致密砂岩裂缝型油气藏岩心人工裂缝制备方法

战永平， 付春丽， 李松岩

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266555；2. 中国石油集团海洋工程有限公司，山东 青岛 266555)

致密砂岩裂缝型油气藏岩心人工裂缝制备方法

战永平1， 付春丽2， 李松岩1

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266555；2. 中国石油集团海洋工程有限公司，山东 青岛 266555)

岩心的人工造缝技术是模拟致密砂岩裂缝型油气藏储层特征有效方法。依据岩石裂缝形成发展趋势与岩石破坏机理相似特性，对岩心进行不同方式的破坏产生不同形式的裂缝，运用刀刃径向拉伸和径向共轭剪切破坏可制备出具有一条贯穿裂缝的岩心。运用轴向集中应力径向拉伸破坏，通过监测差应力的大小和方位，控制裂缝的扩展和裂缝网络的形态，达到制备出具有多条非贯通裂缝的岩心。人工裂缝制备方法，对于推动致密砂岩裂缝型油气藏岩心室内分析技术的发展具有重要的意义。

致密砂岩裂缝型油气藏； 岩石破坏形式； 贯穿缝； 非贯穿缝

0 引 言

致密砂岩裂缝型油气藏是指致密砂岩中含有油气运移的发育裂缝的一类低渗透砂岩油气藏。据统计，目前裂缝型低渗储集层油气产量占整个油气产量的一半以上，占准备投产的油气储量的2/3以上[1-2]。因此，对致密砂岩裂缝型油气藏岩心进行油气储层室内评价及伤害实验具有重要的现实意义。

致密砂岩裂缝型油藏的岩石一般硬度较大，质地脆弱，天然裂缝岩心的获得十分有限。目前，一般利用造缝工具对基质岩心进行人工造缝的方法模拟致密砂岩裂缝型油气藏[3-6]，其方法主要有压缝法、劈缝法[7-9]以及切割法[10]。利用造缝工具只能形成一条沿岩心轴向贯穿的裂缝，虽然也可以模拟致密砂岩裂缝性油气藏，但存在着岩心易破碎，成功率低，重现驱替时易断裂的问题。

本文利用人工非贯穿裂缝岩心对贯穿缝的造缝方法进行了改进，根据岩石的破坏形式，利用轴向集中力对岩心进行劈裂造缝。此方法不仅操作简单，破损小，成功率高，并且可造出具有裂缝网络的岩心[11]，可更加准确模拟裂缝性油藏。

1 研究原理

裂缝性致密砂岩油藏最主要的特点为裂缝发育，储层裂隙，渗透率高，是其重要的渗流或储集空间[12]，主要起导油作用，储层基质孔隙度较大，主要起储油作用[13]。储层发育裂缝的形成是由于岩石受力产生的一种脆性破裂的结构，根据裂缝形成时所受力的性质，可将裂缝分为张拉裂缝、剪切裂缝。张拉裂缝是由张应力作用而产生的裂缝，剪切裂缝是由于剪应力作用而形成的裂缝[14-15]。裂缝的形成与岩石的破坏具有相似性。因此，可运用岩石破坏机理进行人工造缝模拟天然裂缝。

岩石在低温、低围压及高应变率条件下一般发生脆性破坏；相反，则表现为延性破坏或延性流动。室内岩心一般表现为脆性状态，一般发生张性破裂或剪切破裂，张性破裂的破裂方向平行于最大应力方向或垂直于最大拉应力方向；剪切破裂，其破裂面最初方向与最大应力之间夹角小于45°。图1是几种典型的岩石破坏形式。

(a)单轴压力张性破裂(b)三轴应力 剪切破裂(c)集中应力 张性破裂

图1 几种典型的岩石破坏形式

2 贯穿缝制备

根据岩石的破坏形式，利用造缝设备使岩石发生径向拉伸或者剪切破坏形成裂缝。

(1) 刀刃径向拉伸。如图2所示，在圆柱状岩心周向上用一对对齐的刀刃施加压力p，刀刃沿加载直径切入岩心，产生垂直于加载直径的拉伸应力，在拉伸应力作用下，沿压力p的方向形成裂缝。此造缝方式，裂缝壁面不会产生摩擦滑动，裂缝面粗糙，但只能形成一条裂缝，无法造出多条裂缝。

