南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示:层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。

玛湖凹陷风城组岩石力学参数自适应权重组合预测

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组岩性复杂,为准确预测其岩石力学参数,提出了一种自适应权重组合预测方法。首先分析、对比传统方法和不同机器学习算法(BP神经网络、XGBoost、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)、决策树(CART)、长短时记忆神经(LSTM)网络等)的预测效果,传统方法难以准确预测岩石力学参数,而不同机器学习算法的预测效果不同,其中抗压强度、抗张强度和脆性指数预测的最优机器学习算法模型为SVM,弹性模量为BP,泊松比为RF,内聚力为XGBoost,内摩擦角和断裂韧性为LSTM网络;单一机器学习算法难以实现对多个岩石力学参数的同步准确预测。在此基础上,通过对不同岩石力学参数选取不同预测基模型,再根据基模型预测效果赋予权重并进行组合,以开展自适应权重组合预测。结果表明,该方法能够有效提升机器学习算法的预测精度和泛化性能,可实现复杂岩性地层多个岩石力学参数的同步准确预测。

海陆过渡相储层不同岩性断裂特征及其对压裂的影响

岩石断裂力学性质是决定储层压裂改造效果的内在地质力学基础,明确海陆过渡相储层不同岩性断裂力学性质对于优化压裂改造措施、改善造缝效果具有现实意义。以鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相储层为研究对象,开展储层多种岩性断裂韧性测试,明确储层不同岩性断裂力学特征及影响因素,并在有限元平台建立了具有测井岩石力学参数分布特征的压裂数值模型,着重研究了岩性组合对裂缝高度扩展规律的影响。结果表明:海陆过渡相储层岩性复杂,富含石英和黏土矿物,力学变形破坏呈较强的脆性特征;与海相页岩相比,海陆过渡相储层岩石具有低断裂韧性的特点,断裂韧性值大小呈现煤岩<碎屑沉积岩<灰岩的特征,其中植物碎屑、纹层等弱结构面通过改变断裂路径影响相应岩性的断裂韧性,有较强的劣化作用;储层岩石静态弹性模量是控制不同岩性断裂韧性的重要力学因素,断裂韧性与静态弹性模量具有线性正相关性;储层岩石具有较强的层间力学非均质性,水力裂缝高度倾向钝化于由泥岩层进入砂岩层过程中,储层夹煤层将明显降低裂缝高度,增大支撑剂在储层非均匀铺置的概率。储层地应力对裂缝高度形态的影响与岩性组合有关,因此在前期水平井穿行轨迹选择需要重视水平井上、下岩性组合特征对后续水平井压裂效果的影响。

基于液相敏感性与加卸载机制的泥岩地层压力预测方法

地层压力是井壁稳定分析的重要参数,尤其在异常高压泥岩段的高压机制复杂,且泥岩具有强液相敏感性,不利于地层压力预测,钻井风险高。基于此,以准噶尔盆地南缘安集海河组泥岩层段为例,考虑流体作用对泥岩物性参数的干扰,建立了泥岩地层物性参数的测井校正方法。结合声速-密度版图法与综合压实曲线法,揭示了泥岩地层异常高压的成因机制;基于高压成因机制,依据加卸载理论与有效应力原理构建了南缘泥岩段地层压力预测方法。结果表明:由于泥岩地层高黏土含量与油水两亲性,水相与油相介质均对泥岩物性具有显著影响,必须开展校正工作;在测井校正后,明确了泥岩段具有加载与卸载的高压成因机制,阐明了加卸载条件下泥岩有效应力与岩石物性的相关性;本文方法较Eaton法、等效深度法、加卸载预测方法、多参数综合预测法等地层压力预测方法具有较高精度。本文建立的泥岩段地层压力预测方法已在准噶尔盆地南缘地层压力预测中取得成功应用,预测地层压力与实测地层压力吻合度高,可为异常压力泥岩段的地层压力预测和泥岩地层安全高效钻井提供借鉴。

酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究

碳酸盐岩在化学和力学作用下结构及力学特征是该类储层酸压技术有效性评价的重要研究课题。以海相碳酸盐岩为研究对象,开展了20%HCl胶凝酸对碳酸盐岩结构和力学性能影响的室内实验研究。基于矿物组成,将碳酸盐岩划分为灰岩、含云质灰岩、含灰质云岩和云岩4种类型,相对于灰岩的均匀刻蚀,酸在含云质灰岩表面选择性刻蚀,形成蚓蚀刻槽,而含灰质云岩和云岩则以点状刻蚀和沿着结构面侵蚀为主。酸作用前碳酸盐岩具有基质强度主导的剪切破坏特征,而酸作用后改变了岩石内部结构,导致碳酸盐岩更易在拉张应力作用下发生破坏,更容易劈裂破坏或沿结构面破坏。酸作用后碳酸盐岩的宏观强度降幅远大于基质强度降幅,酸液通过侵入岩石内部,在岩石内部形成更多微观缺陷,表现为峰值应力时弹性能占比降低和耗散能占比增加,因此其宏观力学性能劣化是基质强度劣化和内部结构改变共同作用的结果。研究结论对于碳酸盐岩现场酸压实践以及后续生产方案制定提供一定指导。

“双创”背景下能源特色高校专创融合实施路径探索——以岩石物理学基础课程为例

岩石物理学基础是能源特色高校勘查技术与工程专业最重要的专业基础课程之一。随着“双创”国家政策的提出,“双创”教育融入岩石物理学基础的教学活动中是必然趋势,也是提高勘查技术与工程专业学生综合创新能力的重要抓手。该文对“双创”背景下岩石物理学基础课程教学现状存在问题进行阐述,并对改变教育观念、丰富教学内容、改进教学方法和考核方式等方面进行课程改革的研究与探讨。

陆相页岩储层地质力学特性及对压裂效果的影响

根据储层测井资料以及压后试油资料,分析了准噶尔盆地玛瑚凹陷风城组陆相页岩储层的地质力学特性,研究了地质力学参数对陆相页岩储层压裂效果的影响,并对陆相页岩储层可压裂性进行了评价。研究结果表明,风城组页岩油储层岩石力学参数与声波、体积密度间存在良好相关性,以此为基础,建立了储层岩石力学参数的测井计算模型;基于已钻井压裂、测井资料,建立了研究区陆相页岩储层地层压力、地应力计算模型;利用灰色关联法明确了储层影响压裂效果的地质力学主控因素(弹性模量、水平应力差、最小水平主应力、抗张强度以及单轴抗压强度);利用层次分析法构建了研究区陆相页岩储层可压裂性评价指标,地质力学主控因素的权重系数依次为0.3696、0.2440、0.2090、0.1093及0.0681。

砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展规律与可压性评价

为探究准噶尔盆地二叠系乌尔禾组砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展延伸规律,采用真实破裂过程分析软件,研究砾石特征、地应力等因素对裂缝扩展的影响。根据数值模拟,研究不同条件下裂缝的扩展过程,描述岩石裂缝演化及形态,建立砂砾岩储集层可压裂性的评价模型。结果表明:乌尔禾组砾石强度和基质强度差异较大,砾石强度为216.62~2032.64 MPa,是基质强度的2~4倍,砾岩岩石力学特性差异明显;砾石含量较小时,裂缝扩展主要受主应力的影响;砾石粒径较小时,裂缝扩展方式主要为绕砾;随着粒径增大或砾石含量增加,砾石对裂缝的抑制和屏蔽作用明显,裂缝延伸距离减小;砾石强度与基质强度差异越大,裂缝遇砾石受阻越强,扩展方式越易由穿砾变为绕砾,降低了裂缝延伸距离。运用灰色关联法和层次分析法,综合考虑砾石特征、水平地应力差等因素,建立了砂砾岩储集层可压裂性评价系数计算模型,无因次压裂裂缝面积和米采液指数与可压裂性评价系数呈正相关关系。

