油田開發中儲層巖石重復強沖擊致裂效應模擬實驗研究

2021-10-22 03:24:58丁乾申

天津科技 2021年10期

丁乾申

(中海石油(中國)有限公司天津分公司天津300459)

0 引言

油氣開采過程中，單次沖擊并不能形成良好的油氣流通道[1]。重復沖擊是在一定加載速率下對巖石進行連續沖擊，對巖石損傷不斷積累。目前相關實驗基于干燥巖石[2]進行，對飽和巖石多以靜態、準靜方式考慮孔隙壓力對巖石強度的弱化，而流體侵入對巖石裂縫形態影響方面的理論研究還較少[3]。對于油氣開采而言，油井后期的增產措施會改變巖石的受力情況進而使滲透率較原來有所變化[4]。巖石通常處于復雜的應力狀態下，有的部位會處于壓縮狀態下，有的部位會處于重復加卸載狀態下，而巖石不同狀態條件下滲透率的變化會對油井提高采油率產生影響。因此有必要研究加卸載重復沖擊作用對巖石的破壞規律。

1 模擬實驗介紹

本研究采用的實驗裝置為巖石動態沖擊損傷裝置，該模擬實驗裝置主要包括動力沖擊、巖心夾持裝置、泵壓動力、控制與測量、輔助裝置5個部分。對巖心鉆孔來模擬井眼，中心孔內充滿液體模擬井底壓力，整體內部巖心處于擬三維狀態。在實施重物自由落體沖擊后，模擬巖心中的液體受到壓縮產生壓力，壓力變化由傳感器采集。實驗方案如表1所示。

表1 實驗方案總覽表Tab.1 Summary table of experimental schemes

2 巖石動態沖擊破壞實驗及其結果

2.1 巖樣制作

參考天然疏松砂巖巖心礦物含量、粒度組成及其物性參數，定量、定粒徑稱取所需的礦物原料并充分混合均勻、裝入到巖心壓制裝置中，在 25～80MPa壓力下運用液壓系統持續加壓，取出巖心烘干。

2.2 實驗結果

2.2.1 飽和未封隔

對于飽和未封隔巖樣分別進行 3、4、10次沖擊，圖 1展示了重復沖擊后的壓力峰值和巖樣的破壞形態。可見產生的裂縫形態為從模擬井眼開始延伸的貫穿性裂縫，縫寬較小，最多產生了3條裂縫。

圖1 飽和未封隔巖心沖擊破壞實驗結果Fig.1 Experimental results of impact failure of saturated unpacked core

沖擊重復 3次后巖石的壓力峰值為 48.6MPa，產生 0條裂縫；重復 4次后巖石的壓力峰值為51.3MPa，產生2條裂縫；重復10次后巖石的壓力峰值為58.5MPa，產生3條裂縫。在未封隔模擬井眼的情況下巖石受到流體和沖擊波的雙重作用，進而易形成貫穿性裂縫，裂縫的延展方向不易發生轉折。

上述實驗數據表明，重復沖擊對于飽和未封隔的模擬巖心重復次數越多則峰值強度越大，并且巖石產生的貫穿裂縫的條數增加，而在重復次數達到一定數值后不再增加，這是裂縫產生后對模擬井眼中的壓力進行泄壓的作用導致。

2.2.2 飽和封隔

對于飽和封隔巖樣分別進行 3、4、10次沖擊，圖 2展示了重復沖擊后的壓力峰值和巖樣的破壞形態。產生的裂縫形態為環狀裂縫，在巖樣中部破碎。

圖2 飽和封隔巖心沖擊破壞實驗結果Fig.2 Experimental results of impact failure of saturated packed core

沖擊重復 3次后巖石的壓力峰值為 52.5MPa，產生 1條裂縫；重復 4次后巖石的壓力峰值為58.2MPa，產生2條裂縫；重復10次后巖石的壓力峰值為64.3MPa，產生2條裂縫。在封隔模擬井眼的情況下巖石受到單一沖擊波的作用。進而導致容易形成環狀的裂縫，裂縫主要發生在邊緣地帶，并且裂縫的縫寬較大。

由以上實驗結果表明，重復沖擊對于飽和封隔的模擬巖心重復次數越多則峰值強度越大，并且巖石產生的環狀裂縫的條數在增加。

3 分析與討論

3.1 流體對破壞的影響

巖石的破壞是一個連續的過程，大致可以分為4個階段[5]。在整個過程中會經歷微裂紋的形成、擴展、連通，直至表現為宏觀裂縫產生，對于水壓致裂巖石模型，普遍認為是微裂縫的周向拉伸應力等于巖石的整體抗拉強度時，巖石開始起裂，巖石受到宏觀上的破壞，針對這種理論且結合本文的實驗環節，認為巖石微裂縫中的周向拉伸力來源于巖石中心孔內水施加的中孔內壓產生的軸向拉應力、外部圍壓產生的周向上的拉伸力、微裂縫內部充斥一定水后液壓產生的周向拉伸力。

3.2 重復加載對滲透率的影響

如圖 3所示，模擬巖石軸向加載同樣分 3個階段：壓密階段，線彈性階段，塑性階段。5塊巖石的應力應變曲線都符合 3個階段趨勢。模擬砂巖的壓密階段與線彈性階段臨界點是 2.5MPa，線彈性階段與塑性階段的臨界點是7.6MPa，抗壓強度為8.6MPa。

圖3 模擬砂巖應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of simulated sandstone

壓密階段應力應變關系曲線呈下凸型、曲線上彎，斜率逐漸增大。但由于多次加載，每一次加載對巖石內部都有一定程度的微小損傷，隨著加載次數的增加，巖石內部損傷積累，部分應力應變關系曲線不與上一次加載的應力應變曲線完全重合，有一定的微小差別。

模擬砂巖軸向加載到線彈性階段，應力為7.6MPa，進行此階段重復加載，由于巖石顆粒骨架的彈性關系，應力應變呈線性關系，每一次卸載彈性能大部分恢復原狀，應力應變關系曲線基本重合。

模擬砂巖的抗壓強度為 8.6MPa，每一條應力應變關系曲線重合度不高，特別是前幾次加載的應力應變曲線與其他的應力應變曲線差別較大。根據石飛[6]研究可知，巖石在開始幾次軸向加載變形后模量大于后面的循環加載，卸載過程曲線斜率比加載過程曲線斜率大。在前幾次的軸向加載中，巖石還是會表現之前階段的性質，隨著加載次數的增加，載荷對巖石內部微小損傷的累加，更加類似于線彈性的應力應變關系。本次實驗中模擬砂巖塑性階段的重復加載，曲線在后面幾次加載更加重合。

如圖 4所示，常規砂巖的原始滲透率為27.623mD，在壓密階段，應力的增加導致應變的增加，滲透率隨應變的增加在壓密階段以一定速率降低，在模擬砂巖壓密階段滲透率的變化中，滲透率降低速率沒有太明顯的變化，都是以一個較低的速率降低，到達第一臨界點對應的應變降至最低值25.427mD；在線彈性階段，滲透率從25.427mD以較慢速率增長到 25.739mD，直至線彈性階段與塑性階段的臨界點之前，滲透率都以一個較慢的速率增長；在塑性階段，隨著應力與應變的增加，滲透率以一個較快的速率最終上升到 30.987mD，滲透率隨應變的增加上升的速率比在壓密階段滲透率下降的速率快，常規砂巖最終的滲透率為 30.987mD，比實驗模擬砂巖巖心原始的滲透率3.461mD大。