直接剪切下页岩的各向异性破坏特征和强度预测模型

了解页岩剪切破坏特性对页岩气储层改造和井壁稳定性控制具有重要意义。然而,由于页岩本身的各向异性属性,页岩的剪切破坏行为复杂。本文对6种不同层理倾角（0°、30°、60°、90°、120°和150°）的立方体页岩进行了系统的直接剪切破坏测试,详细分析了在层理弱面影响下页岩的剪切应力–剪切位移、抗剪强度、剪切模量和破坏模式的各向异性特征。结果表明：页岩的剪切破坏表现为典型的非线性渐进破坏特征;页岩平均抗剪强度和剪切模量随层理倾角的增加均呈现“M”型变化趋势;在90°～180°的层理倾角区间,平均抗剪强度的极值差明显大于0°～90°区间,而剪切模量近似关于90°呈对称变化;当层理倾角从0°变化到180°时,页岩剪切各向异性行为呈现非对称演化规律。在层理倾角和直接剪切荷载作用下,页岩的破坏模式有3类：层理倾角为0°时,沿层理面剪切滑移破坏;层理倾角为30°、60°和90°时,表现为穿透层理和基质的剪切滑移破坏;其他倾角下呈现穿透层理和基质的剪切滑移与沿层理的拉伸劈裂相结合的复合破坏。基于试验结果和组构张量,构建了一个可考虑页岩本征各向异性和剪应力诱导各向异性影响的直接剪切破坏准则,其理论预测值...     

复合岩层变形及强度特性卸围压试验研究

探索了复合岩层类岩石试样的制作方法,对不同倾角复合岩层试样进行了常规三轴加载和卸围压试验.基于卸围压试验结果,研究了卸载速率对复合岩层试样的极限承载强度和实时围压的影响规律,分析了层理面倾角与复合岩层试样强度变形参数之间的关系,揭示了复合岩层试样在加轴压卸围压过程中的变形破坏机理,讨论了不同卸载速率下复合岩层试样的破坏模式.得出初始围压为15MPa且在同一卸载速率下,θ=0°～90°试样的极限承载强度随层理面倾角的增加出现先降低后升高,最小值均发生在θ=60°试样.θ=0°试样在卸载速率逐渐增加时,破坏模式从与弱面交叉的剪切破坏逐渐转变成与弱面交叉的拉伸破坏;θ=15°～30°试样均为与弱面交叉的拉伸破坏;θ=45°～75°试样均为沿节理面滑移破坏;θ=90°试样均为与弱面交叉的剪切破坏.     

长宁地区龙马溪组页岩气储层测井解释评价

四川盆地长宁地区地质构造复杂,广泛发育浅海陆棚相沉积的黑色页岩,区内龙马溪组页岩气储层表现出高自然伽马、高声波时差、高中子、低密度的测井响应特征。针对此特征,利用ECS和ELAN-PLUS测井进行矿物成分、有机碳总量、储层物性的解释评价。研究表明,该区龙马溪组中下部发育有优质页岩储层,总厚度达33.4 m,孔隙类型以基质孔隙为主,脆性矿物含量及有机碳总量较高,有开发潜力。     

页岩储层可压性评价关键指标体系

从美国的页岩压裂作业经验看,压裂后产能高的气井并非压裂过程复杂、破裂压力高的地层,而是可压裂性好的地层。借鉴美国典型页岩气田的成功压裂经验,从地质评价指标、页岩体积压裂评价指标和工程技术评价指标三方面探索国内页岩可压性评价体系,对页岩气储层的地质特点进行评价,确定总地质储量、地质"甜点"区、成熟度等;获得储层岩石的脆性参数、天然裂缝、地层倾角、地应力等数据,对储层形成体积裂缝的可行性进行评价;探讨压裂增产的方式、射孔方式、压裂液性能等工程技术指标。从中优选影响储层可压性的主导因素,挑选出最能直接反应页岩地质力学可压性的指标,建立一套适合国内复杂地质和工程条件下的页岩气储层可压裂性评价指标体系,为构建页岩可压性评价模型与风险控制方法提供参考指标。     

