油田开发中储层岩石重复强冲击致裂效应模拟实验研究

丁乾申

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

油气开采过程中，单次冲击并不能形成良好的油气流通道[1]。重复冲击是在一定加载速率下对岩石进行连续冲击，对岩石损伤不断积累。目前相关实验基于干燥岩石[2]进行，对饱和岩石多以静态、准静方式考虑孔隙压力对岩石强度的弱化，而流体侵入对岩石裂缝形态影响方面的理论研究还较少[3]。对于油气开采而言，油井后期的增产措施会改变岩石的受力情况进而使渗透率较原来有所变化[4]。岩石通常处于复杂的应力状态下，有的部位会处于压缩状态下，有的部位会处于重复加卸载状态下，而岩石不同状态条件下渗透率的变化会对油井提高采油率产生影响。因此有必要研究加卸载重复冲击作用对岩石的破坏规律。

1 模拟实验介绍

本研究采用的实验装置为岩石动态冲击损伤装置，该模拟实验装置主要包括动力冲击、岩心夹持装置、泵压动力、控制与测量、辅助装置5个部分。对岩心钻孔来模拟井眼，中心孔内充满液体模拟井底压力，整体内部岩心处于拟三维状态。在实施重物自由落体冲击后，模拟岩心中的液体受到压缩产生压力，压力变化由传感器采集。实验方案如表1所示。

表1 实验方案总览表Tab.1 Summary table of experimental schemes

2 岩石动态冲击破坏实验及其结果

2.1 岩样制作

参考天然疏松砂岩岩心矿物含量、粒度组成及其物性参数，定量、定粒径称取所需的矿物原料并充分混合均匀、装入到岩心压制装置中，在 25～80MPa压力下运用液压系统持续加压，取出岩心烘干。

2.2 实验结果

2.2.1 饱和未封隔

对于饱和未封隔岩样分别进行 3、4、10次冲击，图 1展示了重复冲击后的压力峰值和岩样的破坏形态。可见产生的裂缝形态为从模拟井眼开始延伸的贯穿性裂缝，缝宽较小，最多产生了3条裂缝。

图1 饱和未封隔岩心冲击破坏实验结果Fig.1 Experimental results of impact failure of saturated unpacked core

冲击重复 3次后岩石的压力峰值为 48.6MPa，产生 0条裂缝；重复 4次后岩石的压力峰值为51.3MPa，产生2条裂缝；重复10次后岩石的压力峰值为58.5MPa，产生3条裂缝。在未封隔模拟井眼的情况下岩石受到流体和冲击波的双重作用，进而易形成贯穿性裂缝，裂缝的延展方向不易发生转折。

上述实验数据表明，重复冲击对于饱和未封隔的模拟岩心重复次数越多则峰值强度越大，并且岩石产生的贯穿裂缝的条数增加，而在重复次数达到一定数值后不再增加，这是裂缝产生后对模拟井眼中的压力进行泄压的作用导致。

2.2.2 饱和封隔

对于饱和封隔岩样分别进行 3、4、10次冲击，图 2展示了重复冲击后的压力峰值和岩样的破坏形态。产生的裂缝形态为环状裂缝，在岩样中部破碎。

图2 饱和封隔岩心冲击破坏实验结果Fig.2 Experimental results of impact failure of saturated packed core

冲击重复 3次后岩石的压力峰值为 52.5MPa，产生 1条裂缝；重复 4次后岩石的压力峰值为58.2MPa，产生2条裂缝；重复10次后岩石的压力峰值为64.3MPa，产生2条裂缝。在封隔模拟井眼的情况下岩石受到单一冲击波的作用。进而导致容易形成环状的裂缝，裂缝主要发生在边缘地带，并且裂缝的缝宽较大。

