苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩储层力学性质及影响因素

2021-04-21陈清华

石油实验地质 2021年2期

孙珂，陈清华

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东青岛 266580)

自20世纪90年代以来，岩石力学在油气田开发领域已得到系统应用，并在储层应力场数值模拟、水力压裂设计、油井出砂预测、井壁稳定性分析中发挥重要作用[1-2]。影响储层力学性质的因素可归为两类：(1)岩石固有属性，包括岩性、物性、裂缝等[1-7]；(2)地层环境因素，包括温度、流体、围压等[1-2,8-17]。此外，油气开发中的各种人工措施使得上述因素动态变化，岩石力学性质进一步复杂化[18]。目前，岩性因素研究还较少，前人研究涉及砂岩粒度、碎屑矿物、胶结物及黏土矿物含量等与砂岩力学参数的相关性，并提出了拟合函数和定性解释[3-7]。常规油气储层的“黄金温度带”为60～120 ℃[19]，而多数关于温度的砂岩力学实验未针对此设计，所得力学参数随温度变化规律亦不尽相同[8-12]。孔隙流体方面，前人研究集中于单相流体与砂岩力学参数的关系[13-17]，但储层中孔隙流体为多相，由流体比例变化引起的岩石力学响应尚未得到充分重视。

阜宁组作为金湖凹陷的主要开发层系，其岩石力学的系统研究至今未见报道。在以往的储层应力场数值模拟中，模型力学参数均取自经验值[20-21]，这可能给模拟结果带来较大误差。闵桥、高集、闵南等油田发生的产层出砂和井壁失稳问题与岩石力学性质密切相关。针对上述问题，本文采用单轴/三轴压缩实验、X衍射、薄片分析、扫描电镜等方法，获取了不同岩性、温度、油水比例、围压下的砂岩力学参数，并在此基础上分析了各种因素对砂岩力学性质的影响，探讨了实验结果对油田开发的启示。这些实验结果及认识将为油田储层应力场数值模拟、出砂预测、井壁稳定性分析等工作奠定基础。

1 研究区概况

金湖凹陷位于苏北盆地西南部，凹陷南部边界为杨村断裂，北部以西部斜坡带过渡至建湖隆起，是一个北东—南西走向的箕状断陷湖盆(图1)。金湖凹陷的构造演化经历了断拗、断陷、拗陷3个阶段，受仪征、吴堡、真武等构造事件的影响，产生了汊涧、龙岗、三河、汜水等次级凹陷(图1)。

金湖凹陷地层自下而上发育浦口组(K2p)、赤山组(K2c)、泰州组(K2t)、阜宁组(E1f)、戴南组(E1d)、三垛组(E2s)、盐城组(Ny)和东台组(Qd)。其中，阜宁组是金湖凹陷的主要开发层系，多数储层埋深1～3 km，沉积相以三角洲、湖泊相为主，岩性主要为粉砂岩和细砂岩。

2 岩石力学实验方案及结果

本研究实验岩样规格为Φ25 mm×50 mm。为了提高实验结果的科学性，在岩心取样时遵循了以下原则：(1)不发育明显的构造裂缝；(2)不发育强非均质性沉积构造；(3)样品岩性单一，粒度均匀，不发育岩性突变界面。在实验样品预处理中，采用DZG-6020型真空干燥恒温箱和高精度真空泵，在预定温度(<190 ℃)，真空下(<0.01个大气压)，进行干燥、饱水和饱油等预处理工作。常规单轴/三轴压缩实验采用TAW-2000电液伺服实验机，配套德国DUOLI数据自动采集控制系统，实验过程中通过应变率控制，加载应变率一般控制为0.01～0.02，以确保获取稳定的应力—应变曲线。

图1 苏北盆地金湖凹陷构造纲要及取样井分布Fig.1 Tectonic setting and sampling well locations in Jinhu Sag, Subei Basin

2.1 单轴压缩实验

2.1.1 不同岩性条件

为明确岩性对阜宁组砂岩力学性质的影响，除通过单轴压缩实验获取砂岩样品的力学参数外，还采用光学显微镜和X光衍射技术统计了对应砂岩样品的矿物碎屑、碳酸盐胶结物以及黏土矿物的含量。实验样品来自Yang 1、Gao 5、Bian 9等12口取心井岩心，共计12块柱塞样，实验结果如表1所示。

