瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石力學(xué)特征與裂縫擴(kuò)展機(jī)理

劉向君，熊健，梁利喜，尤新才

隨著能源需要增加及勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，砂礫巖油氣藏受到越來越多的關(guān)注[1-4]。近年來，國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)了大量的砂礫巖油氣藏，如準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)、遼河油田西部凹陷、華北油田廊固凹陷、勝利油田東營凹陷和車鎮(zhèn)凹陷等，其中準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)為沖積扇低孔低滲砂礫巖油氣藏的主要分布區(qū)[5-9]?，敽枷菔菧?zhǔn)噶爾盆地六大生烴凹陷之一，也是盆地最具規(guī)模的油氣聚集帶與勘探區(qū)。隨著勘探的深入，瑪湖凹陷西斜坡下三疊統(tǒng)百口泉組（T1b）已成為重要的勘探開發(fā)層系[10-11]。瑪湖凹陷百口泉組主要為沖積扇沉積，以砂礫巖儲集層為主，其儲集層埋深普遍大于3 000 m，具有典型低孔低滲的特點(diǎn)[9，12]。針對瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖儲集層，前人進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的認(rèn)識。這些研究主要集中在沖積扇沉積特征[13-14]、成巖作用特征[15-16]、烴源巖特征[10]、成藏控制因素[10-11，17]、地震沉積學(xué)的應(yīng)用[12]、巖性[18]、孔隙結(jié)構(gòu)[19]等，但針對百口泉組砂礫巖儲集層的巖石力學(xué)特性方面的研究還有待深入。同時(shí)，砂礫巖儲集層巖性復(fù)雜，礫石成分和基質(zhì)成分差異大，這些因素對儲集層中裂縫的延伸過程產(chǎn)生影響，而針對砂礫巖儲集層的裂縫延伸機(jī)制的研究成果相對較少[20-21]。因此，砂礫巖的力學(xué)特征以及裂縫擴(kuò)展機(jī)制的研究對于預(yù)防鉆井、完井復(fù)雜事故和保障壓裂綜合效果具有重要意義。

針對巖石力學(xué)特性的研究，學(xué)者們開展了大量的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［22］通過常規(guī)三軸試驗(yàn)以及加載和卸載試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，法國Tournemire地區(qū)massive頁巖樣品具有明顯的塑性特征和顯著的各向異性；文獻(xiàn)［23］通過三軸壓縮試驗(yàn)測試石灰?guī)r的凱塞爾效應(yīng)特征，研究巖石的地應(yīng)力狀態(tài)；文獻(xiàn)［24］通過巖石力學(xué)試驗(yàn)研究了頁巖的力學(xué)強(qiáng)度和變形特征；文獻(xiàn)［25］研究了珠江口盆地含礫地層的巖石力學(xué)特性；文獻(xiàn)［26］通過三軸壓縮試驗(yàn)研究了泥頁巖的力學(xué)特性以及脆性特征；文獻(xiàn)［27］通過三軸壓縮試驗(yàn)研究了川南地區(qū)龍馬溪組頁巖的力學(xué)特性和破壞模式；文獻(xiàn)［28］通過三軸壓縮試驗(yàn)研究了油頁巖力學(xué)特性的影響因素。研究學(xué)者對巖石的力學(xué)特性進(jìn)行了較多研究，并取得一定的認(rèn)識，而對瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)特性和破壞模式等方面還未進(jìn)行深入研究。

同時(shí)，學(xué)者們?yōu)樯钊胝J(rèn)識水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律做了大量的研究工作，主要是基于理論探索、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等手段。文獻(xiàn)［29］基于RFPA軟件模擬研究了砂礫巖儲集層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律；文獻(xiàn)［30］基于RFPA軟件模擬研究了砂礫巖儲集層水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，并討論了地應(yīng)力場、礫石含量和粒徑等對裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響；文獻(xiàn)［31］基于細(xì)觀損傷有限元的方法構(gòu)建了砂礫巖儲集層水力裂縫擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型，研究了水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。這些研究說明數(shù)值模擬方法是研究裂縫擴(kuò)展的有效方法。這些研究成果也有助于認(rèn)識砂礫巖儲集層中裂縫擴(kuò)展規(guī)律，但這些研究模擬過程中并沒有構(gòu)建含有真實(shí)礫石模型，對于砂礫巖裂縫擴(kuò)展機(jī)制的認(rèn)識有一定的局限性。

