评价盖层有效性的岩石力学实验研究

李双建，周 雁，孙冬胜

(中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083)

评价盖层有效性的岩石力学实验研究

李双建，周 雁，孙冬胜

(中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083)

通过三轴压缩实验模拟地层埋藏过程中盖层韧脆性转变，通过三轴卸载实验模拟地层抬升过程中泥岩破裂过程。通过70个样品的三轴压缩测试实验，拟合出硬石膏、泥岩和泥灰岩3种岩性盖层由脆性向韧性转变的临界围压分别为68.5,81.35和92.35 MPa，折合埋深分别为4 029,4 782和5 429 m。通过对泥岩盖层的卸压实验拟合出盖层的破裂围压与主压应力的数学回归方程：y=2.929 6x+134.28(R2=0.83)。该研究结果除了进一步证实泥岩在一定埋深下仍具有良好的塑性和封闭性能以外，还提供了研究盖层韧脆性转化和抬升过程中破裂边界的定量评价参数，为定量研究盖层有效性提供了基础。

三轴压缩实验；三轴卸载实验；脆韧性转变；封闭性；盖层

盖层的好坏直接影响油气在储集层中的聚集和保存，特别是在多旋回构造演化盆地中，油气藏经历多期构造调整，地层褶皱变形强烈，对保存条件要求高，所以在这些地区具有良好流动性的蒸发岩是最为常见的一类盖层，蒸发岩盖层的矿物组成和排列决定了它具有高的油气封闭能力[1-6]。但是勘探实践证明并不是所有的膏岩都具有流动性，例如川东南丁山1井中寒武统膏岩埋深2 700 m，累计厚度16 m，从钻井取心和测、录井资料上看，该井膏岩没有发生塑性流动，被齐岳山断裂错开，失去了封闭性。一般认为，泥岩盖层在中成岩B期的封闭性能最强，随着成岩作用的加深，其脆性增强，封闭性能降低[7-8]。但是，基于一些高演化泥岩盖层仍然可以成为天然气气藏有效盖层的事实，有人对泥质岩盖层封盖性能随成岩演化变化趋势提出置疑[9-10]。如威远地区震旦系气藏的直接盖层为寒武系高演化泥岩，其成岩阶段已经达到了晚成岩阶段，泥岩的Ro普遍在3.0%以上，但仍能有效封闭震旦系气藏。

由此可见，对于膏岩盖层和高演化泥岩盖层的封闭性好坏，不能一概而论。无论何种类型的盖层，伴随着褶皱和构造抬升的断裂切割与微裂隙渗漏是造成其有效性变差的主要因素，评价和界定盖层脆—韧性转变和微裂缝集中产生的地质条件是评价盖层有效性的关键问题。为此，本文设计了模拟地层条件下盖层埋藏和抬升过程中，变围压条件下，盖层的三轴应力—应变实验，以此达到界定不同岩性的盖层脆—韧性转变和微裂缝产生边界条件的目的。

1 岩石力学实验

岩石三轴应力—应变实验可以获取相应于岩体不同围压(或深度)的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比以及内聚力C 和摩擦角等数据，这些物理参数可用于评价岩石在各种力场作用下变形与破坏规律。目前三轴应力实验主要应用在地质工程领域[11-16]，在石油工程领域主要用于评价钻井风险、致密储层压裂和裂缝型油气藏开发等方面[17-22]，用于油气勘探过程中的盖层评价研究比较少[23]。国外学者很早就注意到油气盖层的渗漏与其岩石力学性质有密切关系，开展了很多不同类型的岩石力学实验，利用其评价盖层的完整性，并应用不同的力学参数定义了泥岩的脆性。但是，由于采用的力学参数不一致，导致脆性的表达方式不一[24-28]，造成研究过程中难以取得统一的评价标准。油气盖层在埋藏和抬升过程中，均会产生脆性变化和微裂缝，关于这方面的实验研究比较少。

2 盖层三轴压缩实验

2.1实验原理

盖层三轴压缩实验模拟地层埋藏过程中盖层脆—韧性转变的地质过程。理论上随着围压的增大，岩石有从脆性向塑性转变的趋势(图1)，当岩石变为塑性时极限强度和残余强度趋于相同。应用这一原理，通过实验模拟建立围压与极限强度和残余强度之差的数学回归方程，利用这一方程求解出极限强度和残余强度相同时的围压，即为盖层岩石由脆性向韧性转化的边界围压，利用围压与深度的数学关系，可以评估岩石在实际地层条件下是否处于塑性变形阶段，以此评价盖层的优劣。

图1 围压增加时岩石应力—应变曲线典型变化趋势

2.2实验过程

2.2.1 制样

依据《工程岩体试验方法标准GB/T 50266-99》，将钻井岩心加工成试件。试件为圆柱体，直径约为25 mm，试件高度与直径之比在2.0～2.5之间，试件两端平面不平整度小于0.05 mm，沿试件高度直径的误差小于0.3 mm，端面垂直于试件轴线最大偏差小于0.25°。

