济阳坳陷油页岩力学性能特征实验.pdf

收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金“干热岩型地热泡沫钻井流体相变行为下井筒温度压力响应特性研究”（）作者简介：王爱民（），男，高级工程师，年毕业于胜利石油学校钻井工程专业，年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，获学士学位，现主要从事现场钻井技术及监督管理工作。：济阳坳陷油页岩力学性能特征实验王爱民，王发明，贺文卿，王帅，刘厚彬（中国石化胜利油田分公司，山东东营 ；西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 ）摘要：济阳坳陷页岩油勘探开发成效显著，但大斜度水平井井壁垮塌异常突出，多次引发井下阻卡，甚至埋钻事故。针对上述问题，通过岩石力学室内系列实验研究油页岩力学性能与崩塌破坏规律，剖析油页岩水平井井壁失稳机理与主控因素。研究表明：油页岩岩体裂缝极为发育，主要为近平行低角度层理缝，伴有高角度交叉缝，岩体破碎程度高；油页岩力学参数各向异性特征明显，当井壁最大主应力与层理缝垂直时，井壁整体力学强度最大，随着井壁最大主应力与层理缝面夹角减小，井壁力学强度呈减小趋势，当夹角为 左右时力学强度最低，井壁稳定性最差；济阳坳陷油页岩整体力学强度低，井下应力环境下抗压强度最大值为 ，最低仅为 ；油页岩岩体破坏方式存在差异，当井壁最大主应力与层理缝面夹角较小时，以沿层理缝间剪切滑移破坏为主，反之为油页岩基岩剪切破坏。济阳坳陷油页岩井壁失稳作用机理研究成果可为油页岩大斜度水平井井壁稳定性预测及工程参数优化设计提供支撑。关键词：济阳坳陷；油页岩；力学强度各向异性；钻井液浸泡作用中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，；，；，第 期王爱民等：济阳坳陷油页岩力学性能特征实验 ：；引言油页岩是一种重要的石油替代能源，分布广泛、储量巨大 ，随着对油页岩的进一步勘探开发，其资源储量还有极高的上升空间。因此，加快油页岩的勘探开发进程，高效利用油页岩资源是解决能源问题的重要方向之一。目前济阳坳陷在油页岩勘探开发中已取得显著成绩，但在钻井过程中井壁垮塌问题经常发生，岩石的力学特性在井壁稳定方面发挥着重要作用，因此，研究油页岩的力学性能可为地层井壁稳定性研究提供一定的理论指导。等 研究了油页岩高温时力学性能的变化，发现其孔隙度、渗透率会在产油过程中逐渐增大；统计了油页岩的体积质量、密度和孔隙度，分析了油页岩强度与体积质量的相关性；等对油页岩进行了点载荷实验和单轴抗压实验，确定了其点载荷强度与抗压强度之间的转换关系；梁冰等 通过实验研究了水化作用下的油页岩弹性模量等力学参数及破坏模式的变化，认为水化作用后的油页岩强度和弹性模量降低；严轩辰 通过室内岩石力学实验，发现油页岩空间各向异性特征明显，抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比等力学参数受取心角度的影响较大；刘志军等 利用岩样超声波速测试系统，实验分析了油页岩在温度作用下动弹性模量、动泊松比等参数的变化规律；耿毅德等 利用自主研发的高温高压热解反应装置和渗透率测量仪，研究了不同热解温度和应力条件下的油页岩渗透变化规律；徐兴倩等 基于油页岩热解反应速率方程，提出了一种热解过程油页岩的弹性模量定量计算模型。总体而言，国内外专家学者针对油页岩力学性能的研究较少，且主要集中在油页岩常规力学性能特征、开采压裂等方面的研究工作，针对济阳坳陷沙河街组油页岩地层的研究较少。根据油页岩裂缝发育与产状分布，结合室内岩样轴向加载力与裂缝面之间夹角关系，钻取不同角度油页岩柱塞样品，开展油页岩物性参数与力学参数实验测试，研究油页岩物性与力学性能特征以及各向异性特征，为油页岩水平井不同井斜段井壁应力场与井壁稳定评价提供基础参数，为油页岩井壁稳定预测与工艺参数优选提供技术支撑。