本文以瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石為研究對象，通過三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂法和壓入硬度試驗(yàn)開展了百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)行為研究，從而揭示砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法構(gòu)建含有真實(shí)礫石的二維模型，研究砂礫巖中裂縫擴(kuò)展的動態(tài)過程，討論了礫石強(qiáng)度對裂縫擴(kuò)展機(jī)制的影響，為更好地預(yù)防鉆井、完井復(fù)雜事故以及保障壓裂效果提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文研究實(shí)驗(yàn)樣品采自準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組，巖性主要為灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、砂質(zhì)礫巖、中—粗礫巖等，礫石大小不等，最大粒徑10.0 cm，一般為0.5～2.0 cm.從百口泉組砂礫巖儲集層巖石的粒度分析結(jié)果（表1）可看出，儲集層巖性主要以細(xì)礫巖和粗礫巖為主，礫石含量為2%～51%，平均為29%.實(shí)驗(yàn)樣品主要取自瑪湖凹陷的風(fēng)南區(qū)塊、艾湖區(qū)塊和瑪湖區(qū)塊，實(shí)驗(yàn)樣品的詳細(xì)信息見表2.從表2可以看出，砂礫巖的巖性在縱向上分布差異大，說明砂礫巖存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性。為了達(dá)到研究目的，進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂法試驗(yàn)和壓入硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)中巖樣的制取依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求：實(shí)驗(yàn)樣品兩端面的不平行度，最大不超過0.05 mm，端面垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°.

表1 瑪湖凹陷百口泉組巖石粒度分析結(jié)果

2 力學(xué)特征

為了研究瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)特性，進(jìn)行了單軸和三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂法試驗(yàn)和壓入硬度試驗(yàn)，分別獲取砂礫巖的抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和硬度等參數(shù)。單軸壓縮試驗(yàn)包括9組，三軸壓縮試驗(yàn)包括16組，巴西劈裂法試驗(yàn)包括16組，壓入硬度試驗(yàn)包括20組。

2.1 砂礫巖抗張強(qiáng)度特征

砂礫巖巖樣的抗張強(qiáng)度測試結(jié)果見表3，從表3可以看出，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的抗張強(qiáng)度為1.19～4.96 MPa，平均為3.01 MPa，巖樣的抗張強(qiáng)度具有明顯的離散性。不同巖性的巖樣抗張強(qiáng)度表現(xiàn)有差異，粗礫巖巖樣的抗張強(qiáng)度為1.19～2.52 MPa，平均為1.97 MPa，而細(xì)礫巖巖樣的抗張強(qiáng)度為2.91～4.96 MPa，平均為3.57 MPa，說明砂礫巖儲集層中不同巖性巖石的抗張強(qiáng)度存在較明顯的差異，其中細(xì)礫巖的巖樣抗張強(qiáng)度明顯大于粗礫巖的巖樣。這也表明在相同載荷下粗礫巖比細(xì)礫巖更易出現(xiàn)拉伸破壞。這個(gè)可能與粗礫巖中礫石顆粒的直徑較大以及礫石間膠結(jié)物有關(guān)?？箯垙?qiáng)度又稱為抗拉強(qiáng)度，是儲集層壓裂改造設(shè)計(jì)中一個(gè)重要參數(shù)，也是評價(jià)地層破裂的重要參數(shù)。瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層在縱向和橫向上非均質(zhì)性較強(qiáng)，造成砂礫巖儲集層巖石的抗張強(qiáng)度在縱向上和橫向上具較明顯的差異，因此，對于儲集層壓裂改造設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中需要充分考慮砂礫巖儲集層巖石的抗張強(qiáng)度。

