評價(jià)蓋層有效性的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

李雙建，周 雁，孫冬勝

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

評價(jià)蓋層有效性的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

李雙建，周 雁，孫冬勝

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層埋藏過程中蓋層韌脆性轉(zhuǎn)變，通過三軸卸載實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層抬升過程中泥巖破裂過程。通過70個樣品的三軸壓縮測試實(shí)驗(yàn)，擬合出硬石膏、泥巖和泥灰?guī)r3種巖性蓋層由脆性向韌性轉(zhuǎn)變的臨界圍壓分別為68.5,81.35和92.35 MPa，折合埋深分別為4 029,4 782和5 429 m。通過對泥巖蓋層的卸壓實(shí)驗(yàn)擬合出蓋層的破裂圍壓與主壓應(yīng)力的數(shù)學(xué)回歸方程：y=2.929 6x+134.28(R2=0.83)。該研究結(jié)果除了進(jìn)一步證實(shí)泥巖在一定埋深下仍具有良好的塑性和封閉性能以外，還提供了研究蓋層韌脆性轉(zhuǎn)化和抬升過程中破裂邊界的定量評價(jià)參數(shù)，為定量研究蓋層有效性提供了基礎(chǔ)。

三軸壓縮實(shí)驗(yàn)；三軸卸載實(shí)驗(yàn)；脆韌性轉(zhuǎn)變；封閉性；蓋層

蓋層的好壞直接影響油氣在儲集層中的聚集和保存，特別是在多旋回構(gòu)造演化盆地中，油氣藏經(jīng)歷多期構(gòu)造調(diào)整，地層褶皺變形強(qiáng)烈，對保存條件要求高，所以在這些地區(qū)具有良好流動性的蒸發(fā)巖是最為常見的一類蓋層，蒸發(fā)巖蓋層的礦物組成和排列決定了它具有高的油氣封閉能力[1-6]。但是勘探實(shí)踐證明并不是所有的膏巖都具有流動性，例如川東南丁山1井中寒武統(tǒng)膏巖埋深2 700 m，累計(jì)厚度16 m，從鉆井取心和測、錄井資料上看，該井膏巖沒有發(fā)生塑性流動，被齊岳山斷裂錯開，失去了封閉性。一般認(rèn)為，泥巖蓋層在中成巖B期的封閉性能最強(qiáng)，隨著成巖作用的加深，其脆性增強(qiáng)，封閉性能降低[7-8]。但是，基于一些高演化泥巖蓋層仍然可以成為天然氣氣藏有效蓋層的事實(shí)，有人對泥質(zhì)巖蓋層封蓋性能隨成巖演化變化趨勢提出置疑[9-10]。如威遠(yuǎn)地區(qū)震旦系氣藏的直接蓋層為寒武系高演化泥巖，其成巖階段已經(jīng)達(dá)到了晚成巖階段，泥巖的Ro普遍在3.0%以上，但仍能有效封閉震旦系氣藏。

由此可見，對于膏巖蓋層和高演化泥巖蓋層的封閉性好壞，不能一概而論。無論何種類型的蓋層，伴隨著褶皺和構(gòu)造抬升的斷裂切割與微裂隙滲漏是造成其有效性變差的主要因素，評價(jià)和界定蓋層脆—韌性轉(zhuǎn)變和微裂縫集中產(chǎn)生的地質(zhì)條件是評價(jià)蓋層有效性的關(guān)鍵問題。為此，本文設(shè)計(jì)了模擬地層條件下蓋層埋藏和抬升過程中，變圍壓條件下，蓋層的三軸應(yīng)力—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，以此達(dá)到界定不同巖性的蓋層脆—韌性轉(zhuǎn)變和微裂縫產(chǎn)生邊界條件的目的。

1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

巖石三軸應(yīng)力—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)可以獲取相應(yīng)于巖體不同圍壓(或深度)的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及內(nèi)聚力C 和摩擦角等數(shù)據(jù)，這些物理參數(shù)可用于評價(jià)巖石在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律。目前三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用在地質(zhì)工程領(lǐng)域[11-16]，在石油工程領(lǐng)域主要用于評價(jià)鉆井風(fēng)險(xiǎn)、致密儲層壓裂和裂縫型油氣藏開發(fā)等方面[17-22]，用于油氣勘探過程中的蓋層評價(jià)研究比較少[23]。國外學(xué)者很早就注意到油氣蓋層的滲漏與其巖石力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系，開展了很多不同類型的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用其評價(jià)蓋層的完整性，并應(yīng)用不同的力學(xué)參數(shù)定義了泥巖的脆性。但是，由于采用的力學(xué)參數(shù)不一致，導(dǎo)致脆性的表達(dá)方式不一[24-28]，造成研究過程中難以取得統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。油氣蓋層在埋藏和抬升過程中，均會產(chǎn)生脆性變化和微裂縫，關(guān)于這方面的實(shí)驗(yàn)研究比較少。

