砂砾岩压缩破坏形态及影响因素分析

郝红永， 徐常晫， 郭晟豪， 李 雅， 杨兴渝，周 伟， 严印强

( 1. 中国石油砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000； 2. 新疆砾岩油藏实验室，新疆 克拉玛依 834000； 3. 中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000； 4. 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249 )

0 引言

砂砾岩油藏在中国分布广泛且储量巨大[1-2]，尤其是近年发现新疆玛湖10亿吨级砾岩油田，砂砾岩油藏的改造开发成为研究热点[3-5]。砂砾岩储层一般具有岩性和渗透率变化大、孔隙度低、连通性差、孔隙结构复杂等特点，开发难度较大[6-9]。为实现砂砾岩储层的高效开发，人们对砂砾岩的物理、力学性质开展研究。利用天然露头或人工岩样开展物理实验是常用的储层性质研究方法。基于物理实验，赵益忠等[10]、孟庆民等[11]分析砾石颗粒、应力差等因素对水力裂缝扩展规律的影响。MA X等[12]在砂砾岩压裂实验中发现水力裂缝与砾石颗粒相交后的4种扩展模式：止砾、穿砾、绕砾和吸引，与李连崇等[13]通过数值计算得到的研究结果一致。砂砾岩储层具有较强的非均质性，砾石的强度、弹性模量、形状等参数影响水力裂缝的扩展[14]。RUI Z等[15]建立砂砾岩水力裂缝扩展流动—应力—损伤耦合模型，研究砾石性质对水力裂缝扩展规律的影响。砂砾岩组成方式特殊，砾石和基质性质多样，使砂砾岩具有复杂的力学性质[16]。砂砾岩内砾石、基质等组成部分的断裂性质存在差异，导致砂砾岩水力裂缝不规则延伸和施工压力波动，罗攀等[17]提出基于断裂韧性的砂砾岩水力裂缝延伸方向判断方法。马东东等[18]开展不同粒径分选性砂砾岩的水力压裂实验，分析围压和粒径分选性对砂砾岩水力裂缝破裂机制的影响，影响效果受压裂液滤失和注射能的共同控制。鲁文婷等[19]采用地质—地应力—压裂耦合的模拟方法建立三维数值模型，对玛湖油田致密砾岩油藏压裂开展数值模拟研究，分析压裂施工后砾岩储层裂缝形态及地应力变化规律。砂砾岩力学性质的改变对裂缝起裂、转向等力学行为具有明显影响[20]。基于RFPA方法，孙元伟等[21]开展砂砾岩单轴压缩数值模拟，分析砾石尺寸及力学性质变化对岩心抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数变化规律的影响。砂砾岩等粒状岩石材料具有颗粒破碎的特性[22]，颗粒破碎产生的不可恢复变形是粒状岩石材料抗剪强度非线性变化的主要原因，同时加载应力水平越高，颗粒破碎现象越显著。基于三轴压缩实验得到应力—应变曲线，分析砾石粒径对砂砾岩脆性的影响[23]，含大粒径砾石的砂砾岩存在大量弱胶结面，力学强度更低，基于能量演化的脆性指数也明显低于小粒径砾石为主的岩样。此外，储层改造过程对砂砾岩的力学性质产生影响，经过现场钻井液处理的砂砾岩的抗压强度大幅下降，脆性表现更加明显[24]。

这些研究主要集中于讨论砂砾岩的宏观水力裂缝扩展规律及影响因素，有关砂砾岩的破坏特征及各因素的影响机制认识不清。基于岩石力学三轴压缩实验，笔者应用数值模拟软件，建立考虑砂砾岩复杂组成结构的数值模型，研究砂砾岩压缩破坏形态特征，分析围压、砾石粒径和分布、弱胶结界面及岩样尺寸等因素对砂砾岩压缩破坏规律的影响，为砂砾岩储层改造提供参考。

1 三轴压缩实验

1.1 设备及方法

应用岩石力学三轴实验机，可进行复杂条件下的单/三轴压缩、抗拉、三点弯、疲劳和蠕变实验，从而开展砂砾岩压缩破坏形态实验研究。实验机参数：最大轴向压力为1 000 kN，最大围压为140 MPa，轴向压力控制精度为50 N，围压控制精度为10 kPa，轴向/径向变形控制精度为0.001 mm。

