蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖儲層力學性質及影響因素

孫 珂，陳清華

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

自20世紀90年代以來，巖石力學在油氣田開發領域已得到系統應用，并在儲層應力場數值模擬、水力壓裂設計、油井出砂預測、井壁穩定性分析中發揮重要作用[1-2]。影響儲層力學性質的因素可歸為兩類：(1)巖石固有屬性，包括巖性、物性、裂縫等[1-7]；(2)地層環境因素，包括溫度、流體、圍壓等[1-2,8-17]。此外，油氣開發中的各種人工措施使得上述因素動態變化，巖石力學性質進一步復雜化[18]。目前，巖性因素研究還較少，前人研究涉及砂巖粒度、碎屑礦物、膠結物及黏土礦物含量等與砂巖力學參數的相關性，并提出了擬合函數和定性解釋[3-7]。常規油氣儲層的“黃金溫度帶”為60～120 ℃[19]，而多數關于溫度的砂巖力學實驗未針對此設計，所得力學參數隨溫度變化規律亦不盡相同[8-12]。孔隙流體方面，前人研究集中于單相流體與砂巖力學參數的關系[13-17]，但儲層中孔隙流體為多相，由流體比例變化引起的巖石力學響應尚未得到充分重視。

阜寧組作為金湖凹陷的主要開發層系，其巖石力學的系統研究至今未見報道。在以往的儲層應力場數值模擬中，模型力學參數均取自經驗值[20-21]，這可能給模擬結果帶來較大誤差。閔橋、高集、閔南等油田發生的產層出砂和井壁失穩問題與巖石力學性質密切相關。針對上述問題，本文采用單軸/三軸壓縮實驗、X衍射、薄片分析、掃描電鏡等方法，獲取了不同巖性、溫度、油水比例、圍壓下的砂巖力學參數，并在此基礎上分析了各種因素對砂巖力學性質的影響，探討了實驗結果對油田開發的啟示。這些實驗結果及認識將為油田儲層應力場數值模擬、出砂預測、井壁穩定性分析等工作奠定基礎。

1 研究區概況

金湖凹陷位于蘇北盆地西南部，凹陷南部邊界為楊村斷裂，北部以西部斜坡帶過渡至建湖隆起，是一個北東—南西走向的箕狀斷陷湖盆(圖1)。金湖凹陷的構造演化經歷了斷拗、斷陷、拗陷3個階段，受儀征、吳堡、真武等構造事件的影響，產生了汊澗、龍崗、三河、汜水等次級凹陷(圖1)。

金湖凹陷地層自下而上發育浦口組(K2p)、赤山組(K2c)、泰州組(K2t)、阜寧組(E1f)、戴南組(E1d)、三垛組(E2s)、鹽城組(Ny)和東臺組(Qd)。其中，阜寧組是金湖凹陷的主要開發層系，多數儲層埋深1～3 km，沉積相以三角洲、湖泊相為主，巖性主要為粉砂巖和細砂巖。

2 巖石力學實驗方案及結果

本研究實驗巖樣規格為Φ25 mm×50 mm。為了提高實驗結果的科學性，在巖心取樣時遵循了以下原則：(1)不發育明顯的構造裂縫；(2)不發育強非均質性沉積構造；(3)樣品巖性單一，粒度均勻，不發育巖性突變界面。在實驗樣品預處理中，采用DZG-6020型真空干燥恒溫箱和高精度真空泵，在預定溫度(<190 ℃)，真空下(<0.01個大氣壓)，進行干燥、飽水和飽油等預處理工作。常規單軸/三軸壓縮實驗采用TAW-2000電液伺服實驗機，配套德國DUOLI數據自動采集控制系統，實驗過程中通過應變率控制，加載應變率一般控制為0.01～0.02，以確保獲取穩定的應力—應變曲線。

圖1 蘇北盆地金湖凹陷構造綱要及取樣井分布Fig.1 Tectonic setting and sampling well locations in Jinhu Sag, Subei Basin

