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。

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。

页岩渗吸过程中的水化损伤演化特征研究

页岩气开发必须依赖长段水平井技术,但页岩属于典型的钻井易失稳地层,制约了页岩储层长段水平井钻井。水化损伤是造成该类地层垮塌失稳的主要诱因。钻井过程中,渗吸作用是钻井液中的水相介质进入地层的主要形式之一。水相介质进入页岩后,与内部黏土发生水化反应,形成损伤效应。目前,对页岩水化损伤机制的研究已经较为成熟,但围绕渗吸与水化的相关性研究较为缺乏,对渗吸过程中的页岩水化损伤演化规律的认识不够深入,限制了页岩储层水平井钻井提质提速。基于此,本文结合室内渗吸实验与力学实验,以损伤力学理论为基础,明确了页岩渗吸特征,以及渗吸过程中的水化结构损伤演变规律,构建了渗吸过程中的页岩水化损伤本构模型,分析了渗吸过程中页岩能量响应规律。研究结果表明:页岩渗吸在前期更为显著,后期逐渐趋于稳定。水化损伤程度与渗吸程度具有对应性。渗吸过程中,页岩水化裂纹逐渐扩展,力学强度降低,页岩从脆性向塑性转变。随渗吸时间增加与水化作用增强,岩石吸收总能、弹性能以及耗散能均呈现降低趋势,力学稳定性变差。研究成果深化了对页岩储层力学行为特征的认识,为实现页岩气储层高效安全的长段水平井技术提供了理论支撑。

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组含油页岩岩石力学特性及可压裂性评价

页岩油储层具有油气丰度低、渗透能力差、单井无自然产能或自然产能低于工业油流下限、能量衰减快等特点,在水平井或多分支井的基础上实施高效的压裂改造是实现页岩油效益开采的关键。围绕吉木萨尔凹陷芦草沟组含油页岩储层的可压裂性评价,实验测试与理论分析相结合,研究认识了岩石的变形破坏特征、力学强度特性及其纵向分布特征;在芦草沟组页岩储层可压裂性影响因素分析的基础上,建立了可压裂性指数评价方法。结果表明:芦草沟组含油页岩的变形破坏呈现显著的脆性特征,且层理、微裂缝等结构面发育,具备压裂改造形成复杂缝网的内在地质力学条件;芦草沟组页岩储层间存在岩石力学强度、地应力相对较高的隔层,对该类型储集体的压裂过程中在兼顾裂缝网络复杂化的同时还应强化压裂缝对上下储层的沟通能力,实现压裂改造有效体积的最大化;综合脆性指数、水平应力差、层间应力差以及断裂韧性等指标,建立了可同时表征水平井体积压裂缝网形成难易与压裂缝穿越隔层沟通纵向储层能力的可压裂性评价方法;基于微地震压裂监测结果的验证分析表明所建立的可压裂性指数评价方法在以吉木萨尔凹陷油页岩为代表的薄互层状页岩地层中具有较好适用性。

水岩作用对页岩岩石物理性质的影响——以四川盆地下志留统龙马溪组页岩为例

页岩气的勘探开发离不开高效的钻井和有效的压裂,勘探开发过程中页岩—水的相互作用有利也有弊,但目前缺少水岩作用对页岩岩石物理性质影响的系统认识。为此,以四川盆地下志留统龙马溪组页岩为例,开展了页岩岩样的吸附性能、孔隙度、渗透率、声波速度和力学性能等测试与分析,研究了水岩作用对龙马溪组页岩岩样孔隙结构的影响,并讨论了页岩孔隙结构的变化规律。研究结果表明:(1)页岩中水相的存在会降低甲烷的吸附量,导致页岩对甲烷吸附能力的降低;(2)随着页岩在水中浸泡时间增加,页岩孔隙度和渗透率由快速上升变为缓慢上升,且页岩渗透率的增大幅度明显大于孔隙度增幅;(3)随着浸泡时间增加,页岩声波速度降低、衰减系数增大,且衰减系数的增幅要明显大于波速降幅;(4)随着浸泡时间增加,页岩单轴抗压强度和断裂韧性呈下降趋势;(5)随着浸泡时间增加,页岩比表面积、总孔容、平均孔径呈增大趋势,水岩作用过程中的页岩孔隙形态类型不发生较大的变化,且较大孔隙(孔径大于5 nm)的分形维数与浸泡时间呈良好的正向关系。结论认为:(1)水岩作用在一定程度上可以改变页岩的岩石物理性质,导致页岩的岩石强度和断裂韧性降低,弱化页岩气地层钻井过程中的井壁稳定性;(2)水岩作用也会导致页岩中裂缝尖端处应力强度因子增大,有利于页岩中裂缝延伸与扩展,加快页岩气渗流速度,促进页岩气解吸,提高页岩气产量,缩短页岩气井的生命周期,提高页岩气开发的综合效益。

高温对富有机质页岩岩石物理特性的影响

以四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩为研究对象,分析了高温处理后页岩岩石物理特性的变化规律,同时也探讨了高温对页岩岩石力学特性的影响。研究结果表明,随着温度的升高,页岩岩样的色调逐渐由黑色变为灰白色;页岩样品质量随着温度增加先缓慢下降后再快速下降,而孔隙度和渗透率先缓慢上升后快速上升,即质量、孔隙度和渗透率在温度增加的过程中发生了较明显变化,说明该过程中存在一个阈值温度,龙马溪组页岩的阈值温度范围在300~400℃;随着温度的增加,页岩样品纵横波时差降低,而纵横波衰减系数增大;随着温度增加,页岩样品单轴抗压强度降低,弹性模量下降,泊松比变化规律不明显。

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。

超声波激励环境下页岩气解吸实验装置设计

页岩气的赋存形式造成了页岩气藏开采周期较长,需要采用激励方法来促进页岩气的解吸,而超声波激励措施为促进页岩气的解吸提供了新的思路。为了研究超声波激励环境下页岩气的解吸规律,设计了一种超声波激励环境下页岩气解吸的实验装置,包括气源系统、超声波发生系统、吸附/解吸系统、回压系统、恒温箱系统及数据采集系统等。该装置可为研究不同激励因素对页岩吸附气解吸的影响提供实验条件,并优选出最佳的超声激励参数,以达到最大的激励效率,为促进页岩气加快解吸提供实验依据。

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。

砾岩油藏岩石力学特征及其对压裂改造的影响

砾岩油藏常利用压裂改造提高产能,而油藏岩石力学性质是压裂改造设计的基础。因此,以砾岩储层岩石为研究对象,采用物理实验和数值模拟相结合的方法,研究了玛湖凹陷砾岩油藏的岩石力学特征及其对压裂改造的影响。结果表明:砾石压入硬度与岩性有关,高强度、较大尺寸的砾石能有效抑制裂缝穿透砾石,强化砾岩整体的抗拉强度;储层强水平应力差是实现压裂裂缝横向延伸的助力因素,从提高油井产能角度来看,对于物性较好的储层,应以扩大改造规模、实现压裂裂缝横向延伸为目的,而对于物性较差的储层,应以形成复杂的缝网结构为目的,在弱水平应力差的砾岩储层进行压裂改造。研究结果对于认识砾岩地层裂缝扩展机理、细分压裂改造措施具有重要的意义。

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。

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。