深層膏泥巖蓋層巖石力學(xué)性質(zhì)實驗分析

劉生春 ，陽松宇 ，單法銘 ，黃太 ，尹帥 ，劉小雪

（1.中國石油青海油田分公司采氣三廠，青海 冷湖 817400；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.中國石油玉門油田分公司老君廟釆油廠，甘肅 玉門 735200）

0 引言

膏泥巖作為一種蒸發(fā)巖，廣泛分布于全球各個時期的地層中。純膏巖的孔隙度通常小于1%，其滲透率則接近于0［1］。因此，膏泥巖為很好的油氣蓋層。當(dāng)膏泥巖的厚度超過1.0 m時，就可以對下伏油氣藏進(jìn)行良好的封閉，如美國Little Sand Draw油田的上覆膏泥鹽蓋層僅有1.2 m［2］。對于埋深和厚度均非常大的膏泥巖蓋層，巖體中的應(yīng)力分布特征復(fù)雜，鉆井難度大、周期長，同時容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等工程事故［3-5］。一旦出現(xiàn)工程事故，將會延誤施工進(jìn)度，增加費(fèi)用投入，還可能會造成井的報廢［6］。因此，通過采集深層膏泥巖井下樣品，系統(tǒng)分析其靜態(tài)巖石力學(xué)性質(zhì)，對于制定合理的鉆井方案具有重要意義。本文基于礦物組分分析及靜態(tài)巖石力學(xué)實驗測試方法，對塔西南地區(qū)古近系厚層膏泥巖進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗巖石力學(xué)分析，研究了高地層圍壓條件下膏泥巖的破裂特征及硬石膏礦物組分對巖石應(yīng)力、應(yīng)變及巖石力學(xué)參數(shù)變化的影響。

1 研究區(qū)概況及樣品實驗

研究區(qū)位于塔西南玉北地區(qū)，古近系膏泥巖在全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度較大，通常為50～200 m，埋深大于3 500 m。區(qū)內(nèi)古近系的地層展布呈單斜構(gòu)造，由東北部地區(qū)到西南部地區(qū)逐漸變低，斷層在古近系內(nèi)部不發(fā)育［7］。研究區(qū)缺失中生代地層，古近系發(fā)育的蒸發(fā)巖包括膏泥巖和鹽巖，均形成于酷熱干燥的干旱條件下［8］。這些深層且厚度大的膏泥巖層是下伏古生代油氣儲層良好的區(qū)域性蓋層。

古近系膏泥巖樣品共8組，編號為Y1—Y8，樣品尺寸為φ2.5 cm×5.0 cm圓柱體。膏泥巖樣品中的主要礦物為硬石膏和泥質(zhì)，根據(jù)兩者體積分?jǐn)?shù)的大小，這些樣品分別命名為泥質(zhì)硬石膏巖（AR）和硬石膏質(zhì)泥巖（GMR）。AR中硬石膏質(zhì)組分的體積分?jǐn)?shù)大于泥巖組分，而GMR中泥巖組分的體積分?jǐn)?shù)大于硬石膏質(zhì)組分。利用OLYMPUS偏光顯微鏡對8組樣品進(jìn)行了礦物組分分析，各組樣品的礦物組分體積分?jǐn)?shù)如表1所示。樣品中的硬石膏具有多種分布形態(tài)，硬石膏組分和泥質(zhì)組分通常是相間分布的，兩者關(guān)系密切。

表1 巖樣各礦物組分體積分?jǐn)?shù) %

對樣品進(jìn)行了三軸巖石力學(xué)測試，測試儀器為MTS巖石物理測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可施加的極限圍壓和極限孔隙壓力分別為140 MPa和70 MPa，軸向最大載荷為1 000 kN。系統(tǒng)所施加應(yīng)力的誤差小于1%，位移誤差小于0.000 1 mm。

