龙马溪组页岩应力敏感性实验评价

X射线衍射和全应力-应变结果表明龙马溪组页岩具有明显的硬脆性特征,破裂前曲线均呈现明显的线弹性变形。在5 MPa和10 MPa围压下,平行层理方向与垂直层理方向岩芯力学性质表现明显不同,平行层理方向的微裂缝由于受到张力作用而导致页岩突然破裂而完全失去承载能力;当围压达到20 MPa时,由于层理微裂缝的闭合,页岩的力学性质表现相似。氮气脉冲压力延迟测试结果表明:平行层理方向取芯页岩的应力敏感性更强,当有效应力增至10 MPa时,垂直层理方向岩芯渗透率下降1~2个数量级,而平行于页岩层理方向岩芯渗透率下降2~3个数量级;方解石充填的天然裂缝可提高岩芯整体渗透率2~3个数量级,且闭合型页岩天然裂缝应力敏感性强于张开型天然裂缝岩芯。     

页岩裂缝和基质渗透率各向异性特征及影响因素

页岩裂缝渗透率是控制页岩气富集高产的关键参数,而页岩基质渗透率决定了页岩气的稳产和经济开发,研究页岩裂缝和基质渗透率的各向异性特征对于保障页岩气的长期产量尤为重要。以渝东南地区海相页岩为研究对象,探究了页岩裂缝和基质渗透率各向异性特征及其影响因素。基于微计算机断层扫描技术(micro computed tomography, micro-CT)、高压压汞手段分析了页岩裂缝特征并区分了页岩裂缝与基质,利用立方体样品以及3D打印岩心夹持器技术测定了地层压力条件下页岩三轴方向的渗透率,采用定性观察、定量分析和数字岩心等方法揭示了页岩裂缝和基质渗透率各向异性与孔隙结构特征的关系。研究表明：页岩基质渗透率主要受岩石的微观结构控制,而页岩裂缝渗透率主要由裂缝形态和特征决定;微裂缝的存在增大了水平与垂直方向裂缝渗透率的差异性,但对水平方向间裂缝渗透率的比值影响较小甚至有所降低;水平方向上矿物和有机质呈层排列易形成连通的孔隙微裂缝网络,增大了页岩平行层理方向上的基质渗透率,使其比其垂直层理方向高出1～2个数量级;砂质条带和砂质纹层使得页岩水平方向上的基质渗透率差异性增强,而且页岩3个方向的基质渗透率与...     

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验。结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样。在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长。     

页岩抗张力学行为各向异性实验与理论研究

开展彭水龙马溪页岩声波波速、巴西劈裂和声发射监测实验,明确页岩模量、抗张强度、声发射、破坏模式各向异性特征,并基于各向异性抗张强度CPA理论,分析页岩抗张强度及破裂角影响因素及变化规律。研究结果表明:1)随着加载角θ(加载方向与页岩层理面的夹角)增加,纵横波波速逐渐降低,抗张强度逐渐增加,破坏模式出现"简单—复杂—简单"的转变;2)随着微观参数Ω0(表征页岩强度空间分布)的增加,抗张强度逐渐增大,破裂角β_f(破坏面与基准线的夹角)在θ较小时逐渐增大,在θ较大时逐渐减小;3)径向应力对抗张强度及破裂角也有显著影响,随着径向压应力增加,抗张强度增加、β_f逐渐减小,而随着径向拉应力增加,抗张强度降低、β_f逐渐增大;4)随着抗张强度各向异性程度增加,抗张强度与β_f逐渐增大,并且β_f最大值会由较小θ逐渐偏向较大的θ。     

川东龙马溪组页岩应力敏感实验研究

应用PDP-200脉冲衰减法渗透率仪对涪陵页岩气藏产气层系龙马溪组页岩露头进行渗透率应力敏感性评价,采用定围压-降内压和定内压-升围压的方法对同一块具有水平层理缝的岩样进行渗透率测试。结果表明:随着作用在页岩上的有效应力的增大,页岩测试渗透率呈指数规律递减,递减过程按递减指数大小分为2段,分别体现了页岩裂缝渗透率的应力敏感性和页岩基质渗透率的应力敏感性;同时,定围压测试较定内压测试页岩渗透率不能马上恢复,存在一定的滞后效应,并且定内压测试时得到的裂缝闭合压力要比定围压测试时有所降低。龙马溪组页岩露头表现出双重介质特征,并且在内压卸载时造成了无法恢复的渗透率塑性损伤。     

