閆新江，李孟龍，范白濤，于繼飛，侯澤寧，袁巖光

1.中海油研究總院（北京 100028）

2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100028）

3.微能地質(zhì)科學(xué)工程技術(shù)有限公司（四川 成都 610065）

疏松砂巖注水量大，注入水固相含量超標(biāo)、地層微粒運(yùn)移會(huì)污染儲(chǔ)層，造成注入能力下降。酸化是解除注水井污染的常規(guī)技術(shù)，但隨著酸化作業(yè)的增多，酸化有效期會(huì)逐漸變短，作業(yè)成本增高。針對(duì)這些不利局面，急需找到一種對(duì)地層無污染，延長(zhǎng)注水有效期的增注方式。對(duì)疏松砂巖進(jìn)行擴(kuò)容解堵，改變巖石孔滲結(jié)構(gòu)形成微裂縫，可以提高巖石注入能力[1-3]。本文對(duì)渤海油田東營(yíng)組砂巖儲(chǔ)層巖石進(jìn)行循環(huán)加載三軸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了東營(yíng)組砂巖在低圍壓下的巖石力學(xué)性質(zhì)、變形參數(shù)及擴(kuò)容性能，得到了東營(yíng)組砂巖的Drucker-Prager模型塑性參數(shù)，為注水井?dāng)U容解堵施工設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 巖石變形能力實(shí)驗(yàn)

砂巖的變形隨著有效應(yīng)力變化而變化，在巖石力學(xué)中通常稱之為非線性彈性變形關(guān)系。Duncan等人第一次提出了關(guān)于砂巖的非線性彈性模型，本文采用孔隙介質(zhì)非線性對(duì)數(shù)體積彈性模量表征材料隨著其有效應(yīng)力狀態(tài)的變化，砂巖的體積彈性模量正比于平均有效主應(yīng)力的對(duì)數(shù)[4]。

式中：Jel為彈性體積變形；K為砂巖的對(duì)數(shù)體積彈性模量；e為孔隙率；e0為砂巖的初始孔隙率；p0為砂巖的初始平均主應(yīng)力，MPa；p為當(dāng)前狀態(tài)的平均主應(yīng)力，MPa；pelt為抗拉強(qiáng)度，MPa；φ為孔隙度。

通過循環(huán)圍壓荷載實(shí)驗(yàn)，施加初始軸向應(yīng)力和圍壓，通過提高軸向應(yīng)力改變差應(yīng)力，測(cè)定體積應(yīng)變及孔隙率的變化。以差應(yīng)力為橫軸，孔隙率變化為縱軸繪圖，樣品實(shí)驗(yàn)曲線見圖1。選取加載實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定階段計(jì)算巖石對(duì)數(shù)體積彈性模量（圖1曲線中紅色部分），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：初始軸向應(yīng)力1 MPa，初始孔隙率0.314，最大軸向應(yīng)力5 MPa，對(duì)數(shù)體積彈性模量0.005 5。

圖1 循環(huán)圍壓荷載實(shí)驗(yàn)曲線

高有效應(yīng)力狀態(tài)將引起砂巖低的變形能力，表現(xiàn)為較高的彈性模量；低有效應(yīng)力狀態(tài)下，砂巖將表現(xiàn)為容易變形，彈性模量較低。油砂埋藏淺，擴(kuò)容能力強(qiáng)，擴(kuò)容技術(shù)在加拿大油砂和新疆油田油砂已成功應(yīng)用，擴(kuò)容效果顯著。加拿大油砂對(duì)數(shù)體積彈性模量0.009，新疆油田油砂對(duì)數(shù)體積彈性模量0.003，科威特油砂對(duì)數(shù)體積彈性模量為0.012[5-6]。渤海油田疏松砂巖對(duì)數(shù)體積彈性模量居于加拿大油砂和新疆油田油砂之間，說明具備擴(kuò)容變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 巖石剪脹力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

巖石在剪應(yīng)力條件下的擴(kuò)容能力通常用剪脹角來衡量[7]，剪脹角的定義為：剪切變形中體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變的比值，即應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線在巖石發(fā)生屈服后的斜率即為巖石剪脹角。

本文采用Drucker-Prager模型描述疏松砂巖的彈塑性變形,拋物線型Drucker-Prager塑性模型的屈服準(zhǔn)則[8-9]為：

式中：F為屈服應(yīng)力，MPa；p為平均有效主應(yīng)力，MPa；q為偏應(yīng)力，MPa；pt為抗拉強(qiáng)度，MPa；β為Drucker-Prager準(zhǔn)則的摩擦角，（°）；d0為初始黏聚力，MPa ；d為Drucker-Prager準(zhǔn)則的黏聚力，MPa；εV為體積應(yīng)變；ε1為軸向應(yīng)變，β為剪脹角，（°）；α為剪脹角，（°）。

通過在不同圍壓下的三軸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了東營(yíng)組砂巖在低圍壓下的剪脹角，結(jié)果見表1。根據(jù)公式（4）計(jì)算得到渤海油田東營(yíng)組砂巖的Drucker-Prager塑性模型參數(shù)pt=0.1 MPa；d=2.17 MPa；β=58°。

