疏松砂巖擴容力學性質研究

閆新江，李孟龍，范白濤，于繼飛，侯澤寧，袁巖光

1.中海油研究總院（北京 100028）

2.海洋石油高效開發國家重點實驗室（北京 100028）

3.微能地質科學工程技術有限公司（四川 成都 610065）

疏松砂巖注水量大，注入水固相含量超標、地層微粒運移會污染儲層，造成注入能力下降。酸化是解除注水井污染的常規技術，但隨著酸化作業的增多，酸化有效期會逐漸變短，作業成本增高。針對這些不利局面，急需找到一種對地層無污染，延長注水有效期的增注方式。對疏松砂巖進行擴容解堵，改變巖石孔滲結構形成微裂縫，可以提高巖石注入能力[1-3]。本文對渤海油田東營組砂巖儲層巖石進行循環加載三軸實驗，測試了東營組砂巖在低圍壓下的巖石力學性質、變形參數及擴容性能，得到了東營組砂巖的Drucker-Prager模型塑性參數，為注水井擴容解堵施工設計提供了理論依據。

1 巖石變形能力實驗

砂巖的變形隨著有效應力變化而變化，在巖石力學中通常稱之為非線性彈性變形關系。Duncan等人第一次提出了關于砂巖的非線性彈性模型，本文采用孔隙介質非線性對數體積彈性模量表征材料隨著其有效應力狀態的變化，砂巖的體積彈性模量正比于平均有效主應力的對數[4]。

式中：Jel為彈性體積變形；K為砂巖的對數體積彈性模量；e為孔隙率；e0為砂巖的初始孔隙率；p0為砂巖的初始平均主應力，MPa；p為當前狀態的平均主應力，MPa；pelt為抗拉強度，MPa；φ為孔隙度。

通過循環圍壓荷載實驗，施加初始軸向應力和圍壓，通過提高軸向應力改變差應力，測定體積應變及孔隙率的變化。以差應力為橫軸，孔隙率變化為縱軸繪圖，樣品實驗曲線見圖1。選取加載實驗穩定階段計算巖石對數體積彈性模量（圖1曲線中紅色部分），實驗結果如下：初始軸向應力1 MPa，初始孔隙率0.314，最大軸向應力5 MPa，對數體積彈性模量0.005 5。

圖1 循環圍壓荷載實驗曲線

高有效應力狀態將引起砂巖低的變形能力，表現為較高的彈性模量；低有效應力狀態下，砂巖將表現為容易變形，彈性模量較低。油砂埋藏淺，擴容能力強，擴容技術在加拿大油砂和新疆油田油砂已成功應用，擴容效果顯著。加拿大油砂對數體積彈性模量0.009，新疆油田油砂對數體積彈性模量0.003，科威特油砂對數體積彈性模量為0.012[5-6]。渤海油田疏松砂巖對數體積彈性模量居于加拿大油砂和新疆油田油砂之間，說明具備擴容變形的物質基礎。

2 巖石剪脹力學性質實驗

巖石在剪應力條件下的擴容能力通常用剪脹角來衡量[7]，剪脹角的定義為：剪切變形中體積應變和剪切應變的比值，即應力與軸向應變曲線在巖石發生屈服后的斜率即為巖石剪脹角。

本文采用Drucker-Prager模型描述疏松砂巖的彈塑性變形,拋物線型Drucker-Prager塑性模型的屈服準則[8-9]為：

式中：F為屈服應力，MPa；p為平均有效主應力，MPa；q為偏應力，MPa；pt為抗拉強度，MPa；β為Drucker-Prager準則的摩擦角，（°）；d0為初始黏聚力，MPa ；d為Drucker-Prager準則的黏聚力，MPa；εV為體積應變；ε1為軸向應變，β為剪脹角，（°）；α為剪脹角，（°）。

通過在不同圍壓下的三軸實驗，測量了東營組砂巖在低圍壓下的剪脹角，結果見表1。根據公式（4）計算得到渤海油田東營組砂巖的Drucker-Prager塑性模型參數pt=0.1 MPa；d=2.17 MPa；β=58°。

