吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密儲集層巖石力學特征

高陽，王英偉，王玉多，謝天壽，劉剛，王黎

（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.克拉瑪依市地質工程有限責任公司，新疆克拉瑪依834000；3.北京陽光杰科科技股份有限公司，北京100192）

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吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密儲集層巖石力學特征

高陽1，王英偉1，王玉多2，謝天壽1，劉剛3，王黎1

（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.克拉瑪依市地質工程有限責任公司，新疆克拉瑪依834000；
3.北京陽光杰科科技股份有限公司，北京100192）

摘要：吉木薩爾凹陷致密油藏儲量巨大，但儲集層孔滲性差，其單井產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長、開發(fā)成本高，系統(tǒng)地研究儲集層巖石物理力學和地應力特征，對致密油藏的勘探開發(fā)有著重要意義。為了認識致密油藏儲集層的巖石力學特征，建立儲集層巖石力學參數(shù)測井評價模型，優(yōu)化工程技術措施，選取吉A井和吉B井全直徑巖心，在圍壓分別為0.689 5 MPa，11.032 0 MPa，22.064 0 MPa下進行聲波測試和三軸抗壓測試。結果表明，縱波和橫波速度、動靜態(tài)楊氏模量相互關系顯著，三軸抗壓強度隨圍壓增大近似線性增大，圍壓對樣品的破壞形態(tài)具有顯著影響。

關鍵詞：準噶爾盆地；吉木薩爾凹陷；致密油藏；巖石力學；實驗研究；各向異性

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起的西南部，北部與沙奇凸起，南抵阜康斷裂帶，西接北三臺凸起，向東逐漸過渡為古西凸起，面積1 278 km2（圖1）。致密油藏儲集層為中二疊統(tǒng)蘆草溝組，在凹陷內(nèi)均有分布。蘆草溝組發(fā)育上、下2個甜點體，上甜點體平均厚度24.8 m，下甜點體平均厚度34.8 m，井控資源量10.18×108t，勘探開發(fā)潛力巨大[1-2]。

圖1　吉木薩爾凹陷構造位置

蘆草溝組上、下甜點體物性差，平均孔隙度10%，平均滲透率0.01 mD[3]，屬于低孔、特低滲致密儲集層，單井產(chǎn)量低，開發(fā)難度大。為提高單井產(chǎn)量，大規(guī)模推廣應用了水平井分級壓裂改造技術[4-5]。但由于對致密油藏儲集層的巖石力學特性認識不清，制約了對地應力、儲集層脆性、壓裂縫網(wǎng)擴展機理等的研究，影響了工程技術措施的針對性和有效性。例如，前期的水平井鉆井過程中，由于計算的坍塌壓力不準，使用的鉆井液密度不合理，導致某井水平段全井段井徑擴大；吉172_H井水平段分級壓裂改造后獲高產(chǎn)油流，而開發(fā)先導試驗區(qū)的若干水平井分級壓裂改造后產(chǎn)量提高不明顯，儲集層改造效果參差不齊。因此，對蘆草溝組甜點體進行巖石力學實驗研究，查明巖石力學特性，對于致密油藏的高效開發(fā)具有重要意義。

1　巖石的力學性質

巖石的力學性質包括巖石的變形特性和強度，可用力學參數(shù)來描述。巖石力學參數(shù)包括彈性參數(shù)和強度參數(shù)。彈性參數(shù)包括楊氏模量（E）、體積模量（K）、剪切模量（G）、泊松比（υ）。彈性參數(shù)又分為動態(tài)彈性參數(shù)和靜態(tài)彈性參數(shù)。動態(tài)彈性參數(shù)一般通過測井資料或地震數(shù)據(jù)來獲取，靜態(tài)彈性參數(shù)只能通過室內(nèi)巖心實驗獲得，石油工程應用中宜采用靜態(tài)彈性參數(shù)[6-7]。國內(nèi)外學者針對不同巖性巖石的動、靜態(tài)彈性參數(shù)進行了許多研究，結果表明，動、靜態(tài)楊氏模量之間具有較好的相關性，動、靜態(tài)泊松比之間的相關關系不明顯[8-11]?？v波和橫波速度與巖石的彈性性質有直接關系，所以也把它們看成巖石的彈性參數(shù)[12]。由于在多數(shù)情況下缺少橫波速度信息，做好橫波速度預測對于準確求取巖石彈性參數(shù)尤為重要。巖石強度參數(shù)包括抗壓強度（單軸抗壓強度和三軸抗壓強度）、抗拉強度、抗剪強度（用內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角描述），其中抗剪強度和抗壓強度是決定巖石穩(wěn)定性的主要因素。