油页岩地层裂缝发育特征与岩心制备 油页岩地层裂缝发育特征观察济阳坳陷油页岩井下岩心裂缝的发育规模与产状信息，分析油页岩裂缝展布规律。岩心裂缝极为发育，地面卸载作用下裂缝开裂、散开。油页岩主要发育低角度层理裂缝，层理裂缝呈现“近平行页状”，局部缝间距较小、裂缝线密度高，伴有部分高角度斜交缝，导致油页岩岩体破碎程度高、整体力学强度低，是油页岩水平井井壁失稳的主要原因。实验测试岩样的制备油页岩层理发育，颗粒间胶结较弱，岩石脆性强、强度低。因此，为研究油页岩岩体力学参数及各向异性分布规律，使用岩心切割机制备了多组不同层理角度（、）的油页岩岩样 。岩心矿物组分测试以济阳坳陷油页岩为研究对象开展岩石力学实验，利用 射线衍射仪测试页岩矿物组分含量（表 ）。表 泥岩矿物组分含量 井深 黏土矿物含量 石英含量 方解石含量 白云石含量 斜长石含量 黄铁矿含量 由表 可知：泥岩主要发育有黏土、石英与方解石等，黏土矿物含量为 ，石英含 特 种 油 气 藏第 卷量为 ，碳酸盐岩含量为 ，是一种典型的硬脆性泥岩。油页岩渗透性能与各向异性测试油页岩微裂缝较为发育，内部存在大量不规则孔隙，影响了岩石的渗透率和力学性能。通过测试油页岩的孔隙度和渗透率，获取油页岩水平井井壁岩石径向渗流参数，为水平井井壁耦合应力场与井壁稳定预测模型提供基础参数。以济阳坳陷油页岩为研究对象，选取 块不同裂缝发育特征的油页岩开展实验，测试岩体裂缝发育对孔隙度、渗透率等参数的影响（表 ）。表 油页岩孔渗参数测试结果 岩心编号取心角度 孔隙度 渗透率 岩心特征 条裂缝 多条贯穿缝 条裂缝 多条贯穿缝 条裂缝 多条贯穿缝 条裂缝 多条贯穿缝 条裂缝 多条贯穿缝由表 可知，油页岩物性参数普遍偏低，孔隙度为 ，渗透率为 。另外，拟合了油页岩孔渗参数与取心角度之间的量化关系，分析了取心角度、层理裂缝与油页岩孔渗参数之间量化关系（图 ）。图 取心角度、裂缝数量对油页岩孔隙度、渗透率的影响 由表 、图 可知：油页岩孔隙度、渗透率随着裂缝数量的增加呈现增大的趋势，取心角度对油页岩孔隙度、渗透率的影响也较为明显，呈指数关系，岩心只有 条裂缝时，相关系数分别为 、；岩心有多条贯穿缝时，相关系数分别为 、。取心方向不同，层理裂缝与径向渗流方向也不同，当取心角度为 时，层理裂缝面与径向渗流方向垂直，随着取心角度的增加，层理缝面与径向渗流方向夹角由直角转为锐角，部分流体经由层理缝渗流，孔渗参数呈指数关系递增，当取心角度为 时，层理裂缝面与径向渗流方向平行，油页岩径向渗流参数达到最大。岩石力学特性及各向异性测试分析利用 三轴力学实验机测试油页岩弹性参数与力学强度，分析取心角度、钻井液浸泡效应等对油页岩力学性能参数及各向异性的影响，后期可用于评价裂缝的倾角、倾向、发育程度及不同钻第 期王爱民等：济阳坳陷油页岩力学性能特征实验 井液体系等因素对岩石力学性能的影响，提高对地层井壁稳定性评价精度 。不同井斜段油页岩地层井壁力学性能测试油页岩层理裂缝极为发育，为了研究层理裂缝发育、井眼轨迹变化对油页岩地层井壁力学性能的影响，该文测试了不同井斜段井壁岩心力学性能参数，评价了取心角度变化对油页岩弹性参数、力学强度的影响。图 为油页岩三轴压缩应力 应变曲线。图 不同取心角度油页岩三轴压缩应力 应变曲线 由图 可知：不同取心角度油页岩应力 应变曲线变化规律差异较大。取心角度为 时，油页岩极值强度最大，为 ，岩体破坏前应力 应变曲线斜率最大，即弹性模量最高，应力峰值过后曲线呈“断崖式”下坠，为典型脆性破坏特征；取心角度为 时，油页岩极值强度次之，应力 应变曲线斜率略有减小，岩体破坏为脆性断裂破坏；取心角度为 时，油页岩极值强度最小，应力 应变曲线斜率最小，岩体呈现弹塑性破坏。结合不同围压下油页岩抗压强度测试结果，利用莫尔圆理论计算了油页岩内聚力与内摩擦角，分析油页岩内聚力、内摩擦角与取心角度之间的关系（图 ）。由图 可知：取心角度对油页岩内聚力与内摩擦角变化影响规律明显。随着取心角度的增加，油页岩内聚力、内摩擦角先变小后增大。