深层膏泥岩盖层岩石力学性质实验分析

刘生春 ，阳松宇 ，单法铭 ，黄太 ，尹帅 ，刘小雪

（1.中国石油青海油田分公司采气三厂，青海 冷湖 817400；2.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；3.中国石油玉门油田分公司老君庙釆油厂，甘肃 玉门 735200）

0 引言

膏泥岩作为一种蒸发岩，广泛分布于全球各个时期的地层中。纯膏岩的孔隙度通常小于1%，其渗透率则接近于0［1］。因此，膏泥岩为很好的油气盖层。当膏泥岩的厚度超过1.0 m时，就可以对下伏油气藏进行良好的封闭，如美国Little Sand Draw油田的上覆膏泥盐盖层仅有1.2 m［2］。对于埋深和厚度均非常大的膏泥岩盖层，岩体中的应力分布特征复杂，钻井难度大、周期长，同时容易出现井壁失稳等工程事故［3-5］。一旦出现工程事故，将会延误施工进度，增加费用投入，还可能会造成井的报废［6］。因此，通过采集深层膏泥岩井下样品，系统分析其静态岩石力学性质，对于制定合理的钻井方案具有重要意义。本文基于矿物组分分析及静态岩石力学实验测试方法，对塔西南地区古近系厚层膏泥岩进行了系统的实验岩石力学分析，研究了高地层围压条件下膏泥岩的破裂特征及硬石膏矿物组分对岩石应力、应变及岩石力学参数变化的影响。

1 研究区概况及样品实验

研究区位于塔西南玉北地区，古近系膏泥岩在全区稳定分布，厚度较大，通常为50～200 m，埋深大于3 500 m。区内古近系的地层展布呈单斜构造，由东北部地区到西南部地区逐渐变低，断层在古近系内部不发育［7］。研究区缺失中生代地层，古近系发育的蒸发岩包括膏泥岩和盐岩，均形成于酷热干燥的干旱条件下［8］。这些深层且厚度大的膏泥岩层是下伏古生代油气储层良好的区域性盖层。

古近系膏泥岩样品共8组，编号为Y1—Y8，样品尺寸为φ2.5 cm×5.0 cm圆柱体。膏泥岩样品中的主要矿物为硬石膏和泥质，根据两者体积分数的大小，这些样品分别命名为泥质硬石膏岩（AR）和硬石膏质泥岩（GMR）。AR中硬石膏质组分的体积分数大于泥岩组分，而GMR中泥岩组分的体积分数大于硬石膏质组分。利用OLYMPUS偏光显微镜对8组样品进行了矿物组分分析，各组样品的矿物组分体积分数如表1所示。样品中的硬石膏具有多种分布形态，硬石膏组分和泥质组分通常是相间分布的，两者关系密切。

表1 岩样各矿物组分体积分数 %

对样品进行了三轴岩石力学测试，测试仪器为MTS岩石物理测试系统。该系统可施加的极限围压和极限孔隙压力分别为140 MPa和70 MPa，轴向最大载荷为1 000 kN。系统所施加应力的误差小于1%，位移误差小于0.000 1 mm。

研究区古近系地层温度实测值为85～87°C，应力梯度0.024 MPa/m，地层压力系数为1.0，地层有效围压50 MPa。实验温度为85°C。8组样品中每组含有样品4个，分别施加有效围压 0，15，30，50 MPa。实验步骤：首先以0.05 MPa/s速度加载围压，围压每施加5 MPa后再施加大小相等的轴压，轴压的应变加载速率为3.6×10-3s-1。当围压增加至设定值后，围压保持恒定，然后继续加载轴压，直至试样破坏，此时试验结束。

通过以上测试，可以获得不同围压条件下岩石样品的抗压强度、弹性模量及泊松比等参数。

2 岩石破裂特征

研究区古近系膏泥岩在测井上的主要特征为：1）低自然伽马值，通常分布在10～65 API；2）高密度值，当硬石膏体积分数大于90%时，岩石密度通常大于2.9 g/cm3；3）声波时差通常为 164～328 μs/m，相比盐岩和泥岩要高。

样品在单轴条件下具有明显的张性破裂特征，而在三轴围压条件下则表现出较为明显的剪裂特征。这种情况表明，围压对破裂缝的形成及延展起到了一定的阻碍作用［9］。随着围压增加，各应变的变化特征如图1所示。随着应力加载的进行，轴向应变量和环向应变量均逐渐增加，体积应变量则变化较小。图1中轴向应变曲线发生曲折是由于轴向压力和围压的施加是同步进行的。为保证样品的完整性，不至于造成样品的人为破坏，围压每施加5 MPa后，施加一定的轴向压力。此时，会造成轴向应变曲线的波动。