实验所用岩样取自新疆准噶尔盆地南缘区块深度为6 000 m的地层，将取得的岩石加工成Ф25 mm×50 mm的圆柱形样品。在整个岩样的高度方向上，直径误差不超过0.3 mm，端面平整度控制在0.05 mm以内；端面垂直于岩样轴线，最大偏差不超过0.25°；岩样在干燥箱内烘干处理。

首先将砂砾岩样固定在夹具上，按顺序安装径向、轴向引伸计；然后将夹具置于实验机指定位置并连接传感器。实验加载过程中采用等侧压三轴压缩加载方式，先施加围压到指定载荷，再进行轴向加载，直到岩样发生破坏；轴向加载采用变形控制，加载速率为0.02 mm/min。

1.2 力学特征

选取10组岩样开展三轴压缩实验，其中2组为砂岩、8组为砂砾岩，样品信息及实验参数见表1。岩样中砂岩、砂砾岩的抗压强度相近；泊松比主要分布在0.18～0.21之间，砂岩弹性模量较砂砾岩的低18%左右；增大围压(10 MPa)可提高岩石抗压强度5%～12%。

表1 样品信息及实验参数

三轴压缩实验后，砂岩(见图1(a-b))和部分砂砾岩(见图1(c-f))的破坏形态为单条倾斜的剪切裂缝，裂缝面与轴向夹角为23°～34°。砂岩均质性较强，破坏面与轴向倾角约为33°。对于粒径较小的砂砾岩，单一贯穿破坏面与轴向夹角为23°～32°(见图1(c-d、f))。含单个大砾石的砂砾岩形成的主要贯穿破坏面与轴向夹角为34°(见图1(e))。

图1 砂岩、砂砾岩样品三轴压缩实验裂缝形态Fig.1 Fracture morphologies of sandstone and conglomerate after triaxial compression experiments

对于砾石粒径分布范围较大的砂砾岩岩样，压缩产生的宏观破坏面不规则，且与轴向夹角大于常规实验结果，宏观破坏面甚至接近水平(见图1(g-j))。主要原因是砾石粒径分布范围大，以及砾石与基质间界面胶结强度低。砂砾岩在三向应力作用下易沿砾石边界发生破坏，不会穿过砾石而形成贯通的单个破坏面。砾石粒径和分布变化较大时，宏观的破坏面反映差应力作用和砾石胶结面影响，形成的破坏面宏观上不规则。同时，围压影响砂砾岩破坏面形态，随围压增加，砾岩破坏面趋于规则，表明围压增加强化差应力对宏观破坏面的影响。

砂砾岩压缩产生的不规则破坏形态区别于常规的单一贯穿裂缝，导致砂砾岩储层性质及改造规律与一般储层的存在较大差异，在储层开发的施工设计过程中需要综合考虑影响因素。

2 砂砾岩数值模型

2.1 有限元数值模型

砂砾岩中砾石、界面等组成结构复杂，通过实验获取砂砾岩的力学特征参数，以及砂砾岩产生不规则破坏形态的特性。基于实验数据和有限元软件，建立考虑砂砾岩复杂组成结构的数值模型，对影响因素开展三轴压缩数值模拟。

泰森多边形是对空间平面的一种剖分，在有限元软件中，通过随机生成泰森多边形将模型分为若干区域，划分结果能够模拟砾石结构；采用全局嵌入Cohesive单元的方式刻画砂砾岩的界面特征，实现砂砾岩压缩破坏的仿真模拟。Cohesive单元即内聚力单元，常应用于胶结界面和岩石裂缝等结构的模拟，力学性质满足线弹性关系[25]：

s=Ee,

(1)

式中：s为单元牵引力；e为单元应变；E为单元刚度矩阵。

对于模型中Cohesive单元以外的材料，弹性部分由线弹性模型定义，塑性部分由Mohr-Coulomb塑性模型定义。Mohr-Coulomb塑性模型的屈服面函数[25]为

F=Rmcq-ptanφ-c=0,

(2)

(3)