在 时，油页岩内聚力和内摩擦角均呈现降低的趋势，在 左右时，内聚力与内摩擦角均接近最低值，在 时，内聚力与内摩擦角均呈现增大的趋势。由此说明，油页岩内聚力和内摩擦角均存在明显的空间各向异性特征。钻井液浸泡作用对油页岩力学性能的影响将钻井液浸泡前后的岩样按照取心角度进行编号，实验评价了现场水基钻井液浸泡 前后油页岩力学性能参数（表 ），评价了钻井液浸泡作用对油页岩力学性能影响程度，可为现场钻井液体系优选提供科学依据。图 油页岩内聚力、内摩擦角变化规律 对比分析表 中现场水基钻井液浸泡前后油页岩抗压强度、弹性模量与泊松比变化可知：取心角度对油页岩抗压强度、弹性模量影响规律明显，随着取心角度的增加均呈现先减小、后增加的趋势，泊松比变化规律不明显。同时，对比分析了钻井液浸泡前后油页岩抗压强度、弹性模量变化规律（图 ）。由图 可知，取心角度、钻井液浸泡作用均对油 特 种 油 气 藏第 卷表 钻井液浸泡前后油页岩三轴压缩试验数据 编号取心角度 岩样类型围压 抗压强度 弹性模量 泊松比 干燥岩样 浸泡钻井液 图 钻井液浸泡前后油页岩力学测试结果 页岩力学性能参数存在不同程度影响，取心角度对油页岩力学性能参数影响规律明显，随着取心角度的增加，油页岩抗压强度和弹性模量均先减小后增大。当取心角度为 时，油页岩的力学强度接近最低，取心角度为 时，油页岩力学强度受层理弱面影响最为明显。钻井液浸泡作用对油页岩力学性能影响较弱，钻井液浸泡 后油页岩抗压强度、弹性模量出现小幅度降低，判断认为水基钻井液沿裂缝渗透，页岩黏土水化导致油页岩力学强度降低，但降低幅度较小。油页岩力学破坏特征分析通过对不同层理角度油页岩在三轴应力下的破坏特征分析，可以得到济油页岩的破裂模式（图），图中绿色实线表征岩体层理缝倾角，黄色虚线表征岩体破坏轨迹。a 0b 30c 45d 60e 90图 不同层理角度油页岩破坏特征 第 期王爱民等：济阳坳陷油页岩力学性能特征实验 页岩的变形特征和力学强度与其破裂形态有着密不可分的联系 。该地区油页岩破坏特征有 类：单剪切滑移破坏。不同取心角度岩样均发生此类破坏，但主要以 、的取心角度为主。和 的取心角度破坏既有沿层理面的剪切破坏，也有局部穿越基质的张拉破坏，取心角度破坏面角度与层理角度几乎一致，且较为平整。共轭剪切破坏。此类破坏模式主要以 和 取心角度为主。通过局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏，将岩块分为较多的块体 。结论（）济阳坳陷油页岩层理裂缝极为发育，且伴有高角度斜交裂缝，多组裂缝交割、油页岩岩体破碎程度高、力学强度低是诱发油页岩井壁失稳的关键因素；泥岩主要发育有黏土、石英与方解石等，黏土矿物含量为 ，石英含量为 ，碳酸盐岩含量为 。（）油页岩岩体致密，孔隙度为 ，渗透率为 ，取心角度与裂缝发育对油页岩孔渗性能影响明显，当层理裂缝面与渗流方向平行时，流体优先沿层理裂缝渗透流动，油页岩渗透性最高。（）油页岩力学强度偏低，力学性能参数各向异性特征明显，随着取心角度的增加，油页岩弹性模量、抗压强度呈现先减小、后增大趋势，在取心角度为 时岩石的抗压强度、弹性模量最低，油页岩沿层理裂缝滑移破坏。（）油页岩主要以非膨胀性黏土矿物为主，水化膨胀分散能力弱，钻井液浸泡作用对油页岩力学强度的影响较弱，但钻井液可润滑层理裂缝面，引发裂缝尖端开裂导致井壁力学强度降低。（）济阳坳陷油页岩井壁失稳主要原因为岩体层理裂缝极为发育，且井壁岩石力学强度各向异性特征明显，钻井液水化作用对油页岩井壁稳定性影响较弱。（）济阳坳陷油页岩在三轴力学实验下的破坏模式有 类：单剪切滑移破坏和共轭剪切破坏。其中，取心角度为 、岩样破坏模式主要以单剪切滑移破坏为主；和 主要以共轭剪切破坏为主。参考文献：李术元，何继来，侯吉礼，等 世界油页岩勘探开发加工利用近况 中外能源，（）：，（）：王清强，马跃，李术元，等 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