2.1 單軸壓縮實驗

2.1.1 不同巖性條件

為明確巖性對阜寧組砂巖力學性質的影響，除通過單軸壓縮實驗獲取砂巖樣品的力學參數外，還采用光學顯微鏡和X光衍射技術統計了對應砂巖樣品的礦物碎屑、碳酸鹽膠結物以及黏土礦物的含量。實驗樣品來自Yang 1、Gao 5、Bian 9等12口取心井巖心，共計12塊柱塞樣，實驗結果如表1所示。

2.1.2 不同溫度條件

據蘇北盆地東臺坳陷54口井連續測溫資料和243口井實油溫度數據，阜寧組實測地溫范圍為40～140 ℃[22]，考慮到實驗結果的可拓展性，實驗溫度條件分別設定為：25，60，100，140，180 ℃。單軸壓縮實驗樣品來自Qin3-1井，實驗選用5個柱塞樣，實驗結果如表2所示，應力應變曲線如圖2所示。

2.1.3 不同流體條件

在實驗準備過程中，個別樣品在真空飽水或飽油4～5 h后出現掉塊或掉渣現象(圖3)，為了避免損傷樣品影響實驗結果，實驗中嚴控真空飽和時間，單獨飽和油或水時間小于2 h，對于油水混合樣品先真空飽和水1 h，后經處理再飽和油1 h。

金湖凹陷阜寧組地層水以NaHCO3型為主，礦化度為5 775～32 293 mg/L[23]。實驗中選用19 000 mg/L的NaHCO3溶液代替地層水，飽油介質采用航空煤油代替石油。開發初期，阜寧組油水比例為80%/20%～60%/40%；高含水期，油水比例一般為20%/80%～10%/90%。故設計了不同油水比例的6組單軸壓縮實驗，6塊柱塞樣來自Gao 6井，實驗結果見表3。

表2 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖 不同溫度條件單軸壓縮實驗結果Table 2 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different temperatures in Jinhu Sag, Subei Basin

圖2 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖 不同溫度條件下的應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of Funing Formation sandstones under different temperatures in Jinhu Sag, Subei Basin

表1 蘇北盆地金湖凹陷不同巖性條件阜寧組砂巖單軸壓縮實驗結果Table 1 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different lithological conditions in Jinhu Sag, Subei Basin

圖3 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組樣品飽水4 h后的損傷照片Fig.3 Damage photos of Funing Formation samples after 4 hours of water saturation, Jinhu Sag, Subei Basin

2.2 三軸壓縮實驗

三軸壓縮實驗常用于模擬地層圍壓條件。據金湖凹陷實測地層壓力結果[23]，阜寧組儲層圍壓為9.57 ～29.37 MPa。故設計圍壓條件分別為：10，20，30 MPa，實驗樣品來自Yang 1，Gao 6，Bian 9等5口井，共計15塊柱塞樣，實驗結果如表4所示。部分實驗后樣品如圖4所示，實驗樣品均為剪切破裂。

3 砂巖儲層力學性質影響因素

3.1 巖性

3.1.1 粒度

據圖5，細砂巖單軸抗壓強度和彈性模量的均值、中位數高于粉砂巖，而泊松比反之，這說明隨粒徑減小，砂巖強度和剛度趨于降低，即“粒徑軟化”現象[4]。但砂巖力學參數的離散度高，如細砂巖單軸抗壓強度為64.5～117.19 MPa，彈性模量為7.57～17.49 GPa，泊松比為0.11～0.19，這說明相同粒度的砂巖力學性質依然可能存在較大差異(表1)。

3.1.2 礦物成分

阜寧組砂巖中，石英占礦物總量的52%～69%，平均含量58%；長石可見斜長石、正長石、鈉長石等，含量9%～19%，平均含量16%；巖屑以沉積巖巖屑和火山巖巖屑為主，含量7%～23%，平均含量14%(表1，圖6a-b)。據圖7，隨石英含量升高，砂巖單軸抗壓強度、彈性模量增大。礦物抗壓強度關系為[24]：石英>長石>巖屑。石英碎屑作為主要應力負荷骨架，能夠積累大量應力，故其含量與砂巖力學參數呈現高線性相關。

