基于案例教學(xué)的石油工程“巖石力學(xué)”課程典型案例設(shè)計(jì)實(shí)踐

許成元 游利軍 李相臣 康毅力

摘要本文從培養(yǎng)石油工程專業(yè)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題能力”的背景下出發(fā)，以石油工程專業(yè)“巖石力學(xué)”課程為例，圍繞巖石強(qiáng)度、巖石變形與破、應(yīng)力加載方式三個(gè)方面的知識點(diǎn)，從工程實(shí)際問題出發(fā)，設(shè)計(jì)了典型教學(xué)案例，以期能夠?yàn)榘咐虒W(xué)實(shí)踐提供一些思路。

關(guān)鍵詞 案例教學(xué) 石油工程 解決復(fù)雜工程問題能力 巖石力學(xué)

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.034

Typical Case Design Practice of Petroleum Engineering "Rock Mechanics" Course Based on Case Teaching

XU Chengyuan， YOU Lijun， LI Xiangchen， KANG Yili

（Petroleum Engineering School， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500）

AbstractIn this paper，under the background of cultivating the students’ ability to solve complex engineering problems， taking the course of rock mechanics for petroleum engineering as an example， the typical teaching cases are designed based on the three aspects of rock strength， rock deformation and fracture， and stress loading mode， In order to provide some ideas for the case teaching practice.

Keywordscase teaching； petroleum engineering； ability to solve complex engineering problems； rock mechanics

0引言

巖石力學(xué)是石油與天然氣勘探開發(fā)過程多項(xiàng)重要工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，鉆井、井壁穩(wěn)定控制、水力壓裂、儲層保護(hù)、防砂完井等作業(yè)環(huán)節(jié)均涉及巖石力學(xué)問題，且隨著油氣勘探開發(fā)逐步走向深層超深層，巖石力學(xué)在石油工程專業(yè)的應(yīng)用越來越普遍和深入。解決復(fù)雜工程問題能力是工科專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的重要目標(biāo)，因此石油工程?？票究粕脱芯可_設(shè)“巖石力學(xué)”課程。工程專業(yè)認(rèn)證要求學(xué)生參與工程實(shí)踐、設(shè)計(jì)/解決工程復(fù)雜問題、參與科學(xué)研究，并在工程實(shí)踐中考慮非工程技術(shù)因素。但是，目前石油工程專業(yè)“巖石力學(xué)”課程教學(xué)過程中，巖石力學(xué)相關(guān)工程案例融入課堂仍不多，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念有待進(jìn)一步改進(jìn)。案例教學(xué)方法通過將科學(xué)研究與現(xiàn)場實(shí)踐過程中解決的巖石力學(xué)工程實(shí)例，整理成教學(xué)案例，來促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)巖石力學(xué)的掌握和理解。石油工程專業(yè)學(xué)生未來要解決復(fù)雜石油工程問題，但解決這些問題不僅需要知識，更需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新思路，而科研案例，尤其是典型石油工程案例不僅提升學(xué)生解決問題的能力，而且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程科學(xué)基礎(chǔ)與專業(yè)知識的興趣，同時(shí)感受石油精神的熏陶，例如，羅平亞院士智能凝膠羅家2井堵漏；典型案例也讓學(xué)生進(jìn)一步明確石油工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題解決過程中可能涉及的環(huán)境問題，理解石油與天然氣工程領(lǐng)域環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的理念和內(nèi)涵，例如2011年康菲渤海漏失事故。

由于巖石力學(xué)研究對象、研究內(nèi)容的復(fù)雜性，作為石油工程專業(yè)本科生培養(yǎng)體系中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，根據(jù)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)要求，本課程教學(xué)中將緊密結(jié)合后繼課程的教學(xué)內(nèi)容需要及油氣工業(yè)巖石力學(xué)的特殊性，把一些科研成果，尤其是現(xiàn)場工程實(shí)踐引入課堂，將使學(xué)生學(xué)習(xí)的巖石力學(xué)知識更加扎實(shí)，并能靈活應(yīng)用。

1石油工程“巖石力學(xué)”課程典型案例設(shè)計(jì)