表1 巖石剪脹力學性質實驗結果

疏松砂巖擴容的發生，首先是砂礫之間的排列，由于巖石顆粒所受的剪應力超過摩擦強度，從致密排列形式轉變到疏松形式。東營組砂巖的巖石力學三軸實驗表明，疏松砂巖在低有效應力下可以產生較強的擴容能力。因此，高壓注水提高孔壓，降低有效應力，有利于發生較大的擴容。

3 擴容實驗

通過水力擴容實驗研究不同注入方案對擴容區的影響，實驗巖心樣品采用直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形樣品，柱塞泵對巖心樣品施加圍壓，注入泵在給定的流體壓力或流量條件進行擴容注入，流體在實驗臺下部出口流出（圖2），擴容區的形成與擴展通過CT掃描成像獲得，并3D成像量化微裂縫。

圖2 擴容實驗示意圖

擴容實驗發現不同的地應力和水力注入條件下可以形成效果迥異的水力改造結果。樣品B1施加18 MPa的高圍壓，并施加較大的差應力10 MPa，采用了恒流量(2.5 mL/min)注水，CT掃描結果顯示樣品B1形成了比較明顯的宏觀張裂縫，見圖3。使用3D成像量化計算得到樣品B1裂縫的比表面積，其平均裂縫密度是0.017 m2/m3。

圖3 樣品B1宏觀張裂縫3D成像圖

樣品B2施加5 MPa低圍壓，差應力為5 MPa，實驗CT結果表明樣品形成比較復雜微裂紋網，見圖4。使用3D處理得到裂縫密度為0.055 m2/m3，是樣品B1的3.2倍，擴容實驗后巖石滲透率大大提高，能夠實現解除污染的目的。

圖4 樣品B2微裂紋網3D成像圖

為模擬注入壓力對疏松砂巖擴容效果的差異，給巖心施加圍壓和剪應力模擬巖心的地層狀態，分析注入壓力與最小主應力的對應關系。在圍壓15 MPa條件下，保持差應力15 MPa恒定，樣品B3以注入壓力14.5 MPa持續注入2 h后進行裂縫形態CT掃描。發現樣品B3形成了高孔隙度的復雜縫網區，見圖5（a）。樣品B4在圍壓、差應力不變的條件下，以注入壓力18 MPa、20 MPa條件下各注入1 h，對實驗后樣品進行CT掃描，發現樣品B4形成了多條主裂縫，見圖5(b)。擴容注水未添加支撐劑，宏觀主裂縫在壓力卸載后會閉合，無法實現擴容解堵的目的。在現場擴容作業施工時，注入壓力應低于或接近最小主應力的條件下，更有利于復雜縫網區的發育。

圖5 不同注入條件下巖石擴容效果對比

根據油砂的開采經驗，預處理可以提高擴容效果，為驗證井筒預處理對疏松砂巖注水擴容的作用效果，開展了砂巖擴容預處理效果評價實驗。通過給巖心施加圍壓和剪應力模擬巖心的地層狀態，在低孔壓條件下進行小排量注入，緩慢提升巖石孔隙壓力。預處理結束后以1 mL/min的速率進行恒定注水擴容實驗，實驗結束后對樣品進行CT掃描。發現預處理后的樣品形成了高滲透的擴容區，3D成像處理得到的平均裂縫密度是0.062 m2/m3，具有較高的滲流能力。分析認為：預處理提高了井周地層的孔隙壓力，改變了井周巖石的微觀結構，降低井周巖石的抗張強度，應力預處理有利于降低擴容區的起裂壓力。

4 結論

1）渤海油田東營組砂巖儲層巖石對數體積彈性模量平均為0.005 5、巖石黏聚力2.17 MPa，具備擴容變形的物質基礎。

2）東營組砂巖三軸應力實驗表明，疏松砂巖在低有效應力下產生較強的擴容變形。通過高壓注水降低有效應力，有利于形成較大的擴容變形。

3）通過控制注水條件，可以得到不同的水力改造結果，形成宏觀張裂縫或復雜的微裂紋網。

4）現場擴容作業施工時，注入壓力低于或接近最小主應力的條件下，更有利于復雜縫網區的發育，應力預處理有利于降低擴容區的起裂壓力。