表3 蘇北盆地金湖凹陷不同油水比例條件 阜寧組砂巖單軸壓縮實驗結果Table 3 Uniaxial compression test results of Funing Formation sandstones under different oil-water ratios, Jinhu Sag, Subei Basin

表4 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖三軸壓縮實驗結果Table 4 Triaxial compression test results of Funing Formation sandstones in Jinhu Sag, Subei Basin

圖4 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖 三軸壓縮實驗后部分樣品照片Fig.4 Photos of Funing Formation samples after triaxial compression test, Jinhu Sag, Subei Basin

圖5 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組 粉砂巖、細砂巖力學參數箱型圖Fig.5 Box diagrams of mechanical parameters of Funing Formation siltstones and fine sandstones, Jinhu Sag, Subei Basin

阜寧組砂巖黏土礦物含量為1.2%～6.7%，平均含量3.4%。據掃描電鏡照片(圖6c-f)，黏土礦物主要為高嶺石、伊利石、綠泥石和伊/蒙混層，部分片狀礦物結構殘缺或破裂，這可能與長期注水引起的黏土礦物溶脹和潛蝕作用有關。有研究認為，當黏土礦物含量大于25%時，砂巖強度才會隨黏土礦物含量增大而減小[25]。但本文的實驗結果表明，在黏土礦物含量小于25%時，砂巖力學性質依然與黏土礦物含量存在相關性，砂巖單軸抗壓強度、彈性模量隨黏土礦物含量增加而降低(圖7)。

3.1.3 結構與膠結物

阜寧組砂巖分選、磨圓較差，碎屑顆粒呈次棱角—次圓(圖6)。埋深較淺的阜寧組砂巖，壓實作用弱，碎屑顆粒間以點接觸為主，顆粒排列疏松，砂巖的強度、彈性模量相對較低(圖6a)；隨著埋深增大，壓實作用增強，碎屑顆粒間變為線接觸、凹凸接觸為主，顆粒排列更緊密，巖石強度、彈性模量增大(圖6b)。

阜寧組砂巖以碳酸鹽膠結物為主，含量5%～12%，平均含量8.6%。膠結物呈離散斑點狀分布于粒間孔隙或顆粒溶孔中(圖6a-b)。據圖7，隨碳酸鹽膠結物含量增大，砂巖單軸抗壓強度、彈性模量增大，這是由于膠結作用減小了孔隙度，增大了骨架顆粒間的粘結力和摩擦力，故提高了巖石強度和剛度。

3.2 溫度

據圖8，溫度在100 ℃左右，砂巖單軸抗壓強度、彈性模量開始降低，泊松比趨近于最小值，由于實驗溫度為非連續測量，本文將砂巖力學性質臨界溫度暫定為100 ℃。不難看出，溫度對砂巖力學性質的影響具有“兩段性”：25～100 ℃，溫度升高，抗壓強度、彈性模量增大，泊松比減小；100～180 ℃，溫度升高，抗壓強度、彈性模量減小，泊松比增大。

從影響機制來看，溫度對砂巖力學性質的影響表現在：孔隙度變化、微結構變化、水分的脫出等三方面。

3.2.1 孔隙度變化

溫度對砂巖力學性質的影響依賴于礦物顆粒的漲縮效應。溫度升高，熱膨脹系數較高的礦物受到擠壓，熱膨脹系數較低的礦物拉張，顆粒相互作用產生熱應力。隨著溫度升高，在達到熱開裂溫度之前，熱應力低于礦物強度極限，熱膨脹效應可導致砂巖孔隙度降低，原生微裂縫閉合。

PALCIAUSKAS認為[26]，假設溫度升高，砂巖不發生排水，同時考慮到孔隙流體的作用，砂巖孔隙度對溫度的微分可表示如下式：

(1)

