损伤力学在粗面岩水力压裂裂缝延伸机理研究中的应用

水力压裂裂缝的研究一般应用断裂力学进行分析,但由于岩石不仅会发生弹性应变而且会发生损伤变化,应该把损伤力学和断裂力学结合起来研究岩石真实的破裂过程。在运用断裂力学分析裂纹的同时,介绍了裂缝的3种基本模式;在结合断裂力学的基础上引入损伤力学对粗面岩的裂缝延伸机理进行了研究,并分析了井壁上的应力、应变和损伤场的分布;结合辽河油田小龙湾地区现场情况,对相关的岩心进行应力试验,得到了粗面岩的抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度等相关的岩石力学参数;结合损伤力学,得到了粗面岩损伤的应力应变关系式和井壁上应力、应变及损伤场分布;得到的研究结果对粗面岩油藏的开发有重要的指导意义。     

不同脆性岩石的声发射特征

目前针对岩石声发射的试验主要集中在研究岩石的力学特性方面,关于岩石脆性的声发射试验相对较少。为了研究岩石脆性的声发射特征,对4种不同脆性的岩石试样进行了单轴压缩和声发射检测试验,所用试样为含砂比不同的自制水泥砂石,试验得到了试样的应力-应变曲线和声发射计数曲线。结果表明:试样中的含砂比与岩石脆性正相关;脆性越强,应力-应变曲线的弹性变形段斜率越大,峰后应力跌落越快,形变量越大,出现明显声发射信号的时间越早,声发射计数的最大值越大;峰前声发射计数曲线显示,随着岩石脆性的增加,试样破裂方式由渐进式破裂向突发式破裂过渡,裂缝形态由张性裂缝向剪性裂缝及混合裂缝转变。整体而言,岩石脆性不同,声发射特征也不同,根据声发射特征可以判断岩石脆性的强弱。该试验结果对于评价岩石脆性及水力压裂选层方案设计等具有理论参考价值和现实意义。     

基于数值模拟的储层岩石力学参数预测模型分析及应用

由于储层钻孔采样所获取的实际岩心数量有限,导致室内物理力学试验结果具有较大离散性,难以准确地标定储层岩石力学参数。为此,应用数值模拟方法,根据某油田取心样品的物理力学试验结果以及测井资料中不同埋深储层岩石的孔隙度,利用有限元分析软件RFPA2D建立相应的数值模拟岩心,进而对不同孔隙度数值模拟岩心的弹性模量、应力峰值强度、残余应力强度及泊松比等岩石力学参数进行数值分析。将物理力学试验结果与数值模拟结果进行整体回归分析,得到以孔隙度为主变量的岩石力学参数预测模型。基于该预测模型,建立某油田储层三维水力压裂模型,探讨三维水力压裂裂缝的扩展形态,并将数值模拟试验与现场施工的压裂曲线进行对比,发现二者的压裂压力在变化趋势上基本一致,且压裂段的起裂压力与延伸压力相差也较小,验证了研究成果及方法的合理性和适用性。     

运用ANSYS法探讨软弱夹层对岩体破裂的影响

软弱夹层对岩体的稳定性有显著影响。为了探讨不同夹层特征对岩体破裂方式及规律的影响,文中首先对样品进行单轴压缩试验,得到各自的应力-应变曲线;再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟,生成应力、应变等参数在岩体上分布的图件;将应力-应变曲线的特征分析与模拟结果分布图进行对比,结合岩石力学破裂理论,总结不同夹层特征下岩体的破裂规律。结果表明,软弱夹层对岩体破裂的影响主要体现在夹层的层数、厚度和间距。软弱夹层的层数越多,岩石抗压强度越大;而软弱夹层厚度越大,岩体抗压强度越低,容易破裂;夹层的间距增大,岩体的不连续性就增大,抗压强度降低,易于变形和破坏。岩石力学试验和数值模拟结果均成功验证了这个规律。这对含软层地质体的裂缝发育特征研究具有指导意义和参考价值。     

