岩石热开裂影响因素分析.pdf

第 31 卷第 5 期2003 年 10 月石油钻探技术PETROLEUMDRILLINGT ECHNIQUESVol.31,No.5Oct.,2003收稿日期:2003-07-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号 49974003)及中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金资助项目(编号2001CX-17)作者简介:吴晓东(1958),男,1982 年毕业于华东石油学院采油工程专业,1988 年获石油大学油气田开发工程专业硕士学位,2000 年获中国科学院地球物理专业博士学位,教授。联系电话:[phone]?校庆专栏?岩石热开裂影响因素分析吴晓东1,刘均荣2(1.石油大学油气井工程学科,北京昌平102200;2.石油大学油气井工程学科,山东东营257061)摘要:室内大量岩心的实验结果表明,岩心经过高温热处理后,其渗透率、孔隙度等参数会发生较大的变化且这些变化存在一定的温度界限,不同类型的岩心具有不同的温度界限。从这些实验结果出发,对影响岩石热开裂的因素进行了初步的探讨和分析。关键词:岩石;热开裂;波速度;渗透率;孔隙度;实验室试验中图分类号:TE21文献标识码:A文章编号:1001-0890(2003)05-0024-04引言岩石是由多种矿物颗粒组成的,在受热作用下,由于这些矿物颗粒在热学上表现出的差异(热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等),使得岩石内部结构发生相应的变化,当这些变化超过岩石自身的某种限度时,就会在岩石内部产生微裂缝,进而引起岩石物性参数(如孔隙度、渗透率等)的变化,通常把这种现象称为岩石热开裂。在石油勘探开发过程中,一些储集层由于自身的物性差导致产能很低而难于经济有效地开发(如低渗、特低渗油藏),如何改善这些储集层的物性,提高开发效果和可采储量,是今后石油勘探开发的一个重要研究方向。目前油田上采用的常规水力压裂只能使岩层沿着某一方向产生裂缝,而岩石热开裂则是在岩石内部形成连通良好的裂缝网络,这将极大地提高储集层的导流能力,因此开展关于岩石热开裂的研究对于石油勘探开发有着重要的意义。笔者在实验室中采用渗透率、孔隙度、声速测量以及电镜扫描(SEM)、矿物成分分析等手段,对大量粉砂岩、灰岩、砾岩等岩石进行热处理研究。实验热处理最高温度为 800 C。通过研究发现 1-3,上述参数在经不同温度处理后均发生了较大的变化(如岩石渗透率和孔隙度随着温度升高逐渐增加,而声速却逐渐下降)。这些变化在低温下比较缓慢,而当超过一定温度界限(阈值温度)后,这些参数出现了急剧的变化。大量研究认为 4-8,这些参数的变化与岩石内部结构的变化有关,也即与岩石的热开裂现象有关。由于岩石是一种多晶体,其性质千差万别,因此在受热作用下影响岩石热开裂的因素也是多种多样的,如加热方式、加热速度、岩石胶结程度、颗粒粒径大小、组成矿物成分以及岩石内部原始结构等。1实验结果实验用样品基础数据见表 1。表 2 是其中 9 块岩样的实验数据。表 1 实验岩心基本情况种类来源波速/km?s-1渗透率/10-3?m2孔隙度,%粉砂岩桩 23 井3.33.5 0.0267灰岩草古 1-1 井5.05.3 0.0123砾岩永 921 井4.14.3 0.156表 2 高温处理前后岩心波速、渗透率和孔隙度对比岩心波速/km?s-1渗透率/10-3?m2孔隙度,%100 C 800 C 倍比?100 C800 C 倍比?100 C 800 C 倍比?1#3.446 1.453 0.420.0160 0.624 39.00 6.58 11.448 1.742#3.387 1.577 0.460.0190 0.543 28.58 6.59 11.826 1.793#0.0380 0.761 20.03 6.65 16.698 2.514#5.312 3.288 0.620.0035 0.286 81.71 2.26 25.019 11.075#4.989 3.096 0.620.0053 0.636 120.00 2.15 26.684 12.416#0.0210 1.089 51.86 2.97 33.685 11.347#4.134 0.982 0.240.0260 9.184 353.23 5.88 13.248 2.258#4.2882.141?0500.0410 0.675?16.46 5.2912.550?2.379#0.0790 27.87 352.77 5.41 29.253 5.41注:1#3#岩心为粉砂岩;4#6#岩心为灰岩;7#9#岩心为砾岩;?