1.1巖石強(qiáng)度相關(guān)知識點(diǎn)典型案例

通過對出砂砂樣進(jìn)行粒度分析，確定出砂砂粒的來源，結(jié)果表明YHL35區(qū)塊砂巖主要粒級區(qū)間為0.01～1.00mm，主要碎屑粒徑范圍為0.03～1mm。YHL區(qū)塊屬于致密砂巖油藏，儲層壓實(shí)程度高，膠結(jié)物以硅質(zhì)、方解石為主，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)狀況好，黏土礦物含量低，不易發(fā)生水化膨脹，加之原油黏度低，出砂粒徑明顯大于孔喉直徑，出砂機(jī)理與疏松砂巖油藏不同。

目前常用的出砂經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法主要考慮儲層巖石力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)，但并沒有考慮超深致密砂巖氣藏實(shí)際儲層地質(zhì)特征，因此導(dǎo)致出砂預(yù)測結(jié)果誤差較大。研究區(qū)超深致密砂巖氣藏地質(zhì)條件特殊，地應(yīng)力狀態(tài)屬于潛在走滑型應(yīng)力機(jī)制（水平最大主應(yīng)力壓力梯度（2.77MPa/100m）>垂向應(yīng)力壓力梯度（2.45MPa/100m）>水平最大主應(yīng)力壓力梯度（2.14MPa/100m））；在高構(gòu)造應(yīng)力及強(qiáng)壓實(shí)作用下，氣藏致密砂巖基塊具有明顯的硬脆性力學(xué)特征，致密砂巖基塊三軸壓縮實(shí)驗(yàn)差應(yīng)力可達(dá)433MPa，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出很強(qiáng)的硬脆性特征；氣藏位于構(gòu)造活躍區(qū)，儲層在成藏及后期地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了多期次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，儲層裂縫發(fā)育，裂縫線密度介于0.6～1.74條/m，平均1條/m；此外，研究區(qū)氣井投產(chǎn)前需要進(jìn)行一定規(guī)模的酸壓作業(yè)，造成地層裂縫密度進(jìn)一步增加。分析認(rèn)為強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致油藏天然微裂縫發(fā)育，進(jìn)而顯著降低了巖體強(qiáng)度，為油藏大規(guī)模出砂最重要的因素。

基于該案例，在巖石力學(xué)教學(xué)中可對學(xué)生形成以下幾點(diǎn)啟示：（1）含微裂縫巖樣與完整巖樣抗拉/抗壓/抗剪強(qiáng)度有顯著區(qū)別，微裂縫存在會極大降低巖樣整體強(qiáng)度；（2）巖石強(qiáng)度測試時(shí)應(yīng)特別注意試樣的尺寸效應(yīng)。隨試樣尺寸增加，包含微裂縫的可能性增加，試樣強(qiáng)度呈降低趨勢。

1.2巖石變形與破壞相關(guān)知識點(diǎn)典型案例

塔里木盆地KS山前構(gòu)造地質(zhì)情況和鉆井情況復(fù)雜，導(dǎo)致鉆井過程中漏失頻繁發(fā)生，引起漏失的原因復(fù)雜多樣。統(tǒng)計(jì)了KS山前區(qū)塊近年來鉆井過程中的不同層位的鉆井液漏失量，據(jù)漏失統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，KS山前區(qū)塊漏失主要發(fā)生鹽膏層層、目的層和鹽上地層，其中目的層的漏失量巨大，占全井段漏失量的28%。目的層具有巖性變化大、裂縫發(fā)育、地層壓力變化大、承壓能力低等特征，井漏復(fù)雜，加大了防漏堵漏的難度。但同樣是鉆井液漏失，不同層位鉆井液漏失發(fā)生的作業(yè)環(huán)節(jié)、漏失成因類型、堵漏效果均存在較大差異，如目的層鉆井液漏失主要發(fā)生在正常鉆井過程中，鹽膏層鉆井液漏失主要發(fā)生在承壓堵漏、下套管和固井作業(yè)過程中。導(dǎo)致不同層位鉆井液漏失這種顯著差異的原因是什么呢？

