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        交變載荷下儲氣庫儲層與蓋層損傷規(guī)律

        2021-11-25 06:22:12張廣權(quán)范照偉曾大乾張俊法冒海軍糜利棟賈躍瑋楊小松敬霄
        斷塊油氣田 2021年6期
        關(guān)鍵詞:泥巖滲透率砂巖

        張廣權(quán) ,范照偉 ,曾大乾 ,張俊法 ,冒海軍 ,糜利棟 ,賈躍瑋 ,楊小松 ,敬霄

        (1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071;3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)

        0 引言

        儲氣庫運(yùn)行過程中,其儲層與蓋層巖石(砂巖、泥巖)將承受交變載荷作用而造成有效應(yīng)力的改變,巖石內(nèi)部的裂縫也會隨之開啟或者閉合,導(dǎo)致巖石孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、力學(xué)強(qiáng)度等參數(shù)發(fā)生變化。循環(huán)加卸載的巖石力學(xué)研究最初從砂巖開始的,Taheri等[1-3]提出了一項(xiàng)關(guān)于砂巖在循環(huán)載荷作用下的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究方法,對霍克斯伯里砂巖在單軸和三軸實(shí)驗(yàn)中不同循環(huán)加載條件下的巖石強(qiáng)度、變形能力以及峰值強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究,并且提出一種進(jìn)行循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)的方法,研發(fā)了一種峰值強(qiáng)度的預(yù)測方法。Yoshinaka等[4-7]研究了中新世軟巖、細(xì)粒砂巖、多孔砂巖等巖石在三軸循環(huán)載荷作用下的變形特征、力學(xué)特征以及滲透率演化規(guī)律。其他學(xué)者則對花崗巖、煤巖、石灰?guī)r、鹽巖等巖石進(jìn)行了一系列三軸循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn),研究其巖石力學(xué)性質(zhì)、滲透率變化規(guī)律及巖石疲勞損傷特性,并采用聲發(fā)射設(shè)備對巖樣破壞特征及破壞過程中能量變化規(guī)律進(jìn)行了相應(yīng)的研究。例如,Kittitep等[8-10]研究了鹽巖、花崗巖在循環(huán)載荷作用下的力學(xué)特性以及加載過程中的疲勞損傷性質(zhì)。Meng等[11-13]通過MTS815巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),研究了不同圍壓下煤巖、花崗巖、砂巖、火山灰等在循環(huán)載荷作用下滲透率的變化規(guī)律,并對巖石的強(qiáng)度、變形特征、膨脹特性等進(jìn)行了探討。楊圣奇等[14-17]利用伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)對大理巖、粉砂巖、石灰?guī)r進(jìn)行了三軸壓縮、三軸加載,以及不同循環(huán)加卸載路徑作用下的巖石力學(xué)特征研究。姚吉康等[18]利用MTS815巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)對紅砂巖與花崗巖試樣進(jìn)行循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),研究了循環(huán)加卸載作用下的巖石變形破壞特征。

        以上實(shí)驗(yàn)研究都對巖石施加了循環(huán)載荷,研究了巖石力學(xué)特性,雖然部分學(xué)者監(jiān)測了實(shí)驗(yàn)過程中巖石所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,但并沒有研究巖石滲透率的演化規(guī)律[19-21]。因此,本文對儲氣庫儲層與蓋層的砂巖和泥巖進(jìn)行了三軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),測試巖石滲透率變化,采集聲發(fā)射信號,獲取聲發(fā)射參數(shù),以監(jiān)測巖石受力狀態(tài);在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了循環(huán)加卸載次數(shù)(即循環(huán)載荷次數(shù))對儲氣庫儲層與蓋層滲透率的影響及巖石損傷規(guī)律。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 設(shè)備及材料

        本研究采用美國MTS公司的電液伺服控制巖石力學(xué)剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng))進(jìn)行三軸循環(huán)加卸載同步滲透率測試實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備由控制系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)、溫度系統(tǒng),以及各種實(shí)驗(yàn)夾具、傳感器組成。其軸向最大載荷為4 600 kN,圍壓介于0~140 MPa,溫度為常溫至200℃,最大滲透壓力為140 MPa。實(shí)驗(yàn)巖樣取自我國中東部某儲氣庫,埋深3 780 m。巖樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣,基本參數(shù)見表1。

        表1 試樣基本參數(shù)