表1 巖石剪脹力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

疏松砂巖擴(kuò)容的發(fā)生，首先是砂礫之間的排列，由于巖石顆粒所受的剪應(yīng)力超過摩擦強(qiáng)度，從致密排列形式轉(zhuǎn)變到疏松形式。東營(yíng)組砂巖的巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)表明，疏松砂巖在低有效應(yīng)力下可以產(chǎn)生較強(qiáng)的擴(kuò)容能力。因此，高壓注水提高孔壓，降低有效應(yīng)力，有利于發(fā)生較大的擴(kuò)容。

3 擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)

通過水力擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)研究不同注入方案對(duì)擴(kuò)容區(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)巖心樣品采用直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形樣品，柱塞泵對(duì)巖心樣品施加圍壓，注入泵在給定的流體壓力或流量條件進(jìn)行擴(kuò)容注入，流體在實(shí)驗(yàn)臺(tái)下部出口流出（圖2），擴(kuò)容區(qū)的形成與擴(kuò)展通過CT掃描成像獲得，并3D成像量化微裂縫。

圖2 擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)示意圖

擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的地應(yīng)力和水力注入條件下可以形成效果迥異的水力改造結(jié)果。樣品B1施加18 MPa的高圍壓，并施加較大的差應(yīng)力10 MPa，采用了恒流量(2.5 mL/min)注水，CT掃描結(jié)果顯示樣品B1形成了比較明顯的宏觀張裂縫，見圖3。使用3D成像量化計(jì)算得到樣品B1裂縫的比表面積，其平均裂縫密度是0.017 m2/m3。

圖3 樣品B1宏觀張裂縫3D成像圖

樣品B2施加5 MPa低圍壓，差應(yīng)力為5 MPa，實(shí)驗(yàn)CT結(jié)果表明樣品形成比較復(fù)雜微裂紋網(wǎng)，見圖4。使用3D處理得到裂縫密度為0.055 m2/m3，是樣品B1的3.2倍，擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)后巖石滲透率大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)解除污染的目的。

圖4 樣品B2微裂紋網(wǎng)3D成像圖

為模擬注入壓力對(duì)疏松砂巖擴(kuò)容效果的差異，給巖心施加圍壓和剪應(yīng)力模擬巖心的地層狀態(tài)，分析注入壓力與最小主應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在圍壓15 MPa條件下，保持差應(yīng)力15 MPa恒定，樣品B3以注入壓力14.5 MPa持續(xù)注入2 h后進(jìn)行裂縫形態(tài)CT掃描。發(fā)現(xiàn)樣品B3形成了高孔隙度的復(fù)雜縫網(wǎng)區(qū)，見圖5（a）。樣品B4在圍壓、差應(yīng)力不變的條件下，以注入壓力18 MPa、20 MPa條件下各注入1 h，對(duì)實(shí)驗(yàn)后樣品進(jìn)行CT掃描，發(fā)現(xiàn)樣品B4形成了多條主裂縫，見圖5(b)。擴(kuò)容注水未添加支撐劑，宏觀主裂縫在壓力卸載后會(huì)閉合，無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容解堵的目的。在現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)容作業(yè)施工時(shí)，注入壓力應(yīng)低于或接近最小主應(yīng)力的條件下，更有利于復(fù)雜縫網(wǎng)區(qū)的發(fā)育。

圖5 不同注入條件下巖石擴(kuò)容效果對(duì)比

根據(jù)油砂的開采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)處理可以提高擴(kuò)容效果，為驗(yàn)證井筒預(yù)處理對(duì)疏松砂巖注水?dāng)U容的作用效果，開展了砂巖擴(kuò)容預(yù)處理效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。通過給巖心施加圍壓和剪應(yīng)力模擬巖心的地層狀態(tài)，在低孔壓條件下進(jìn)行小排量注入，緩慢提升巖石孔隙壓力。預(yù)處理結(jié)束后以1 mL/min的速率進(jìn)行恒定注水?dāng)U容實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品進(jìn)行CT掃描。發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后的樣品形成了高滲透的擴(kuò)容區(qū)，3D成像處理得到的平均裂縫密度是0.062 m2/m3，具有較高的滲流能力。分析認(rèn)為：預(yù)處理提高了井周地層的孔隙壓力，改變了井周巖石的微觀結(jié)構(gòu)，降低井周巖石的抗張強(qiáng)度，應(yīng)力預(yù)處理有利于降低擴(kuò)容區(qū)的起裂壓力。

4 結(jié)論

1）渤海油田東營(yíng)組砂巖儲(chǔ)層巖石對(duì)數(shù)體積彈性模量平均為0.005 5、巖石黏聚力2.17 MPa，具備擴(kuò)容變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）東營(yíng)組砂巖三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)表明，疏松砂巖在低有效應(yīng)力下產(chǎn)生較強(qiáng)的擴(kuò)容變形。通過高壓注水降低有效應(yīng)力，有利于形成較大的擴(kuò)容變形。

3）通過控制注水條件，可以得到不同的水力改造結(jié)果，形成宏觀張裂縫或復(fù)雜的微裂紋網(wǎng)。

4）現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)容作業(yè)施工時(shí)，注入壓力低于或接近最小主應(yīng)力的條件下，更有利于復(fù)雜縫網(wǎng)區(qū)的發(fā)育，應(yīng)力預(yù)處理有利于降低擴(kuò)容區(qū)的起裂壓力。