式中：φ為變溫后的孔隙度，無量綱；T為溫度，℃；αb為巖體線膨脹系數，℃-1；αs為骨架線膨脹系數，℃-1；αb與αs可根據實驗測得。

對公式(1)積分得：

exp[-(αb-αs)(T1-T0)]

(2)

式中:φ0為初始孔隙度，無量綱；T0為初始溫度，℃；

圖6 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖光學顯微鏡及掃描電鏡照片Fig.6 Optical microscope and SEM photos of Funing Formation sandstones, Jinhu Sag, Subei Basin

圖7 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖力學參數與礦物含量關系Fig.7 Scatter diagrams of relationship between sandstone mechanical parameters and mineral contents, Jinhu Sag, Subei Basin

圖8 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖力學參數與溫度關系Fig.8 Scatter diagrams of relationship between mechanical parameters of sandstones and temperatures of Funing Formation, Jinhu Sag, Subei Basin

T1為變溫后的溫度，℃。公式(2)說明溫度升高，孔隙度的增減取決于αb與αs的關系。若αb<αs，巖石孔隙度減小；反之，則巖石孔隙度增大。

3.2.2 微結構變化

當溫度升至熱開裂閾值，砂巖中局部熱應力達到礦物強度極限，礦物顆粒內或邊緣產生微裂縫，砂巖微結構變化。張淵等測得細砂巖熱開裂溫度為120～150 ℃[27]；左建平等測得細粉砂巖熱開裂溫度在137 ～150 ℃[28]。此外，還有實驗表明，溫度升至100 ℃時，砂巖中原生微裂縫即可發生擴展[29]。因此，砂巖熱開裂溫度并非定值，其范圍與礦物成分的熱力學性質有關。

3.2.3 水分的脫出

砂巖中賦存水包括吸附水、層間水和結構水。吸附水賦存于礦物顆粒表面和微裂隙中，不參與晶格結構，結合力最弱，在100 ℃左右即可脫出；層間水以水合離子形式賦存于層狀硅酸鹽礦物晶格間，結合力中等，脫出溫度約200 ℃；結構水以離子形式存在于晶格內部，結合力強，從晶格中脫出溫度高達400～800 ℃，脫水過程會導致礦物結構與成分的改變[30]。隨溫度升高，水分脫出使得砂巖硬化，巖石強度和剛度增大。

綜上所述，溫度在25～100 ℃，礦物的漲縮效應和吸附水脫出占主導，隨溫度升高，礦物顆粒、膠結物的膨脹效應引起顆粒相互擠壓，孔隙體積縮小，原生微裂隙閉合；同時，砂巖中吸附水脫出量增加，吸附水膜具有潤滑作用，水分脫出會增大顆粒間摩擦力，砂巖抗剪強度提高。因此，砂巖變得致密，強度和剛度增加。溫度在100～180 ℃，熱開裂作用占據主導，隨溫度升高，熱應力可引起原生微裂縫擴展，當達到砂巖熱開裂溫度，新的微裂縫開始發育，砂巖強度和剛度降低，抗變形能力減弱。

3.3 孔隙流體

據表3和圖9，飽和NaHCO3鹽水砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量低于飽和煤油砂巖；隨油水比例降低，砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量均表現為降低。油水比例由100%/0變為0/100 %，力學參數擬合指數函數斜率趨于減小，說明抗壓強度、彈性模量的變化幅度減小。綜上所述，NaHCO3鹽水對砂巖的弱化作用強于煤油；隨油水比例降低，油水比例變化對砂巖力學性質的影響減弱。

圖9 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組 砂巖力學參數與油水比例關系散點Fig.9 Scatter diagrams of relationship between mechanical parameters of sandstones and oil-water ratios of Fuing Formation, Jinhu Sag, Subei Basin