由以上实验结果表明，重复冲击对于饱和封隔的模拟岩心重复次数越多则峰值强度越大，并且岩石产生的环状裂缝的条数在增加。

3 分析与讨论

3.1 流体对破坏的影响

岩石的破坏是一个连续的过程，大致可以分为4个阶段[5]。在整个过程中会经历微裂纹的形成、扩展、连通，直至表现为宏观裂缝产生，对于水压致裂岩石模型，普遍认为是微裂缝的周向拉伸应力等于岩石的整体抗拉强度时，岩石开始起裂，岩石受到宏观上的破坏，针对这种理论且结合本文的实验环节，认为岩石微裂缝中的周向拉伸力来源于岩石中心孔内水施加的中孔内压产生的轴向拉应力、外部围压产生的周向上的拉伸力、微裂缝内部充斥一定水后液压产生的周向拉伸力。

3.2 重复加载对渗透率的影响

如图 3所示，模拟岩石轴向加载同样分 3个阶段：压密阶段，线弹性阶段，塑性阶段。5块岩石的应力应变曲线都符合 3个阶段趋势。模拟砂岩的压密阶段与线弹性阶段临界点是 2.5MPa，线弹性阶段与塑性阶段的临界点是7.6MPa，抗压强度为8.6MPa。

图3 模拟砂岩应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of simulated sandstone

压密阶段应力应变关系曲线呈下凸型、曲线上弯，斜率逐渐增大。但由于多次加载，每一次加载对岩石内部都有一定程度的微小损伤，随着加载次数的增加，岩石内部损伤积累，部分应力应变关系曲线不与上一次加载的应力应变曲线完全重合，有一定的微小差别。

模拟砂岩轴向加载到线弹性阶段，应力为7.6MPa，进行此阶段重复加载，由于岩石颗粒骨架的弹性关系，应力应变呈线性关系，每一次卸载弹性能大部分恢复原状，应力应变关系曲线基本重合。

模拟砂岩的抗压强度为 8.6MPa，每一条应力应变关系曲线重合度不高，特别是前几次加载的应力应变曲线与其他的应力应变曲线差别较大。根据石飞[6]研究可知，岩石在开始几次轴向加载变形后模量大于后面的循环加载，卸载过程曲线斜率比加载过程曲线斜率大。在前几次的轴向加载中，岩石还是会表现之前阶段的性质，随着加载次数的增加，载荷对岩石内部微小损伤的累加，更加类似于线弹性的应力应变关系。本次实验中模拟砂岩塑性阶段的重复加载，曲线在后面几次加载更加重合。

如图 4所示，常规砂岩的原始渗透率为27.623mD，在压密阶段，应力的增加导致应变的增加，渗透率随应变的增加在压密阶段以一定速率降低，在模拟砂岩压密阶段渗透率的变化中，渗透率降低速率没有太明显的变化，都是以一个较低的速率降低，到达第一临界点对应的应变降至最低值25.427mD；在线弹性阶段，渗透率从25.427mD以较慢速率增长到 25.739mD，直至线弹性阶段与塑性阶段的临界点之前，渗透率都以一个较慢的速率增长；在塑性阶段，随着应力与应变的增加，渗透率以一个较快的速率最终上升到 30.987mD，渗透率随应变的增加上升的速率比在压密阶段渗透率下降的速率快，常规砂岩最终的渗透率为 30.987mD，比实验模拟砂岩岩心原始的渗透率3.461mD大。

图4 模拟砂岩应力应变曲线和渗透率变化Fig.4 Change in simulated sandstone stress-strain curve and permeability

4 结 论

①通过实验室模拟可知，重复强冲击技术对较硬岩石具有良好的造缝作业效果，有利于提高采油效率。

②岩石强度随加载速率的提高不断变大，随重复加载次数的增加而逐渐降低，裂缝条数随冲击速率的增加而增多。

③单次加载岩石渗透率有先减小后稳定再增大的变化，在不同阶段重复加载渗透率有不同的变化。轴向加载改变岩石内部状况，孔隙压密、微裂缝的产生以及微裂缝的发育发展影响岩石的渗透率，在单次对岩石轴向加载的全过程中，岩石渗透率总体呈先缓慢减小，维持最小渗透率不变，而后剧烈增加的态势。