玛湖砾岩油藏水平井压裂井间窜扰特征与机制分析

玛湖砾岩油藏油气资源丰富,以地质工程一体化思想为指导形成的“大井丛、多层系、小井距、长井段、交错式、密切割、拉链式、工厂化”系列开发技术,已实现了百万吨级以上的年生产能力。但在实施小井距水平井、水平井体积压裂立体开发的过程中出现了不同程度的压裂井间窜扰现象,较大程度影响了钻/完井工程作业及稳定生产。为此,以理论研究与数值模拟相结合,开展了压裂窜扰机制研究及主控因素分析。研究结果表明:①根据水平井压裂井间窜扰的连通方式及窜扰特征,将玛湖砾岩油藏水平井压裂井间窜扰分为天然软弱结构发育导致的压裂窜扰、压裂缝沟通导致的窜扰和压裂扰动压力/应力扰动区连通诱发的邻井干扰3种类型。②水平井井距是影响水平井压裂井间窜扰以及井间窜扰程度的关键因素。当水平井井距小于300m时,研究区井间压裂窜扰发生几率大幅增大。综合考虑压裂窜扰对油藏开采的积极作用以及压裂窜扰对钻/完井工程作业、采油作业的不利影响,合理优化设计水平井井距,对砾岩油藏的安全、高效开发具有积极且重要的意义。

应力卸载-水化协同作用下页岩井壁稳定性模型

采用三轴实验与剪切实验,以横观各向同性理论与弱面准则为依据,融合钻井应力卸载与水化作用下的力学损伤,建立了应力卸载-水化协同作用下的页岩井壁稳定模型,开展了页岩地层井壁稳定性影响因素分析。研究表明:页岩钻开后发生应力卸载,围压、轴向应力越大,应力卸载造成的页岩强度弱化越显著,应力卸载幅度与页岩力学强度弱化程度正相关。页岩层理越发育,越易沿层理破坏,应力卸载时,弱结构面与应力卸载协同作用,页岩强度弱化程度越高,力学稳定性越差,井壁失稳风险越大。外部流体易沿层理侵入,促进页岩水化,水化作用同样使页岩力学稳定性变差,降低井壁稳定性。应力卸载对页岩地层坍塌压力的影响主要发生在钻井前期,水化损伤对井壁失稳的影响主要发生在钻井后期。层理、应力卸载、水化作用共同影响页岩井壁稳定性,应力卸载-水化协同作用下页岩井壁稳定性模型综合考虑了三者的影响,经现场应用检验,预测结果符合钻井实际,可靠性较好。

高温作用下不同岩性岩石物理特性的演化规律

关于高温导致岩石孔隙结构和物理参数变化的研究成果较多,但研究的岩石岩性单一,且对不同岩性岩石受热激励后物理性质变化规律、差异机制等方面的研究还不深入。为此,以四川盆地上三叠统须家河组致密砂岩和泥岩、下志留统龙马溪组页岩为研究对象,通过室内实验,研究了高温作用下不同岩性岩石孔隙度、渗透率和声波速度的变化规律,并讨论了不同岩性岩石动态弹性参数、裂隙密度、损伤系数随温度变化的规律。研究结果表明:①不同岩性岩石阈值温度存在差异,其中砂岩为500℃,页岩为400℃,泥岩为300℃;②随着温度增加,不同岩性岩石表面颜色逐渐发生变化,宏观体积逐渐增大,质量和密度逐渐减小,有机碳含量是影响页岩表观颜色的主控因素;③不同岩性岩石孔隙度、渗透率、裂隙密度、损伤系数随温度增加而增大,而声波速度、弹性模量、体积模量、剪切模量等弹性参数呈减小趋势;④随着温度增加,页岩时域信号振幅下降,频域图主频逐渐向低频部分偏移,岩石孔隙结构变化程度增加;⑤不同岩性岩石受热初期质量损失受到黏土矿物影响较大,而高温时受到碳酸盐矿物含量影响较大,碳酸盐矿物含量对孔隙度增大呈积极作用,石英含量对渗透率增大起积极作用,即岩石石英、碳酸盐矿物含量越高,高温作用后岩石物性改善效果越好。结论认为,高温对岩石的物理特性影响程度主要取决于岩石自身的矿物组分,研究结果对原位加热改性技术在储层增渗可行性研究有一定的参考价值。