2.1.2 不同温度条件

据苏北盆地东台坳陷54口井连续测温资料和243口井实油温度数据，阜宁组实测地温范围为40～140 ℃[22]，考虑到实验结果的可拓展性，实验温度条件分别设定为：25，60，100，140，180 ℃。单轴压缩实验样品来自Qin3-1井，实验选用5个柱塞样，实验结果如表2所示，应力应变曲线如图2所示。

2.1.3 不同流体条件

在实验准备过程中，个别样品在真空饱水或饱油4～5 h后出现掉块或掉渣现象(图3)，为了避免损伤样品影响实验结果，实验中严控真空饱和时间，单独饱和油或水时间小于2 h，对于油水混合样品先真空饱和水1 h，后经处理再饱和油1 h。

金湖凹陷阜宁组地层水以NaHCO3型为主，矿化度为5 775～32 293 mg/L[23]。实验中选用19 000 mg/L的NaHCO3溶液代替地层水，饱油介质采用航空煤油代替石油。开发初期，阜宁组油水比例为80%/20%～60%/40%；高含水期，油水比例一般为20%/80%～10%/90%。故设计了不同油水比例的6组单轴压缩实验，6块柱塞样来自Gao 6井，实验结果见表3。

表2 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩不同温度条件单轴压缩实验结果Table 2 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different temperatures in Jinhu Sag, Subei Basin

图2 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩不同温度条件下的应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of Funing Formation sandstones under different temperatures in Jinhu Sag, Subei Basin

表1 苏北盆地金湖凹陷不同岩性条件阜宁组砂岩单轴压缩实验结果Table 1 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different lithological conditions in Jinhu Sag, Subei Basin

图3 苏北盆地金湖凹陷阜宁组样品饱水4 h后的损伤照片Fig.3 Damage photos of Funing Formation samples after 4 hours of water saturation, Jinhu Sag, Subei Basin

2.2 三轴压缩实验

三轴压缩实验常用于模拟地层围压条件。据金湖凹陷实测地层压力结果[23]，阜宁组储层围压为9.57 ～29.37 MPa。故设计围压条件分别为：10，20，30 MPa，实验样品来自Yang 1，Gao 6，Bian 9等5口井，共计15块柱塞样，实验结果如表4所示。部分实验后样品如图4所示，实验样品均为剪切破裂。

3 砂岩储层力学性质影响因素

3.1 岩性

3.1.1 粒度

据图5，细砂岩单轴抗压强度和弹性模量的均值、中位数高于粉砂岩，而泊松比反之，这说明随粒径减小，砂岩强度和刚度趋于降低，即“粒径软化”现象[4]。但砂岩力学参数的离散度高，如细砂岩单轴抗压强度为64.5～117.19 MPa，弹性模量为7.57～17.49 GPa，泊松比为0.11～0.19，这说明相同粒度的砂岩力学性质依然可能存在较大差异(表1)。

3.1.2 矿物成分

阜宁组砂岩中，石英占矿物总量的52%～69%，平均含量58%；长石可见斜长石、正长石、钠长石等，含量9%～19%，平均含量16%；岩屑以沉积岩岩屑和火山岩岩屑为主，含量7%～23%，平均含量14%(表1，图6a-b)。据图7，随石英含量升高，砂岩单轴抗压强度、弹性模量增大。矿物抗压强度关系为[24]：石英>长石>岩屑。石英碎屑作为主要应力负荷骨架，能够积累大量应力，故其含量与砂岩力学参数呈现高线性相关。

表3 苏北盆地金湖凹陷不同油水比例条件阜宁组砂岩单轴压缩实验结果Table 3 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different oil-water ratios, Jinhu Sag, Subei Basin

表4 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩三轴压缩实验结果Table 4 Triaxial compression test results of Funing Formation sandstones in Jinhu Sag, Subei Basin

图4 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩三轴压缩实验后部分样品照片Fig.4 Photos of Funing Formation samples after triaxial compression test, Jinhu Sag, Subei Basin

图5 苏北盆地金湖凹陷阜宁组粉砂岩、细砂岩力学参数箱型图Fig.5 Box diagrams of mechanical parameters of Funing Formation siltstones and fine sandstones, Jinhu Sag, Subei Basin