表2 瑪湖凹陷百口泉組巖樣的基本信息

表3 瑪湖凹陷百口泉組巖樣的抗張強(qiáng)度測試結(jié)果

2.2 砂礫巖硬度特征

砂礫巖巖樣的壓入硬度試驗(yàn)結(jié)果見表4，從表4可以看出，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的硬度為295.7～1 618.6 MPa，平均為881.5 MPa.結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)，粗礫巖的硬度較小。為了進(jìn)一步研究砂礫巖中基質(zhì)部分和礫石部分硬度大小的差異，選取巖性為粗礫巖的井下全直徑巖心進(jìn)行礫石顆粒與不含礫石基質(zhì)部分的分離（圖1）。在此基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行礫石顆粒的壓入硬度試驗(yàn)和不含礫石基質(zhì)部分的壓入硬度試驗(yàn)，分析礫石和基質(zhì)部分硬度的差異。礫石和基質(zhì)部分壓入硬度試驗(yàn)包括8組，試驗(yàn)結(jié)果見表5.從表5可以看出，礫石的硬度為119.8～1 049.7 MPa，平均為604.3 MPa，而不含礫石基質(zhì)部分的硬度為71.4～478.2 MPa，平均為250.3 MPa，說明礫石的硬度要大于基質(zhì)部分的硬度，礫石的硬度約為基質(zhì)部分硬度的2倍。對礫石成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)礫石多以石英和花崗巖為主，而基質(zhì)成分多以砂巖和泥質(zhì)為主。說明礫石成分和基質(zhì)成分的差異造成了砂礫巖中礫石硬度和基質(zhì)部分硬度的差異。由于巖石硬度與巖石強(qiáng)度存在正相關(guān)性[32]，即巖石硬度在一定程度上反映巖石強(qiáng)度，因此砂礫巖中的礫石成分和基質(zhì)成分的差異將造成砂礫巖儲集層巖石強(qiáng)度的非均質(zhì)性。

表4 瑪湖凹陷百口泉組巖樣的壓入硬度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖的礫石和基質(zhì)分離示意

表5 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖的基質(zhì)和礫石壓入硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 砂礫巖抗壓強(qiáng)度特征及破壞模式

砂礫巖巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表6，從表6可以看出，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石巖樣的力學(xué)參數(shù)范圍較大，其中巖樣的彈性模量為29.01～78.15 GPa，平均為48.04 GPa；巖樣的泊松比為0.151 5～0.750 7，平均為0.375 7；巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為14.0～54.5 MPa，平均為36.5 MPa，說明瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)特性差異顯著。同時(shí)，從表6還可以發(fā)現(xiàn)，不同巖性的巖石單軸抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)有差異，粗礫巖單軸抗壓強(qiáng)度為23.6～33.6 MPa，平均為29.1 MPa，而細(xì)礫巖單軸抗壓強(qiáng)度為36.7～54.5 MPa，平均為45.3 MPa，說明砂礫巖儲集層中不同巖性巖石的單軸抗壓強(qiáng)度存在較明顯的差異，其中細(xì)礫巖單軸抗壓強(qiáng)度明顯大于粗礫巖，這個(gè)可能與粗礫巖自身的非均質(zhì)性（粗礫巖石中礫石顆粒的粒徑及礫石顆粒的空間分布）有關(guān)。這也說明了瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)特性具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。單軸抗壓強(qiáng)度是評價(jià)鉆井過程中安全鉆進(jìn)的重要參數(shù)，在瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層中不同巖性地層的井壁穩(wěn)定性差異較大，其中巖性為粗礫巖的地層，鉆井過程中相對較易引起井壁失穩(wěn)。