泸州—渝西区块海相页岩可压性演化差异

为加深现有可压性评价在机理上的认识,以川南泸州—渝西区块奥陶系五峰组、志留系龙马溪组海相页岩气储层为例,采用氩离子抛光扫描电镜、X射线衍射和元素俘获能谱测井等手段,获取区内储层基本地质特征.通过镜下观察、数理统计与计算,利用矿物组分、储集物性、主量元素和岩石力学参数等,总结了海相页岩可压性演化机制,认为海相页岩在沉积成岩过程中受到了海水环境、矿物演化和微观孔隙组构的综合影响,对储层的可压性产生不同程度的促进和制约作用.研究结果表明:局限环境易促进生物成因硅质矿物大量发育,降低层间叠置频率,成岩后经胶结、黏土转化作用,增大矿物粒径,缩小层间差异,降低天然弱面发育,并且大量发育的孔隙和有机质对力学性质会产生负面影响;连通环境易促进生物成因硅质、陆源碎屑硅质和碳酸盐矿物混合发育,纵向上岩性差异化高频叠置,天然弱面发育,成岩后易在压实、压溶作用下发生矿物粒径减小、孔隙规模降低的现象,促使储层维持较高的可压性.渝西区块龙一■、泸州区块龙一■是沉积于滞留与连通环境交替期的页岩,经成岩作用改造后同时具有沉积成岩促进作用的优势,可压性卓越,储集物性较好,是高弹性模量(45 GPa)、低泊松比(0.25),较好物性参数(孔隙度5%、TOC4%)的储层,是改造甜点.生产实践表明,泸州—渝西区块改造甜点自北向南呈现"早时"的空间过渡关系,对其实现高钻遇率有利于后续深层页岩气储层优钻优压和规模效益开发.     

龙马溪组页岩可压性实验评价

针对目标区块龙马溪组露头制作岩样,分别进行矿物组分测量、岩石力学测定及水力压裂实验,以验证目标区块页岩的可压性。测得储层岩样平均脆性指数为56.65,水平应力差异系数为0.11,可知该层在进行水力压裂时能形成复杂的裂缝网络。通过岩样水力压裂破坏实验,发现岩样水力压裂后裂缝条数较多,平均为38条,裂缝网络较复杂。最后验证了该层页岩良好的可压性,在水力压裂施工时可以形成复杂缝网。     

基于声发射和能量演化规律评价岩石脆性的方法

基于声发射记录的能量和能量演化规律提出了一种新的评价岩石脆性的方法.通过不同加载速率下红砂岩的单轴压缩试验和不同温度下花岗岩的单轴压缩试验对新方法进行了检验,结果表明:红砂岩脆性随着加载速率增加而增大;花岗岩脆性随温度的升高存在2个阈值温度,第一阈值温度为200℃,第二阈值温度为800℃,与实际脆性程度相符.随后利用新的脆性评价方法分析了岩性、围压、层状岩石层理倾向及饱水对脆性的影响,数值显示:高水填充石、原煤、泥岩、砂岩、页岩、花岗岩的脆性依次增大,其中花岗岩的脆性指数是高水填充石的3.15倍;红岩石脆性随围压增大而减小,围压30MPa时其脆性指数相比单轴压缩时的脆性指数降低了21.5%;无论干燥还是饱水,层状砂岩随着层理倾角的增加,脆性先是快速增大后缓慢增大,90°砂岩的脆性指数在干燥和饱水下分别是0°时的1.80和1.34倍,饱水降低了层状砂岩的脆性.     

一种描述页岩储层可压性的简易评价方法

受川东南地区页岩气产能及产气性评价研究与涪陵等页岩气先导示范区开发建设需求影响,结合近年来在涪陵页岩气田焦石坝、平桥、江东等区块开展的相关调查与科技项目研究成果,提出了一种通过页岩储层的地层孔隙流体压力梯度、页岩储层上覆地层岩石密度等参数计算页岩储层水平地应力差异系数,进而评价页岩储层可压性的方法。实践证明,这种方法适用于涪陵页岩气田志留系龙马溪组--奥陶系五峰组页岩储层,水平井水平段页岩储层分段压裂效果验证符合率高为97.1%。     

固体沥青反射率与镜质体反射率的等效关系评价

为揭示海相烃源岩固体沥青反射率与镜质体反射率之间的等效关系,以四川盆地志留系龙马溪组页岩为例,综合应用无水热模拟实验、有机质光学特征和反射率测试等分析,在对比前人自然演化和热模拟条件下固体沥青反射率与镜质体反射率关系的基础上,分析了无水热模拟实验前后,城口庙坝剖面龙马溪组页岩中固体沥青反射率与等同成熟度煤样中镜质体反射率的变化,建立了固体沥青反射率与镜质体反射率之间的等效关系,认为龙马溪组页岩均质状固体沥青反射率和镜质体反射率在高—过成熟阶段(VR_o1.5%)近似一致。研究结果表明:随着模拟温度(350,400,450,500℃)的升高,均质状固体沥青(后油沥青)与等同成熟度的镜质体反射率分别从1.21%和1.07%升高至3.21%和3.36%,二者的值始终近似相等并且具有良好的线性相关关系(VR_o=1.125BR_o-0.206 2)。龙马溪组页岩中固体沥青的形成与赋存特征及其与镜质体的反射率等效关系对我国南方高演化龙马溪组页岩的成熟度的确定提供重要依据。     