根據(jù)儲集層改造的需要，重點圍繞楊氏模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度以及縱波和橫波速度進行實驗研究。

2　實驗過程及結果

實驗由美國梅塔巖石力學實驗室（MetaRock Lab?oratories）完成，梅塔巖石力學實驗室是美國頁巖氣、致密油藏開發(fā)企業(yè)進行巖石力學評價的首選實驗室，其研究成果在美國非常規(guī)油氣領域應用效果良好。梅塔巖石力學實驗室有一整套完善的措施保證實驗的成功與精準：測試樣品的加工精度滿足美國材料實驗協(xié)會（American Society of Testing Materials）測試標準；在取樣之前對全直徑巖心進行CT掃描，保證取樣質量；壓力加載平穩(wěn)，圍壓加載速率小于3.447 5× 103MPa/s，軸向壓力加載速率小于0.152 4 μm/s.其高/常溫三軸測試系統(tǒng)（High/Ambient Temperature Tri?axialUint）能在同一次實驗中對力學（軸向應變、徑向應變、位移、軸壓、孔壓、圍壓）和聲學（縱波和橫波速度）同時測試，并對實驗結果進行實時采集與分析。

選取吉A井上甜點體泥巖蓋層1個深度點全直徑巖心1塊，吉B井上甜點體3 020—3 065 m范圍內(nèi)6個深度點全直徑巖心10塊。在不同深度點的全直徑巖心上垂直取樣（取樣方向垂直于地層）2～3塊，水平取樣（取樣方向平行于地層）1塊，共鉆取樣品25塊，進行“聲波實驗+三軸抗壓實驗”?？箟簻y試在圍壓分別為0.689 5 MPa，11.032 0 MPa，22.064 0 MPa下進行。對同一深度點2組或3組樣品的圍壓與抗壓強度數(shù)據(jù)進行莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）分析[6，13]，即可得到巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力（表1）。

3　實驗結果分析

3.1巖性與力學參數(shù)的關系

吉木薩爾凹陷蘆草溝組巖性復雜，不同巖性頻繁互層。為便于分析，將實驗巖心劃分為偏砂巖類和偏泥巖類2種。由表1可知，上甜點體內(nèi)偏砂巖類和偏泥巖類巖石的楊氏模量、泊松比、抗壓強度、縱波和橫波速度等主要力學參數(shù)差異不明顯，沒有明確的大小關系。

3.2縱波和橫波速度的關系

縱波和橫波速度是計算楊氏模量、泊松比等彈性參數(shù)的關鍵數(shù)據(jù)。實測縱波和橫波速度具有良好的相關關系（圖2）。

3.3動、靜態(tài)彈性參數(shù)的關系

利用動、靜態(tài)彈性參數(shù)之間的相關關系，可將從測井等手段得到的動態(tài)彈性參數(shù)轉化為靜態(tài)彈性參數(shù)，既可避免高昂的實驗費用，還能得到連續(xù)的靜態(tài)彈性參數(shù)值。對實驗結果進行分析發(fā)現(xiàn)，動、靜態(tài)楊氏模量具有良好的相關性（圖3）。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油藏儲集層巖石動、靜態(tài)泊松比相關性不明顯。在石油工程應用中可近似地認為動、靜態(tài)泊松比相等。

3.4圍壓對力學參數(shù)的影響

選擇垂直樣品的靜態(tài)實驗結果分析圍壓（σ3）對主要力學參數(shù)的影響。

（1）圍壓對抗壓強度的影響由圖4a可以看出，巖石的抗壓強度與圍壓呈正相關關系。根據(jù)莫爾-庫倫準則，巖石在圍壓條件下壓縮破壞時，圍壓（σ3）與最大軸向應力（σ1）之間滿足：

式中K=ctg（45°-θ/2）；

θ——巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；

C——巖石的內(nèi)聚力，MPa.

