川西地区须家河组深层致密砂岩静力学特征对比

2015-07-02赵毅楠谢润成

石油地质与工程 2015年4期

关键词：须家河川西塑性变形

徐浩,姚勇, 赵毅楠,张冲,周文,2,谢润成,2

(1.成都理工大学能源学院,四川成都 610059;2,油气藏地质及开发工程国家重点实验室)

川西地区须家河组深层致密砂岩静力学特征对比

徐浩1,姚勇1, 赵毅楠1,张冲1,周文1,2,谢润成1,2

(1.成都理工大学能源学院,四川成都 610059;2,油气藏地质及开发工程国家重点实验室)

选取不同层段的砂岩样,利用“MTS岩石物理参数测试系统”对川西地区须家河组储层进行了岩石静力学参数的测定，结果表明：须五段岩石塑性特征明显强于须二段、须四段；须家河组砂岩的破裂次序为张破裂或剪破裂-扩张破裂；岩石抗压强度、弹性模量随埋深增加而增大。

川西地区；须家河组;致密砂岩；力学特征

川西地区侏罗系与上三叠统天然气资源量十分丰富,现阶段该地区的主力气层是上三叠统须家河组以及侏罗系的沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组[1]，其中，川西须家河组的天然气储量开采潜力巨大。石油工程中井筒稳定、产砂预测、压裂工程设计及井网布置等都涉及到岩石力学问题[2-4]，本文利用“MTS岩石物理参数测试系统”测试了须家河组的主力产层(须二段、须四段)以及潜力层(须五段)的岩石力学参数，探究其岩石力学特征的相似性及差异性，为进一步的工程施工提供可靠依据。

1 地层特征

川西新场气田上三叠统须家河组(T3x)，埋深一般在3 000 m以上，由上至下分为4段：须五段(T3x5)主要为黑色泥页岩与钙屑砂岩、岩屑砂岩不等厚互层；须四段(T3x4)主要为岩屑砂岩、岩屑长石石英砂岩、长石岩屑石英砂岩等；须三段(T3x3)主要为黑色泥页岩，中间夹灰色岩屑砂岩；须二段(T3x2)：岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑石英砂岩、钙屑砂岩等。其中，须二段、须四是目前新场气田主要的产气层段，孔隙度、渗透率都极低，属于致密砂岩气储集层；须三段、须五段被认为是主要的烃源岩层[5]。随着对非常规油气的认识深入，有学者对比了美国地区页岩气，认为须五段可作为致密气与页岩气进行进一步勘探开发。

2 实验测试

2.1 测试系统和方法

本次实验采用的实验仪器为美国生产的“MTS岩石物理参数测试系统”，该系统由数字电液伺服刚性岩石力学测试、超声波测量、孔渗变化测试三个子系统构成。系统最高轴压1000 kN，围压140 MPa，孔压70 MPa，环境温度200 ℃。该系统可模拟深度0～6 000 m各种地层条件(包括不同温度与压力组合、饱水或饱气条件)下，岩石力学、超声波、孔渗等多项参数的测试[6-7]。

岩心样品为直径50 mm，长度100 mm的圆柱样，测试样品饱和盐水或地层水，在常温和模拟围压下进行，围压从零开始逐步加大，直到模拟地层的有效围压条件。在达到预设的围压下，加载作用力，加载过程中由系统自动记录载荷大小和试样的变形情况，最终得到应力-应变曲线，并通过分析进一步获得岩石的抗压强度、静弹性模量和静泊松比[8-9]。

2.2 应力应变特征

由须五段砂岩的应力-应变曲线(图1)可知，在较低的有效围压条件下岩石的破裂呈现分离性，在较高有效围压条件下岩石的破裂呈现较明显的剪切性。岩石的非弹性变化及扩容均表明岩石内部颗粒出现滑移，伴随产生裂缝，诱使裂缝两侧岩体滑移和岩石体积的增加。当围压增加到一定值，岩石内部颗粒之间因为颗粒效应造成对颗粒滑移的抑制，这时岩石就主要依靠发生塑性变形来应对外来施加的应力。须五段的塑性强于须二段、须四段。

室温25 ℃、饱和盐水、围压(32 MPa)条件下，须家河组砂岩的应力-应变曲线(图2))显示，须五段的砂岩主要是弹-塑性变形，塑性变形占总变形的35%以上。须四段砂岩主要是塑-弹-塑性变形，曲线似“S”型，初始阶段有小量塑性变形，由于缝隙的影响会有一段压密段，之后是直线段(即弹性变形段)，直至破坏前又产生塑性变形段。须二段的砂岩主要是弹性变形，弹性变形段占了总变形的85%以上。

图1 须五段砂岩应力应变曲线

图2 须家河组砂岩应力应变曲线

砂岩破裂前总的变形量为0.8%～1.2%，变形类型包括了弹一塑性变形(须五)、塑一弹一塑性变形(须四)、弹性变形(须二)。

3 静力学特征分析

实验室内在相同条件(25 ℃、饱和盐水)下用三轴力学测试以及岩石劈裂法，测得岩石的静力学参数。结果如表1所示。

表1 不同层段岩石力学参数测试结果

须家河组由上向下的三段依次为须五段、须四段、须二段，砂岩抗压强度分别为 191.51、239.00、462.00 MPa，呈依次递增趋势，这主要与埋深和岩石矿物类型相关。

可看出须家河组三个层段的砂岩岩石强度都表现为抗张-抗剪-抗压逐渐增大，产生破裂次序为张破裂或剪破裂-扩张破裂。由应力应变曲线研究发现，须五段的岩石塑性较强，破裂产生的条件要求应该变高。须五段的抗张强度要大于须二段和须四段的抗张强度，且须五段塑性较大，说明在相同张应力作用下，须五段可能发生变形，须二段、须四段更易产生张破裂。实际地质情况也证实了须二段、须四段的裂缝发育情况较好，这也是这两层能形成良好储集层的一个重要因素。对不同深度样品的抗压强度和弹性模量进行统计研究发现，埋深增大，抗压强度和弹性模量也随之增大(图3)。分析其原因可能是随着埋深增加，岩石的压力增大，压实程度也增加，岩石颗粒之间胶结更强，孔隙空间减小。岩石的致密性强，抗压强度也增大。对须家河组的砂岩抗压强度与静弹性模量作相关性拟合，得到良好的线性关系：y=0.082x+15.50，两者的相关性较好(图4)。