        利用MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用瞬態(tài)法測量試樣承受的壓差隨時間的衰減規(guī)律。假設(shè)流體性質(zhì)恒定,流體在試樣中不被壓縮和儲存 (即流體體積不變),則2個相同大小的參考體積系統(tǒng)的瞬態(tài)滲透率K為

        式中:μ 為流體黏度,Pa·s;β 為流體壓縮系數(shù),Pa-1;V為試樣體積,cm3;Δpi,Δpf分別為初始壓差、最終壓差,MPa;Δt為實(shí)驗(yàn)時間,s;As為試樣橫截面面積,cm2;Ls為試樣長度,cm。

        1.2 步驟

        實(shí)驗(yàn)步驟為:1)當(dāng)試樣裝入圍壓室后,給實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充液壓油;2)施加應(yīng)力(應(yīng)力速率保持在5 MPa/min)至靜水壓力設(shè)定值(1 MPa),然后保持圍壓在38 MPa恒定不變,施加軸向應(yīng)力(應(yīng)力速率保持在12 MPa/min)至循環(huán)載荷設(shè)定值,當(dāng)試樣加載至80%峰值強(qiáng)度時轉(zhuǎn)為環(huán)向位移控制(環(huán)向位移變形速率為0.05 mm/min),卸載時,以12 MPa/min的速率卸載應(yīng)力至設(shè)定值;3)循環(huán)加卸載5次后,測試1次滲透率,直至試樣被破壞,如果軸向應(yīng)力加載較小,可適當(dāng)提高軸向應(yīng)力的最大值,以觀察滲透率的變化規(guī)律。需要說明的是,砂巖A的初始循環(huán)載荷為90~160 MPa,每5次循環(huán)加卸載,測試1次滲透率,直至試樣被破壞;若循環(huán)載荷較小,可在實(shí)驗(yàn)后期提升循環(huán)載荷上限值。泥巖B的初始循環(huán)載荷為50~90 MPa,其他步驟同砂巖A。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 砂泥巖滲透率和聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律

        通過本次實(shí)驗(yàn)獲得試樣在循環(huán)加卸載過程中應(yīng)力-滲透率-累計(jì)撞擊次數(shù)(聲發(fā)射參數(shù))-時間和應(yīng)力-滲透率-循環(huán)載荷次數(shù)的關(guān)系曲線(見圖1—圖4),據(jù)此分析試樣在循環(huán)加卸載過程中滲透率和聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律。

        對于砂巖A,在圍壓38 MPa、孔隙水壓力1 MPa的條件下,循環(huán)載荷介于90~160 MPa。每5次循環(huán)加卸載,測試1次滲透率,總計(jì)循環(huán)加卸載68次,測試滲透率13次。

        圖1 砂巖A應(yīng)力-滲透率-累計(jì)撞擊次數(shù)-時間的關(guān)系

        圖2 砂巖A應(yīng)力-滲透率-循環(huán)載荷次數(shù)的關(guān)系

        圖3 泥巖B應(yīng)力-滲透率-累計(jì)撞擊次數(shù)-時間的關(guān)系

        圖4 泥巖B應(yīng)力-滲透率-循環(huán)載荷次數(shù)的關(guān)系

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見圖1、圖2):1)隨著循環(huán)載荷次數(shù)的增加,試樣滲透率呈上升的趨勢,說明每5次循環(huán)載荷導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫,形成了裂縫通道,滲透率逐漸增大,最后試樣被破壞。2)循環(huán)載荷20次后,滲透率由 0.002 26 μm2上升至 0.003 07 μm2,之后滲透率上升緩慢,主要由于在載荷作用下出現(xiàn)部分裂縫閉合及新裂縫開啟的現(xiàn)象,且新裂縫開啟的速率略微高于裂縫閉合的,所以滲透率表現(xiàn)為緩慢增大;載荷循環(huán)40次后,滲透率達(dá)到0.003 23 μm2,上升速度加快,說明試樣內(nèi)部產(chǎn)生了大量裂縫;循環(huán)載荷60次后,滲透率上升至0.004 54 μm2。3)隨著循環(huán)載荷次數(shù)的增加,砂巖A滲透率只增不減,說明每5次循環(huán)載荷造成試樣內(nèi)部產(chǎn)生新的連通裂縫,但未能觀察到產(chǎn)生的裂縫被壓密的過程,分析原因可能是循環(huán)載荷上限設(shè)定值偏大。4)在整個聲發(fā)射信號監(jiān)測中,并未產(chǎn)生明顯的起跳平臺,累計(jì)撞擊次數(shù)增加較平緩,說明在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生連通裂縫時信號較弱,聲發(fā)射設(shè)備未能及時收集信號;循環(huán)載荷60~70次時,聲發(fā)射信號產(chǎn)生起跳點(diǎn),說明在試樣內(nèi)部產(chǎn)生了連通裂縫,導(dǎo)致在接下來的5次循環(huán)載荷過程中試樣被破壞。