2 蓋層三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

蓋層三軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層埋藏過程中蓋層脆—韌性轉(zhuǎn)變的地質(zhì)過程。理論上隨著圍壓的增大，巖石有從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的趨勢(圖1)，當(dāng)巖石變?yōu)樗苄詴r(shí)極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度趨于相同。應(yīng)用這一原理，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M建立圍壓與極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之差的數(shù)學(xué)回歸方程，利用這一方程求解出極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度相同時(shí)的圍壓，即為蓋層巖石由脆性向韌性轉(zhuǎn)化的邊界圍壓，利用圍壓與深度的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以評估巖石在實(shí)際地層條件下是否處于塑性變形階段，以此評價(jià)蓋層的優(yōu)劣。

圖1 圍壓增加時(shí)巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線典型變化趨勢

2.2實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 制樣

依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266-99》，將鉆井巖心加工成試件。試件為圓柱體，直徑約為25 mm，試件高度與直徑之比在2.0～2.5之間，試件兩端平面不平整度小于0.05 mm，沿試件高度直徑的誤差小于0.3 mm，端面垂直于試件軸線最大偏差小于0.25°。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，主機(jī)采用美國MTS三軸主機(jī)結(jié)構(gòu)，剛度大于10 GN/m，軸壓2 000 kN，圍壓100 MPa，孔隙水壓60 MPa，溫度0～200 ℃，試件直徑25～100 mm，最小采樣時(shí)間間隔為1 ms。該機(jī)可進(jìn)行單軸、三軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程試驗(yàn)，恒速、變速、循環(huán)加卸載及多種波形控制實(shí)驗(yàn)，采用引申計(jì)測量試件的軸向和徑向變形，力傳感動態(tài)測量軸向力。在三軸壓縮試驗(yàn)中對試件進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，選定圍壓，圍壓范圍一般為0～100 MPa，加大軸壓直至巖石破壞，加載速度設(shè)定為0.01 mm/min，微機(jī)實(shí)時(shí)記錄巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取了硬石膏、高演化泥巖和泥灰?guī)r3種常見巖性的油氣蓋層，進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。其中硬石膏蓋層部分樣品來自川東北河壩1井下三疊統(tǒng)嘉陵江組，經(jīng)全巖X-衍射分析，樣品的硬石膏含量為99.6%，另外一部分樣品的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引自黃英華[29]。高演化泥巖樣品取自四川盆地川東南丁山1井下寒武統(tǒng)和鄂爾多斯盆地富古7井奧陶系，這些樣品的Ro值均大于2.0%。泥灰?guī)r樣品取自四川盆地普光5井和毛壩3井的二疊系。

通過對21個硬石膏樣品不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變曲線的分析，獲得了不同圍壓下樣品峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差值等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。由表1和圖2可以看出，硬石膏的峰值強(qiáng)度(σp)和殘余強(qiáng)度(σr)與圍壓(σc)具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著圍壓的增大，硬石膏的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均增大，而且殘余強(qiáng)度的增加幅度要比峰值強(qiáng)度大，當(dāng)硬石膏巖石的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度接近相等時(shí)巖石由脆性向韌性轉(zhuǎn)變。所以，通過計(jì)算圍壓與峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以獲得巖石的脆延轉(zhuǎn)變臨界圍壓。通過硬石膏峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之差(σp-σr)和圍壓(σc)的線性回歸分析(圖3)， 可得回歸關(guān)系為：

表1 硬石膏蓋層三軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 硬石膏峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與圍壓關(guān)系

圖3 硬石膏圍壓與極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之差的關(guān)系

σp-σr=60.143-0.877 7σc，相關(guān)系數(shù)R=0.727 4

當(dāng)峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之差為零時(shí)，硬石膏完全由脆性向韌性轉(zhuǎn)化，此時(shí)的圍壓即為臨界轉(zhuǎn)化圍壓，根據(jù)峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之差(σp-σr)和圍壓(σc)的數(shù)學(xué)回歸關(guān)系，計(jì)算得到石膏由脆性轉(zhuǎn)化為韌性的臨界圍壓為68.5 MPa。