图1 三轴加载过程中各应变的变化特征

不同围压条件下样品的应力-应变曲线如图2所示。单轴条件下，曲线表现为明显的弹性变形特征（见图2a）；而在三轴应力载荷状态下，岩石具有明显的弹性和塑性变形特征（见图2b—2d）。由岩石应力-应变曲线可以看出，地层围压50 MPa条件下，膏泥岩样品的轴向应变可以划分为5个阶段（见图2d）：第1个阶段从初始点到A点，该阶段岩石被挤压压密，内部微裂缝和孔隙迅速闭合；第2个阶段从A点到B点，为线弹性变形阶段，在持续增加的应力载荷条件下，岩石的应力-应变呈线性关系增加，此时岩石内部通常没有新微裂缝的产生；第3个阶段从B点到C点，为非线性、稳定延展阶段，该阶段应力载荷的增加速度强于围压增加所提升的岩石强度，因而岩石内部出现大量孔隙的坍塌，同时产生一些新微裂缝；第4个阶段从C点到D点，为非线性、非稳定延展阶段，此阶段岩石内部出现大量新微裂缝，并最终导致岩石中岩心尺度宏观破裂的发生；最后一个阶段从D点之后，为峰后应变阶段，岩石发生破裂，其内部仅剩余残余强度。

3 硬石膏体积分数对应力、应变的影响

分析了硬石膏矿物组分体积分数在地层围压50 MPa条件下，膏泥岩样品的偏应力（轴向应力与围压的差）与应变关系（见图3）。由图3a可知，具有低硬石膏矿物组分体积分数的样品首先达到极限强度并发生破裂。例如，同属于GMR的样品Y1和Y3，Y3首先发生破裂，而同属于AR的样品Y6和Y7，Y6首先发生破裂。分析认为，硬石膏体积分数的增加能提高岩石的破裂强度，延缓岩石发生破裂的时间。由图3b所示的环向应变曲线可以看出，样品Y1和Y7具有最长的塑性变形段，表明这2块岩石样品具有较强的塑性。在高地层围压条件下，这种长时间的塑性行为会导致岩石内部矿物发生滑移位错，类似于长期的蠕变行为，从而集聚巨大的额外应力，从而对钻井井壁或套管造成破坏［1，3］。

图2 不同围压条件下膏泥岩应力-应变曲线特征

图3 测试样品备应变与偏应力关系

4 硬石膏体积分数对岩石力学参数影响

抗压强度、弹性模量和泊松比随着围压的增加而增加（见图4）。由图4a可以看出，围压50 MPa、三轴条件下，测试样品的抗压强度与硬石膏体积分数之间具有较强的正相关性，随着硬石膏体积分数从10%增加到90%，样品抗压强度从120 MPa增加到了200 MPa，增幅十分明显。

对于具有相同硬石膏体积分数的膏泥岩样品，随着围压的增加，泊松比表现出明显的增长趋势（见图4c）。这说明，膏泥岩样品所承受的应力环境越大，其塑性越强［10］。持续的塑性变形行为会在套管壁上发生应力集中，造成套管挤压变形。对于三轴岩石力学实验中的样品，其在加载过程中的基本变化为轴向的缩短及环向的扩张［11］。很显然，对于脆性岩石，其在破裂前通常不会发生明显的环向扩张，因此其泊松比值较小；而对于塑性岩石，其通常会发生较显著的塑性变形行为，因而其泊松比值较高。具有高硬石膏体积分数的样品同样具有较高的泊松比，表明具有高硬石膏体积分数的样品也具有较强的塑性。这与硬石膏矿物的内部晶体结构有关，在高应力条件下，这种矿物容易发生晶间滑动行为［12］。

图4 样品岩石力学参数与硬石膏体积分数的关系

此外，水平方向主应力差对膏泥岩的塑性行为及套管壁面上的应力集中也有较大影响。对于研究区古近系膏盐层，当水平方向主应力差值高于18.5 MPa时，常规套管（外径250.8 mm）会出现不同程度挤压变形的现象，表明水平方向应力的差异性越大，越利于膏泥岩中矿物晶体的滑动［13］。当采用高强度套管（外径265.1 mm）时，各井均无变形现象出现。因此，对于深层且厚度较大的膏泥岩地层，其所处的应力环境较大，特别对于水平方向主应力差值较大的情况，可选用高强度套管，从而降低钻探风险。

5 结论

1）单轴条件下，膏泥岩具有明显的张性离散破裂特征，而三轴条件下则表现为明显的剪裂特征。硬石膏组分体积分数的增加能明显延缓岩石破裂的时间，提高岩石的抗张剪能力及强度极限。

2）硬石膏体积分数增加能提高岩样的抗压强度、弹性模量及泊松比，同时延缓岩石的弱化，但在高应力条件下膏泥岩具有较为明显的塑性特征。

3）长时间的膏泥岩塑性行为会导致矿物内部发生滑移位错，类似于长期蠕变行为，从而集聚巨大的额外应力，对井壁或套管造成破坏。膏泥岩地层中的水平方向主应力差的差异性越大，越利于膏泥岩中矿物晶体的滑动，进而对套管造成破坏。