设定砂砾岩模型尺寸(Ф25 mm×50 mm)，基于压缩实验结果确定模型的岩石力学参数：弹性模量为30.00 GPa，泊松比为0.20，摩擦角为40°，膨胀角为30°，屈服强度为150 MPa。分别建立6个含有泰森多边形的有限元计算模型，模拟砂砾岩的组成结构变化(见图2)。模型采用四边形网格进行划分，网格尺寸为0.3 mm×0.3 mm。网格划分见图2，其中绿色部分为实体单元，单元类型为CPE4；红色部分为Cohesive单元，单元类型为COH2D4。通过改变泰森多边形的数量实现泰森多边形的大小变化，模拟不同砾石粒径的3组砂砾岩，比较不同砾石粒径的砂砾岩压缩破坏形态差异(见图2(a-c))；泰森多边形数量相同，改变分布模拟不同的砾石分布，分析同尺寸砾石条件下砾石分布对砂砾岩破坏形态的影响(见图2(c-e))；泰森多边形数量、大小和分布相同时(见图2(c、f))，改变部分Cohesive单元的性质，模拟砂砾岩中存在天然裂缝或弱胶结界面的情况(见图2(f))，研究砂砾岩破坏形态。Cohesive单元参数设置见表2。

图2 砂砾岩模型及网格划分示意Fig.2 Schematics of conglomerate models and meshes

表2 Cohesive单元参数设置

2.2 离散元数值模型

在三轴压缩实验和有限元数值模拟中，砂砾岩岩样尺寸固定，砂砾岩中存在不同粒径的砾石，砾石与岩样相对大小改变产生的尺寸效应可能影响砂砾岩的破坏形态。端部约束是岩石单轴压缩强度存在尺寸效应的原因之一[26]。对于砂砾岩等强非均质岩石材料，组成结构的复杂性是尺寸效应的主导因素，尺寸效应具有不同的表现形式。基于离散元软件PFC2D开展数值计算[27]，PFC2D模拟细观力学参数见表3。颗粒接触采用平行黏结模型，对比不同几何尺寸条件下砂砾岩三轴压缩破坏形态，探讨尺寸效应对砂砾岩破坏形态的影响。

表3 PFC2D模拟细观力学参数

3 压缩破坏形态

采用建立的6组砂砾岩模型，对不同围压条件下的砂砾岩进行三轴压缩数值模拟，计算结果见表4。分别研究围压、砾石粒径和分布、弱胶结界面及岩样尺寸对砂砾岩压缩破坏形态的影响。

表4 砂砾岩三轴压缩数值模拟结果

3.1 影响因素分析

3.1.1 围压

由表4可知，围压为30 MPa时，模型1在低围压条件下产生2条倾斜裂缝；随围压升高(60～90 MPa)，破坏形态趋向于单一规则裂缝，表明围压增加能够增强差应力对砂砾岩破坏的控制作用。

3.1.2 砾石粒径

对比相同围压条件下模型1-3的计算结果，得到砾石粒径对砂砾岩压缩破坏形态的影响：砾石粒径较小(模型1)时，模型性质接近均质材料，宏观破坏形态不受砾石影响，产生与砂岩等岩石材料相似的规则贯穿破坏面，与相同条件的物理实验结果一致(见图1(c-d、f))；中等粒径的砂砾岩(模型2)破坏形态在一定程度上受砾石影响，产生3条宏观倾斜裂缝，但局部破坏形态类似于小粒径砂砾岩的，破坏面规则且与轴向夹角约为40°；含大粒径砾石的砂砾岩(模型3)破坏形态在宏观上表现为单条不规则倾斜裂缝，大粒径砾石对裂缝形态的影响显著，裂缝迂曲度高。

3.1.3 砾石分布

模型3-5中泰森多边形(砾石)数量相同，砾石粒径变化范围相同，通过改变模型中砾石分布分析砂砾岩破坏形态。3组模型压缩破坏后整体上产生倾斜破坏面，其中模型3为单条裂缝且迂曲度较高，模型4-5各产生2个破坏面，局部裂缝形态差异大。砂砾岩中砾石的强度明显高于胶结界面的，在外力作用下，岩样破坏首先发生在胶结界面，整体上表现为砂砾岩倾向于沿砾石间的胶结界面发生破坏，砂砾岩破坏形态受砾石分布控制显著。

3.1.4 弱胶结界面

砂砾岩压缩破坏主要发生在胶结界面，改变模型3中部分Cohesive单元的参数，在模型中插入弱胶结界面，分析弱胶结界面/天然裂缝等结构对砂砾岩破坏形态的影响。低围压(30 MPa)条件下，弱胶结界面主导砂砾岩的压缩破坏形态，模型6与模型3的破坏形态存在较大差异，岩样沿预置的弱胶结界面发生破坏，宏观破坏面与轴向载荷夹角较大，接近70°(见表4)，与图1(e)异常裂缝形态相似；随围压增加(60～90 MPa)，砂砾岩处于压紧状态，三向应力作用使弱胶结界面强度提高，与常规界面差异减小，弱胶结界面对砂砾岩破坏形态的控制作用减弱，砂砾岩破坏重新受控于砾石粒径和分布。