2.2.2 实验

本实验利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，主机采用美国MTS三轴主机结构，刚度大于10 GN/m，轴压2 000 kN，围压100 MPa，孔隙水压60 MPa，温度0～200 ℃，试件直径25～100 mm，最小采样时间间隔为1 ms。该机可进行单轴、三轴应力应变全过程试验，恒速、变速、循环加卸载及多种波形控制实验，采用引申计测量试件的轴向和径向变形，力传感动态测量轴向力。在三轴压缩试验中对试件进行不同围压下的三轴压缩试验，选定围压，围压范围一般为0～100 MPa，加大轴压直至岩石破坏，加载速度设定为0.01 mm/min，微机实时记录岩石应力应变曲线。

2.3实验结果

实验选取了硬石膏、高演化泥岩和泥灰岩3种常见岩性的油气盖层，进行了三轴压缩实验。其中硬石膏盖层部分样品来自川东北河坝1井下三叠统嘉陵江组，经全岩X-衍射分析，样品的硬石膏含量为99.6%，另外一部分样品的三轴压缩实验数据引自黄英华[29]。高演化泥岩样品取自四川盆地川东南丁山1井下寒武统和鄂尔多斯盆地富古7井奥陶系，这些样品的Ro值均大于2.0%。泥灰岩样品取自四川盆地普光5井和毛坝3井的二叠系。

通过对21个硬石膏样品不同围压下应力—应变曲线的分析，获得了不同围压下样品峰值强度、残余强度和峰值强度与残余强度差值等实验数据(表1)。由表1和图2可以看出，硬石膏的峰值强度(σp)和残余强度(σr)与围压(σc)具有明显的正相关关系，随着围压的增大，硬石膏的峰值强度和残余强度均增大，而且残余强度的增加幅度要比峰值强度大，当硬石膏岩石的峰值强度与残余强度接近相等时岩石由脆性向韧性转变。所以，通过计算围压与峰值强度和残余强度之间的数学关系，可以获得岩石的脆延转变临界围压。通过硬石膏峰值强度与残余强度之差(σp-σr)和围压(σc)的线性回归分析(图3)， 可得回归关系为：

表1 硬石膏盖层三轴压缩实验参数

图2 硬石膏峰值强度、残余强度与围压关系

图3 硬石膏围压与极限强度和残余强度之差的关系

σp-σr=60.143-0.877 7σc，相关系数R=0.727 4

当峰值强度与残余强度之差为零时，硬石膏完全由脆性向韧性转化，此时的围压即为临界转化围压，根据峰值强度与残余强度之差(σp-σr)和围压(σc)的数学回归关系，计算得到石膏由脆性转化为韧性的临界围压为68.5 MPa。

利用同样的方法获得了12个高演化泥岩和17个泥灰岩盖层样品的三轴压缩实验参数(表2,3)。通过对这些样品的峰值强度、残余强度以及峰值强度与残余强度差值与围压的关系分析(图4,5)，得出了高演化泥岩和泥灰岩峰值强度与残余强度之差(σp-σr)和围压(σc)的回归关系分别为：

σp-σr=96.498-1.186 4σc,相关系数R=0.479 6

σp-σr=98.94-1.071σc,相关系数R=0.565 2

通过计算得出高演化泥岩和泥灰岩由脆性向韧性转变的界限围压分别为81.3 MPa和92.3 MPa。

表2 高演化泥岩盖层三轴压缩实验参数

表3 泥灰岩盖层三轴压缩实验参数

图4 高演化泥岩围压与极限强度和残余强度之差的关系

图5 泥灰岩围压与极限强度和残余强度之差的关系

在地层条件下，岩石受到的水平挤压力往往大于垂向压力，尤其是在浅埋藏地区，水平压力会是垂向压力的数倍[30]，由此可见，在模拟地层条件下三轴压缩实验的围压应该与垂向压力相同。不考虑孔隙流体压力情况下，地层有效上覆压力值确定公式为：

pH=0.010 133(ρD-ρw)H[31]

式中，pH:地层上覆压力，MPa；ρD:岩样密度，g/cm3，取2.7 g/cm3；ρw:地层水密度，g/cm3，取10 g/cm3；H:取样深度，m。

由此可以计算出不同岩性盖层由脆性向韧性转化的临界深度。硬石膏的临界围压为68.5 MPa，折合临界深度为4 029 m；泥岩的临界围压为81.3 MPa，折合临界深度为4 782 m；泥灰岩的临界围压为92.3 MPa，折合临界深度为5 429 m。

3 三轴卸载实验

3.1实验原理

三轴卸载实验可以实现恒定轴压卸围压的应力应变过程，这与地层抬升过程岩石受力过程相似。理论上，同一岩石在同一水平应力场作用下，破裂的围压是恒定的，通过岩石卸载实验模拟不同应力场背景下岩石的破裂围压，建立破裂围压与主应力场的数学关系式，通过区域应力场恢复，可以明确区域盖层的有效埋深范围。

