疏松砂岩扩容力学性质研究

闫新江，李孟龙，范白涛，于继飞，侯泽宁，袁岩光

1.中海油研究总院（北京 100028）

2.海洋石油高效开发国家重点实验室（北京 100028）

3.微能地质科学工程技术有限公司（四川 成都 610065）

疏松砂岩注水量大，注入水固相含量超标、地层微粒运移会污染储层，造成注入能力下降。酸化是解除注水井污染的常规技术，但随着酸化作业的增多，酸化有效期会逐渐变短，作业成本增高。针对这些不利局面，急需找到一种对地层无污染，延长注水有效期的增注方式。对疏松砂岩进行扩容解堵，改变岩石孔渗结构形成微裂缝，可以提高岩石注入能力[1-3]。本文对渤海油田东营组砂岩储层岩石进行循环加载三轴实验，测试了东营组砂岩在低围压下的岩石力学性质、变形参数及扩容性能，得到了东营组砂岩的Drucker-Prager模型塑性参数，为注水井扩容解堵施工设计提供了理论依据。

1 岩石变形能力实验

砂岩的变形随着有效应力变化而变化，在岩石力学中通常称之为非线性弹性变形关系。Duncan等人第一次提出了关于砂岩的非线性弹性模型，本文采用孔隙介质非线性对数体积弹性模量表征材料随着其有效应力状态的变化，砂岩的体积弹性模量正比于平均有效主应力的对数[4]。

式中：Jel为弹性体积变形；K为砂岩的对数体积弹性模量；e为孔隙率；e0为砂岩的初始孔隙率；p0为砂岩的初始平均主应力，MPa；p为当前状态的平均主应力，MPa；pelt为抗拉强度，MPa；φ为孔隙度。

通过循环围压荷载实验，施加初始轴向应力和围压，通过提高轴向应力改变差应力，测定体积应变及孔隙率的变化。以差应力为横轴，孔隙率变化为纵轴绘图，样品实验曲线见图1。选取加载实验稳定阶段计算岩石对数体积弹性模量（图1曲线中红色部分），实验结果如下：初始轴向应力1 MPa，初始孔隙率0.314，最大轴向应力5 MPa，对数体积弹性模量0.005 5。

图1 循环围压荷载实验曲线

高有效应力状态将引起砂岩低的变形能力，表现为较高的弹性模量；低有效应力状态下，砂岩将表现为容易变形，弹性模量较低。油砂埋藏浅，扩容能力强，扩容技术在加拿大油砂和新疆油田油砂已成功应用，扩容效果显著。加拿大油砂对数体积弹性模量0.009，新疆油田油砂对数体积弹性模量0.003，科威特油砂对数体积弹性模量为0.012[5-6]。渤海油田疏松砂岩对数体积弹性模量居于加拿大油砂和新疆油田油砂之间，说明具备扩容变形的物质基础。

2 岩石剪胀力学性质实验

岩石在剪应力条件下的扩容能力通常用剪胀角来衡量[7]，剪胀角的定义为：剪切变形中体积应变和剪切应变的比值，即应力与轴向应变曲线在岩石发生屈服后的斜率即为岩石剪胀角。

本文采用Drucker-Prager模型描述疏松砂岩的弹塑性变形,抛物线型Drucker-Prager塑性模型的屈服准则[8-9]为：

式中：F为屈服应力，MPa；p为平均有效主应力，MPa；q为偏应力，MPa；pt为抗拉强度，MPa；β为Drucker-Prager准则的摩擦角，（°）；d0为初始黏聚力，MPa ；d为Drucker-Prager准则的黏聚力，MPa；εV为体积应变；ε1为轴向应变，β为剪胀角，（°）；α为剪胀角，（°）。

通过在不同围压下的三轴实验，测量了东营组砂岩在低围压下的剪胀角，结果见表1。根据公式（4）计算得到渤海油田东营组砂岩的Drucker-Prager塑性模型参数pt=0.1 MPa；d=2.17 MPa；β=58°。

