川西地區(qū)須家河組深層致密砂巖靜力學(xué)特征對比

徐 浩,姚 勇, 趙毅楠,張 沖,周 文,2,謝潤成,2

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院,四川成都 610059;2,油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

川西地區(qū)須家河組深層致密砂巖靜力學(xué)特征對比

徐 浩1,姚 勇1, 趙毅楠1,張 沖1,周 文1,2,謝潤成1,2

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院,四川成都 610059;2,油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

選取不同層段的砂巖樣,利用“MTS巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)”對川西地區(qū)須家河組儲層進(jìn)行了巖石靜力學(xué)參數(shù)的測定，結(jié)果表明：須五段巖石塑性特征明顯強(qiáng)于須二段、須四段；須家河組砂巖的破裂次序?yàn)閺埰屏鸦蚣羝屏?擴(kuò)張破裂；巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨埋深增加而增大。

川西地區(qū)；須家河組;致密砂巖；力學(xué)特征

川西地區(qū)侏羅系與上三疊統(tǒng)天然氣資源量十分豐富,現(xiàn)階段該地區(qū)的主力氣層是上三疊統(tǒng)須家河組以及侏羅系的沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組[1]，其中，川西須家河組的天然氣儲量開采潛力巨大。石油工程中井筒穩(wěn)定、產(chǎn)砂預(yù)測、壓裂工程設(shè)計(jì)及井網(wǎng)布置等都涉及到巖石力學(xué)問題[2-4]，本文利用“MTS巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)”測試了須家河組的主力產(chǎn)層(須二段、須四段)以及潛力層(須五段)的巖石力學(xué)參數(shù)，探究其巖石力學(xué)特征的相似性及差異性，為進(jìn)一步的工程施工提供可靠依據(jù)。

1 地層特征

川西新場氣田上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)，埋深一般在3 000 m以上，由上至下分為4段：須五段(T3x5)主要為黑色泥頁巖與鈣屑砂巖、巖屑砂巖不等厚互層；須四段(T3x4)主要為巖屑砂巖、巖屑長石石英砂巖、長石巖屑石英砂巖等；須三段(T3x3)主要為黑色泥頁巖，中間夾灰色巖屑砂巖；須二段(T3x2)：巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖、鈣屑砂巖等。其中，須二段、須四是目前新場氣田主要的產(chǎn)氣層段，孔隙度、滲透率都極低，屬于致密砂巖氣儲集層；須三段、須五段被認(rèn)為是主要的烴源巖層[5]。隨著對非常規(guī)油氣的認(rèn)識深入，有學(xué)者對比了美國地區(qū)頁巖氣，認(rèn)為須五段可作為致密氣與頁巖氣進(jìn)行進(jìn)一步勘探開發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 測試系統(tǒng)和方法

本次實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)儀器為美國生產(chǎn)的“MTS巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由數(shù)字電液伺服剛性巖石力學(xué)測試、超聲波測量、孔滲變化測試三個子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)最高軸壓1000 kN，圍壓140 MPa，孔壓70 MPa，環(huán)境溫度200 ℃。該系統(tǒng)可模擬深度0～6 000 m各種地層條件(包括不同溫度與壓力組合、飽水或飽氣條件)下，巖石力學(xué)、超聲波、孔滲等多項(xiàng)參數(shù)的測試[6-7]。

巖心樣品為直徑50 mm，長度100 mm的圓柱樣，測試樣品飽和鹽水或地層水，在常溫和模擬圍壓下進(jìn)行，圍壓從零開始逐步加大，直到模擬地層的有效圍壓條件。在達(dá)到預(yù)設(shè)的圍壓下，加載作用力，加載過程中由系統(tǒng)自動記錄載荷大小和試樣的變形情況，最終得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并通過分析進(jìn)一步獲得巖石的抗壓強(qiáng)度、靜彈性模量和靜泊松比[8-9]。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變特征