气井系统出砂预测模型研究及应用

系统出砂预测的基本内容包括定性出砂预测、出砂临界生产压差预测以及实际生产条件下的出砂半径预测。文章首先阐述了定性出砂预测方法；考虑气藏流体压力分布，建立弹性岩石材料的应变平衡方程，求解并结合弹性岩石的应力-应变方程得到地层岩石的弹性应力解；在孔壁上采用考虑孔隙压力的莫尔-库仑准则，便可预测出砂临界井底流压和生产压差；求解塑性变形区的应力平衡方程，并结合塑性区的应力-应变准则可得到塑性变形区的塑性应力解；根据弹、塑性边界的应力连续条件，建立弹、塑性边界上的径向应力平衡方程，求解可计算弹、塑性区边界半径即出砂半径。对涩北气田涩4-9井进行了系统出砂预测，与实际生产资料基本符合。     

岩石形变及渗透率的非线性滞后演化特征

岩石等非均匀材料具有极强的非线性弹性行为和显著的滞后行为(应变—应力状态具有离散记忆效应)。主要通过储层岩样的应力—应变循环加载试验和渗透率滞后试验,结合理论分析研究岩石的非线性滞后特性。利用Preisach-Mayergoyz理论研究发现,准静态应力—应变状态、滞后特征和其伴随的离散记忆效应是岩石应力—应变关系所固有的性质,理论分析结果和实验结果有着较好的匹配效果,能较好地解释实验观测结果。     

非常规油藏地应力和应力甜点地球物理预测——渤南地区沙三下亚段页岩油藏勘探实例

渤南地区沙三下地层发育非常规油气藏,预测地应力及应力甜点是该类油藏勘探及评价的关键。本文提出的地应力及应力甜点地球物理预测方法结合了前人研究成果,以测井岩石物理参数分析为基础,建立地应力、破裂压力与岩石弹性参数的关系,通过多元线性回归拟合力学计算公式,并以弹性参数反演和多体融合技术为依托,实现了应力场及应力甜点的地震预测。理论研究及钻探结果均表明,渤南洼陷中部及南部的低应力区是油气成藏的优势条带,Ⅰ型和Ⅱ型应力甜点是泥岩裂缝型油藏的主要发育区,且具有页岩油产能。实际应力数据和钻探效果验证了方法的有效性,该方法可为非常规油藏勘探提供参考依据。     

碳酸盐岩超压岩石物理模拟实验及超压预测理论模型

碳酸盐岩地层超压预测目前仍然是超压研究的难点问题，常用的碎屑岩地层超压预测方法是建立在Terzaghi有效应力理论基础上的、经验性的、且需要有明确响应超压的测井和地震参数（主要是纵波速度）。这些经验性的方法不适用于岩性致密且物性极不均一的碳酸盐岩地层的超压预测。通过碳酸盐岩样品超压岩石物理模拟实验剖析岩石弹性性质与孔隙流体压力和有效应力的关系，基于含流体岩石多孔介质弹性理论和广义胡克定律，从分析碳酸盐岩地层应力-应变-孔隙压力本构关系着手，建立表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的超压预测理论模型（超压预测量化模型）。利用实测碳酸盐岩样品矿物组分含量并结合Voigt-Reuss-Hill模型计算岩石基质弹性模量，利用Wood模型和Patchy模型计算孔隙流体弹性模量，然后再利用碳酸盐岩样品岩石物理模拟实验得到的实际有效应力与岩石骨架弹性模量相关关系，根据Biot有效应力定律，计算得到岩石样品的等效骨架弹性模量。利用上述获得的碳酸盐岩样品各弹性参数，通过超压预测量化模型计算碳酸盐岩超压，并与碳酸盐岩样品岩石物理模拟实验加载的孔隙流体压力进行对比，验证了超压预测量化模型的合理性，提出了基于实测资料的模型校正方法。该超压预测理论模型所需的岩石弹性参数也可通过研究测井和地震资料计算获得，并可利用地震资料实现碳酸盐岩地层的超压钻前预测。     

各向异性条件下岩石力学参数对井壁应力的影响

为了使井壁应力计算值更贴合井下实际工况,本文基于广义平面应变假设和连续均匀线弹性理论,建立了各项异性岩石地层的井壁应力计算模型,并使用软件Matlab编程计算不同力学参数井壁处的应力,分析不同各向异性力学参数在何种情况下可以做各向同性假设,以便更准确的确定井壁应力,使井下工作顺利开展。     