在三轴压缩数值模拟过程中，砂岩等岩石材料先产生微破裂，随机分布在岩样的各个位置；随加载的进行，微破裂逐渐沟通并产生宏观主裂缝，其余微破裂不再继续发育；最终在差应力作用下形成单一贯穿破坏面。砂砾岩岩样具有相似砂岩的破坏过程，受砾石和胶结界面的影响，微破裂分散在砾石边界，产生的裂缝轨迹与砾石边界高度重合。

围压为30 MPa时，不同加载时刻模型6的裂缝形态示意见图3，其中t为总加载时间。砂砾岩岩样出现异常破坏形态的过程：在三向应力作用下，砂砾岩岩样首先于弱胶结界面发生局部破坏，产生常规倾斜裂缝(见图3的裂缝1、2)；受砾石结构影响，局部的倾斜裂缝未按原趋势扩展形成贯穿裂缝，随加载时间推移沿砾石产生新的破坏，局部裂缝之间互相沟通，形成与常规剪切裂缝形态差异较大的不规则破坏面。

图3 在不同加载时刻模型6裂缝形态示意Fig.3 Fractures morphology at different loading steps in model 6

3.2 岩样尺寸效应

应用离散元软件PFC2D建立两种尺寸(25 mm×50 mm和125 mm×250 mm)的二维砂砾岩模型，开展三轴压缩数值模拟，不同尺寸砂砾岩三轴压缩破坏形态见图4，两种模型中砾石尺寸相同，砾石粒径为3～7 mm，平均为5 mm，约为小尺寸模型宽度的。小尺寸(25 mm×50 mm)模型的破坏形态(见图4(a))与图1(j)的相似，在砾石的影响下产生复杂的不规则宏观破坏面，破裂面与轴向夹角较大，甚至接近垂直；大尺寸(125 mm×250 mm)模型的压缩破坏形态(见图4(b))更接近砂岩，整体上为单条贯穿裂缝，迂曲度低，砾石影响不明显，在局部区域(见图4(b)蓝色虚线内)能够观察到与小尺寸岩样相似的破坏特征。

砂砾岩的破坏形态存在尺寸效应，主要与砾石粒径与岩样尺寸的比例相关：砾石相对岩样直径较大时非均质性明显，砂砾岩岩样主要沿砾石边界发生破坏，产生的裂缝形态主要受砾石分布控制；当岩样直径扩大到砾石粒径的25倍时，砾石、弱胶结界面等结构尺寸整体上相对较小，仅能在岩样局部区域产生影响，对宏观破坏形态的控制作用有限，使砂砾岩整体的非均质性降低，宏观破坏形态趋于规则破坏面。砂砾岩的复杂组成导致砾石、弱胶结界面等结构对破坏形态的影响存在尺寸效应，在工程设计中应综合考虑影响因素。

图4 不同尺寸砂砾岩三轴压缩破坏形态(PFC2D)Fig.4 Triaxial compression fracture morphologies of conglomerate with different sizes(PFC2D)

4 结论

(1)基于三轴压缩实验结果，建立考虑砂砾岩复杂组成结构的数值模型，分析砂砾岩的压缩破坏特征及影响因素。砂砾岩产生的破坏形态与砂岩等细粒沉积岩差异较大，其裂缝形态不规则、迂曲度高，破坏面与轴向夹角大，甚至出现接近水平的宏观破坏面。

(2) 砂砾岩的破坏形态主要受围压、砾石粒径和分布、弱胶结界面等因素的影响：随围压的增加，差应力对宏观破坏面的控制作用增强，弱胶结界面的影响降低，砂砾岩破坏形态趋于规则；砾石粒径的增加导致砾石分布和弱胶结界面对破坏形态的影响更显著，砂砾岩产生不规则破坏形态。

(3)砂砾岩压缩破坏形态存在显著的尺寸效应：岩样尺寸相对砾石尺寸较小时，砂砾岩产生复杂的不规则破坏面；岩样直径达到砾石粒径的25倍时，围压、砾石粒径和分布、弱胶结界面等因素的影响降低，宏观上砂砾岩趋向于产生单条贯穿破坏面。在实际工程中，需结合研究对象与砾石的相对尺寸讨论各因素对砂砾岩破坏的影响。