阜宁组砂岩黏土矿物含量为1.2%～6.7%，平均含量3.4%。据扫描电镜照片(图6c-f)，黏土矿物主要为高岭石、伊利石、绿泥石和伊/蒙混层，部分片状矿物结构残缺或破裂，这可能与长期注水引起的黏土矿物溶胀和潜蚀作用有关。有研究认为，当黏土矿物含量大于25%时，砂岩强度才会随黏土矿物含量增大而减小[25]。但本文的实验结果表明，在黏土矿物含量小于25%时，砂岩力学性质依然与黏土矿物含量存在相关性，砂岩单轴抗压强度、弹性模量随黏土矿物含量增加而降低(图7)。

3.1.3 结构与胶结物

阜宁组砂岩分选、磨圆较差，碎屑颗粒呈次棱角—次圆(图6)。埋深较浅的阜宁组砂岩，压实作用弱，碎屑颗粒间以点接触为主，颗粒排列疏松，砂岩的强度、弹性模量相对较低(图6a)；随着埋深增大，压实作用增强，碎屑颗粒间变为线接触、凹凸接触为主，颗粒排列更紧密，岩石强度、弹性模量增大(图6b)。

阜宁组砂岩以碳酸盐胶结物为主，含量5%～12%，平均含量8.6%。胶结物呈离散斑点状分布于粒间孔隙或颗粒溶孔中(图6a-b)。据图7，随碳酸盐胶结物含量增大，砂岩单轴抗压强度、弹性模量增大，这是由于胶结作用减小了孔隙度，增大了骨架颗粒间的粘结力和摩擦力，故提高了岩石强度和刚度。

3.2 温度

据图8，温度在100 ℃左右，砂岩单轴抗压强度、弹性模量开始降低，泊松比趋近于最小值，由于实验温度为非连续测量，本文将砂岩力学性质临界温度暂定为100 ℃。不难看出，温度对砂岩力学性质的影响具有“两段性”：25～100 ℃，温度升高，抗压强度、弹性模量增大，泊松比减小；100～180 ℃，温度升高，抗压强度、弹性模量减小，泊松比增大。

从影响机制来看，温度对砂岩力学性质的影响表现在：孔隙度变化、微结构变化、水分的脱出等三方面。

3.2.1 孔隙度变化

温度对砂岩力学性质的影响依赖于矿物颗粒的涨缩效应。温度升高，热膨胀系数较高的矿物受到挤压，热膨胀系数较低的矿物拉张，颗粒相互作用产生热应力。随着温度升高，在达到热开裂温度之前，热应力低于矿物强度极限，热膨胀效应可导致砂岩孔隙度降低，原生微裂缝闭合。

PALCIAUSKAS认为[26]，假设温度升高，砂岩不发生排水，同时考虑到孔隙流体的作用，砂岩孔隙度对温度的微分可表示如下式：

(1)

式中：φ为变温后的孔隙度，无量纲；T为温度，℃；αb为岩体线膨胀系数，℃-1；αs为骨架线膨胀系数，℃-1；αb与αs可根据实验测得。

对公式(1)积分得：

exp[-(αb-αs)(T1-T0)]

(2)

式中:φ0为初始孔隙度，无量纲；T0为初始温度，℃；

图6 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩光学显微镜及扫描电镜照片Fig.6 Optical microscope and SEM photos of Funing Formation sandstones, Jinhu Sag, Subei Basin

图7 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩力学参数与矿物含量关系Fig.7 Scatter diagrams of relationship between sandstone mechanical parameters and mineral contents, Jinhu Sag, Subei Basin

图8 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩力学参数与温度关系Fig.8 Scatter diagrams of relationship between mechanical parameters of sandstones and temperatures of Funing Formation, Jinhu Sag, Subei Basin

T1为变温后的温度，℃。公式(2)说明温度升高，孔隙度的增减取决于αb与αs的关系。若αb<αs，岩石孔隙度减小；反之，则岩石孔隙度增大。

3.2.2 微结构变化

当温度升至热开裂阈值，砂岩中局部热应力达到矿物强度极限，矿物颗粒内或边缘产生微裂缝，砂岩微结构变化。张渊等测得细砂岩热开裂温度为120～150 ℃[27]；左建平等测得细粉砂岩热开裂温度在137 ～150 ℃[28]。此外，还有实验表明，温度升至100 ℃时，砂岩中原生微裂缝即可发生扩展[29]。因此，砂岩热开裂温度并非定值，其范围与矿物成分的热力学性质有关。

