基于案例教学的石油工程“岩石力学”课程典型案例设计实践

许成元 游利军 李相臣 康毅力

摘要本文从培养石油工程专业学生“解决复杂工程问题能力”的背景下出发，以石油工程专业“岩石力学”课程为例，围绕岩石强度、岩石变形与破、应力加载方式三个方面的知识点，从工程实际问题出发，设计了典型教学案例，以期能够为案例教学实践提供一些思路。

关键词 案例教学 石油工程 解决复杂工程问题能力 岩石力学

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.034

Typical Case Design Practice of Petroleum Engineering "Rock Mechanics" Course Based on Case Teaching

XU Chengyuan， YOU Lijun， LI Xiangchen， KANG Yili

（Petroleum Engineering School， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500）

AbstractIn this paper，under the background of cultivating the students’ ability to solve complex engineering problems， taking the course of rock mechanics for petroleum engineering as an example， the typical teaching cases are designed based on the three aspects of rock strength， rock deformation and fracture， and stress loading mode， In order to provide some ideas for the case teaching practice.

Keywordscase teaching； petroleum engineering； ability to solve complex engineering problems； rock mechanics

0引言

岩石力学是石油与天然气勘探开发过程多项重要工程技术的理论基础，钻井、井壁稳定控制、水力压裂、储层保护、防砂完井等作业环节均涉及岩石力学问题，且随着油气勘探开发逐步走向深层超深层，岩石力学在石油工程专业的应用越来越普遍和深入。解决复杂工程问题能力是工科专业学生培养的重要目标，因此石油工程专科本科生和研究生均开设“岩石力学”课程。工程专业认证要求学生参与工程实践、设计/解决工程复杂问题、参与科学研究，并在工程实践中考虑非工程技术因素。但是，目前石油工程专业“岩石力学”课程教学过程中，岩石力学相关工程案例融入课堂仍不多，体现“以学生为中心”的理念有待进一步改进。案例教学方法通过将科学研究与现场实践过程中解决的岩石力学工程实例，整理成教学案例，来促进学生对相关岩石力学的掌握和理解。石油工程专业学生未来要解决复杂石油工程问题，但解决这些问题不仅需要知识，更需要实踐经验和创新思路，而科研案例，尤其是典型石油工程案例不仅提升学生解决问题的能力，而且激发学生学习工程科学基础与专业知识的兴趣，同时感受石油精神的熏陶，例如，罗平亚院士智能凝胶罗家2井堵漏；典型案例也让学生进一步明确石油工程领域复杂工程问题解决过程中可能涉及的环境问题，理解石油与天然气工程领域环境保护和可持续发展的理念和内涵，例如2011年康菲渤海漏失事故。

由于岩石力学研究对象、研究内容的复杂性，作为石油工程专业本科生培养体系中的一门专业基础课程，根据课堂教学学时数要求，本课程教学中将紧密结合后继课程的教学内容需要及油气工业岩石力学的特殊性，把一些科研成果，尤其是现场工程实践引入课堂，将使学生学习的岩石力学知识更加扎实，并能灵活应用。

1石油工程“岩石力学”课程典型案例设计

1.1岩石强度相关知识点典型案例

通过对出砂砂样进行粒度分析，确定出砂砂粒的来源，结果表明YHL35区块砂岩主要粒级区间为0.01～1.00mm，主要碎屑粒径范围为0.03～1mm。YHL区块属于致密砂岩油藏，储层压实程度高，胶结物以硅质、方解石为主，胶结类型主要为孔隙式胶结，胶结状况好，黏土矿物含量低，不易发生水化膨胀，加之原油黏度低，出砂粒径明显大于孔喉直径，出砂机理与疏松砂岩油藏不同。

