丁乾申

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

油氣開采過程中，單次沖擊并不能形成良好的油氣流通道[1]。重復(fù)沖擊是在一定加載速率下對巖石進行連續(xù)沖擊，對巖石損傷不斷積累。目前相關(guān)實驗基于干燥巖石[2]進行，對飽和巖石多以靜態(tài)、準靜方式考慮孔隙壓力對巖石強度的弱化，而流體侵入對巖石裂縫形態(tài)影響方面的理論研究還較少[3]。對于油氣開采而言，油井后期的增產(chǎn)措施會改變巖石的受力情況進而使?jié)B透率較原來有所變化[4]。巖石通常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，有的部位會處于壓縮狀態(tài)下，有的部位會處于重復(fù)加卸載狀態(tài)下，而巖石不同狀態(tài)條件下滲透率的變化會對油井提高采油率產(chǎn)生影響。因此有必要研究加卸載重復(fù)沖擊作用對巖石的破壞規(guī)律。

1 模擬實驗介紹

本研究采用的實驗裝置為巖石動態(tài)沖擊損傷裝置，該模擬實驗裝置主要包括動力沖擊、巖心夾持裝置、泵壓動力、控制與測量、輔助裝置5個部分。對巖心鉆孔來模擬井眼，中心孔內(nèi)充滿液體模擬井底壓力，整體內(nèi)部巖心處于擬三維狀態(tài)。在實施重物自由落體沖擊后，模擬巖心中的液體受到壓縮產(chǎn)生壓力，壓力變化由傳感器采集。實驗方案如表1所示。

表1 實驗方案總覽表Tab.1 Summary table of experimental schemes

2 巖石動態(tài)沖擊破壞實驗及其結(jié)果

2.1 巖樣制作

參考天然疏松砂巖巖心礦物含量、粒度組成及其物性參數(shù)，定量、定粒徑稱取所需的礦物原料并充分混合均勻、裝入到巖心壓制裝置中，在 25～80MPa壓力下運用液壓系統(tǒng)持續(xù)加壓，取出巖心烘干。

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 飽和未封隔

對于飽和未封隔巖樣分別進行 3、4、10次沖擊，圖 1展示了重復(fù)沖擊后的壓力峰值和巖樣的破壞形態(tài)?？梢姰a(chǎn)生的裂縫形態(tài)為從模擬井眼開始延伸的貫穿性裂縫，縫寬較小，最多產(chǎn)生了3條裂縫。

圖1 飽和未封隔巖心沖擊破壞實驗結(jié)果Fig.1 Experimental results of impact failure of saturated unpacked core

沖擊重復(fù) 3次后巖石的壓力峰值為 48.6MPa，產(chǎn)生 0條裂縫；重復(fù) 4次后巖石的壓力峰值為51.3MPa，產(chǎn)生2條裂縫；重復(fù)10次后巖石的壓力峰值為58.5MPa，產(chǎn)生3條裂縫。在未封隔模擬井眼的情況下巖石受到流體和沖擊波的雙重作用，進而易形成貫穿性裂縫，裂縫的延展方向不易發(fā)生轉(zhuǎn)折。

上述實驗數(shù)據(jù)表明，重復(fù)沖擊對于飽和未封隔的模擬巖心重復(fù)次數(shù)越多則峰值強度越大，并且?guī)r石產(chǎn)生的貫穿裂縫的條數(shù)增加，而在重復(fù)次數(shù)達到一定數(shù)值后不再增加，這是裂縫產(chǎn)生后對模擬井眼中的壓力進行泄壓的作用導(dǎo)致。

2.2.2 飽和封隔

對于飽和封隔巖樣分別進行 3、4、10次沖擊，圖 2展示了重復(fù)沖擊后的壓力峰值和巖樣的破壞形態(tài)。產(chǎn)生的裂縫形態(tài)為環(huán)狀裂縫，在巖樣中部破碎。

圖2 飽和封隔巖心沖擊破壞實驗結(jié)果Fig.2 Experimental results of impact failure of saturated packed core

沖擊重復(fù) 3次后巖石的壓力峰值為 52.5MPa，產(chǎn)生 1條裂縫；重復(fù) 4次后巖石的壓力峰值為58.2MPa，產(chǎn)生2條裂縫；重復(fù)10次后巖石的壓力峰值為64.3MPa，產(chǎn)生2條裂縫。在封隔模擬井眼的情況下巖石受到單一沖擊波的作用。進而導(dǎo)致容易形成環(huán)狀的裂縫，裂縫主要發(fā)生在邊緣地帶，并且裂縫的縫寬較大。