        對于泥巖B,在圍壓38 MPa、孔隙水壓力1 MPa的條件下,循環(huán)加卸載至一定次數(shù)后(每次提升循環(huán)載荷10~20 MPa),循環(huán)載荷由最初50~90 MPa提升至被破壞時的150~200 MPa。每5次循環(huán)加卸載,測試1次滲透率,總計(jì)循環(huán)加卸載180次,測試滲透率36次。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見圖3、圖4):1)在初始循環(huán)載荷為50~90 MPa的條件下,循環(huán)載荷15次后,滲透率由0.000 475 μm2逐漸降低至 0.000 023 μm2,說明泥巖 B處于彈性變形階段,內(nèi)部裂縫被逐漸壓密;當(dāng)循環(huán)載荷提升至50~100 MPa,循環(huán)載荷35次后,滲透率先增加至 0.000 126 μm2,之后降低至 0.000 015 μm2,說明樣品產(chǎn)生了新的裂縫或者延展了舊裂縫而導(dǎo)致滲透率增大,隨后泥巖的黏土礦物產(chǎn)生水化膨脹,導(dǎo)致泥巖孔隙度減小,同時產(chǎn)生的裂縫在壓力作用下閉合,滲透率有所下降。2)在每次提升載荷后,試樣內(nèi)部都會出現(xiàn)裂縫—裂縫被壓密的過程,在試樣快要被破壞的時候,滲透率迅速增大(因滲透率太大會影響研究滲透率變化規(guī)律,故該現(xiàn)象并未體現(xiàn)在圖中)。3)循環(huán)載荷75次時,聲發(fā)射信號產(chǎn)生較明顯的起跳平臺,表明泥巖B內(nèi)部產(chǎn)生了連通裂縫。

        2.2 砂泥巖滲透率變化規(guī)律對比

        砂巖A與泥巖B滲透率測試結(jié)果對比見圖5。由圖可知:砂巖A滲透率明顯大于泥巖B,在循環(huán)加卸載測試滲透率過程中,砂巖A滲透率逐漸增大,泥巖B滲透率減小后變化較穩(wěn)定。

        圖5 砂巖A與泥巖B滲透率變化規(guī)律對比

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明:1)在最大加載應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度的65%~70%條件下,初始壓密階段砂巖A滲透率急速下降,到達(dá)一定程度后,滲透率又會逐漸上升,說明巖石內(nèi)部逐漸產(chǎn)生裂縫;在最大加載應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度的60%~80%條件下,砂巖A經(jīng)歷了60次循環(huán)載荷后被破壞,泥巖B經(jīng)歷了約150個循環(huán)載荷后被破壞,說明砂巖在循環(huán)載荷下的峰值強(qiáng)度下降較快,泥巖B在循環(huán)載荷作用下峰值強(qiáng)度降低速度較慢,抗疲勞損傷性能較強(qiáng)。2)循環(huán)載荷越大,試樣產(chǎn)生的損傷也越大,達(dá)到破壞所用的時間越短;如果循環(huán)荷載的最大值沒有達(dá)到試樣峰值強(qiáng)度的60%,那么試樣產(chǎn)生的損傷不足以使試樣破壞,在此條件下觀察滲透率的變化意義不大,以上對泥巖B的實(shí)驗(yàn)就證實(shí)了這一點(diǎn)。3)初始循環(huán)載荷的范圍過小,導(dǎo)致試樣受力范圍只在彈性階段內(nèi),之后提高循環(huán)載荷,試樣產(chǎn)生塑性變形,損傷逐漸加大,直至被破壞。4)加卸載過程中,試樣產(chǎn)生微裂縫所發(fā)出的聲信號較弱,不能及時被采集或形成起跳點(diǎn);而當(dāng)載荷提升并循環(huán)一定次數(shù),會導(dǎo)致巖石產(chǎn)生連通裂縫,滲透率顯著增大,此時聲發(fā)射信號可以準(zhǔn)確監(jiān)控試樣裂縫的產(chǎn)生。5)在循環(huán)載荷作用下,泥巖的黏土礦物產(chǎn)生水化膨脹,導(dǎo)致其孔隙度與滲透率減小,因此,泥巖B滲透率在增大后會有逐漸減小的過程,直到新的裂縫產(chǎn)生,滲透率再次增大,試樣被破壞;而砂巖不具有水化膨脹作用,所以很難觀察到砂巖A滲透率先增大、后減小的過程。

