济阳坳陷油页岩力学性能特征实验.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、;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
6、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
7、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
8、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
9、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
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