郝立軍 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500 中石化河南油田分公司采油二廠，河南 南陽473400）

王集油田巖石力學(xué)性質(zhì)研究

郝立軍 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500 中石化河南油田分公司采油二廠，河南 南陽473400）

巖石力學(xué)性質(zhì)客觀存在于地殼巖石中，是巖石本身固有的物理性質(zhì)。這些物理性質(zhì)影響著儲層的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，與采油工程及油藏增產(chǎn)措施方案優(yōu)化密切相關(guān)，對特定油藏巖石力學(xué)性質(zhì)的研究，是提高油藏措施方案針對性及開發(fā)效果的基礎(chǔ)。針對王集油田，應(yīng)用室內(nèi)巖心測試方法，研究了王集油田巖石密度、抗張強度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為油藏數(shù)值模擬及工程應(yīng)用計算評選準確的輸入?yún)?shù)，同時為王集油田采油工程及油層增產(chǎn)措施方案優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。

泥質(zhì)粉砂巖；粗砂巖；力學(xué)性質(zhì)；測試

王集油田位于泌陽凹陷北部斜坡帶，地震解釋認為該油田是被斷層復(fù)雜化的向東南傾沒的緩鼻狀構(gòu)造，屬復(fù)雜斷塊油氣藏。這種復(fù)雜構(gòu)造是在大地構(gòu)造應(yīng)力及其他因素長期作用下的地殼活動形成的，在構(gòu)造形成過程中，巖石的變形特征、密度等客觀物理性質(zhì)也隨即被確定。王集油田逐步進入工業(yè)化開采階段，這些物理性質(zhì)影響油井的井眼軌跡、地層流體的流動特征及分布，與該油田采油工程及油藏增產(chǎn)措施方案優(yōu)化密切相關(guān)。

巖石力學(xué)性質(zhì)最直觀的表達方法是通過應(yīng)力應(yīng)變特征及應(yīng)變雖時間的變化特征來表示。在該文中針對王集油田選擇有代表性的巖樣，模擬地層圍壓等條件進行巖石力學(xué)試驗，了解地層環(huán)境下的巖石彈性、非彈性變形方式，測定巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為油藏數(shù)值模擬及工程應(yīng)用計算評選準確的輸入?yún)?shù)，為采油工程及油藏增產(chǎn)措施方案優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試樣制備準則

選取深度：以主要目的層深度為主，1300m左右；巖性：泥質(zhì)粉砂巖及粗砂巖。經(jīng)密度測定，泥質(zhì)粉砂巖平均密度為2.261g/cm3，粗砂巖平均密度為1.975g/cm3。

2 巖石抗張強度研究

巖石抵抗拉伸破壞的最大能力稱為巖石的抗張強度。該次試驗采用劈裂法測定巖石的抗張強度。計算公式［1，2］如下：

式中，St為巖石抗張強度，MPa；P為破壞載荷，kN；D為試樣直徑，cm；L為試樣厚度，cm。

測試結(jié)果表明，泥質(zhì)粉砂巖的抗張強度大于粗砂巖的抗張強度。如表1所示，泥質(zhì)粉砂巖的抗張強度為0.861～2.071MPa，平均抗張強度為1.304MPa；粗砂巖的抗張強度為0.761～0.938MPa，平均抗張強度為0.850MPa。

表1 巖石抗張強度測試結(jié)果表

3 巖石三軸壓縮試驗

應(yīng)用MG－1油氣藏應(yīng)力敏感性測試儀，通過測定巖心柱試件在不同圍壓作用下縱向和橫向的變形量，求得巖石的彈性模量、泊松比以及巖石三軸抗壓強度。研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形特性和巖石的強度特性。