目前常用的出砂经验预测方法主要考虑储层岩石力学强度性质，但并没有考虑超深致密砂岩气藏实际储层地质特征，因此导致出砂预测结果误差较大。研究区超深致密砂岩气藏地质条件特殊，地应力状态属于潜在走滑型应力机制（水平最大主应力压力梯度（2.77MPa/100m）>垂向应力压力梯度（2.45MPa/100m）>水平最大主应力压力梯度（2.14MPa/100m））；在高构造应力及强压实作用下，气藏致密砂岩基块具有明显的硬脆性力学特征，致密砂岩基块三轴压缩实验差应力可达433MPa，且应力-应变曲线表现出很强的硬脆性特征；气藏位于构造活跃区，储层在成藏及后期地质历史时期经历了多期次地质构造运动，储层裂缝发育，裂缝线密度介于0.6～1.74条/m，平均1条/m；此外，研究区气井投产前需要进行一定规模的酸压作业，造成地层裂缝密度进一步增加。分析认为强烈的构造运动导致油藏天然微裂缝发育，进而显著降低了岩体强度，为油藏大规模出砂最重要的因素。

基于该案例，在岩石力学教学中可对学生形成以下几点启示：（1）含微裂缝岩样与完整岩样抗拉/抗压/抗剪强度有显著区别，微裂缝存在会极大降低岩样整体强度；（2）岩石强度测试时应特别注意试样的尺寸效应。随试样尺寸增加，包含微裂缝的可能性增加，试样强度呈降低趋势。

1.2岩石变形与破坏相关知识点典型案例

塔里木盆地KS山前构造地质情况和钻井情况复杂，导致钻井过程中漏失频繁发生，引起漏失的原因复杂多样。统计了KS山前区块近年来钻井过程中的不同层位的钻井液漏失量，据漏失统计结果表明，KS山前区块漏失主要发生盐膏层层、目的层和盐上地层，其中目的层的漏失量巨大，占全井段漏失量的28%。目的层具有岩性变化大、裂缝发育、地层压力变化大、承压能力低等特征，井漏复杂，加大了防漏堵漏的难度。但同样是钻井液漏失，不同层位钻井液漏失发生的作业环节、漏失成因类型、堵漏效果均存在较大差异，如目的层钻井液漏失主要发生在正常钻井过程中，盐膏层钻井液漏失主要发生在承压堵漏、下套管和固井作业过程中。导致不同层位钻井液漏失这种显著差异的原因是什么呢？

井漏问题也是一个典型的岩石力学问题，井筒液柱压力作用下井壁地层发生的岩石破裂、裂缝扩展延伸及地层中发育的天然裂缝，均是导致井漏发生的重要原因。诱导破裂型漏失发生于裂缝欠发育地层，初始条件下井周地层较完整，随井筒液柱压力升高，地层破裂而产生裂缝漏失通道，导致钻井液漏失发生；裂缝扩延型漏失发生于天然裂缝发育地层，初始条件下天然裂缝呈闭合状态或缝宽小于临界致漏裂缝宽度。随井筒液柱压力升高，裂缝重新开启并达到致漏裂缝宽度，进而导致钻井液漏失发生。临界致漏裂缝宽度取决于钻井液流变性性质、钻井液中固相含量和粒度分布。通过在钻井液中加入防漏堵漏材料可有效提高临界致漏裂缝宽度；大中裂缝型漏失发生于天然裂缝、孔洞发育地层，初始条件下天然裂缝即呈张开状态并具有较大开度，钻遇该地层，只需满足正压差条件，钻井液漏失即会发生。

井周应力场、裂缝尖端应力场、封堵层自身强度是预防和控制钻井液漏失的主要屏障，强化裂缝—封堵层系统稳定性是钻井液防漏堵漏的重要手段。针对诱导破裂型漏失、裂缝扩延型漏失和大中裂缝型漏失，形成了调控井周应力、封堵漏失通道和提高岩体强度理论与方法。其中，调控井周应力方法又可分为防止地层破裂和阻止裂缝延伸方法。通过综合运用钻井液防漏堵漏方法，可对诱导破裂型、裂缝扩延型和大中裂缝型漏失进行有效预防与控制。对于诱导破裂型漏失，主要采用防止地层破裂方法，其要点在于利用堵漏材料支撑裂缝张开，强化井周切向应力，并及时隔离裂缝尖端，保持裂缝—封堵层系统稳定性；对于裂缝扩延型漏失，主要采用阻止裂缝延伸方法，其要点在于快速形成致密封堵，控制裂缝尖端应力强度因子于临界值之下，保持裂缝—封堵层系统稳定性；对于大中裂缝型漏失，可采用封堵漏失通道或提高岩体强度方法，其要点在于裂缝封堵层物理/化学结构强度与稳定性。