表1 岩石剪胀力学性质实验结果

疏松砂岩扩容的发生，首先是砂砾之间的排列，由于岩石颗粒所受的剪应力超过摩擦强度，从致密排列形式转变到疏松形式。东营组砂岩的岩石力学三轴实验表明，疏松砂岩在低有效应力下可以产生较强的扩容能力。因此，高压注水提高孔压，降低有效应力，有利于发生较大的扩容。

3 扩容实验

通过水力扩容实验研究不同注入方案对扩容区的影响，实验岩心样品采用直径50 mm、高度100 mm的圆柱形样品，柱塞泵对岩心样品施加围压，注入泵在给定的流体压力或流量条件进行扩容注入，流体在实验台下部出口流出（图2），扩容区的形成与扩展通过CT扫描成像获得，并3D成像量化微裂缝。

图2 扩容实验示意图

扩容实验发现不同的地应力和水力注入条件下可以形成效果迥异的水力改造结果。样品B1施加18 MPa的高围压，并施加较大的差应力10 MPa，采用了恒流量(2.5 mL/min)注水，CT扫描结果显示样品B1形成了比较明显的宏观张裂缝，见图3。使用3D成像量化计算得到样品B1裂缝的比表面积，其平均裂缝密度是0.017 m2/m3。

图3 样品B1宏观张裂缝3D成像图

样品B2施加5 MPa低围压，差应力为5 MPa，实验CT结果表明样品形成比较复杂微裂纹网，见图4。使用3D处理得到裂缝密度为0.055 m2/m3，是样品B1的3.2倍，扩容实验后岩石渗透率大大提高，能够实现解除污染的目的。

图4 样品B2微裂纹网3D成像图

为模拟注入压力对疏松砂岩扩容效果的差异，给岩心施加围压和剪应力模拟岩心的地层状态，分析注入压力与最小主应力的对应关系。在围压15 MPa条件下，保持差应力15 MPa恒定，样品B3以注入压力14.5 MPa持续注入2 h后进行裂缝形态CT扫描。发现样品B3形成了高孔隙度的复杂缝网区，见图5（a）。样品B4在围压、差应力不变的条件下，以注入压力18 MPa、20 MPa条件下各注入1 h，对实验后样品进行CT扫描，发现样品B4形成了多条主裂缝，见图5(b)。扩容注水未添加支撑剂，宏观主裂缝在压力卸载后会闭合，无法实现扩容解堵的目的。在现场扩容作业施工时，注入压力应低于或接近最小主应力的条件下，更有利于复杂缝网区的发育。

图5 不同注入条件下岩石扩容效果对比

根据油砂的开采经验，预处理可以提高扩容效果，为验证井筒预处理对疏松砂岩注水扩容的作用效果，开展了砂岩扩容预处理效果评价实验。通过给岩心施加围压和剪应力模拟岩心的地层状态，在低孔压条件下进行小排量注入，缓慢提升岩石孔隙压力。预处理结束后以1 mL/min的速率进行恒定注水扩容实验，实验结束后对样品进行CT扫描。发现预处理后的样品形成了高渗透的扩容区，3D成像处理得到的平均裂缝密度是0.062 m2/m3，具有较高的渗流能力。分析认为：预处理提高了井周地层的孔隙压力，改变了井周岩石的微观结构，降低井周岩石的抗张强度，应力预处理有利于降低扩容区的起裂压力。

4 结论

1）渤海油田东营组砂岩储层岩石对数体积弹性模量平均为0.005 5、岩石黏聚力2.17 MPa，具备扩容变形的物质基础。

2）东营组砂岩三轴应力实验表明，疏松砂岩在低有效应力下产生较强的扩容变形。通过高压注水降低有效应力，有利于形成较大的扩容变形。

3）通过控制注水条件，可以得到不同的水力改造结果，形成宏观张裂缝或复杂的微裂纹网。

4）现场扩容作业施工时，注入压力低于或接近最小主应力的条件下，更有利于复杂缝网区的发育，应力预处理有利于降低扩容区的起裂压力。