为以 100 C时的数值作为比较的基值;?由于在 600 C时岩心表面出现十分明显的裂纹,该值是 600 C时的测量值。实验结果发现:在热处理过程中岩石的波速、渗透率和孔隙度均有不同程度的变化。波速下降幅度最大达到 76%,渗透率增加幅度最大可达两个数量级,孔隙度增加幅度最大近十倍。图 1图 3 是对应的波速、渗透率和孔隙度随温度变化的曲线。图 1岩心渗透率温度变化曲线图 2岩心孔隙度温度变化曲线图 3岩心波速温度变化曲线从图中看出,岩样的波速随温度升高呈下降趋势,渗透率和孔隙度随温度升高而呈增加趋势,并且三者存在一个近乎同步的突变过程,表现为一个阈值温度范围。不同类型的岩石,其阈值温度范围不同。粉砂岩、灰岩和砾岩的阈值温度范围分别在 500600 C、500600 C和 400500 C。当加热温度低于阈值温度时,岩样的波速、渗透率和孔隙度变化幅度较小,曲线比较平缓,并且各岩样的波速下降速度、渗透率和孔隙度的增加速度基本相等;当加热温度高于阈值温度后其变化幅度增大,曲线急剧变化。从阈值温度下限加热到阈值温度上限,1#、4#和 7#岩心的波速分别下降了 10%、13%和 17%,渗透率分别增加了 0.8、1.5 和6.0 倍,而孔隙度也分别增加了 0.2、1.0 和0.2倍。此外,实验结束后(800 C),在砾岩岩心外表面上可直接观察到大量的粒间微裂纹,岩心长度也略有增长。2影响因素分析2.1加热方式的影响岩石加热方式可分为均匀加热和急剧加热(热冲击)两种方式。根据热传导理论,对于同样的物体,在相同加热条件下,如果初始条件和边界条件不同(即加热方式不同),由于热传导在时间和空间上的迟滞效应,在物体表面和内部的温度分布将存在较大的差异,这将导致物体中应力的集中和分布的差异。在研究陶瓷材料的热性能过程中 9,研究人员发现热冲击在物体表面产生的热应力要大于均匀加热产生的热应力。Hettema 等人 10在研究蒸汽压力对沉积岩石热破裂的影响实验中,得到了与此相同的结论,并认为均匀加热条件下对岩石热破裂起主导作用的是蒸汽压力,而热冲击条件下对岩石热破裂起主导作用的则是温度产生的热压应力。由此可以认为,不同的加热方式对岩石热开裂程度和效果的影响是不同的。2.2加热速度的影响岩心加热速度能明显影响岩石的热膨胀。由于岩心尺寸是有限的,表面温度的变化不能瞬时被传递遍整个岩心,因而热传递的时间效应将产生空间上的热应力效应,这有可能导致形成新的裂缝。T hirumalai等 11在 20400 C范围内分别以 5、20 和 50 C/min的速度加热花岗岩,然后测量其热膨胀特征。由于在较大加热速度下将迅速产生不可逆的结构破坏,因而测得岩石的热膨胀系数存在较大的不同。DorthyRichter 等 12以 5 和 1 C/min 的速度将辉长岩加热到300 C时,测得的热膨胀系数之间相差 10%。他们认为这种差异是由于加热冷却速度不同造成的。ChenYong 等人 13利用声发射方法研究了岩石矿物各向异性和加热速度对岩石热开裂的影响程度。研究认为,在较低加热速度(5 C/min)下,岩石中的变化主要反映的是加热速度(温度梯度)的影响。通过实验,测量了不同加热速度下累积声发射(AE)事件数与温度的关系。结果发现:在相同温度下,加热速度从0.4 C/min 变化到 12.5 C/min 时,声发射累积数量增加了大约 10倍。这些结果在不同程度上表明,岩石的加热速度越大,岩石的热膨胀系数越大,AE 事件的累积数量越多,产生裂缝的速度也就越快。因此,加热速度对岩石热开裂的影响也是一个不可忽视的因素。2.3岩石胶结类型和胶结程度的影响岩石胶结物是指除构成岩石骨架的碎屑颗粒以外25第 31 卷第 5期吴晓东等:岩石热开裂影响因素分析的化学物质。