3.2实验过程

三轴卸载实验选取了塔里木盆地沙86井志留系高演化泥岩4个样品，实验过程中对三轴缸内的岩样依次增加轴压和围压，以免在加压过程中将岩样破坏，当轴向应力到达预定值(小于三轴抗压强度，但远大于岩样的单轴抗压强度)后，保持轴向位移不变，逐渐卸去围压使岩样破坏，卸载速率设定为0.1 MPa/s，典型的岩石三轴卸载曲线如图6。

3.3实验结果

泥岩盖层三轴卸载实验结果显示，岩石的破坏围压与轴压成正比例关系(表4,图7)，高轴压对应高破坏围压，预示着高水平地应力区，盖层有效埋深要深。该实验还获得了水平地应力与有效临界围压的数学回归方程：σ1=58.455+3.062 4σc(相关系数R=0.974 2)。将围压折合成地层埋深可以得到水平地应力与有效埋深的数学关系方程：σ1=134.28+0.050 5H。依据该方程可以求解出某一应力场背景下盖层不产生大规模破裂的最小埋深。

图6 岩石三轴卸载实验压力变化曲线

图7 岩石三轴卸载实验破坏围压与最大主应力关系

样品编号岩性密度/(g·cm-3)围压/MPa轴压/MPa破坏围压/MPaS865-10/46褐色泥岩2.6810159.276.838S865-13/46褐色泥岩2.7620163.2411.051S865-2/46褐色泥岩2.7130182.3420.843S865-7/46褐色泥岩2.784021623.982

4 结论

1)伴随着褶皱和构造抬升的断裂切割和微裂隙渗漏是盖层有效性变差的主要因素。盖层产生裂缝的条件受岩石的脆韧性、应力场大小、埋深和孔隙流体压力等因素影响。

2)盖层岩石的三轴压缩实验证实，所有岩性的盖层在低围压状态均表现为脆性，随着围压的增加岩石由脆性向韧性转变，不同岩性的盖层脆—韧性转变的围压，即地层埋深有所不同。硬石膏盖层由脆性转变为韧性的临界围压为68.5 MPa，折合临界深度为4 029 m；泥岩盖层由脆性转变为韧性的临界围压为81.3 MPa，折合临界深度为4 782 m；泥灰岩盖层由脆性转变为韧性的临界围压为92.3 MPa，折合临界深度为5 429 m。

3)盖层岩石的三轴卸载实验证实，在地层抬升过程中，在某一特定的应力场盖层会集中在某一深度产生破裂，水平应力值越大，盖层集中破裂的埋深越深。水平地应力与有效埋深的数学回归方程可以表示为：σ1=134.28+0.050 5H(相关系数R=0.832 7)。

4)盖层的岩石力学实验除了进一步证实认为高演化泥岩在一定埋深下仍具有良好的塑性和封闭性能以外，还提供了研究盖层韧脆性转化和抬升过程中破裂边界的定量评价参数，为定量研究盖层有效性提供了基础。

5)影响盖层封闭性的因素很多，完全仿真地层条件下盖层力学性质变化的实验测试也需要更为细致的工作，精确合理的定量评价公式还需要更多的实验数据支持。本文利用三轴压缩实验模拟地层埋深过程中不同岩性盖层脆韧性转化过程，利用三轴卸载实验模拟地层抬升过程中盖层集中产生破裂的地质过程，虽然在方法上为评价盖层有效性提供了一种可行的手段，但是实验取得的定量参数仍有待于进一步证实和完善。

致谢：感谢中国科学院地质与地球物理研究所李守定博士在实验设计和实验过程中的帮助和指导。

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(编辑黄 娟)

Rockmechanicexperimentstudyofevaluationoncaprockeffectiveness

Li Shuangjian, Zhou Yan, Sun Dongsheng

(SINOPECExploration&ProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

The brittle-ductile transition process is simulated through triaxial compression test, and the breaking process is simulated through triaxial unloading test in this paper. The brittle-ductile transition threshold limit confining pressure of gypsum, mudstone and marlstone are gotten by triaxial compression test of 70 samples. They are 68.5, 81.35 and 92.35 MPa, respectively, which amount to buried depth of 4 029, 4 782 and 5 429 m, respectively. The mathematical relation between break confining pressure and principal compressive pressure is gotten by triaxial unloading test. The mathematical formula isy=2.929 6x+134.28(R2=0.83). The study results not only prove that mudstone has plastic and sealing capability at certain buried depth, but also provide quantitative evaluation parameters of brittle-ductile transition and break limit condition of cap rock, which lay the foundation for quantitative evaluation on cap rock effectiveness.

triaxial compression test; triaxial unloading test; ductile-brittle transition; sealing; cap rock

1001-6112(2013)05-0574-05

10.11781/sysydz201305574

TE122.2+5

A

2012-12-07；

2013-07-22。

李双建(1978—)，男，高级工程师，从事石油地质勘探研究。E-mail: hawkingli@163.com。

国家科技重大专项项目(2011ZX05005-001)、国家重点基础研究发展计划“973计划”项目(2012CB412800)和国家自然科学基金委项目(40739904)联合资助。