应用数字岩心和有效介质模型研究岩石弹性性质

基于三维数字岩心用有限元的方法计算了干岩样、完全饱和岩样和部分饱和岩样的弹性模量,并把数值模拟结果与理论和试验分别做了比较。结果表明,通过数值模拟得到岩石弹性模量-孔隙度关系与试验相符合,并且由数值模拟得到的流体替换对岩石弹性性质的影响与Gassmann理论相符合,数值模拟得到的部分饱和流体岩石的弹性模量与Gassmann-Wood(GW)理论也是符合的。同时把数值模拟结果与自洽理论和差分有效介质理论计算结果进行比较,发现没有一个理论计算结果能和试验结果符合,相反,数值模拟结果与试验数据基本符合。这表明了基于三维数字岩心预测岩石弹性性质的可靠性与精确性。     

三塘湖盆地致密油水平井增能压裂力学机理

重复压裂是三塘湖盆地油藏提高产能和采收率的必备手段。文中通过基于黏聚层单元的有限元数值模拟、室内岩石力学实验、声发射监测和岩石力学屈服破坏准则理论等手段,系统研究了该区块重复压裂改造中的增能力学机理。研究结果表明:增能压裂的核心是提升全局范围内地层孔隙压力,而暂堵转向是局部范围提升已有裂缝内的净压力,二者配合使用,使整体压力和局部净压力提升,在较大范围内激活天然裂缝系统。增能压裂的应力应变曲线特征、声发射特征呈现多次起伏波动和多次破裂特征,破裂压力相对较低。增能压裂裂缝扩展参数与地层孔隙压力提升比例、岩石力学参数及水岩相互作用时间等因素密切相关,其孔隙压力增加存在某一最优化值。     

辽河盆地东部凹陷中部火山岩储层特征研究

辽河盆地东部凹陷中部沙三段地层中发育了三期厚度不等的火山岩 ,是该区主要的储层之一。通过对该区火山岩喷发时代、岩石类型、储层物性及裂缝特征的研究 ,认为该套火山岩岩性主要为粗面岩、玄武岩及凝灰岩三种 ,其中储层岩性以粗面岩为主 ,基质物性较差 ,后期受构造裂缝的改造 ,成为有利储层。并建立了火山岩储层分类评价标准。确认本区优质粗面岩储层主要分布于构造破碎带上 ,厚度在 2 0～ 2 0 0m之间。     

湖相泥页岩储层脆性评价及影响因素分析——以苏北盆地海安凹陷曲塘次凹泥页岩为例

为准确评价湖相泥页岩脆性及探究其影响因素,选取了苏北盆地海安凹陷曲塘次凹古近系阜宁组二段湖相泥页岩样品,利用全岩X衍射分析、有机碳测定、镜质体反射率测定、扫描电镜、三轴岩石力学等实验技术手段,分析了样品的矿物成分、地球化学、储集空间等特征;并采用测井、强度参数、矿物成分以及应力—应变曲线变化特征等方法评价其脆性特征。结果表明,页岩主要为云质页岩和灰质页岩,脆性矿物含量较高;有机碳含量平均为1.25％,且已达到成熟阶段;储集空间由特低孔和裂缝组成;应力应变关系曲线表现出较强的脆性特征;不同方法的脆性评价结果存在一定差异,基于弹性参数与矿物组分评价脆性比基于强度参数的应用效果更佳,但每种方法都存在一定局限性。阜二段页岩脆性受矿物组分、有机质丰度、储集空间发育程度等共同影响,随着白云石含量、有机质成熟度、裂缝发育程度的增加,储层脆性随之增加;而方解石含量、有机质丰度、孔隙度的增加则会减弱储层脆性。      

基于颗粒流的页岩破裂机理试验研究

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了基于颗粒流的页岩破裂数值试验研究。根据页岩的岩石力学性质,采用并行PSO算法反演得到页岩颗粒细观力学参数,并基于PFC离散单元模型分别进行了预制2条裂纹下的巴西劈裂和水力劈裂数值试验,通过改变试验参数分析了裂纹相互作用对其扩展的影响。数值模拟发现:巴西劈裂试验预制裂纹夹角为30°和45°时,垂直裂纹扩展至倾斜裂纹时停止扩展转而从倾斜裂纹两端开裂并扩展,变形由弹性变形变为塑性变形;裂纹夹角为90°时,垂直裂纹贯穿水平裂纹,变形主要是弹性变形;水力劈裂试验中,预制裂纹夹角越小,倾斜裂纹越容易发生剪切破坏,垂直裂纹越趋于改变扩展方向,扩展路径越复杂。研究表明,裂纹倾角对页岩气藏水力压裂缝网的形态具有重要作用,岩体应变达到峰值后轴向应力-应变呈现先减小后增大的余弦波函数关系,且倾角越小压裂缝网越复杂。      