基于该案例，在岩石力学教学中可对学生形成以下几点启示：（1）井漏是井壁岩石发生张性破坏的结果；（2）井壁岩石破坏形式具有多样性。

1.3应力加载方式相关知识点典型案例

塔里木盆地深层致密油气藏完井测试及开发过程中，气井生产压差变化以及重复开關井都将导致储层近井带有效应力发生周期性重复变化，这种有效应力周期性变化是否会导致近井带裂缝渗透率发生显著变化呢？此外，裂缝的重复闭合、开启是否将导致裂缝面发生显著变化，从而改变裂缝应力敏感性呢？

基于此，开展了研究区致密砂岩裂缝岩样循环加载/卸载过程的应力敏感性实验。实验装置采用高压裂缝应力敏感性测试系统，实验步骤与原状裂缝岩样应力敏感实验步骤一致。测试了有效应力五增（3MPa→55MPa）五降（55MPa→3MPa）过程中裂缝渗透率变化情况。有效应力加载过程，裂缝渗透率都出现降低的趋势；有效应力卸载过程，虽然裂缝渗透率有所恢复，但与初始渗透率相差极大。在第三次降压过程中，当有效应力降低至5MPa附近时，岩样渗透率发生了突变，渗透率显著增大，随后加载过程裂缝渗透率再次降低，直至第五次加载/卸载过程，裂缝渗透率都没有再次发生突变。

采用应力敏感系数法评价了重复加载/卸载裂缝岩样应力敏感性变化规律。随着应力加载/卸载次数的增加，裂缝应力敏感性数在加载及卸载过程中都有所降低，但由于三次卸载过程中的渗透率突增，导致第三次卸载过程和第四次加载过程应力敏感系数都发生了突增的现象。分析认为，储层裂缝在循环加载/卸载过程中渗透率有持续降低的趋势，且有效应力降低后裂缝渗透率恢复率也极低。此外，如实验结果所示，循环加载/卸载过程将造成储层岩石超过其疲劳强度，从而导致储层岩石发生破坏。虽然在短期内储层渗透率有一定升高，但其在应力敏感作用下也将快速降低。同时，储层岩石的破坏势必导致地层微粒的产生，大量的地层微粒既可能造成裂缝固相堵塞损害，也有可能随着气体流入井筒造成出砂等一系列复杂的工程问题。因此，建议在气藏完井测试及开采过程中尽量避免重复开关井，一是为了避免储层近井带裂缝重复开启/闭合加剧储层损害的问题，二是为了防止储层岩石发生破坏，造成出砂等其他复杂工程问题。

基于该案例，在岩石力学教学中可对学生形成以下几点启示：（1）循环加载在石油工程岩石力学工程作业中普遍存在；（2）循环加载对岩石的力学行为具有重要影响。

2结语

石油工程的对象是处于高温高压条件下几千米甚至上万米深地下岩层中流体，岩层性质各异，油气层岩石与流体性质不同。油气开发需要多种作业环节，每种作业环节涉及多个学科，在每个作业环节中都会有复杂工程问题，这些问题又相互影响制约。要解决这些复杂工程问题，需要多学科尤其是地质、力学、化学等扎实的基础学科知识，更需要实践经验和创新思路。本文详细介绍了石油工程作业过程中，三个与岩石力学问题相关的典型案例，进而以案例教学为导向，激发工科学生学习兴趣，加强基础学科和实践教学，提高多学科解决石油工程复杂问题的能力。

基金项目：2018年度西南石油大学石油与天然气工程学院教改项目“提高学生解决石油工程复杂岩石力学问题能力的案例教学探索与实践”；2018年度西南石油大学教改项目“探讨式‘保护储层技术’案例教学探索与实践”（X2018KZ071）；2018年度西南石油大学教改项目“科研成果深度融入工科专业课程教学的研究与实践”（X2018JGZDI002）

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