3.2.3 水分的脱出

砂岩中赋存水包括吸附水、层间水和结构水。吸附水赋存于矿物颗粒表面和微裂隙中，不参与晶格结构，结合力最弱，在100 ℃左右即可脱出；层间水以水合离子形式赋存于层状硅酸盐矿物晶格间，结合力中等，脱出温度约200 ℃；结构水以离子形式存在于晶格内部，结合力强，从晶格中脱出温度高达400～800 ℃，脱水过程会导致矿物结构与成分的改变[30]。随温度升高，水分脱出使得砂岩硬化，岩石强度和刚度增大。

综上所述，温度在25～100 ℃，矿物的涨缩效应和吸附水脱出占主导，随温度升高，矿物颗粒、胶结物的膨胀效应引起颗粒相互挤压，孔隙体积缩小，原生微裂隙闭合；同时，砂岩中吸附水脱出量增加，吸附水膜具有润滑作用，水分脱出会增大颗粒间摩擦力，砂岩抗剪强度提高。因此，砂岩变得致密，强度和刚度增加。温度在100～180 ℃，热开裂作用占据主导，随温度升高，热应力可引起原生微裂缝扩展，当达到砂岩热开裂温度，新的微裂缝开始发育，砂岩强度和刚度降低，抗变形能力减弱。

3.3 孔隙流体

据表3和图9，饱和NaHCO3盐水砂岩的单轴抗压强度、弹性模量低于饱和煤油砂岩；随油水比例降低，砂岩的单轴抗压强度、弹性模量均表现为降低。油水比例由100%/0变为0/100 %，力学参数拟合指数函数斜率趋于减小，说明抗压强度、弹性模量的变化幅度减小。综上所述，NaHCO3盐水对砂岩的弱化作用强于煤油；随油水比例降低，油水比例变化对砂岩力学性质的影响减弱。

图9 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩力学参数与油水比例关系散点Fig.9 Scatter diagrams of relationship between mechanical parameters of sandstones and oil-water ratios of Fuing Formation, Jinhu Sag, Subei Basin

砂岩中孔隙流体对岩石力学性质的影响归结为三方面[2]：孔隙流体压力作用、部分饱和作用、化学作用。

3.3.1 孔隙流体压力作用

在孔隙流体作用下，岩石力学性质受有效应力控制。当孔隙流体压力增大时，有效应力减小，岩石强度降低；反之，有效应力增大，岩石强度升高。天然砂岩储层均存在微裂隙，受吴堡、三垛及新构造运动影响，阜宁组发育3期微裂隙[31]。据断裂力学理论[23]，流体作用下裂纹包含：Ⅰ.张开型；Ⅱ.滑开型。两类裂纹尖端应力分别为KⅠ和KⅡ[32]：

(3)

(4)

式中，a为假设裂缝长度的一半，无量纲；σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；α为剪裂角，(°)；f为摩擦系数，无量纲；pf为孔隙流体压力，MPa；c为内聚力，MPa。考虑压剪联合作用，KⅠ、KⅡ复合型裂纹尖端应力为[32]：

λ12KⅠ+KⅡ=KⅡc

(5)

式中:λ12为压剪系数，无量纲；KⅡc为压缩状态下的剪切断裂韧度，MPa。将公式(3)和(4)代入公式(5)可得裂纹初裂强度为[32]：

(6)

由公式(6)可知，岩石初裂强度与孔隙流体压力的关系取决于压剪系数与摩擦系数的关系，当λ12

3.3.2 部分饱和作用

部分饱和作用发生在孔隙中存在至少两相流体时，润湿性流体与砂岩颗粒接触，而非润湿性流体与砂岩颗粒隔离，故而产生两相毛细管流体压力差。毛细管压力大小取决于流体类型、砂岩颗粒表面条件和流体接触位置孔隙大小[2]。润湿性流体趋向于填满最小的孔隙，所以当润湿性流体饱和度增大时，不同流体相的接触界面会向更大的孔隙移动。对于孔渗性好的砂岩储层，毛细管力低，部分饱和作用影响较小；对于低孔低渗储层，毛细管力高，部分饱和作用的影响显著。