研究區(qū)古近系地層溫度實測值為85～87°C，應(yīng)力梯度0.024 MPa/m，地層壓力系數(shù)為1.0，地層有效圍壓50 MPa。實驗溫度為85°C。8組樣品中每組含有樣品4個，分別施加有效圍壓 0，15，30，50 MPa。實驗步驟：首先以0.05 MPa/s速度加載圍壓，圍壓每施加5 MPa后再施加大小相等的軸壓，軸壓的應(yīng)變加載速率為3.6×10-3s-1。當(dāng)圍壓增加至設(shè)定值后，圍壓保持恒定，然后繼續(xù)加載軸壓，直至試樣破壞，此時試驗結(jié)束。

通過以上測試，可以獲得不同圍壓條件下巖石樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比等參數(shù)。

2 巖石破裂特征

研究區(qū)古近系膏泥巖在測井上的主要特征為：1）低自然伽馬值，通常分布在10～65 API；2）高密度值，當(dāng)硬石膏體積分?jǐn)?shù)大于90%時，巖石密度通常大于2.9 g/cm3；3）聲波時差通常為 164～328 μs/m，相比鹽巖和泥巖要高。

樣品在單軸條件下具有明顯的張性破裂特征，而在三軸圍壓條件下則表現(xiàn)出較為明顯的剪裂特征。這種情況表明，圍壓對破裂縫的形成及延展起到了一定的阻礙作用［9］。隨著圍壓增加，各應(yīng)變的變化特征如圖1所示。隨著應(yīng)力加載的進(jìn)行，軸向應(yīng)變量和環(huán)向應(yīng)變量均逐漸增加，體積應(yīng)變量則變化較小。圖1中軸向應(yīng)變曲線發(fā)生曲折是由于軸向壓力和圍壓的施加是同步進(jìn)行的。為保證樣品的完整性，不至于造成樣品的人為破壞，圍壓每施加5 MPa后，施加一定的軸向壓力。此時，會造成軸向應(yīng)變曲線的波動。

圖1 三軸加載過程中各應(yīng)變的變化特征

不同圍壓條件下樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。單軸條件下，曲線表現(xiàn)為明顯的彈性變形特征（見圖2a）；而在三軸應(yīng)力載荷狀態(tài)下，巖石具有明顯的彈性和塑性變形特征（見圖2b—2d）。由巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，地層圍壓50 MPa條件下，膏泥巖樣品的軸向應(yīng)變可以劃分為5個階段（見圖2d）：第1個階段從初始點到A點，該階段巖石被擠壓壓密，內(nèi)部微裂縫和孔隙迅速閉合；第2個階段從A點到B點，為線彈性變形階段，在持續(xù)增加的應(yīng)力載荷條件下，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系增加，此時巖石內(nèi)部通常沒有新微裂縫的產(chǎn)生；第3個階段從B點到C點，為非線性、穩(wěn)定延展階段，該階段應(yīng)力載荷的增加速度強(qiáng)于圍壓增加所提升的巖石強(qiáng)度，因而巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙的坍塌，同時產(chǎn)生一些新微裂縫；第4個階段從C點到D點，為非線性、非穩(wěn)定延展階段，此階段巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量新微裂縫，并最終導(dǎo)致巖石中巖心尺度宏觀破裂的發(fā)生；最后一個階段從D點之后，為峰后應(yīng)變階段，巖石發(fā)生破裂，其內(nèi)部僅剩余殘余強(qiáng)度。

3 硬石膏體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)力、應(yīng)變的影響

分析了硬石膏礦物組分體積分?jǐn)?shù)在地層圍壓50 MPa條件下，膏泥巖樣品的偏應(yīng)力（軸向應(yīng)力與圍壓的差）與應(yīng)變關(guān)系（見圖3）。由圖3a可知，具有低硬石膏礦物組分體積分?jǐn)?shù)的樣品首先達(dá)到極限強(qiáng)度并發(fā)生破裂。例如，同屬于GMR的樣品Y1和Y3，Y3首先發(fā)生破裂，而同屬于AR的樣品Y6和Y7，Y6首先發(fā)生破裂。分析認(rèn)為，硬石膏體積分?jǐn)?shù)的增加能提高巖石的破裂強(qiáng)度，延緩巖石發(fā)生破裂的時間。由圖3b所示的環(huán)向應(yīng)變曲線可以看出，樣品Y1和Y7具有最長的塑性變形段，表明這2塊巖石樣品具有較強(qiáng)的塑性。在高地層圍壓條件下，這種長時間的塑性行為會導(dǎo)致巖石內(nèi)部礦物發(fā)生滑移位錯，類似于長期的蠕變行為，從而集聚巨大的額外應(yīng)力，從而對鉆井井壁或套管造成破壞［1，3］。