利用同樣的方法獲得了12個高演化泥巖和17個泥灰?guī)r蓋層樣品的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)(表2,3)。通過對這些樣品的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差值與圍壓的關(guān)系分析(圖4,5)，得出了高演化泥巖和泥灰?guī)r峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之差(σp-σr)和圍壓(σc)的回歸關(guān)系分別為：

σp-σr=96.498-1.186 4σc,相關(guān)系數(shù)R=0.479 6

σp-σr=98.94-1.071σc,相關(guān)系數(shù)R=0.565 2

通過計(jì)算得出高演化泥巖和泥灰?guī)r由脆性向韌性轉(zhuǎn)變的界限圍壓分別為81.3 MPa和92.3 MPa。

表2 高演化泥巖蓋層三軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3 泥灰?guī)r蓋層三軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 高演化泥巖圍壓與極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之差的關(guān)系

圖5 泥灰?guī)r圍壓與極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之差的關(guān)系

在地層條件下，巖石受到的水平擠壓力往往大于垂向壓力，尤其是在淺埋藏地區(qū)，水平壓力會是垂向壓力的數(shù)倍[30]，由此可見，在模擬地層條件下三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的圍壓應(yīng)該與垂向壓力相同。不考慮孔隙流體壓力情況下，地層有效上覆壓力值確定公式為：

pH=0.010 133(ρD-ρw)H[31]

式中，pH:地層上覆壓力，MPa；ρD:巖樣密度，g/cm3，取2.7 g/cm3；ρw:地層水密度，g/cm3，取10 g/cm3；H:取樣深度，m。

由此可以計(jì)算出不同巖性蓋層由脆性向韌性轉(zhuǎn)化的臨界深度。硬石膏的臨界圍壓為68.5 MPa，折合臨界深度為4 029 m；泥巖的臨界圍壓為81.3 MPa，折合臨界深度為4 782 m；泥灰?guī)r的臨界圍壓為92.3 MPa，折合臨界深度為5 429 m。

3 三軸卸載實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)原理

三軸卸載實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)恒定軸壓卸圍壓的應(yīng)力應(yīng)變過程，這與地層抬升過程巖石受力過程相似。理論上，同一巖石在同一水平應(yīng)力場作用下，破裂的圍壓是恒定的，通過巖石卸載實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同應(yīng)力場背景下巖石的破裂圍壓，建立破裂圍壓與主應(yīng)力場的數(shù)學(xué)關(guān)系式，通過區(qū)域應(yīng)力場恢復(fù)，可以明確區(qū)域蓋層的有效埋深范圍。

3.2實(shí)驗(yàn)過程

三軸卸載實(shí)驗(yàn)選取了塔里木盆地沙86井志留系高演化泥巖4個樣品，實(shí)驗(yàn)過程中對三軸缸內(nèi)的巖樣依次增加軸壓和圍壓，以免在加壓過程中將巖樣破壞，當(dāng)軸向應(yīng)力到達(dá)預(yù)定值(小于三軸抗壓強(qiáng)度，但遠(yuǎn)大于巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度)后，保持軸向位移不變，逐漸卸去圍壓使巖樣破壞，卸載速率設(shè)定為0.1 MPa/s，典型的巖石三軸卸載曲線如圖6。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

泥巖蓋層三軸卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，巖石的破壞圍壓與軸壓成正比例關(guān)系(表4,圖7)，高軸壓對應(yīng)高破壞圍壓，預(yù)示著高水平地應(yīng)力區(qū)，蓋層有效埋深要深。該實(shí)驗(yàn)還獲得了水平地應(yīng)力與有效臨界圍壓的數(shù)學(xué)回歸方程：σ1=58.455+3.062 4σc(相關(guān)系數(shù)R=0.974 2)。將圍壓折合成地層埋深可以得到水平地應(yīng)力與有效埋深的數(shù)學(xué)關(guān)系方程：σ1=134.28+0.050 5H。依據(jù)該方程可以求解出某一應(yīng)力場背景下蓋層不產(chǎn)生大規(guī)模破裂的最小埋深。