表6 瑪湖凹陷百口泉組巖樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

砂礫巖巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表7，從表7可以看出，三軸壓縮試驗(yàn)中，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的力學(xué)參數(shù)分布范圍較大，巖樣的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)存在較大差異，即力學(xué)特性差異較明顯。同時(shí)，從表2和表7還可以發(fā)現(xiàn)，相同巖性不同取樣深度砂礫巖力學(xué)參數(shù)差異較大；相近取樣深度不同巖性的砂礫巖力學(xué)參數(shù)有明顯的差異；相近取樣深度和相同巖性的砂礫巖力學(xué)參數(shù)也有顯著的差異，說明巖性、取樣深度和加載條件影響砂礫巖的力學(xué)特性。這也表明砂礫巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，這與砂礫巖形成過程中造巖礦物類型、沉積環(huán)境、構(gòu)造歷史等有關(guān)。這種力學(xué)上表現(xiàn)出的差異將影響瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖勘探開發(fā)中井眼軌跡優(yōu)化及壓裂設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。此外，從表6和表7可以發(fā)現(xiàn)，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石巖樣的彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度與圍壓之間沒有顯著的相關(guān)性。

砂礫巖巖樣在單軸壓縮下巖石的破壞形態(tài)如圖2.從圖2可以看出，在單軸壓縮試驗(yàn)中，砂礫巖的破壞模式主要以拉伸劈裂為主，并形成多條與巖樣軸線平行的豎向裂縫。這主要是因?yàn)樵谳S向荷載作用下，巖樣單軸壓縮時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值后伴隨著能量的突然釋放，在巖樣表面形成多個(gè)宏觀拉伸破裂面，并表現(xiàn)為較明顯的脆性特性。砂礫巖巖樣在三軸壓縮下巖石的破壞形態(tài)如圖3.從圖2和圖3中可以看出，隨著圍壓增加，砂礫巖巖樣破壞受到抑制，砂礫巖巖樣的強(qiáng)度逐漸提高，這可能與圍壓增加對裂紋擴(kuò)展起到了抑制作用有關(guān)。從圖3可以看出，高圍壓下，砂礫巖巖樣的破壞模式呈現(xiàn)多樣性，包括劈裂破壞（4-3號巖心、5-3號巖心、12-3號巖心）、單剪切破壞（8-3號巖心、20-3號巖心）和雙剪切破壞（11-3號巖心、21-3號巖心、24-3號巖心）。砂礫巖巖樣的破壞模式與巖性、圍壓之間并不存在顯著的關(guān)聯(lián)性，相同巖性相同圍壓下砂礫巖巖樣破壞模式表現(xiàn)不一樣，相同圍壓下不同巖性砂礫巖巖樣破壞模式表現(xiàn)有可能一致。這說明了巖石的破壞模式受到巖性、加載條件、巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等因素的影響。同時(shí)，從圖2和圖3可以看出，單軸加載時(shí)砂礫巖巖樣的劈裂破壞較三軸加載（高圍壓）時(shí)更顯著。這主要是因?yàn)閲鷫簵l件下將抑制豎向裂縫張開，在一定程度上阻止多破裂面發(fā)育。此外，從圖3還可以看出，細(xì)礫巖巖樣中礫石顆粒對裂縫延伸方向的影響不明顯，而中礫巖或粗礫巖巖樣中礫石顆粒的存在使裂縫延伸方向發(fā)生變化。這主要是因?yàn)樵趲r石破裂過程中礫石大顆粒存在將對裂縫的擴(kuò)展起到屏蔽作用，如圖3中4-3號巖心和12-3號巖心的穿礫形式以及24-3號巖心的繞礫形式。