硬脆性页岩基础物性实验及井壁稳定性分析

近年来,由于世界能源的需求量剧增,页岩气的勘探、开发、研究已成为石油行业关注的焦点,其中最令人关注的工程难题之一就是钻井过程中的井壁失稳问题。龙马溪组页岩更是频繁的发生严重的井壁垮塌事故,给钻井施工造成了很大的困难。通过室内实验分析龙马溪组页岩露头的矿物成分、微观结构以及力学性质,研究了其井壁失稳机理。岩心轴向与层理面法向夹角为45°~70°之间时,其破坏形式主要表现为沿层理面的剪切滑移;当夹角为60°左右时,岩石的抗压强度最低。龙马溪组页岩在纵向上呈层状分布,微孔隙、微裂缝发育,表现出很强的各向异性。采用常规的均质模型,坍塌压力计算结果往往会偏低,因此考虑含弱面结构的破坏准则进行井壁稳定性分析更接近真实情况。     

射孔水压裂缝在层状页岩的扩展机制

为明确射孔水压裂缝遇页岩层理面的扩展机制,基于弹性力学和断裂力学相关理论,建立射孔水压裂缝在层状页岩扩展的应力分析模型,并对裂缝偏转角、偏转裂缝在页岩和层理面扩展的临界水压进行分析,进而结合数值模拟,研究偏转裂缝遇页岩层理面的扩展机制的影响因素。结果表明:偏转裂缝遇页岩层理面的扩展机制主要取决于水平主应力差、射孔角度、层理面角度、页岩力学性质及层理面黏聚力等因素;若最大水平主应力方向与层理面夹角不大,偏转裂缝随水平主应力差的增大,由直接穿过层理面逐渐转化为沿层理面扩展;随着射孔角度、层理面角度和层理面黏聚力的增大,偏转裂缝的扩展模式则会发生相反变化;射孔段与层理面夹角越接近90°,偏转裂缝同时穿过层理面和沿层理面扩展的倾向性越大,越易形成网状裂缝。     

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.     

板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

页岩各向异性的全光学检测

本文利用全光学方法对不同地区的页岩样本进行各向异性检测.利用激光在页岩等岩石中激发产生超声波,基于激光干涉原理对超声波速进行检测,从而获得页岩层理结构的各向异性分布特点.检测结果表明超声纵波波速与页岩层理结构吻合得很好.超声纵波沿页岩层理面传播时速度最大,垂直页岩层理面传播时速度最小,超声波速关于页岩层理方向以正弦规律对称分布.不同地区的页岩超声波速也不同.全光学检测方法可以实现对页岩层理结构的快速判断,根据在页岩中传播的超声波速可了解页岩的致密度及各向异性强度,对页岩储层的开发具有一定指导意义.     

川南深层各向异性页岩井壁失稳力学机理

川南页岩埋藏深、岩性复杂、质地硬脆、层理发育、地应力复杂,水平井钻井井壁失稳事故时常发生,严重阻碍了深层页岩气高效开发进程。为此,以川南深层龙马溪页岩为对象,实验测定了页岩各向异性弹性和强度参数,通过成像测井分析了层理产状,通过室内实验和测井资料确定了地应力大小和方位,建立了各向异性页岩井壁坍塌压力模型,分析了不同地层条件的坍塌压力,并以川南深层页岩气井为例进行了验证。结果表明,页岩基质黏聚力和内摩擦角为13.00 MPa、39.50°,层理黏聚力和内摩擦角为11.10 MPa、28.50°,层理倾角5°～15°、倾向NE110°～NE120°;水平最大主应力114.69～117.23 MPa、水平最小主应力93.79～94.57 MPa、垂向地应力108.42～112.81 MPa;综合考虑弹性和强度各向异性计算的坍塌压力最高,强度各向异性的影响明显大于弹性各向异性;沿水平最大主应力钻进的水平井稳定性最好,其次为直井和小角度定向井,沿水平最小主应力方向钻进水平井时稳定性最差; L20X井实钻情况与预测结果基本一致,证实了模型的准确性。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包 括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。 研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间 和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影 响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩 组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧 性下降,后者使I 型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观 裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

用气测渗透率法评价川东南龙马溪组页岩流体敏感性

孔喉致密、黏土矿物含量高使得川东南龙马溪组页岩气层具有严重的潜在流体敏感性损害特征。在目前的页岩液体敏感性评价中,研究人员还只是简单地沿用行业标准法,而没有形成系统地针对页岩液体敏感性的评价方法。提出气测渗透率法来评价页岩流体敏感性,并在川东南地区下志留统龙马溪组页岩储层应用,评价结果表明该区块水敏性强、盐敏性强、碱敏性强、酸敏性中等偏强,为合理开发该区块页岩气藏提供了理论基础。与常规方法相比,气测渗透率法不需计量岩心出口端流量,而是测量液体处理后的岩心烘干后的气体渗透率来评价损害程度,从而解决了因页岩液体渗透率极低而引起的测试时间长、实验误差大等问题。此外,气测渗透率法采用气体为实验介质,更符合气井生产实际。     

