川西地區須家河組深層致密砂巖靜力學特征對比

徐 浩,姚 勇, 趙毅楠,張 沖,周 文,2,謝潤成,2

(1.成都理工大學能源學院,四川成都 610059;2,油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室)

川西地區須家河組深層致密砂巖靜力學特征對比

徐 浩1,姚 勇1, 趙毅楠1,張 沖1,周 文1,2,謝潤成1,2

(1.成都理工大學能源學院,四川成都 610059;2,油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室)

選取不同層段的砂巖樣,利用“MTS巖石物理參數測試系統”對川西地區須家河組儲層進行了巖石靜力學參數的測定，結果表明：須五段巖石塑性特征明顯強于須二段、須四段；須家河組砂巖的破裂次序為張破裂或剪破裂-擴張破裂；巖石抗壓強度、彈性模量隨埋深增加而增大。

川西地區；須家河組;致密砂巖；力學特征

川西地區侏羅系與上三疊統天然氣資源量十分豐富,現階段該地區的主力氣層是上三疊統須家河組以及侏羅系的沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮組[1]，其中，川西須家河組的天然氣儲量開采潛力巨大。石油工程中井筒穩定、產砂預測、壓裂工程設計及井網布置等都涉及到巖石力學問題[2-4]，本文利用“MTS巖石物理參數測試系統”測試了須家河組的主力產層(須二段、須四段)以及潛力層(須五段)的巖石力學參數，探究其巖石力學特征的相似性及差異性，為進一步的工程施工提供可靠依據。

1 地層特征

川西新場氣田上三疊統須家河組(T3x)，埋深一般在3 000 m以上，由上至下分為4段：須五段(T3x5)主要為黑色泥頁巖與鈣屑砂巖、巖屑砂巖不等厚互層；須四段(T3x4)主要為巖屑砂巖、巖屑長石石英砂巖、長石巖屑石英砂巖等；須三段(T3x3)主要為黑色泥頁巖，中間夾灰色巖屑砂巖；須二段(T3x2)：巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖、鈣屑砂巖等。其中，須二段、須四是目前新場氣田主要的產氣層段，孔隙度、滲透率都極低，屬于致密砂巖氣儲集層；須三段、須五段被認為是主要的烴源巖層[5]。隨著對非常規油氣的認識深入，有學者對比了美國地區頁巖氣，認為須五段可作為致密氣與頁巖氣進行進一步勘探開發。

2 實驗測試

2.1 測試系統和方法

本次實驗采用的實驗儀器為美國生產的“MTS巖石物理參數測試系統”，該系統由數字電液伺服剛性巖石力學測試、超聲波測量、孔滲變化測試三個子系統構成。系統最高軸壓1000 kN，圍壓140 MPa，孔壓70 MPa，環境溫度200 ℃。該系統可模擬深度0～6 000 m各種地層條件(包括不同溫度與壓力組合、飽水或飽氣條件)下，巖石力學、超聲波、孔滲等多項參數的測試[6-7]。

巖心樣品為直徑50 mm，長度100 mm的圓柱樣，測試樣品飽和鹽水或地層水，在常溫和模擬圍壓下進行，圍壓從零開始逐步加大，直到模擬地層的有效圍壓條件。在達到預設的圍壓下，加載作用力，加載過程中由系統自動記錄載荷大小和試樣的變形情況，最終得到應力-應變曲線，并通過分析進一步獲得巖石的抗壓強度、靜彈性模量和靜泊松比[8-9]。

2.2 應力應變特征

由須五段砂巖的應力-應變曲線(圖1)可知，在較低的有效圍壓條件下巖石的破裂呈現分離性，在較高有效圍壓條件下巖石的破裂呈現較明顯的剪切性。巖石的非彈性變化及擴容均表明巖石內部顆粒出現滑移，伴隨產生裂縫，誘使裂縫兩側巖體滑移和巖石體積的增加。當圍壓增加到一定值，巖石內部顆粒之間因為顆粒效應造成對顆粒滑移的抑制，這時巖石就主要依靠發生塑性變形來應對外來施加的應力。須五段的塑性強于須二段、須四段。