砂巖中孔隙流體對巖石力學性質的影響歸結為三方面[2]：孔隙流體壓力作用、部分飽和作用、化學作用。

3.3.1 孔隙流體壓力作用

在孔隙流體作用下，巖石力學性質受有效應力控制。當孔隙流體壓力增大時，有效應力減小，巖石強度降低；反之，有效應力增大，巖石強度升高。天然砂巖儲層均存在微裂隙，受吳堡、三垛及新構造運動影響，阜寧組發育3期微裂隙[31]。據斷裂力學理論[23]，流體作用下裂紋包含：Ⅰ.張開型；Ⅱ.滑開型。兩類裂紋尖端應力分別為KⅠ和KⅡ[32]：

(3)

(4)

式中，a為假設裂縫長度的一半，無量綱；σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；α為剪裂角，(°)；f為摩擦系數，無量綱；pf為孔隙流體壓力，MPa；c為內聚力，MPa。考慮壓剪聯合作用，KⅠ、KⅡ復合型裂紋尖端應力為[32]：

λ12KⅠ+KⅡ=KⅡc

(5)

式中:λ12為壓剪系數，無量綱；KⅡc為壓縮狀態下的剪切斷裂韌度，MPa。將公式(3)和(4)代入公式(5)可得裂紋初裂強度為[32]：

(6)

由公式(6)可知，巖石初裂強度與孔隙流體壓力的關系取決于壓剪系數與摩擦系數的關系，當λ12

3.3.2 部分飽和作用

部分飽和作用發生在孔隙中存在至少兩相流體時，潤濕性流體與砂巖顆粒接觸，而非潤濕性流體與砂巖顆粒隔離，故而產生兩相毛細管流體壓力差。毛細管壓力大小取決于流體類型、砂巖顆粒表面條件和流體接觸位置孔隙大小[2]。潤濕性流體趨向于填滿最小的孔隙，所以當潤濕性流體飽和度增大時，不同流體相的接觸界面會向更大的孔隙移動。對于孔滲性好的砂巖儲層，毛細管力低，部分飽和作用影響較小；對于低孔低滲儲層，毛細管力高，部分飽和作用的影響顯著。

3.3.3 化學作用

除上述物理作用外，流體對巖石的化學作用也是不可忽略的[17]。在地質時期，砂巖中成礦物質與孔隙流體建立了化學平衡。但在油氣田開發中，受各種人工措施(如注水、壓裂、酸化)干擾，原有化學平衡失穩，可能的化學作用包括黏土礦物溶脹、長石碎屑、碳酸鹽膠結物的溶蝕等。這些化學作用通過改變砂巖顆粒的表面能、膠結物的大小及形態，或局部增大壓力梯度，進而降低砂巖強度。

3.4 圍壓

三軸壓縮實驗結果顯示，隨著圍壓增大，阜寧組砂巖的抗壓強度、彈性模量、泊松比都表現出增大趨勢(表4，圖10)。據Yang 1井、Gao 6井的應力應變曲線，軸向應力達到峰值前，隨著圍壓增大，破裂峰值應力增加，抗壓強度增大(圖10a-b)。當圍壓達到30 MPa時，應力—應變曲線斜率變緩，砂巖由脆性向延性轉化。

由于圍壓的“阻擋”作用，巖石中聚集的應力不僅要克服分子間作用力，還要克服圍壓做功才能引起巖石破裂。圍壓增大，垂直于微裂縫的正應力增大，微裂縫面上的摩擦力增加，巖石發生破裂所需的剪應力增大。當圍壓增加1倍時，巖石破裂所需的最大正應力可增大數倍[33]。從微觀角度考慮，圍壓的增大使得砂巖孔隙縮小、微裂隙閉合，礦物顆粒排列更緊密，故而砂巖的強度和剛度增大。