(2) 径向共轭剪切。如图3所示，将圆柱状岩心放入由两个金属半圆柱面组成的圆柱孔内，使岩心径向受到一对共轭压力，岩心在相对压应力的作用下，沿径向裂开，生成剪切裂缝。此造缝方式，裂缝壁面会产生摩擦滑动，裂缝面较光滑，但只能形成一条裂缝，无法造出多条裂缝。

图2 刀刃径向拉伸造缝

图3 径向剪切造缝

3 非贯穿缝制备

根据岩石集中应力的张性破裂形式，若让其破坏产生非贯穿的张拉裂缝，只是简单从岩心两侧施加压力是难以实现的。因此，设计了直径为1 mm的40Cr结构合金钢钢丝若干，借助此钢丝使岩心发生轴向集中应力径向拉伸破坏(见图4)。

图4 轴向集中应力径向拉伸

施加压力p作用于钢丝，岩心在钢丝轴向集中应力的作用下，沿压力p方向形成一条非贯通裂缝。取下钢丝，调整钢丝的方位，继续造缝。此造缝方式，不仅保持了岩心的完整性，并且可造出多条壁面粗糙的非贯穿的交叉裂缝，可以更好模拟致密砂岩裂缝型油气藏。

4 非贯穿缝的控制

刀刃径向拉伸与径共轭剪切造缝，裂缝的产生从承载压力不再上升开始，直至岩心伴随“砰”的一声脆响为止，产生一条贯穿的宏观裂缝。轴向集中应力径向拉伸造缝成缝过程与贯穿缝基本一致，但其裂缝的扩展以及裂缝网络形态可以较好地进行控制。

(1) 裂缝扩展控制。在差应力的作用下，岩石会发生变形，会发生体积的非弹性膨胀，随着差应力的增大，岩石表现出膨胀局部化时，会产生脆性破坏，随即产生一条宏观非贯穿裂缝。因此，通过监测差应力的大小，控制裂缝的扩展是可行的。

(2) 裂缝网络形态控制。致密砂岩在轴向集中应力作用下发生脆性破坏时，几乎总是形成一条平行于加载方向的裂缝。据此，改变集中应力的加载位置，可在不同方向上多次造缝，一般可以获得1～4条壁面粗糙的交叉裂缝，可以为正交裂缝、斜交裂缝、放射状裂缝，其形态如图5所示。

(a) 正交

(b) 斜交

(c) 放射状

5 结 语

本文主要分析了人工贯穿裂缝与非贯穿裂缝的造缝方式，非贯穿裂缝的轴向集中应力造缝方式具有操作简单，裂缝形态多样，岩心状态完整的优点，解决了人工贯穿裂缝岩心流动实验过程中，沿贯穿裂缝面出现的刺漏与断裂的问题，可更好地模拟致密砂岩裂缝性油藏。

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The Artificial Cracks Preparation Method for the Tight Sandstone Facture Reservoir

ZHANYong-ping1,FUChun-li2，LISong-yan1

(1. Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, Shandong, China； 2. CNPC Offshore Engineering Company Limited, Qingdao 266555, Shandong, China)

Artificial fracture is a good way to simulate the tight sandstone fracture reservoirs. Different artificial fractures were made by using the different breaks, the core with a through crack was made with the blade radial stretch and radial conjugate shear break. The core with multiple non-penetrating crack was made with the axial radial stress, and fracture expansion and network form were controlled by monitoring the size and orientation of stress. Artificial fracture has the vital significance to develop the core laboratory analysis technology of the tight sandstone fracture reservoirs.

tight sandstone facture reservoir； core breaking form; through crack； non-interpenetrated crack

2016-03-25

国家自然科学基金资助项目(51304229)；中国石油大学(华东)精品实验建设项目(JS201402)

战永平(1982-)，男，山东招远人，实验师，现从事压裂实验、压裂实验方案优化等方面的教学与研究。

Tel.：15275290018；E-mail：zhanyongping@upc.edu.cn

TE 321

A

1006-7167(2017)01-0010-03