由須五段砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1)可知，在較低的有效圍壓條件下巖石的破裂呈現(xiàn)分離性，在較高有效圍壓條件下巖石的破裂呈現(xiàn)較明顯的剪切性。巖石的非彈性變化及擴(kuò)容均表明巖石內(nèi)部顆粒出現(xiàn)滑移，伴隨產(chǎn)生裂縫，誘使裂縫兩側(cè)巖體滑移和巖石體積的增加。當(dāng)圍壓增加到一定值，巖石內(nèi)部顆粒之間因?yàn)轭w粒效應(yīng)造成對顆?；频囊种?，這時巖石就主要依靠發(fā)生塑性變形來應(yīng)對外來施加的應(yīng)力。須五段的塑性強(qiáng)于須二段、須四段。

室溫25 ℃、飽和鹽水、圍壓(32 MPa)條件下，須家河組砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2))顯示，須五段的砂巖主要是彈-塑性變形，塑性變形占總變形的35%以上。須四段砂巖主要是塑-彈-塑性變形，曲線似“S”型，初始階段有小量塑性變形，由于縫隙的影響會有一段壓密段，之后是直線段(即彈性變形段)，直至破壞前又產(chǎn)生塑性變形段。須二段的砂巖主要是彈性變形，彈性變形段占了總變形的85%以上。

圖1 須五段砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 須家河組砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

砂巖破裂前總的變形量為0.8%～1.2%，變形類型包括了彈一塑性變形(須五)、塑一彈一塑性變形(須四)、彈性變形(須二)。

3 靜力學(xué)特征分析

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)在相同條件(25 ℃、飽和鹽水)下用三軸力學(xué)測試以及巖石劈裂法，測得巖石的靜力學(xué)參數(shù)。結(jié)果如表1所示。

表1 不同層段巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

須家河組由上向下的三段依次為須五段、須四段、須二段，砂巖抗壓強(qiáng)度分別為 191.51、239.00、462.00 MPa，呈依次遞增趨勢，這主要與埋深和巖石礦物類型相關(guān)。

可看出須家河組三個層段的砂巖巖石強(qiáng)度都表現(xiàn)為抗張-抗剪-抗壓逐漸增大，產(chǎn)生破裂次序?yàn)閺埰屏鸦蚣羝屏?擴(kuò)張破裂。由應(yīng)力應(yīng)變曲線研究發(fā)現(xiàn)，須五段的巖石塑性較強(qiáng)，破裂產(chǎn)生的條件要求應(yīng)該變高。須五段的抗張強(qiáng)度要大于須二段和須四段的抗張強(qiáng)度，且須五段塑性較大，說明在相同張應(yīng)力作用下，須五段可能發(fā)生變形，須二段、須四段更易產(chǎn)生張破裂。實(shí)際地質(zhì)情況也證實(shí)了須二段、須四段的裂縫發(fā)育情況較好，這也是這兩層能形成良好儲集層的一個重要因素。對不同深度樣品的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，埋深增大，抗壓強(qiáng)度和彈性模量也隨之增大(圖3)。分析其原因可能是隨著埋深增加，巖石的壓力增大，壓實(shí)程度也增加，巖石顆粒之間膠結(jié)更強(qiáng)，孔隙空間減小。巖石的致密性強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度也增大。對須家河組的砂巖抗壓強(qiáng)度與靜彈性模量作相關(guān)性擬合，得到良好的線性關(guān)系：y=0.082x+15.50，兩者的相關(guān)性較好(圖4)。

4 結(jié)論

(1)須家河組三個層段的砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定差異，須二段主要變形類型為彈性變形，須四段主要變形類型為塑一彈一塑性變形，須五段主要變形類型為彈一塑性變形，須五段的塑性明顯。

圖3 須家河組抗壓強(qiáng)度、彈性模量與深度關(guān)系

圖4 須家河組抗壓強(qiáng)度與彈性模量相關(guān)性

(2)須家河組砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量與深度都成正相關(guān)，推測其巖石致密性越大，抗壓強(qiáng)度越大；砂巖抗壓強(qiáng)度與靜彈性模量的線性相關(guān)性較好。

(3)須五段、須四段、須二段的砂巖巖石強(qiáng)度都表現(xiàn)為由抗張-抗剪-抗壓逐漸增大，須五段塑性相對明顯，且抗張強(qiáng)度較大，在相同張應(yīng)力作用下，須五段可能發(fā)生變形，須二段、須四段更易產(chǎn)生張破裂，形成裂縫。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)04-0131-03

2015-01-26

徐浩，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)地質(zhì)。

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