各向异性层状砂岩应变岩爆试验研究

利用在真三轴应力状态下可实现单面突然卸载的深部应变岩爆模拟试验系统,研究了4种层理倾角(0°,30°,60°和90°)的各向异性层状砂岩的应变岩爆破坏特征.通过采集试验过程中的力、高速摄像和声发射信号,以应力曲线和声发射累计能量曲线为基础确定分析关键点.详细描述了不同层理倾角砂岩岩爆后的整体破坏特征和岩爆碎屑特征,分析了4种层理倾角砂岩岩爆试验过程中关键点的声发射累积能量特征.研究发现:层理倾角显著影响岩爆破坏模式,层理倾角较小时更易发生岩爆,岩爆烈度较低,但试样整体破坏更严重.     

龙马溪组页岩的渗吸特征及其影响因素

页岩储层压裂改造过程中, 压裂液的返排能力与页岩渗吸特性有重要关系。以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象, 研究页岩的渗吸特征, 并讨论了页岩渗吸特征的影响因素。页岩渗吸过程大致可分为快速渗吸阶段、渗吸过渡阶段、后期渗吸阶段三段; 页岩层理面将加大页岩的渗吸速率和渗吸能力; 页岩对油的渗吸速率和能力明显小于水; 不同阳离子类型可以有效抑制页岩中黏土矿物的水化作用, 降低页岩渗吸的能力和速率, 相同质量分数下不同阳离子类型对页岩渗吸能力的抑制力顺序为K⁺ >Na⁺ >Ca²⁺。     

沉积环境对优质页岩储层发育的控制作用——以渝东南地区龙马溪组为例

为深入探讨优质页岩储层的发育机理,借鉴沉积控相、相控储层的研究思路,以渝东南地区龙马溪组页岩储层为例,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜(AIP-FESEM),有机碳丰度(TOC)测试,X射线衍射(XRD),镜质组反射率(Ro)测试,显微镜观测,主量微量元素测试等技术手段,通过对储层特征、沉积环境的系统研究,综合讨论沉积环境对优质页岩储层发育的控制作用。结果表明:龙马溪组页岩储层可以划分为下-底部、中-上部两段,分别对应鲁丹阶与埃朗阶,两段储层的有机质特征、矿物组分、力学脆性特征、储层物性等差异显著,鲁丹阶页岩有机质和脆性矿物含量更高,储层性质更优;对比分析显示,龙马溪组储层有机特征主要受控于水体氧化还原环境,但龙马溪组下部具有更好的有机质富集与保存条件,主要受益于鲁丹段深水陆棚相内低速率的欠补偿沉积环境与全球海平面上升所形成的大面积缺氧水体;储层脆性矿物组分受控于沉积-成岩的共同作用,储层底部高脆性矿物含量段富含来自特殊沉积环境的生物成因石英、陆源碎屑石英与形成于储层成岩作用的自生石英;鲁丹阶对应的底部储层TOC和石英含量更高,有利于储集空间发育;鲁丹阶储层更加发育的富笔石水平层理等特殊沉积构造,对增强储层的渗透性,改善压裂力学特性等具有有利作用。沉积环境控制着储层物质成分的类型与特征,龙马溪组鲁丹阶储层对应的有利沉积环境与沉积条件,是底部优质储层段发育的核心影响因素之一。     

单轴压缩下含层理加锚岩石声发射特征研究

为了研究不同层理倾角加锚岩石变形破坏过程中的声发射特征,加工制备了0°和90°两种层理的加锚试样,利用RMT-150C岩石力学试验机和AEwin-USB型声发射信号采集系统,进行了含层理加锚岩石声发射特征试验。研究表明:单轴压缩条件下,90°层理试样声发射累积振铃计数大于0°层理试样,具有明显的层理效应;加锚试样相比无锚试样,在压密阶段就有较强声发射信号产生,而且随着载荷的增加声发射信号越来越强,加锚试样的累计振铃计数大于无锚试样;声发射信号特征可以反映岩石内部裂隙扩展变化,对于揭示层理加锚围岩破坏失稳机制具有一定的参考价值。     

川东南地区中深层含气页岩的录井评价

随着川东南地区页岩气勘探开发的深入,勘探部署转向区内目的层埋深更大的中深层海相页岩层,由于传统标志层缺失和地质条件的复杂性,增加了页岩气储层录井解释评价难度。为了提高录井解释精度,利用地质、岩石热解、气测录井等技术,对研究区内P区块重点探井页岩储层地化特征、储集特征、含气性和可压性等综合评价,参考焦石坝产建区页岩储层解释评价标准,为川东南地区中深层页岩气井录井解释研究提供了有益的借鉴。     