由于胶结物成分、胶结类型以及胶结程度的差异,对岩石孔渗性质的影响也是不同的。岩石中的胶结物一般充填于粒间孔隙、附着于颗粒表面,使原来的孔隙结构变得更复杂,并容易堵塞孔隙喉道,形成封闭的孔隙等,这都将极大地降低岩石的渗透率。由于胶结物的颗粒一般比较小,具有很大的比表面和表面能。根据断裂及损伤理论 14,在胶结物与颗粒之间形成新裂纹则需要积聚较大的弹性应变能。此外,由于岩石成岩过程中的物理化学作用,胶结物颗粒在岩石中的分布特征及胶结类型存在差异,使得其与骨架颗粒之间存在不同的胶结强度。对于砂岩来讲,其胶结强度由强到弱依次为基底胶结、孔隙胶结和接触胶结。破坏不同的胶结类型所需的能量不同。一般地,破坏高强度物质的内部结构,所需的能量(或作用力)比较大。根据实验结果可以发现 1-3,原始渗透率相对较小、结构比较致密的岩石,热开裂阈值温度一般都比较高。因此,从某种角度来讲,岩石胶结类型和胶结程度对岩石热开裂也有一定的影响。2.4颗粒粒径大小及形状的影响颗粒粒径的大小直接影响着岩石的强度。在研究陶瓷材料的过程中,人们发现陶瓷材料的强度?f与晶粒尺寸之间符合 Hall-Pitch 关系 15,即:?f=?0+kd-0.5(1)式中,?0为无限大单晶的强度;k 为系数;d 为晶粒直径。从式(1)可以看出,随着晶粒粒径的减小,材料的强度逐渐增加。由于陶瓷和岩石都是属于无机材料,它们之间具有一定的相似性,因此可以近似认为岩石的强度与颗粒粒径之间也符合上述的关系。颗粒粒径小,岩石强度相对较大;反之,颗粒粒径大,岩石强度相对较小。要使由小粒径颗粒组成的岩石发生热开裂现象,则克服其抗张强度所需产生的热应力也就相对较大(即所需的加热温度较高),即小粒径岩石的热开裂阈值温度相对较高,而大粒径岩石的热开裂阈值温度相对较低。另外,从岩石断裂力学理论来看,裂缝的延伸只有当裂缝尖端的应力强度因子 K 超过临界强度因子 KIC时才可能发生,而裂缝尖端应力强度因子是温度增加值与颗粒粒径平方根的乘积,粒径较小的晶体要获得发生破裂的临界应力强度值,则需要较高的温度。Dorothy Richter 等 12在研究火成岩热膨胀特征时发现,矿物组成和热膨胀系数基本相同的岩石,粒径大小影响着岩石的破裂温度。Cape Neddick辉长岩的粒径是Frederick 辉绿岩粒径的 510 倍,但Cape Neddick 辉长岩的临界破裂温度为 330 C,而Frederick 辉绿岩临界破裂温度则高达560 C。该结果与强度粒径(?fd-0.5)理论相吻合,证明了该理论的合理性。这说明颗粒粒径大小是影响岩石发生热开裂的重要因素之一。2.5矿物组成成分的影响岩石是由不同矿物组成的多晶体,由于矿物之间的性质存在差异,因而对岩石热开裂也会存在显著的影响。首先,不同矿物具有不同的热膨胀系数及热膨胀各向异性。在高温作用下,不同颗粒产生的热应力大小和作用也不同。其次,不同的矿物,其晶体的结晶方向和空间排列方式不同,因而其晶格能也存在差异。岩石中产生的裂纹一般分为晶间裂纹和穿晶裂纹,这两种裂纹所需破坏的岩石结构是不同的,前者破坏岩石中颗粒之间的结构,而后者破坏岩石颗粒的内部结构。破坏岩石中的这两种不同结构所需克服的能量是不同的。晶格能越大的矿物,破坏其结构所需的能量越大。最后,不同矿物颗粒之间的相互接触情况也会对岩石热开裂产生影响。岩石是多种矿物晶粒的结合体,矿物晶粒之间或胶结物晶粒与矿物晶粒之间因接触而产生结合力,这种结合力把许多矿物晶粒结合在一起。不同矿物之间的接触,其结合力(即分子间作用力)是不同的,因此在这些晶粒之间产生热开裂所需的能量也是不同的。因此可以认为,组成岩石的矿物成分也在不同程度上影响着岩石的热开裂温度和热开裂程度。2.6岩石孔隙结构的影响在陶瓷材料中,气孔是其结构的主要缺陷之一。气孔的存在能明显地降低载荷的作用横截面积,同时气孔也是引起应力集中的地方。研究结果表明,多孔陶瓷的强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。Ryskewitsch 提出了一个描述气孔率与强度之间的经验关系式 15:?=?0exp(-p)(2)式中,p 为气孔率,?0为气孔率为0 时的强度,为常数。