4 對油田開發的啟示

4.1 巖性變化

長期注水后，膨脹性黏土礦物在水流的剪切作用下，片狀晶體格架易發生破壞，破損的微小顆粒變為游離態，隨油水被沖出，砂巖中碎屑顆粒排列松散，點接觸比例增大，膠結物粘結力變弱，砂巖強度降低。在注水條件、砂巖結構、孔滲性相同的情況下，膨脹性強的黏土礦物含量越高，砂巖強度降低越顯著。酸化可溶蝕方解石、白云石、鐵方解石等碳酸鹽膠結物，還會溶蝕部分石英、長石及黏土礦物，溶蝕礦物種類與酸類型有關。在酸化條件相同的情況下，砂巖中碳酸鹽膠結物含量越高，酸化效果越好，砂巖強度降低越多。在實施注水和酸化措施前，須充分考慮開發層位的黏土礦物類型、膠結物成分及含量，以降低產層出砂和井壁失穩風險。

圖10 蘇北盆地金湖凹陷阜寧組砂巖不同圍壓下的應力應變曲線、彈性模量及泊松比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 地層溫度變化

注水溫差可導致熱應力，當注水溫度高于地層溫度時，砂巖發生熱膨脹；反之，發生熱收縮。金湖凹陷常規注水開采用的水溫低于地層溫度，隨溫度降低，礦物顆粒收縮，孔隙度增加，砂巖強度降低。不考慮其他地層因素干擾，據不同溫度的單軸壓縮實驗結果(圖5)，對于埋深較深、溫度高于臨界溫度的儲層，隨地層溫度降低，砂巖強度升高；反之，隨地層溫度降低，砂巖強度降低。據江蘇油田實測井溫，持續注水的情況下，平均年地層溫度降低小于1 ℃，這對砂巖力學性質的影響可以忽略。但在特高含水期，個別高吸水量層位溫度降幅可達十幾度，砂巖力學性質可能發生較大變化，在出砂預測和井壁穩定性分析時須引起警惕。

4.3 油水比例變化

金湖凹陷阜寧組開發初期油水比例一般在80%/20%～60%/40%，隨著注水開發油水比例不斷降低，在高含水期，強水淹層油水比例可達10%/90%以上。據不同油水比例的單軸壓縮實驗結果(表3)，油水比例由100 %/0變為0/100%，砂巖抗壓強度降低了38%，彈性模量降低了49%，泊松比升高了41%。由于注水開發過程中對于初始含油飽和度高的砂巖儲層，長期注水會引起油水比例的大幅變化，砂巖強度、彈性模量顯著降低。值得注意的是，金湖凹陷阜寧組油藏以斷塊、斷鼻油藏為主，大量開發井鉆遇斷層，油水比例變化可引起井壁應力狀態變化，可能誘發小型斷層活動，個別油田連片的井壁坍塌問題可能與此有關。

5 結論

(1)巖性是影響砂巖力學性質的決定性因素。實驗結果表明，細砂巖單軸抗壓強度、彈性模量整體高于粉砂巖，但泊松比低于粉砂巖；砂巖力學性質與石英含量相關性最好，與黏土礦物含量、碳酸鹽膠結物相關性中等。

(2)溫度對砂巖力學性質的影響具有分段性，25～100 ℃，主導機制為礦物漲縮效應和層間水脫出，砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量增大，泊松比減小；100～180 ℃，主導機制為熱開裂作用，砂巖單軸抗壓強度、彈性模量減小，泊松比增大。

(3)飽和NaHCO3鹽水對砂巖的弱化作用強于飽和煤油。隨著油水比例降低，砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量降低。砂巖強度的弱化程度與孔隙流體壓力、部分飽和作用以及化學作用有關。

(4)圍壓是造成相同巖性砂巖力學參數差異大的重要原因。圍壓與砂巖強度正相關，隨圍壓增大，砂巖抗壓強度、彈性模量、泊松比均呈增大趨勢。

(5)油田開發人工措施可引起砂巖儲層巖性、地層溫度、油水比例變化，進而導致砂巖力學性質顯著改變，在出砂預測和井壁穩定性分析中應引起重視。

致謝：感謝審稿專家給本文提出的寶貴建議，感謝中國石化江蘇油田的領導和專家在研究中給予的幫助。