黄沙坨地区火山岩储层研究及预测

黄沙坨地区位于辽河盆地东部凹陷中段，它的沙三段火山岩具有很好的油气藏形成条件。在特定的构造背景和油源条件控制下，火山岩储层的发育特征是本区油气藏勘探的关键，重点对火山岩储层的岩石学、储集空间、储集物性等特征进行研究。运用测井响应法、地震相分析法和波阻抗值法识别粗面岩储层，进而运用波阻抗和电阻率反演方法预测粗面岩储层和其裂缝的分布状况，指导勘探部署。通过不断的勘探实践，建成了以粗面岩为单一目的层的千万吨级储量规模的黄沙坨油田，同时指出了本区火山岩油气藏今后的勘探方向在其东南知西南两侧。     

王府断陷深层气藏火山岩储集层可压性评价

王府断陷深层气藏火山岩储集层具有埋藏深、物性差等特征,传统的开采手段受限,需进行压裂改造才能有效建产。以王府断陷深层气藏火山岩储集层为研究目标,通过岩石力学实验和声发射测试,综合岩石的各向异性、脆性、应力敏感性、天然裂缝密度、声发射活动性等共同评价储集层的可压性和造缝能力。研究表明:王府断陷深层气藏火山岩脆性矿物含量高,抗压强度较大;岩石弹性波速变化范围大,应力敏感性有一定的差异性,天然裂缝各向异性弱;储集层存在一定的流体敏感性,但敏感性强弱程度不一;蒸馏水和质量分数为15%的KCl溶液的造缝能力较强。储集层可压性综合评价对优选压裂层位、压裂液体系和设计压裂改造方案提供理论指导,为王府断陷深层气藏的勘探开发提供依据。     

储/隔层岩石及层间界面性质对压裂缝高的影响

为评价储层和隔层岩石及层间界面性质对压裂缝高的影响,基于ABAQUS有限元计算平台,采用Cohesive单元研究了岩石弹性模量、地应力和抗拉强度等因素对压裂缝高的影响,并对各因素的影响程度进行了比较.通过数值模拟得出,弹性模量大的隔层在裂缝穿过界面时对其并无明显限制作用,反而会有利于隔层中缝高的增大;最小水平主应力大和抗拉强度高的隔层对缝高的扩展有显著限制作用;当储隔层界面的抗剪强度高出某一临界值时,压裂缝高急剧增大,小于该临界值时界面会发生滑移,裂缝被完全限制在储层内;在特定地层条件下,裂缝在储层中为垂直缝,扩展至界面处后开始沿界面扩展,形成T形缝.研究表明:弹性模量大的隔层对于控制压裂缝高不利;最小水平应力大和抗拉强度高的隔层有利于控制缝高,并且地应力的影响程度约为抗拉强度的1.6倍;界面抗剪强度越小,储/隔层界面就越容易发生滑移,越有利于控制压裂缝高.      

小龙湾粗面岩油藏高温压裂液

通过对辽河油田小龙湾低渗透裂缝性粗面岩油藏的特点、压裂层温度场变化特点及储层潜在伤害因素的分析,结合油层压裂改造需要,筛选出适用于该油藏的压裂液配方体系.通过破胶性能、流变性能、滤失试验、压裂液滤液伤害试验研究及现场应用,证实该高温压裂液适合小龙湾低渗透裂缝性粗面岩油藏压裂需求.     

页岩气储层岩石力学特性及脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对开发影响极大,进行页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气钻井和压裂设计工作提供技术支撑。采用室内试验和测井分析相结合的方法,在黑色页岩力学特性研究的基础上,分析了其脆性破坏特征及影响因素,提出了一种利用岩石弹性参数和矿物组成综合评价页岩脆性的方法,并介绍了利用测井资料计算单井脆性剖面的流程。研究表明,页岩普遍具有脆性破坏的特征,破坏类型与页岩种类、取心深度、取心方位和加载条件相关,低围压下标准试样以劈裂式破坏为主,全应力应变曲线经历极短的塑性屈服阶段即发生破坏,高围压时多出现双剪式和单剪式破坏,页岩的脆性与试样的弹性参数和矿物组成关系密切。实例分析表明,脆性特征影响压裂效果,与压裂造缝能力和产气情况吻合良好。综合脆性评价既是储层岩石力学特性分析的重要内容,也是压裂选层的重要依据。