        3 損傷本構(gòu)模型

        3.1 本構(gòu)模型

        3.2 模型驗(yàn)證

        通過對砂巖A的前5次循環(huán)加卸載數(shù)據(jù)擬合(圖6為第1次循環(huán)加卸載擬合),得到模型參數(shù)F0,m。由圖7可知:每次循環(huán)加載階段的F0要小于卸載階段,每次循環(huán)加載階段的m大于卸載階段。將F0,m代入式(10),得到應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系擬合曲線,并與實(shí)驗(yàn)曲線對比分析。由圖8、圖9可知:砂巖A應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合誤差值較小,說明由最大正應(yīng)力理論推導(dǎo)出的巖石損傷本構(gòu)模型能較準(zhǔn)確地反映巖石本構(gòu)關(guān)系。

        圖6 砂巖A第1次循環(huán)加卸載擬合

        圖7 砂巖A循環(huán)加卸載本構(gòu)模型參數(shù)

        圖8 砂巖A第1次循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系擬合

        圖9 砂巖A第2次循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系擬合

        3.3 模型參數(shù)敏感性分析

        通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,可得到巖石損傷本構(gòu)模型參數(shù)。本研究以砂巖A第2次循環(huán)加卸載為例,通過控制變量的方法,改變參數(shù)大小,觀察巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化規(guī)律。

        令 F0=115,m 分別為-1.5,-2.0,-2.5,-3.0,-3.5,得到的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖10。由圖可知,當(dāng)m越小時,應(yīng)力隨應(yīng)變的增長速度越慢,巖石壓密階段越長,表明巖石的內(nèi)部孔隙和微裂縫越多。因此,m越小,巖石內(nèi)部的初始缺陷越大,巖石微元強(qiáng)度分布越集中。

        圖10 F0不變的情況下砂巖A應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系

        令 m=-2.8,F(xiàn)0分別為 100,110,120,130,得到的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖11。由圖可知,F(xiàn)0越小,巖石產(chǎn)生同樣的形變需要更高的應(yīng)力,巖石硬化程度較高,同時壓密階段也能快速完成。

        圖11 m不變的情況下砂巖A應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系

        3.4 殘余應(yīng)變與損傷變量變化規(guī)律

        殘余應(yīng)變與損傷變量隨著循環(huán)載荷次數(shù)的增加而具有相同的變化規(guī)律(見圖12),即初始壓密階段迅速上升,隨后緩慢增大,并且都具有累積性。在初始壓密階段,殘余應(yīng)變、損傷變量變化較大,主要由于巖石內(nèi)部微裂縫隨機(jī)閉合,殘余應(yīng)變迅速增大。隨著循環(huán)載荷次數(shù)增多,殘余應(yīng)變、損傷變量越來越大,直到巖石被破壞。因此,循環(huán)加卸載可看成是一個殘余應(yīng)變、損傷變量不斷增大的過程。

        圖12 殘余應(yīng)變、損傷變量與循環(huán)載荷次數(shù)的關(guān)系

        4 結(jié)論

        1)本研究通過開展試樣三軸加卸載同步滲透率測試實(shí)驗(yàn),明確了加卸載過程中滲透率的變化規(guī)律。對于砂巖,當(dāng)最大加載應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度的65%~70%時,在初始壓實(shí)階段,滲透率會急速下降,到達(dá)一定程度后,滲透率又會逐漸上升,巖石內(nèi)部裂縫逐漸發(fā)育;對于泥巖,每次加載應(yīng)力后,滲透率都會先增大、后減小,直至試樣被破壞,說明泥巖產(chǎn)生裂縫后,泥巖的黏土礦物水化膨脹作用導(dǎo)致裂縫閉合。

        2)殘余應(yīng)變與損傷變量隨著循環(huán)載荷次數(shù)的增加逐漸增大,循環(huán)加卸載可看成是一個殘余應(yīng)變、損傷變量不斷增加的過程。m越小,巖石內(nèi)部初始缺陷越大,巖石微元強(qiáng)度分布越集中;F0越小,巖石產(chǎn)生同樣的形變需要更高的應(yīng)力,巖石硬化程度較高。

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