表7 瑪湖凹陷百口泉組巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)后巖樣（圖中紅線為裂縫）

圖3 三軸壓縮試驗(yàn)后巖樣（圖中紅線為裂縫）

砂礫巖破裂過程中裂縫的擴(kuò)展形式如圖4所示。從圖4可以看出，砂礫巖破裂過程中裂縫的擴(kuò)展形式主要包括穿礫、繞礫、嵌入止礫等。砂礫巖中礫石顆粒屏蔽裂縫擴(kuò)展時(shí)，造成在破裂過程中裂縫以繞礫形式延伸。實(shí)驗(yàn)后對礫石成分分析發(fā)現(xiàn)，礫石多以石英和花崗巖為主，礫石強(qiáng)度與基質(zhì)強(qiáng)度差別較大，在裂縫擴(kuò)展過程中，由于礫石強(qiáng)度大以及膠結(jié)程度弱，裂縫多以從礫石單側(cè)或兩側(cè)繞過的形式繼續(xù)延伸，即礫石顆粒改變裂縫的延伸方向。砂礫巖中礫石顆粒對裂縫擴(kuò)展影響程度較小時(shí)，裂縫在擴(kuò)展過程中遇到礫石多以穿礫形式擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)后對礫石成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，礫石多以凝灰?guī)r、砂巖為主，巖石中礫石強(qiáng)度與基質(zhì)強(qiáng)度差別不大，裂縫多以穿過礫石的形式繼續(xù)延伸，即礫石顆粒不影響裂縫的延伸方向。由于在實(shí)驗(yàn)過程中軸向壓力是持續(xù)加載，所以在破壞形態(tài)中裂縫擴(kuò)展止于礫石的情形不明顯。說明砂礫巖中礫石組分與基質(zhì)成分對裂縫的擴(kuò)展形式有重要影響。同時(shí)，從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，砂礫巖破裂過程中同時(shí)伴隨多種的裂縫擴(kuò)展方式，這主要與礫石分布和礫石成分有關(guān)。因此，砂礫巖中礫石顆粒的存在造成破裂過程中裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜性，需要更進(jìn)一步研究礫石空間分布、礫石粒徑、礫石強(qiáng)度等對裂縫擴(kuò)展的影響。

圖4 砂礫巖中裂縫的擴(kuò)展方式（圖中紅線為裂縫）

2.4 砂礫巖巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征

不同巖性的砂礫巖巖樣的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5可以看出，不同巖性巖樣的軸向變形均大于徑向變形；隨著圍壓的增加，不同巖性巖樣的脆性特征減弱，塑性表現(xiàn)增強(qiáng)。隨著圍壓的增加，軸向峰值應(yīng)變逐漸增大，如圍壓從0增加到38 MPa時(shí)，細(xì)礫巖巖樣的軸向峰值應(yīng)變從0.082%增大到0.541%，則巖樣表現(xiàn)出明顯的變形特征。單軸壓縮試驗(yàn)中，砂礫巖巖樣的軸向峰值應(yīng)變平均為0.085%，表明砂礫巖巖樣表現(xiàn)為較明顯的脆性特性。在圍壓40 MPa以內(nèi)，砂礫巖巖樣也表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性特征，巖樣整體破壞前的軸向峰值應(yīng)變都小于1.000%.據(jù)巖石脆性和延性劃分標(biāo)準(zhǔn)[35]，不同巖性砂礫巖儲集層巖石具有較好的脆性特征。此外，從圖5還可以看出，不同巖性巖樣三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線（不包括單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線）主要分為彈性變形階段、屈服階段和破壞階段，并未觀測到壓密階段。這可能是因?yàn)槌跏紘鷫合?，?yīng)力差可能對巖樣進(jìn)行壓密作用，相當(dāng)于圍壓下軸壓在達(dá)到同等強(qiáng)度時(shí)開始加載，這個(gè)階段可能是壓密階段，且試驗(yàn)記錄無法記載[26]。加載初期，不同圍壓彈性變形階段曲線斜率是變化的，表明彈性變形階段隨圍壓增加，巖樣的剛度逐漸增強(qiáng)。

圖5 不同巖性的巖樣壓縮試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3 裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬

基于三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，初步認(rèn)識了在巖石破裂過程中裂縫的延伸擴(kuò)展形式。但是基于三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，只能對破壞后裂縫延伸擴(kuò)展形式進(jìn)行靜態(tài)觀察描述，無法描述裂縫延伸擴(kuò)展的動態(tài)過程，且物理實(shí)驗(yàn)具有不可重復(fù)性。因此，為了進(jìn)一步研究地層中裂縫延伸擴(kuò)展機(jī)制，采用數(shù)值模擬的方法展開相關(guān)研究。利用巖心照片經(jīng)過二值化圖像處理獲取含有真實(shí)礫石模型，從而構(gòu)建含有真實(shí)礫石的二維井眼模型，利用破裂過程分析，即RFPA軟件研究地層中裂縫延伸擴(kuò)展的過程，同時(shí)研究礫石強(qiáng)度特征對裂縫延伸擴(kuò)展的影響。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