圖1是其中一塊巖樣A5的應(yīng)力應(yīng)變曲線，該曲線可分為4個階段，第一階段OA曲線，當(dāng)載荷由O點增加到A點數(shù)值時，曲線呈現(xiàn)微微向上彎曲的形狀，說明該巖樣內(nèi)部存在一定微裂隙。第二階段AB曲線，近似為直線，其斜率就是彈性模量E，經(jīng)計算，該巖樣的彈性模量E為1.292×104MPa，其中，B點是產(chǎn)生彈性變形的應(yīng)力極限值，稱為彈性極限。第三階段為BC曲線，在該階段曲線明顯向下彎曲，說明在應(yīng)力增加較小情況下，發(fā)生了較大的應(yīng)變，且會出現(xiàn)永久應(yīng)變，其中B點應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力σs，從B點開始，在BC段范圍內(nèi)，巖石不斷產(chǎn)生微破裂以及在粒內(nèi)或粒間產(chǎn)生滑移，產(chǎn)生巖石破壞前所具有的明顯非彈性變形，當(dāng)?shù)竭_C點有明顯破裂面形成。最高值C點的應(yīng)力值就是抗壓強度，它表示在當(dāng)時圍壓條件下所能承受的最大壓應(yīng)力。第四階段為CD曲線，在該階段微破裂繼續(xù)擴展，巖石強度不斷下降，已有宏觀破裂面形成，巖石破裂成幾塊。如圖2所示，A5號巖心破裂。根據(jù)三軸壓縮試驗結(jié)果，通過計算，可以確定不同圍壓條件下的巖石彈性模量和泊松比。結(jié)果表明，泥質(zhì)粉砂巖的平均彈性模量為0.83×104MPa，平均泊松比0.298。粗砂巖的平均彈性模量為1.237×104MPa，平均泊松比0.284。泥質(zhì)粉砂巖彈性模量小于粗砂巖的彈性模量，泊松比大于后者。

圖1 A5試樣三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖2 三軸破壞試樣 （A組）

圖3 巖石斷裂韌性試驗示意圖

4 巖石斷裂韌性試驗

斷裂韌性是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)，是材料固有的特性，只與材料本身有關(guān)。該次試驗采用ISRM標(biāo)準的CCNBD方法。圖3是巖石斷裂韌性測試示意圖。計算公式：

式中：Pmax為最大載荷，MPa；B為樣品長度，m；D為樣品直徑，m為樣本的臨界無量綱應(yīng)力強度計算系數(shù)，和樣本形狀有關(guān)；α1是切槽邊任意半弦長a1與半徑R的比值；u和v分別是一個常量。

試驗結(jié)果表明，泥質(zhì)粉砂巖的斷裂韌性大于粗砂巖的斷裂韌性，計算結(jié)果見表2，泥質(zhì)粉砂巖的斷裂韌性為0.539MPa·m0.5，而粗砂巖的斷裂韌性為0.424MPa·m0.5。綜合巖石三軸壓縮試驗結(jié)果，認為泥質(zhì)粉砂巖的韌性較粗砂巖高，對于壓裂施工，在同樣條件下，相對不易起裂，一定厚度的泥質(zhì)粉砂巖可以起到一定遮擋作用。

表2 巖石斷裂韌性試驗結(jié)果表

5 結(jié) 論

1）試驗結(jié)果表明，認為泥質(zhì)粉砂巖的韌性較粗砂巖較高，對于壓裂施工，在同樣條件下，相對不易起裂，一定厚度的泥質(zhì)粉砂巖可以起到一定遮擋作用。

2）比較發(fā)現(xiàn)，相同深度、不同巖性成分，巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)有較大不同，工程設(shè)計中應(yīng)給予充分考慮；綜合分析認為，該區(qū)塊的巖石屬于 “較軟”的類型，在油層壓裂改造中，可能易造成支撐劑嵌入，降低滲透性及導(dǎo)流能力。

［1］陳子光.巖石力學(xué)性質(zhì)與構(gòu)造應(yīng)力場 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986.

［2］高慶.工程斷裂力學(xué) ［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1986.

TE135

A

1000－9752（2011）06－0188－03

2011－03－20

郝立軍 （1967－），男，1990年西安石油學(xué)院畢業(yè)，高級工程師，博士生，現(xiàn)主要從事技術(shù)及管理工作。

［編輯］ 蕭 雨