3.3.3 化学作用

除上述物理作用外，流体对岩石的化学作用也是不可忽略的[17]。在地质时期，砂岩中成矿物质与孔隙流体建立了化学平衡。但在油气田开发中，受各种人工措施(如注水、压裂、酸化)干扰，原有化学平衡失稳，可能的化学作用包括黏土矿物溶胀、长石碎屑、碳酸盐胶结物的溶蚀等。这些化学作用通过改变砂岩颗粒的表面能、胶结物的大小及形态，或局部增大压力梯度，进而降低砂岩强度。

3.4 围压

三轴压缩实验结果显示，随着围压增大，阜宁组砂岩的抗压强度、弹性模量、泊松比都表现出增大趋势(表4，图10)。据Yang 1井、Gao 6井的应力应变曲线，轴向应力达到峰值前，随着围压增大，破裂峰值应力增加，抗压强度增大(图10a-b)。当围压达到30 MPa时，应力—应变曲线斜率变缓，砂岩由脆性向延性转化。

由于围压的“阻挡”作用，岩石中聚集的应力不仅要克服分子间作用力，还要克服围压做功才能引起岩石破裂。围压增大，垂直于微裂缝的正应力增大，微裂缝面上的摩擦力增加，岩石发生破裂所需的剪应力增大。当围压增加1倍时，岩石破裂所需的最大正应力可增大数倍[33]。从微观角度考虑，围压的增大使得砂岩孔隙缩小、微裂隙闭合，矿物颗粒排列更紧密，故而砂岩的强度和刚度增大。

4 对油田开发的启示

4.1 岩性变化

长期注水后，膨胀性黏土矿物在水流的剪切作用下，片状晶体格架易发生破坏，破损的微小颗粒变为游离态，随油水被冲出，砂岩中碎屑颗粒排列松散，点接触比例增大，胶结物粘结力变弱，砂岩强度降低。在注水条件、砂岩结构、孔渗性相同的情况下，膨胀性强的黏土矿物含量越高，砂岩强度降低越显著。酸化可溶蚀方解石、白云石、铁方解石等碳酸盐胶结物，还会溶蚀部分石英、长石及黏土矿物，溶蚀矿物种类与酸类型有关。在酸化条件相同的情况下，砂岩中碳酸盐胶结物含量越高，酸化效果越好，砂岩强度降低越多。在实施注水和酸化措施前，须充分考虑开发层位的黏土矿物类型、胶结物成分及含量，以降低产层出砂和井壁失稳风险。

图10 苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩不同围压下的应力应变曲线、弹性模量及泊松比Fig.10 Stress-strain curves, elastic modulus and Poisson’s ratios of Funing Formation sandstones under different confining pressures, Jinhu Sag, Subei Basin

4.2 地层温度变化

注水温差可导致热应力，当注水温度高于地层温度时，砂岩发生热膨胀；反之，发生热收缩。金湖凹陷常规注水开采用的水温低于地层温度，随温度降低，矿物颗粒收缩，孔隙度增加，砂岩强度降低。不考虑其他地层因素干扰，据不同温度的单轴压缩实验结果(图5)，对于埋深较深、温度高于临界温度的储层，随地层温度降低，砂岩强度升高；反之，随地层温度降低，砂岩强度降低。据江苏油田实测井温，持续注水的情况下，平均年地层温度降低小于1 ℃，这对砂岩力学性质的影响可以忽略。但在特高含水期，个别高吸水量层位温度降幅可达十几度，砂岩力学性质可能发生较大变化，在出砂预测和井壁稳定性分析时须引起警惕。

4.3 油水比例变化

金湖凹陷阜宁组开发初期油水比例一般在80%/20%～60%/40%，随着注水开发油水比例不断降低，在高含水期，强水淹层油水比例可达10%/90%以上。据不同油水比例的单轴压缩实验结果(表3)，油水比例由100 %/0变为0/100%，砂岩抗压强度降低了38%，弹性模量降低了49%，泊松比升高了41%。由于注水开发过程中对于初始含油饱和度高的砂岩储层，长期注水会引起油水比例的大幅变化，砂岩强度、弹性模量显著降低。值得注意的是，金湖凹陷阜宁组油藏以断块、断鼻油藏为主，大量开发井钻遇断层，油水比例变化可引起井壁应力状态变化，可能诱发小型断层活动，个别油田连片的井壁坍塌问题可能与此有关。