井漏問題也是一個(gè)典型的巖石力學(xué)問題，井筒液柱壓力作用下井壁地層發(fā)生的巖石破裂、裂縫擴(kuò)展延伸及地層中發(fā)育的天然裂縫，均是導(dǎo)致井漏發(fā)生的重要原因。誘導(dǎo)破裂型漏失發(fā)生于裂縫欠發(fā)育地層，初始條件下井周地層較完整，隨井筒液柱壓力升高，地層破裂而產(chǎn)生裂縫漏失通道，導(dǎo)致鉆井液漏失發(fā)生；裂縫擴(kuò)延型漏失發(fā)生于天然裂縫發(fā)育地層，初始條件下天然裂縫呈閉合狀態(tài)或縫寬小于臨界致漏裂縫寬度。隨井筒液柱壓力升高，裂縫重新開啟并達(dá)到致漏裂縫寬度，進(jìn)而導(dǎo)致鉆井液漏失發(fā)生。臨界致漏裂縫寬度取決于鉆井液流變性性質(zhì)、鉆井液中固相含量和粒度分布。通過在鉆井液中加入防漏堵漏材料可有效提高臨界致漏裂縫寬度；大中裂縫型漏失發(fā)生于天然裂縫、孔洞發(fā)育地層，初始條件下天然裂縫即呈張開狀態(tài)并具有較大開度，鉆遇該地層，只需滿足正壓差條件，鉆井液漏失即會發(fā)生。

井周應(yīng)力場、裂縫尖端應(yīng)力場、封堵層自身強(qiáng)度是預(yù)防和控制鉆井液漏失的主要屏障，強(qiáng)化裂縫—封堵層系統(tǒng)穩(wěn)定性是鉆井液防漏堵漏的重要手段。針對誘導(dǎo)破裂型漏失、裂縫擴(kuò)延型漏失和大中裂縫型漏失，形成了調(diào)控井周應(yīng)力、封堵漏失通道和提高巖體強(qiáng)度理論與方法。其中，調(diào)控井周應(yīng)力方法又可分為防止地層破裂和阻止裂縫延伸方法。通過綜合運(yùn)用鉆井液防漏堵漏方法，可對誘導(dǎo)破裂型、裂縫擴(kuò)延型和大中裂縫型漏失進(jìn)行有效預(yù)防與控制。對于誘導(dǎo)破裂型漏失，主要采用防止地層破裂方法，其要點(diǎn)在于利用堵漏材料支撐裂縫張開，強(qiáng)化井周切向應(yīng)力，并及時(shí)隔離裂縫尖端，保持裂縫—封堵層系統(tǒng)穩(wěn)定性；對于裂縫擴(kuò)延型漏失，主要采用阻止裂縫延伸方法，其要點(diǎn)在于快速形成致密封堵，控制裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子于臨界值之下，保持裂縫—封堵層系統(tǒng)穩(wěn)定性；對于大中裂縫型漏失，可采用封堵漏失通道或提高巖體強(qiáng)度方法，其要點(diǎn)在于裂縫封堵層物理/化學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

基于該案例，在巖石力學(xué)教學(xué)中可對學(xué)生形成以下幾點(diǎn)啟示：（1）井漏是井壁巖石發(fā)生張性破壞的結(jié)果；（2）井壁巖石破壞形式具有多樣性。

1.3應(yīng)力加載方式相關(guān)知識點(diǎn)典型案例

塔里木盆地深層致密油氣藏完井測試及開發(fā)過程中，氣井生產(chǎn)壓差變化以及重復(fù)開關(guān)井都將導(dǎo)致儲層近井帶有效應(yīng)力發(fā)生周期性重復(fù)變化，這種有效應(yīng)力周期性變化是否會導(dǎo)致近井帶裂縫滲透率發(fā)生顯著變化呢？此外，裂縫的重復(fù)閉合、開啟是否將導(dǎo)致裂縫面發(fā)生顯著變化，從而改變裂縫應(yīng)力敏感性呢？