當巖石臨界破壞時，σ1即為巖石的三軸抗壓強度。由于內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力為巖石的固有屬性，與圍壓無關，三軸壓縮時巖石的抗壓強度（三軸抗壓強度）將會隨圍壓增大而線性增大。

（2）圍壓對楊氏模量的影響由圖4b可以看出，楊氏模量隨圍壓增加而增大。由于圍壓對應變具有一定的限制作用，隨著圍壓的增大，相同軸向應力作用下軸向應變減?。▓D5），楊氏模量隨圍壓增大而增大。

（3）圍壓對泊松比的影響由圖4c可看出，隨圍壓增大，有1個深度點樣品的泊松比先減小后增大；有2個深度點樣品的泊松比沒有變化；其余4個深度點樣品的泊松比隨圍壓增大而減小。由圖5可看出，相同的軸向應力作用下，隨著圍壓的增加，軸向應變與徑向應變均會減小，但減小的比例不一致。泊松比表現(xiàn)出的這種不規(guī)則變化特征是孔隙和微裂紋瓦解造成的[14]。

表1　吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點體儲集層樣品巖石力學實驗結果

圖2　縱波和橫波速度關系

圖5　不同圍壓下的應力—應變曲線

3.5各向異性特點

巖石的層理、片理等特征導致巖石的力學參數(shù)在垂直層理方向和平行層理方向具有差異[15-16]。多數(shù)情況下，石油工程所涉及的沉積巖石在垂直層理方向和平行層理方向差異明顯，而在平行于層理的各個方向的差異較小，故大多把巖石簡化為正交各向異性、橫觀各向同性材料[17-19]。由于地應力方向不確定、巖心歸位難度大、理論假設多等因素的影響，本次實驗未考慮沉積平面內(nèi)巖石力學參數(shù)的各向異性。

通過測試水平樣品和垂直樣品，分別獲取巖石水平方向和垂直方向的力學參數(shù)，從而進行各向異性分析。在11.032 0 MPa圍壓下，對比分析水平樣品與垂直樣品的動、靜態(tài)楊氏模量（Ed，Es），動、靜態(tài)泊松比（υd，υs），三軸抗壓強度（MCS），得到力學參數(shù)的各向異性程度γ（水平樣品測試值與垂直樣品測試值之比）（表2）。

表2　巖石力學參數(shù)的各向異性程度

由表2可知，水平方向與垂直方向巖石力學參數(shù)差異明顯。水平樣品與垂直樣品的動態(tài)楊氏模量之比為1.02～1.33，平均1.15；靜態(tài)楊氏模量之比為1.08～ 1.51，平均1.28；動態(tài)泊松比之比為1.00～1.24，平均1.07；除了2個深度點樣品外，其他水平樣品的靜態(tài)泊松比均大于垂直樣品。

巖石中層理發(fā)育，巖石在垂直于層理方向比平行于層理方向更容易壓縮，層理的存在是導致巖石彈性參數(shù)各向異性的重要原因。受層理的影響，軸向應力作用下垂直樣品中層理的孔隙、微裂隙最先壓縮，然后才是巖石骨架的壓縮，因此，產(chǎn)生較大的軸向應變，較小的徑向應變；水平樣品受層理的影響小，相同軸向應力作用下軸向應變小，徑向應變大，因此，水平樣品的泊松比和楊氏模量均大于垂直樣品。

水平樣品與垂直樣品三軸抗壓強度的差異不明顯，這是由于圍壓對巖石內(nèi)部微裂紋擴展的抑制作用所致。根據(jù)莫爾-庫倫準則，相同圍壓作用下，巖石的三軸抗壓強度僅取決于內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力[6，13]，而內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力與樣品的方向無關。三軸抗壓強度不存在明顯的各向異性，如果測試數(shù)據(jù)足夠多，各向異性程度平均值將趨近于1.