由式(2)可以看出,随着气孔率的增加,陶瓷的强度逐渐下降。在应力梯度较高时,气孔能起到容纳变形、阻止裂纹扩展的作用。对于岩石来讲,内部存在大量连通的或孤立的孔隙结构。这些结构的存在,将在不同程度上影响岩石的强度、热开裂的程度以及裂纹扩展的趋势。根据实验结果,对于同一种岩石,其原始孔隙度的大小直接影响着热开裂的程度。如孔隙度分别为 1398%和17.81%、渗透率分别为 0.0910-3?m2和 0.5226石油钻探技术2003 年 10 月10-3?m2的两块砂岩,其渗透率发生突变的温度存在一定的差异,前者较后者相对较大。经过相同温度处理后(600 C),其渗透率增加倍数分别为 10 倍和 6倍。由此可以认为,大孔隙度的岩石,在热应力作用下岩石内部的大孔隙结构起到了容纳变形和阻止裂纹扩展的作用,致使产生的裂纹相对较少,形成的裂纹网络较小,经相同温度处理后渗透率的提高倍数相对较小。3结论1)岩石作为一种多晶体,其性质存在很大的差别。在受热作用下,岩石内部发生热开裂现象,导致岩石物性发生变化。2)不同类型的岩石,其热开裂的温度和热开裂的程度是不同的。3)加热方式、加热速度、岩石胶结程度、颗粒粒径大小、组成矿物成分以及岩石孔隙结构均对岩石热开裂的温度和程度有影响。参考文献 1 刘均荣,吴晓东,秦积舜,温度对岩石渗透率影响的实验研究 J.石油大学学报(自然科学版),2001,25(4):51-53.2 吴晓东,刘均荣,秦积舜.岩石渗透率受热变化的实验研究 A.高德利,张玉卓,王家祥.地下钻掘采工程不稳定理论与控制技术 C.北京:中国科学技术出版社,1999:146-149.3 吴晓东,刘均荣,秦积舜.热处理对岩石波速及孔渗的影响J.石油大学学报(自然科学版),2003,27(4):70-72.4 Somerton W H,Mehta M M,Dean G W.T hermal alteration ofsandstonesJ.Journal of Petroleum T echnology,1965,17(5):589-593.5 Somerton W H,Gupta V S.Role of flux ing agents in thermalalteration of sandstones J.Journal of Petroleum Technology,1965,17(5):585-588.6 B rann J,Gangi A F,Handin J.T hermal cracking of rocksubjected to slow,uniform temperature changesC.Procedureof 19th Unite States Symposium Rock Mechanics,1978:259-267.7 Y ves Geraud.Variations of connected porosity and inferredpermeability in a thermally cracked 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石油文摘(PetroleumAbstracts)收录期刊。石油机械在报道陆上和海洋石油钻井装备、采油装备、油田地面工程装备、油气集输设备和石油化工装备的研究、设计、制造和使用等内容的同时,还刊载相关的材料与防腐、通用设备和基础件的研制与应用方面的文章。主要栏目有:专题研究、试验研究、设计计算、加工制造、技术讨论、检测诊断、新产品开发、应用技术、质量与生产管理、专题综述、国外石油机械、经验集锦、信息广角等。石油机械大力开展产品与服务广告业务。编辑部配备先进的平面设计制作系统,拥有资深专业广告设计人员,服务周到,收费合理。热忱欢迎海内外客户联系刊登产品广告或其它商业信息。2004年 石油机械每期定价10.00元,全年120 元;全国各地邮局均可订阅,错过邮局订阅机会的读者可向该刊编辑部索取订单直接订阅。地址:(434000)湖北省荆州市沙市区豉湖路 12 号邮发代号:3880电话:[phone]或 8121243E-mail:27第 31 卷第 5期吴晓东等:岩石热开裂影响因素分析