根據(jù)砂礫巖巖心（圖6a，圖6b）的礫石分布，構(gòu)建出含有礫石的二維井眼模型（圖6c），模型中礫石的分布按真實(shí)巖心的分布為標(biāo)準(zhǔn)，在模型中間設(shè)計(jì)一個(gè)井眼。通過觀測真實(shí)巖心照片（圖6a）可看出主要包括3種礫石：白色的礫石1、灰色的礫石2和黑色的礫石3.根據(jù)砂礫巖的力學(xué)特性研究結(jié)果可知，砂礫巖中的基質(zhì)部分和礫石部分的硬度存在差異，后者大于前者，且不同成分礫石的硬度也存在差異。由于巖石硬度與巖石強(qiáng)度存在正相關(guān)性[32]，即巖石硬度在一定程度上反映巖石強(qiáng)度，結(jié)合實(shí)測力學(xué)參數(shù)，以此給模型中基質(zhì)部分和不同成分礫石部分的強(qiáng)度細(xì)觀參數(shù)賦值，模型采用的宏觀和細(xì)觀參數(shù)如表8和表9所示。模型的約束及加載方式如圖6c所示。

圖6 含真實(shí)礫石的數(shù)值模型的構(gòu)建

表8 模型中基質(zhì)和礫石的宏觀參數(shù)

由研究區(qū)的真實(shí)地應(yīng)力作為約束加載條件，模型的約束及加載方式如圖6c所示。圖6c中水平最大主應(yīng)力σh1為65 MPa，水平最小主應(yīng)力σh2為59 MPa.模型中水力壓裂井眼，初始水壓為20 MPa，不斷施加水壓，觀測壓裂縫在砂礫巖中擴(kuò)展延伸規(guī)律。

表9 模型中基質(zhì)和礫石的細(xì)觀參數(shù)

3.2 裂縫延伸規(guī)律

砂礫巖地層模型中井周裂縫形成過程如圖7所示。從圖7可看出，裂縫在水平最大主應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為繞礫，而在水平最小主應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為穿礫；井壁左側(cè)礫石1的強(qiáng)度大且粒徑大，井筒液柱壓力較低時(shí)表現(xiàn)為繞礫，當(dāng)井筒液柱壓力升高到一定程度時(shí)表現(xiàn)為穿礫；而井壁右側(cè)礫石1的強(qiáng)度大且粒徑小，主要表現(xiàn)為繞礫，這說明礫石粒徑大小將對裂縫擴(kuò)展形式產(chǎn)生影響；下方礫石2距離井壁較近，表現(xiàn)為穿礫，而上方礫石3距離井壁較遠(yuǎn)，表現(xiàn)為繞礫。礫石3的強(qiáng)度小于礫石2，裂縫遇到礫石2或礫石3時(shí)，在礫石3處應(yīng)更易表現(xiàn)為穿礫，這與實(shí)際模擬結(jié)果不一致，這說明礫石與井壁的相對位置也將對裂縫擴(kuò)展形式產(chǎn)生影響。同時(shí)，從圖7還可看出，井周裂縫的擴(kuò)展缺乏誘導(dǎo)性，這可能與地應(yīng)力差較小有關(guān)。

圖7 數(shù)值模擬過程中砂礫巖地層裂縫擴(kuò)展結(jié)果

3.3 礫石強(qiáng)度的影響

為研究不同礫石強(qiáng)度對裂縫擴(kuò)展延伸的影響，模型中基質(zhì)強(qiáng)度保持不變，調(diào)整3種不同礫石的強(qiáng)度，考慮了8種礫石強(qiáng)度對裂縫延伸規(guī)律的影響，不同礫石強(qiáng)度對砂礫巖地層中裂縫擴(kuò)展結(jié)果的影響見圖8.