3.6巖石破裂特征

圍壓對樣品的破壞形態(tài)具有顯著影響。圍壓0.689 5 MPa時，當軸向應力達到峰值強度后，伴隨著能量的突然釋放，產(chǎn)生多個宏觀裂縫迅速貫穿樣品，樣品失去繼續(xù)承載能力，形成多個破裂面，破壞形態(tài)為破碎（圖6a）；圍壓11.032 0 MPa時以共軛剪切破壞為主，樣品破壞后有2個以上的剪切破裂面，且大致形成2組相互平行的剪切面貫穿樣品，將樣品分為較多的塊體（圖6b）；圍壓22.064 0 MPa時以單剪切面破壞為主，破壞的樣品均有一宏觀主剪切面，且該剪切面基本都貫穿整個樣品（圖6c）。

圖6　不同圍壓作用下樣品的破壞形態(tài)

總而言之，圍壓越高，樣品破壞以剪切破壞為主，產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越少；圍壓越低，樣品破壞效果越明顯，以共軛剪切破壞或破碎為主，產(chǎn)生更多的裂紋，脆性特征也更明顯。

4　結論

（1）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點體內(nèi)部縱向上不同巖性的巖石力學參數(shù)差異不明顯，沒有明確的大小關系。

（2）縱波和橫波速度相關性較大；動、靜態(tài)楊氏模量相關關系顯著；動、靜態(tài)泊松比相關性較小。

（3）三軸抗壓強度隨圍壓增大近似呈線性增大；楊氏模量隨圍壓增大而增大；泊松比隨圍壓增大出現(xiàn)不規(guī)則變化。

（4）受層理的影響，水平方向與垂直方向巖石力學參數(shù)差異明顯，水平方向的楊氏模量和泊松比大于垂直方向；由于圍壓對巖石內(nèi)部微裂紋擴展的抑制作用，三軸抗壓強度不存在明顯的各向異性。

（5）圍壓對樣品的破壞形態(tài)具有顯著影響，低圍壓時以破碎為主；中等圍壓時以共軛剪切破壞為主；高圍壓時以單剪切面破壞為主。

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（編輯潘曉慧顧新元）

Rock Mechanics Characteristics of Lucaogou Tight Oil Reservoir in Jimusaer Sag,Junggar Basin

GAO Yang1,WANG Yingwei1,WANG Yuduo2,XIE Tianshou1,LIU Gang3,WANG Li1
(1.Research Instittute of Exploration and Development,XinjiangOilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China; 2.Karamay Geological EngineeringCompany LTD,Karamay,Xinjiang 834000,China; 3.BeijingSunshine Geo?Tech Co.,LTD,Beijing 100192,China)

Abstract:Tight oil reservoir in Jimusaer sag of Junggar basin is characterized by huge reserves,poor porosity and permeability,low single?well production,long production cycle,and high development cost.Systematic study of its petrophysical mechanics and ground stress char?acteristics have become the key of the tight oil reservoir exploration and development.For this reason,this paper developed the logging evaluation model of the petrophysical mechanics parameters,optimized the measures of engineering technology,selected whole diameter cores of Ji?A and Ji?B wells,and conducted acoustic wave and triaxial compression experiments under three confining pressures of 0.689 5 MPa,11.032 0 MPa and 22.064 0 MPa.The results show that there exists obvious correlation between longitudinal?shear wave velocity and dynamic?static Young’s modulus;the triaxial compression strength is linearly increasing with the confining pressure increase,and the con?finningpressure has asignificant effect on compressive failure of specimen.

Keywords:Junggar basin;Jimusaer sag;tight oil reservoir;rock mechanics;experimental study;anisotropy

作者簡介：高陽（1981-），男，遼寧丹東人，工程師，石油地質，（Tel）0990-6879130（E-mail）gao-yang@petrochina.com.cn

基金項目:國家973項目（2015CB250906）

收稿日期：2015-07-29

修訂日期：2015-12-21

文章編號：1001-3873（2016）02-0158-05

DOI：10.7657/XJPG20160206

中圖分類號：TE112.221

文獻標識碼：A