圖6 巖石三軸卸載實(shí)驗(yàn)壓力變化曲線

圖7 巖石三軸卸載實(shí)驗(yàn)破壞圍壓與最大主應(yīng)力關(guān)系

樣品編號巖性密度/(g·cm-3)圍壓/MPa軸壓/MPa破壞圍壓/MPaS865-10/46褐色泥巖2.6810159.276.838S865-13/46褐色泥巖2.7620163.2411.051S865-2/46褐色泥巖2.7130182.3420.843S865-7/46褐色泥巖2.784021623.982

4 結(jié)論

1)伴隨著褶皺和構(gòu)造抬升的斷裂切割和微裂隙滲漏是蓋層有效性變差的主要因素。蓋層產(chǎn)生裂縫的條件受巖石的脆韌性、應(yīng)力場大小、埋深和孔隙流體壓力等因素影響。

2)蓋層巖石的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所有巖性的蓋層在低圍壓狀態(tài)均表現(xiàn)為脆性，隨著圍壓的增加巖石由脆性向韌性轉(zhuǎn)變，不同巖性的蓋層脆—韌性轉(zhuǎn)變的圍壓，即地層埋深有所不同。硬石膏蓋層由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性的臨界圍壓為68.5 MPa，折合臨界深度為4 029 m；泥巖蓋層由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性的臨界圍壓為81.3 MPa，折合臨界深度為4 782 m；泥灰?guī)r蓋層由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性的臨界圍壓為92.3 MPa，折合臨界深度為5 429 m。

3)蓋層巖石的三軸卸載實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在地層抬升過程中，在某一特定的應(yīng)力場蓋層會集中在某一深度產(chǎn)生破裂，水平應(yīng)力值越大，蓋層集中破裂的埋深越深。水平地應(yīng)力與有效埋深的數(shù)學(xué)回歸方程可以表示為：σ1=134.28+0.050 5H(相關(guān)系數(shù)R=0.832 7)。

4)蓋層的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)除了進(jìn)一步證實(shí)認(rèn)為高演化泥巖在一定埋深下仍具有良好的塑性和封閉性能以外，還提供了研究蓋層韌脆性轉(zhuǎn)化和抬升過程中破裂邊界的定量評價(jià)參數(shù)，為定量研究蓋層有效性提供了基礎(chǔ)。

5)影響蓋層封閉性的因素很多，完全仿真地層條件下蓋層力學(xué)性質(zhì)變化的實(shí)驗(yàn)測試也需要更為細(xì)致的工作，精確合理的定量評價(jià)公式還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。本文利用三軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層埋深過程中不同巖性蓋層脆韌性轉(zhuǎn)化過程，利用三軸卸載實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層抬升過程中蓋層集中產(chǎn)生破裂的地質(zhì)過程，雖然在方法上為評價(jià)蓋層有效性提供了一種可行的手段，但是實(shí)驗(yàn)取得的定量參數(shù)仍有待于進(jìn)一步證實(shí)和完善。

致謝：感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李守定博士在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程中的幫助和指導(dǎo)。

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(編輯黃 娟)

Rockmechanicexperimentstudyofevaluationoncaprockeffectiveness

Li Shuangjian, Zhou Yan, Sun Dongsheng

(SINOPECExploration&ProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

The brittle-ductile transition process is simulated through triaxial compression test, and the breaking process is simulated through triaxial unloading test in this paper. The brittle-ductile transition threshold limit confining pressure of gypsum, mudstone and marlstone are gotten by triaxial compression test of 70 samples. They are 68.5, 81.35 and 92.35 MPa, respectively, which amount to buried depth of 4 029, 4 782 and 5 429 m, respectively. The mathematical relation between break confining pressure and principal compressive pressure is gotten by triaxial unloading test. The mathematical formula isy=2.929 6x+134.28(R2=0.83). The study results not only prove that mudstone has plastic and sealing capability at certain buried depth, but also provide quantitative evaluation parameters of brittle-ductile transition and break limit condition of cap rock, which lay the foundation for quantitative evaluation on cap rock effectiveness.

triaxial compression test; triaxial unloading test; ductile-brittle transition; sealing; cap rock

1001-6112(2013)05-0574-05

10.11781/sysydz201305574

TE122.2+5

A

2012-12-07；

2013-07-22。

李雙建(1978—)，男，高級工程師，從事石油地質(zhì)勘探研究。E-mail: hawkingli@163.com。

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05005-001)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973計(jì)劃”項(xiàng)目(2012CB412800)和國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目(40739904)聯(lián)合資助。