由以上實驗結(jié)果表明，重復(fù)沖擊對于飽和封隔的模擬巖心重復(fù)次數(shù)越多則峰值強度越大，并且?guī)r石產(chǎn)生的環(huán)狀裂縫的條數(shù)在增加。

3 分析與討論

3.1 流體對破壞的影響

巖石的破壞是一個連續(xù)的過程，大致可以分為4個階段[5]。在整個過程中會經(jīng)歷微裂紋的形成、擴展、連通，直至表現(xiàn)為宏觀裂縫產(chǎn)生，對于水壓致裂巖石模型，普遍認為是微裂縫的周向拉伸應(yīng)力等于巖石的整體抗拉強度時，巖石開始起裂，巖石受到宏觀上的破壞，針對這種理論且結(jié)合本文的實驗環(huán)節(jié)，認為巖石微裂縫中的周向拉伸力來源于巖石中心孔內(nèi)水施加的中孔內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力、外部圍壓產(chǎn)生的周向上的拉伸力、微裂縫內(nèi)部充斥一定水后液壓產(chǎn)生的周向拉伸力。

3.2 重復(fù)加載對滲透率的影響

如圖 3所示，模擬巖石軸向加載同樣分 3個階段：壓密階段，線彈性階段，塑性階段。5塊巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線都符合 3個階段趨勢。模擬砂巖的壓密階段與線彈性階段臨界點是 2.5MPa，線彈性階段與塑性階段的臨界點是7.6MPa，抗壓強度為8.6MPa。

圖3 模擬砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of simulated sandstone

壓密階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈下凸型、曲線上彎，斜率逐漸增大。但由于多次加載，每一次加載對巖石內(nèi)部都有一定程度的微小損傷，隨著加載次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部損傷積累，部分應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線不與上一次加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線完全重合，有一定的微小差別。

模擬砂巖軸向加載到線彈性階段，應(yīng)力為7.6MPa，進行此階段重復(fù)加載，由于巖石顆粒骨架的彈性關(guān)系，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，每一次卸載彈性能大部分恢復(fù)原狀，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本重合。

模擬砂巖的抗壓強度為 8.6MPa，每一條應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線重合度不高，特別是前幾次加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線與其他的應(yīng)力應(yīng)變曲線差別較大。根據(jù)石飛[6]研究可知，巖石在開始幾次軸向加載變形后模量大于后面的循環(huán)加載，卸載過程曲線斜率比加載過程曲線斜率大。在前幾次的軸向加載中，巖石還是會表現(xiàn)之前階段的性質(zhì)，隨著加載次數(shù)的增加，載荷對巖石內(nèi)部微小損傷的累加，更加類似于線彈性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。本次實驗中模擬砂巖塑性階段的重復(fù)加載，曲線在后面幾次加載更加重合。

如圖 4所示，常規(guī)砂巖的原始滲透率為27.623mD，在壓密階段，應(yīng)力的增加導(dǎo)致應(yīng)變的增加，滲透率隨應(yīng)變的增加在壓密階段以一定速率降低，在模擬砂巖壓密階段滲透率的變化中，滲透率降低速率沒有太明顯的變化，都是以一個較低的速率降低，到達第一臨界點對應(yīng)的應(yīng)變降至最低值25.427mD；在線彈性階段，滲透率從25.427mD以較慢速率增長到 25.739mD，直至線彈性階段與塑性階段的臨界點之前，滲透率都以一個較慢的速率增長；在塑性階段，隨著應(yīng)力與應(yīng)變的增加，滲透率以一個較快的速率最終上升到 30.987mD，滲透率隨應(yīng)變的增加上升的速率比在壓密階段滲透率下降的速率快，常規(guī)砂巖最終的滲透率為 30.987mD，比實驗?zāi)M砂巖巖心原始的滲透率3.461mD大。

圖4 模擬砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線和滲透率變化Fig.4 Change in simulated sandstone stress-strain curve and permeability

4 結(jié) 論

①通過實驗室模擬可知，重復(fù)強沖擊技術(shù)對較硬巖石具有良好的造縫作業(yè)效果，有利于提高采油效率。

②巖石強度隨加載速率的提高不斷變大，隨重復(fù)加載次數(shù)的增加而逐漸降低，裂縫條數(shù)隨沖擊速率的增加而增多。

③單次加載巖石滲透率有先減小后穩(wěn)定再增大的變化，在不同階段重復(fù)加載滲透率有不同的變化。軸向加載改變巖石內(nèi)部狀況，孔隙壓密、微裂縫的產(chǎn)生以及微裂縫的發(fā)育發(fā)展影響巖石的滲透率，在單次對巖石軸向加載的全過程中，巖石滲透率總體呈先緩慢減小，維持最小滲透率不變，而后劇烈增加的態(tài)勢。