圖2 不同圍壓條件下膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖3 測試樣品備應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系

4 硬石膏體積分?jǐn)?shù)對巖石力學(xué)參數(shù)影響

抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比隨著圍壓的增加而增加（見圖4）。由圖4a可以看出，圍壓50 MPa、三軸條件下，測試樣品的抗壓強(qiáng)度與硬石膏體積分?jǐn)?shù)之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，隨著硬石膏體積分?jǐn)?shù)從10%增加到90%，樣品抗壓強(qiáng)度從120 MPa增加到了200 MPa，增幅十分明顯。

對于具有相同硬石膏體積分?jǐn)?shù)的膏泥巖樣品，隨著圍壓的增加，泊松比表現(xiàn)出明顯的增長趨勢（見圖4c）。這說明，膏泥巖樣品所承受的應(yīng)力環(huán)境越大，其塑性越強(qiáng)［10］。持續(xù)的塑性變形行為會在套管壁上發(fā)生應(yīng)力集中，造成套管擠壓變形。對于三軸巖石力學(xué)實驗中的樣品，其在加載過程中的基本變化為軸向的縮短及環(huán)向的擴(kuò)張［11］。很顯然，對于脆性巖石，其在破裂前通常不會發(fā)生明顯的環(huán)向擴(kuò)張，因此其泊松比值較?。欢鴮τ谒苄詭r石，其通常會發(fā)生較顯著的塑性變形行為，因而其泊松比值較高。具有高硬石膏體積分?jǐn)?shù)的樣品同樣具有較高的泊松比，表明具有高硬石膏體積分?jǐn)?shù)的樣品也具有較強(qiáng)的塑性。這與硬石膏礦物的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，在高應(yīng)力條件下，這種礦物容易發(fā)生晶間滑動行為［12］。

圖4 樣品巖石力學(xué)參數(shù)與硬石膏體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

此外，水平方向主應(yīng)力差對膏泥巖的塑性行為及套管壁面上的應(yīng)力集中也有較大影響。對于研究區(qū)古近系膏鹽層，當(dāng)水平方向主應(yīng)力差值高于18.5 MPa時，常規(guī)套管（外徑250.8 mm）會出現(xiàn)不同程度擠壓變形的現(xiàn)象，表明水平方向應(yīng)力的差異性越大，越利于膏泥巖中礦物晶體的滑動［13］。當(dāng)采用高強(qiáng)度套管（外徑265.1 mm）時，各井均無變形現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，對于深層且厚度較大的膏泥巖地層，其所處的應(yīng)力環(huán)境較大，特別對于水平方向主應(yīng)力差值較大的情況，可選用高強(qiáng)度套管，從而降低鉆探風(fēng)險。

5 結(jié)論

1）單軸條件下，膏泥巖具有明顯的張性離散破裂特征，而三軸條件下則表現(xiàn)為明顯的剪裂特征。硬石膏組分體積分?jǐn)?shù)的增加能明顯延緩巖石破裂的時間，提高巖石的抗張剪能力及強(qiáng)度極限。

2）硬石膏體積分?jǐn)?shù)增加能提高巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比，同時延緩巖石的弱化，但在高應(yīng)力條件下膏泥巖具有較為明顯的塑性特征。

3）長時間的膏泥巖塑性行為會導(dǎo)致礦物內(nèi)部發(fā)生滑移位錯，類似于長期蠕變行為，從而集聚巨大的額外應(yīng)力，對井壁或套管造成破壞。膏泥巖地層中的水平方向主應(yīng)力差的差異性越大，越利于膏泥巖中礦物晶體的滑動，進(jìn)而對套管造成破壞。