基于此，開展了研究區(qū)致密砂巖裂縫巖樣循環(huán)加載/卸載過程的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置采用高壓裂縫應(yīng)力敏感性測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)步驟與原狀裂縫巖樣應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)步驟一致。測試了有效應(yīng)力五增（3MPa→55MPa）五降（55MPa→3MPa）過程中裂縫滲透率變化情況。有效應(yīng)力加載過程，裂縫滲透率都出現(xiàn)降低的趨勢；有效應(yīng)力卸載過程，雖然裂縫滲透率有所恢復(fù)，但與初始滲透率相差極大。在第三次降壓過程中，當(dāng)有效應(yīng)力降低至5MPa附近時(shí)，巖樣滲透率發(fā)生了突變，滲透率顯著增大，隨后加載過程裂縫滲透率再次降低，直至第五次加載/卸載過程，裂縫滲透率都沒有再次發(fā)生突變。

采用應(yīng)力敏感系數(shù)法評價(jià)了重復(fù)加載/卸載裂縫巖樣應(yīng)力敏感性變化規(guī)律。隨著應(yīng)力加載/卸載次數(shù)的增加，裂縫應(yīng)力敏感性數(shù)在加載及卸載過程中都有所降低，但由于三次卸載過程中的滲透率突增，導(dǎo)致第三次卸載過程和第四次加載過程應(yīng)力敏感系數(shù)都發(fā)生了突增的現(xiàn)象。分析認(rèn)為，儲層裂縫在循環(huán)加載/卸載過程中滲透率有持續(xù)降低的趨勢，且有效應(yīng)力降低后裂縫滲透率恢復(fù)率也極低。此外，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，循環(huán)加載/卸載過程將造成儲層巖石超過其疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致儲層巖石發(fā)生破壞。雖然在短期內(nèi)儲層滲透率有一定升高，但其在應(yīng)力敏感作用下也將快速降低。同時(shí)，儲層巖石的破壞勢必導(dǎo)致地層微粒的產(chǎn)生，大量的地層微粒既可能造成裂縫固相堵塞損害，也有可能隨著氣體流入井筒造成出砂等一系列復(fù)雜的工程問題。因此，建議在氣藏完井測試及開采過程中盡量避免重復(fù)開關(guān)井，一是為了避免儲層近井帶裂縫重復(fù)開啟/閉合加劇儲層損害的問題，二是為了防止儲層巖石發(fā)生破壞，造成出砂等其他復(fù)雜工程問題。

基于該案例，在巖石力學(xué)教學(xué)中可對學(xué)生形成以下幾點(diǎn)啟示：（1）循環(huán)加載在石油工程巖石力學(xué)工程作業(yè)中普遍存在；（2）循環(huán)加載對巖石的力學(xué)行為具有重要影響。

2結(jié)語

石油工程的對象是處于高溫高壓條件下幾千米甚至上萬米深地下巖層中流體，巖層性質(zhì)各異，油氣層巖石與流體性質(zhì)不同。油氣開發(fā)需要多種作業(yè)環(huán)節(jié)，每種作業(yè)環(huán)節(jié)涉及多個(gè)學(xué)科，在每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)中都會有復(fù)雜工程問題，這些問題又相互影響制約。要解決這些復(fù)雜工程問題，需要多學(xué)科尤其是地質(zhì)、力學(xué)、化學(xué)等扎實(shí)的基礎(chǔ)學(xué)科知識，更需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新思路。本文詳細(xì)介紹了石油工程作業(yè)過程中，三個(gè)與巖石力學(xué)問題相關(guān)的典型案例，進(jìn)而以案例教學(xué)為導(dǎo)向，激發(fā)工科學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科和實(shí)踐教學(xué)，提高多學(xué)科解決石油工程復(fù)雜問題的能力。

基金項(xiàng)目：2018年度西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院教改項(xiàng)目“提高學(xué)生解決石油工程復(fù)雜巖石力學(xué)問題能力的案例教學(xué)探索與實(shí)踐”；2018年度西南石油大學(xué)教改項(xiàng)目“探討式‘保護(hù)儲層技術(shù)’案例教學(xué)探索與實(shí)踐”（X2018KZ071）；2018年度西南石油大學(xué)教改項(xiàng)目“科研成果深度融入工科專業(yè)課程教學(xué)的研究與實(shí)踐”（X2018JGZDI002）

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