测高TOC、高脆性页岩及灰岩夹层。主要步骤有：①分析页岩储层岩石物理参数,页岩有利目标具低泊松比、中值杨氏模量、高TOC、高脆性,灰岩夹层具高泊松比、高杨氏模量、低TOC、高密度特征;②一维约束地质统计学反演预测页岩有利区和夹层的参数测试;③三维约束叠前地质统计学反演预测页岩有利区及夹层。预测结果表明,高TOC、高脆性页岩与裂缝发育的叠合区为甜点目标区,优选页岩甜点发育且灰岩夹层厚度小的区带为有利的井位部署区,确保了水平井段优质储层的钻遇率高,产气量大。     

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。