室溫25 ℃、飽和鹽水、圍壓(32 MPa)條件下，須家河組砂巖的應力-應變曲線(圖2))顯示，須五段的砂巖主要是彈-塑性變形，塑性變形占總變形的35%以上。須四段砂巖主要是塑-彈-塑性變形，曲線似“S”型，初始階段有小量塑性變形，由于縫隙的影響會有一段壓密段，之后是直線段(即彈性變形段)，直至破壞前又產生塑性變形段。須二段的砂巖主要是彈性變形，彈性變形段占了總變形的85%以上。

圖1 須五段砂巖應力應變曲線

圖2 須家河組砂巖應力應變曲線

砂巖破裂前總的變形量為0.8%～1.2%，變形類型包括了彈一塑性變形(須五)、塑一彈一塑性變形(須四)、彈性變形(須二)。

3 靜力學特征分析

實驗室內在相同條件(25 ℃、飽和鹽水)下用三軸力學測試以及巖石劈裂法，測得巖石的靜力學參數。結果如表1所示。

表1 不同層段巖石力學參數測試結果

須家河組由上向下的三段依次為須五段、須四段、須二段，砂巖抗壓強度分別為 191.51、239.00、462.00 MPa，呈依次遞增趨勢，這主要與埋深和巖石礦物類型相關。

可看出須家河組三個層段的砂巖巖石強度都表現為抗張-抗剪-抗壓逐漸增大，產生破裂次序為張破裂或剪破裂-擴張破裂。由應力應變曲線研究發現，須五段的巖石塑性較強，破裂產生的條件要求應該變高。須五段的抗張強度要大于須二段和須四段的抗張強度，且須五段塑性較大，說明在相同張應力作用下，須五段可能發生變形，須二段、須四段更易產生張破裂。實際地質情況也證實了須二段、須四段的裂縫發育情況較好，這也是這兩層能形成良好儲集層的一個重要因素。對不同深度樣品的抗壓強度和彈性模量進行統計研究發現，埋深增大，抗壓強度和彈性模量也隨之增大(圖3)。分析其原因可能是隨著埋深增加，巖石的壓力增大，壓實程度也增加，巖石顆粒之間膠結更強，孔隙空間減小。巖石的致密性強，抗壓強度也增大。對須家河組的砂巖抗壓強度與靜彈性模量作相關性擬合，得到良好的線性關系：y=0.082x+15.50，兩者的相關性較好(圖4)。

4 結論

(1)須家河組三個層段的砂巖的應力-應變曲線有一定差異，須二段主要變形類型為彈性變形，須四段主要變形類型為塑一彈一塑性變形，須五段主要變形類型為彈一塑性變形，須五段的塑性明顯。

圖3 須家河組抗壓強度、彈性模量與深度關系

圖4 須家河組抗壓強度與彈性模量相關性

(2)須家河組砂巖的抗壓強度、彈性模量與深度都成正相關，推測其巖石致密性越大，抗壓強度越大；砂巖抗壓強度與靜彈性模量的線性相關性較好。

(3)須五段、須四段、須二段的砂巖巖石強度都表現為由抗張-抗剪-抗壓逐漸增大，須五段塑性相對明顯，且抗張強度較大，在相同張應力作用下，須五段可能發生變形，須二段、須四段更易產生張破裂，形成裂縫。

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[4] 金衍,陳勉,張旭東．利用測井資料預測深部地層巖石斷裂韌性[J] .巖石力學與工程學報,2001,20(4):454-456 .

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[9] 張沖,謝潤成,姚勇,等.深層致密砂巖儲層巖石結構面微觀力學行為特征[J].斷塊油氣田,2014,21(5):560-563.

編輯：李金華

1673-8217(2015)04-0131-03

2015-01-26

徐浩，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為油氣田開發地質。

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