层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响

根据四川盆地某页岩气田所取岩芯进行的强度实验,发现页岩呈现出显著的强度各向异性,沿层理面的剪切滑移是井壁失稳的主要机理。结合岩石力学实验结果,分析层理产状对井周应力状态的影响,得出井壁失稳风险分布图的演变过程,进一步分析了水平段坍塌风险随层理产状的变化规律。研究发现,沿层理面倾向钻进的水平井,坍塌压力随层理面倾角的增加先升高后迅速降低;沿层理面走向钻进的水平井则会不随着层理面倾角增大而发生变化。研究结论可以为页岩气钻完井设计提供参考。     

四川盆地周缘筇竹寺组泥页岩储层特征

通过地表地质和井下地质相结合,运用岩石学和岩石物理学方法,探讨了四川盆地周缘下寒武统筇竹寺组泥页岩储层特征.结果表明,四川盆地周缘下寒武统筇竹寺组厚40～400m,为一套黑色碳质泥页岩、灰色含粉砂泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩及含泥灰岩建造.筇竹寺组下部岩性主要由富有机质(碳质)非纹层状泥页岩、泥岩、钙质泥岩、粉砂岩、纹层...     

深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究

常规页岩气储层改造工艺为套管射孔与多级压裂改造相结合,施工成本高、周期长,若实施水平井段裸眼完井可一定程度降低成本、缩短周期,但水平裸眼井段井壁稳定是实施裸眼完井的前提条件。通过对威荣地区龙马溪组页岩水理化及力学性能进行实验研究,结合建立的裸眼完井理论模型评价威荣地区页岩水平段裸眼完井井壁稳定性。结果表明,龙马溪组页岩为脆性层理页岩,岩体较为致密,力学强度高,力学各向异性明显;现场油基、水基钻井液对岩石膨胀性能及力学性能的改变不明显,现场所用钻井液与该地层配伍程度高;井眼轨迹、层理缝走向、力学各向异性等可对裸眼井段稳定性产生影响,致使不同方向井筒内应力差异明显,沿最小水平主应力方向钻水平井井壁稳定性最好,完井工况下井壁坍塌压力当量密度在1.26 g/cm³,完井投产初期井壁存在轻微崩落掉块,但崩落范围小于30 °,判断认为威荣区块龙马溪组页岩地层可考虑采用水平井裸眼完井方式。     

层理地层基质与弱面坍塌失稳规律分析

渤海深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。将硬脆性泥页岩当作一种横观各向同性介质,建立了横观各向同性地层井周基质及层理弱面应力计算模型,在此基础上,获取了弹性参数各向异性、井眼轨迹及层理产状对井壁坍塌破坏的影响规律。研究表明,各向异性对层理弱面应力分布影响显著,与各向同性模型相比,误差最大约为31%;随弹性模量各向异性程度增大,井壁坍塌风险增高;直井钻进时,井壁坍塌破坏方位不仅受水平地应力方位影响,还与层理弱面的倾斜角和倾向角、井眼轨迹等参数相关。随层理面倾斜角和倾向角增大,井壁坍塌形状依次为岩石只发生沿水平最小地应力方位的基质坍塌、层理面单对角坍塌及层理面双对角坍塌,基质坍塌方位对应最小地应力方位,层理面坍塌方位与弱面的倾向方位保持一致,最优钻井方位应结合层理弱面的倾向;当定向井钻进时,井眼沿井斜30°~75°,最大地应力方位附近,坍塌最为严重。对渤中一口深井进行井壁失稳实例分析,分析结果与实际情况吻合良好,研究成果对层理地层钻井作业有一定的指导意义。     

川南龙马溪组页岩核磁渗透率新模型研究

为了更加快速有效地进行页岩渗透率的测试,以四川盆地南部下志留统龙马溪组页岩为研究对象,进行页岩低场核磁共振和高速离心实验。以脉冲渗透率为标准,对比分析目前常用的4种岩石核磁渗透率模型的相对误差,这4种模型中只有扩展后的SDR模型相对误差较小,其他3种模型误差很大,不适用于页岩核磁渗透率的计算。为了进一步减小页岩核磁渗透率的计算误差,在SDR模型的基础上建立一种新的页岩核磁渗透率的单参数模型。结果表明,新模型相关系数可达到0.967,与脉冲渗透率的相对误差平均为18.31%,证明新模型能更准确地计算页岩的核磁渗透率,为页岩渗透率的测试提供了一种新的快速、无损、有效的实验方法。