基于邻点融合方法的碳酸盐岩孔隙结构统计模型及其声学响应特性

全球油气资源已探明储量中,碳酸盐岩油气藏储量约占50%、产量占60%以上,是油气增储上产的重要对象,但碳酸盐岩孔隙结构复杂,非均质性较强,采用以往的孔隙结构模型得到的声学响应模拟结果通常与实验结果存在较大差异。为此,在碳酸盐岩岩心CT扫描实验的基础上,研究了岩心的孔隙结构特征和分布规律,明确了岩心中孔、洞和裂缝的数量、所占面积分数、长宽比均值以及孔隙中心坐标均值和协方差矩阵,并采用邻点融合方法建立了具有不同尺度的碳酸盐岩二维孔隙结构统计模型;对重建模型的声波波场进行了有限差分数值模拟,并将多个重建模型的声波速度均值与原始模型的声波速度作了对比分析。研究结果表明:①同一岩心不同角度纵向切片的孔隙结构和声波速度差异非常大;②孔隙度和孔隙数量对声波速度的影响很小,声波速度主要受孔隙分布位置的影响;③多个重建模型的声波速度均值与原始模型的声波速度值吻合较好。结论认为,可将声波速度最大值对应的CT纵向切片的孔隙结构参数作为二维孔隙结构统计模型构建的基础,采用孔隙中心坐标均值和协方差矩阵来表征孔隙的分布位置,基于邻点融合方法来建立具有不同尺度的碳酸盐岩二维孔隙结构统计模型,对碳酸盐岩储层孔隙结构特征分析与储层参数预测具有重要的指导意义。

基于岩石力学特性的钻井液优选研究——以鄂尔多斯盆地长7页岩地层为例

钻井液稳定井壁性能是决定页岩地层能否安全高效钻进的基础,常规评价方法主要针对钻井液化学性能,但页岩井壁垮塌的本质是力学失稳。基于此,通过硬度、抗压强度等多项岩石力学参数对钻井液进行优选,与常规钻井液性能评价方法相比,本方法可实现钻井液保持页岩力学强度及井壁稳定性的量化评价,更具有现场应用价值。钻井液与页岩接触,水相介质进入页岩,与内部黏土发生水化作用,导致页岩硬度与抗压强度均出现明显下降,造成井壁失稳;同时,钻井液作用48 h后的页岩地层坍塌压力当量密度增加了0.43 g/cm^(3),增加了井壁失稳的可能性,使安全密度窗口大幅变窄,不利于安全钻进。通过对比优化后的钻井液对目标页岩地层硬度、抗压强度和坍塌压力的影响程度,优选出具有良好效果的钻井液体系,为研究区及其他地区同类地层的钻井液优选提供依据。

页岩气储层自吸-水化损伤-离子扩散相关性试验研究

压裂液与页岩气储层接触后,诱发自吸、水化损伤及离子扩散等水岩反应,导致压裂液返排率低、矿化度高,对压裂改造效果与页岩气产出均有显著影响。目前对上述水岩反应已经开展了针对性研究,但自吸、水化损伤及离子扩散同步产生,对三者之间相关性的研究较缺乏,难以准确认识压裂液与页岩的相互作用,不利于压裂优化设计。为此,立足于室内试验手段,明确了不同条件下的页岩自吸、水化损伤及离子扩散规律及影响因素,系统分析了页岩自吸、水化损伤及离子扩散之间的定量相关性以及相互作用机制。研究结果显示:自吸、水化损伤及离子扩散具有同步响应特征,均在自吸前期发展显著,后续逐渐趋于稳定;自吸与水化损伤相互促进,使页岩吸水量增大;随页岩吸水量增大,离子扩散程度加剧,更多盐离子扩散进入压裂液,使压裂液活度降低,减弱页岩自吸与水化程度。研究成果深化了对压裂液与页岩相互作用的认识,为实现页岩气储层高效水力压裂改造提供了理论支撑。

基于案例教学的“岩石物理学基础”课程教学改革实践

文章系统分析了“岩石物理学基础”课程教学现状,总结了传统教学方法的不足,提出了案例教学方法应用的必要性,梳理了该课程多种类型的案例教学素材,建立课程案例库,探讨案例教学实施方式,培养学生独立思考的能力,提升学生的综合应用能力和创新能力,为“岩石物理学基础”课程的进一步建设奠定了基础。