從圖8可看出，隨著礫石強(qiáng)度增加，在水平最大主應(yīng)力方向上，裂縫遇到同一礫石時(shí)表現(xiàn)從穿礫變?yōu)槔@礫，且隨著礫石強(qiáng)度的增加，繞礫現(xiàn)象更加明顯；在水平最小主應(yīng)力方向上，裂縫遇到同一礫石時(shí)表現(xiàn)為從穿礫到裂縫嵌入止礫。這說明礫石部分強(qiáng)度與基質(zhì)部分強(qiáng)度差異較小時(shí)，裂縫遇到礫石更多表現(xiàn)為穿礫，隨著礫石強(qiáng)度增加（與基質(zhì)部分強(qiáng)度差異增大），礫石屏蔽作用增強(qiáng)，裂縫遇到礫石趨于從穿礫變?yōu)槔@礫。同時(shí)，裂縫遇到不同強(qiáng)度礫石時(shí)，強(qiáng)度低的礫石更多表現(xiàn)為穿礫，而強(qiáng)度高的礫石更多表現(xiàn)為繞礫。此外，從圖8中還可以看出，在礫石強(qiáng)度相同時(shí)，裂縫遇到粒徑較大的礫石時(shí)易于表現(xiàn)為穿礫，而裂縫遇到粒徑較小的礫石時(shí)表現(xiàn)為繞礫。

圖8 不同礫石強(qiáng)度對裂縫延伸的影響（SG為調(diào)整后的礫石強(qiáng)度，ST為礫石真實(shí)強(qiáng)度）

瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性，造成不同巖性的砂礫巖巖石的力學(xué)特性差異較大，說明瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層在縱向上和橫向上力學(xué)特性分布差異較大。因此，砂礫巖儲集層在勘探開發(fā)中應(yīng)該考慮不同巖性巖石力學(xué)特性的差異，將導(dǎo)致不同巖性層段的井眼軌跡優(yōu)化和井壁失穩(wěn)預(yù)防措施不同。此外，瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石具有較顯著的脆性特征，在儲集層壓裂改造中易于形成裂縫。礫石強(qiáng)度（成分）和基質(zhì)強(qiáng)度（成分）相近，礫石屏蔽作用不顯著，儲集層壓裂改造中裂縫以穿礫的形式延伸，將不利于提高縫長；而礫石強(qiáng)度與基質(zhì)強(qiáng)度相差較大，礫石的屏蔽作用增強(qiáng)，儲集層壓裂改造中裂縫以繞礫的形式延伸，利于裂縫形成分叉即易于形成縫網(wǎng)。因此，砂礫巖儲集層壓裂改造中應(yīng)充分考慮砂礫巖儲集層中礫石強(qiáng)度和基質(zhì)強(qiáng)度的差異。

4 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，造成不同巖性的砂礫巖力學(xué)特性差異較明顯，其中細(xì)礫巖力學(xué)強(qiáng)度強(qiáng)于粗礫巖，將導(dǎo)致不同巖性層段的井眼軌跡優(yōu)化和井壁失穩(wěn)預(yù)防措施不同。

（2）砂礫巖的軸向峰值應(yīng)變小于1.0%，說明砂礫巖具有顯著的脆性特征。單軸壓縮中砂礫巖破壞模式主要以劈裂破壞為主，而三軸壓縮中砂礫巖破壞模式包括劈裂破壞、單剪切破壞和雙剪切破壞。

（3）巖石中礫石成分和基質(zhì)成分間差異對砂礫巖力學(xué)特性的影響較大。砂礫巖中礫石顆粒的屏蔽作用造成破裂過程中裂縫擴(kuò)展主要有穿礫、繞礫、嵌入止礫等形式，其中儲集層壓裂改造中裂縫以繞礫的形式延伸易于形成縫網(wǎng)。

（4）礫石強(qiáng)度較小時(shí)，礫石屏蔽作用較弱，裂縫遇到礫石更多表現(xiàn)為穿礫，隨著礫石強(qiáng)度增大，礫石遮擋能力增強(qiáng)，裂縫遇到礫石擴(kuò)展將由穿礫形式變?yōu)槔@礫形式。

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