基于数字图像的微观尺度下方解石脉对页岩各向异性的影响

通过对牛蹄塘组页岩岩芯进行显微薄片观察和岩芯X射线全岩矿物衍射分析, 并进行7组不同方位角下的直接拉伸数值试验。试验结果表明: 方解石脉对页岩抗拉强度各向异性影响显著, 随着方位角α的增大, 抗拉强度逐渐递减, 抗拉强度的方解石脉结构效应系数随方位角α的增大呈曲线型增长趋势, 在α=90°达到最大, 为0.127;不同角度下的页岩试样破坏模式异常复杂, 大致可归纳为以下3类: 树根形(0°、15°)、台阶形(30°、45°、60°)和河流形(75°、90°), 裂缝优先沿方解石脉扩展, 在水力压裂过程中可能会抑制页岩基质内复杂裂缝网的形成; 不同角度的方解石脉下耗散能的释放也有显著的差异, 当α=0°、15°、30°、45°时, 声发射(acoustic emission, AE)能量在前期较小, 接近峰值应力时快速增加直至最大; α=60°、75°、90°时, AE能量在初期较小, 中期开始增加, 接近峰值应力时最大; 累计AE能量随着应变的增大大致呈指数增加, 增长过程由3个阶段构成: 平缓期、加速期和暴增期。研究成果对页岩储层水力裂缝萌生、扩展预测以及提高采收率等具有重要的参考价值。     

上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组海相页岩气地质条件及勘探潜力

基于野外露头和钻井岩芯采样分析,对上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组黑色页岩分布特征、地球化学特征、储层特征、含气性特征及顶底板条件等进行系统研究,并与中国南方地区下寒武统海相页岩展开对比分析,明确页岩气成藏地质条件和勘探潜力。结果表明:上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组页岩发育且厚度大,具有“四高一中”特点,即高脆性、高总有机碳、高孔隙度、高含气量、适中热演化程度,显示良好的页岩气形成地质条件; 相比中国南方地区下寒武统海相页岩,上扬子地台北缘牛蹄塘组页岩具备足够的生烃物质基础和较高的脆性,并且富有机质页岩厚度大,热演化程度低,孔隙度和含气量高,勘探效果较好; 综合考虑优质页岩的厚度、埋深、保存等条件,认为回军坝—麻柳镇一带是上扬子地台北缘牛蹄塘组海相页岩气下一步勘探的最有利地区。     

粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

含层理矿石微波加热后的冲击破碎特性研究

为了研究含层理矿石微波加热后的冲击破碎特性,采用落锤冲击破碎系统、微波加热设备和高速摄影技术,对含层理矿石进行微波加热后冲击破碎试验,系统地研究层理倾角对矿石动态强度的影响,分析经微波照射后含层理矿石力学性能。结果表明:在层理倾角10°～60°时,矿石动态强度逐渐降低,在层理倾角60°～90°时,矿石动态强度逐渐升高;相同层理倾角下,经微波加热后的矿石与未经微波加热的矿石相比,其强度显著降低且矿石异性比略有增加;当层理倾角60°时,2种情况下的矿石动态强度均最小,表明矿石沿层理面破坏是以剪应力为主导的。研究成果可为选矿厂破碎含层理矿石的相关工艺流程设计提供参考。     

涪陵海相页岩生物成因硅特征及确定方法

通过对涪陵页岩气田奥陶系五峰组-志留系龙马溪组下段海相暗色页岩岩心样品、薄片观察、岩石学特征、TOC含量与硅质含量相关性分析,证实研究区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相页岩底部富有机质页岩中部分硅质为生物成因,其含量最高可达50.0%以上,可占到硅质总量的70.0%,具有富含海洋有机质、笔石化石种类丰富、有机质丰度高、富含生物硅的特征。利用元素录井快速确定生物硅含量的方法,可为国内其他页岩气探区提供参考。     

倾角对裂隙岩体力学特性影响试验模拟研究

为了解决工程中遇到的裂隙岩体的开挖与防护问题,用水泥砂浆制作试样,模拟具有不同倾角的贯通裂隙岩体,利用电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆分别对试样施加静、动荷载,分析倾角对裂隙岩体静、动态力学性能的影响.结果表明,裂隙岩体的破坏具有脆性破坏的特征;其强度具有应变率敏感性,随着应变率的提高,强度也得到提高;倾角对裂隙岩体的静、动态力学性能有影响,静态荷载下的抗压强度在裂隙倾角为45°时最小,O°和90°时最大,而动力荷载下的抗压强度则是在裂隙倾角为30°时最小,90°时最大.