考虑水化损伤作用的页岩动态自吸模型

页岩自吸作用是影响其钻井、压裂等工程措施的重要基础现象。不同于砂岩、碳酸盐岩地层,页岩黏土矿物发育,水相介质侵入页岩后与黏土接触诱发水化结构损伤,促进自吸。因此,若忽略自吸过程中的水化损伤,不符合页岩实际吸水状态,从而影响钻完井工程设计。为此,基于室内试验手段,建立了水化结构损伤定量表征方法,并以水化损伤演变规律为依据,在建立动态自吸毛细管力与动态迂曲度计算公式的基础上,构建了页岩动态自吸模型。页岩动态自吸模型预测的自吸曲线与实际自吸曲线吻合程度较好,验证了所构建模型的准确性。利用所构建的页岩动态自吸模型系统分析了影响页岩动态自吸的因素,结果表明,水化作用对页岩自吸具有显著促进作用。在强水化作用下,页岩孔隙度增大、迂曲度降低,具备更强的驱动力与更小的流动阻力,导致自吸量与自吸速率明显增大,表明水化损伤是影响页岩自吸的主要因素。研究结果深化了对页岩自吸机制的认识,为页岩地层钻完井工程制定合理技术措施提供了理论依据。

含氧官能团修饰的石墨表面润湿性及其对气水分布的影响

润湿性是储层岩石表面重要的物理性质之一,是影响毛细管力、相对渗透率、束缚水饱和度以及流体微观分布的关键因素。基于分子模拟方法,研究了含氧官能团修饰的石墨表面(有机质表面)润湿行为及甲烷-水体系在有机质狭缝孔中的分布特征。结果表明:随着含氧官能团的增多,水分子与有机质表面间相互作用能减小,有机质表面润湿接触角增大;随着温度的升高,有机质表面与水分子间的相互作用能增大,润湿接触角减小;在对称C/O比的石墨狭缝孔模型中,水分子对称分布在含氧官能团化的石墨壁面附近区域,且随着C/O比的减小,水分子的相对浓度增大、扩散系数减小,而甲烷分子则聚集分布在孔中心区域;在不对称C/O比的石墨狭缝孔模型中,水分子不对称分布在含氧官能团化的石墨壁面附近区域,而甲烷分子仍聚集分布在孔中心区域,其中C/O比低的一侧,壁面亲水性强,水分子的相对浓度高,而C/O比高的一侧,壁面疏水性强,水分子的相对浓度低。研究结果对于页岩储层特征影响研究有重要的意义。

南缘白垩系清水河组超深层碎屑岩油气藏出砂预测研究

清水河组资源丰富,但储层易出砂,影响后续生产。为此,对出砂机理进行分析,认为其受胶结物、裂缝、压差等地质-工程因素影响,易发生剪切破坏。以此为基础,建立了临界生产压差模型,为后续勘探开发提供技术支撑。

砾岩油藏压裂裂缝遇砾扩展行为机理

砾石的随机分布使砾岩储层具有高度非均质性,显著影响局部力学响应,难以控制和预测水力压裂裂缝的扩展。水力压裂裂缝的遇砾扩展机制仍不清楚,使得水力压裂的设计和有效实施充满挑战。基于全局黏聚力单元,在Abaqus平台建立了渗流-应力-损伤多场耦合的二维裂缝扩展模型;在细观尺度上将砾岩视为砾石、基质和胶结面组成的三相复合材料,进行压裂裂缝遇砾扩展行为机理研究。结果表明,水力裂缝遇砾发生穿砾、绕砾、穿砾且绕砾等现象;砾石的渗透性和弹性模量对裂缝遇砾行为影响的作用机理不同:砾石的低渗透性造成憋压现象,裂缝尖端流体压力提高了13%,水平与竖直方向有效应力分别减小了10.1%和12.8%;砾石的高弹性模量造成应力的屏蔽现象,裂缝尖端与砾石间的区域水平方向有效应力减小了5.8%。砾石的低渗透性与高弹性模量都会造成胶结面上发生剪应力集中,增加了胶结弱面破坏的可能性,造成裂缝遇砾发生偏转。

陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化特征

以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组陆相页岩储集层为研究对象,岩性分别为白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩、白云质粉砂岩和粉砂岩,通过室内力学实验,研究了陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化规律。结果表明,陆相页岩储集层不同岩性岩石力学特性存在较明显差异,白云岩、白云质粉砂岩、粉砂岩、泥质白云岩和白云质泥岩的抗压强度分别为112.09 MPa、98.20 MPa、85.98 MPa、81.28 MPa和58.30 MPa;随着围压增大,陆相页岩储集层岩石脆性减弱,延性增强;陆相页岩储集层不同岩性岩样在峰值强度处的能量大小不同,反映不同岩性岩样间存在较强的非均质性,此外,三轴压缩条件下,相同岩性岩石弹性能、耗散能和总能量都大于单轴压缩条件。