模拟地层条件下不同岩性抗压强度试验特征

在各种岩石试验中 (抗拉、三轴试验等) , 随着载荷的增加, 载荷方向的变形或应变也增加。但对任何一种岩石, 载荷达到某一值时, 试样开始破坏, 试样承载能力下降, 试样的变形或应变则继续增加。应力-应变曲线中的最大应力值定义为岩石的强度, 如果用单轴抗压试验, 该值称为岩石的单轴抗压强度。岩石抗压强度对于油气井钻完井工程尤其是井壁稳定性分析评价中具有重要意义, 基于这一现场实际, 本文针对实际井下取心, 开展了不同测试条件下不同岩性的岩石抗压强度测试, 为油气井钻完井工程等提供地质依据。

1 抗压试验结果及分析

试验共取样81块, 岩石类型主要为中-细粒岩屑长石砂岩、细粒岩屑石英砂岩、细粒岩屑砂岩、中粒长石石英砂岩、中粒含碳酸盐岩屑石英砂岩, 少量为粉砂质泥岩和泥岩。主要开展了单轴条件下饱水砂岩、泥岩静力学参数测试, 和地层围压条件下饱水砂岩、泥岩静力学参数测试。

1.1 单轴测试结果分析

单轴条件下, 各类砂岩的抗压强度最大为215.47MPa, 最小为17.78MPa, 平均为99.55MPa。弹性模量的变化在6.81～47.13GPa之间, 平均弹性模量为24.82GPa, 泊松比的变化在0.098～0.191之间, 平均泊松比为0.13。泥岩的抗压强度分布在11.42～32.1MPa之间, 平均值为20.89MPa;弹性模量分布在2.68～16.62GPa之间, 平均值为9.82GPa;泊松比的变化在0.081～0.451之间, 平均值为0.3。总体上, 砂岩抗压强度、弹性模量比泥岩高得多;而泥岩泊松比则大大高于砂岩。

按地层 (砂岩) 统计, 单轴条件下沙溪庙组砂岩抗压强度平均值为122.45MPa, 弹性模量平均值为36.84GPa, 泊松比均值为0.15;千佛崖组砂岩的抗压强度平均值为87.8MPa, 弹性模量平均值为34.2GPa, 泊松比的均值为0.11;自流井组砂岩的抗压强度平均值为66.78MPa, 弹性模量平均值为9.32GPa, 泊松比的均值为0.13;须家河组砂岩抗压强度平均值为102.62MPa, 弹性模量平均值为12.89GPa, 泊松比的均值为0.13。总体看, 各层段砂岩的单轴抗压强度差别不大, 其中沙溪庙组和须家河组砂岩单轴抗压强度均值略大;弹性模量是沙溪庙组和千佛崖组分布值较高, 自流井组和须家河组分布值较低;各地层砂岩泊松比均值差别不大。

1.2 地层围压下测试结果分析

在地层围压条件下, 全部岩样的最大抗压强度为373.7MPa, 最小抗压强度为34.8MPa, 平均抗压强度为207.75MPa。弹性模量变化在12.75～59.9GPa之间, 平均值为32.4GPa, 泊松比的变化在0.081～0.438之间, 平均值为0.28。按岩性统计, 砂岩抗压强度分布在162.76～373.7MPa之间, 平均值为241.87MPa;弹性模量分布在20.35～59.9GPa之间, 平均值为35.5GPa;泊松比的变化在0.081～0.438之间, 平均值为0.27。泥岩抗压强度分布在34.8～199.39MPa之间, 平均值为115.63MPa;弹性模量分布在1 2.7 5～4 2.0 3 G P a之间, 平均值为2 4.8 G P a;泊松比的变化在0.263～0.408之间, 平均值为0.33。在地层围压条件下, 砂岩抗压强度、弹性模量仍然比泥岩高、泥岩的泊松比则比砂岩大, 但差别没有单轴条件下测试结果大。

按地层 (砂岩) 统计, 相应地层条件下沙溪庙组砂岩的抗压强度平均值为223.53MPa, 弹性模量平均值为36.51GPa, 泊松比均值为0.27;千佛崖组砂岩的抗压强度平均值为2 6 9.5 8 M P a, 弹性模量平均值为47.07GPa, 泊松比的均值为0.23;自流井组砂岩的抗压强度平均值为244.07MPa, 弹性模量平均值为29.38GPa, 泊松比的均值为0.29;须家河组砂岩的抗压强度平均值为250.95MPa, 弹性模量平均值为28.07GPa, 泊松比的均值为0.27。总体看, 各层段砂岩的地层条件抗压强度差别不大;弹性模量也是沙溪庙组和千佛崖组分布值较高, 自流井组和须家河组分布值较低;各地层砂岩泊松比均值差别不大。

从两种条件下的测试结果对比, 围压条件对各岩石力学参数的影响比较大, 抗压强度、弹性模量及泊松比参数都有增加。较为特殊的是, 泥岩的泊松比的增加幅度小, 沙溪庙组砂岩弹性模量基本无差别。

2 结语

饱水及单轴条件下, 砂岩的抗压强度、弹性模量比泥岩高得多, 而泥岩的泊松比则大大高于砂岩。纵向上各层段砂岩的单轴抗压强度差别不大, 弹性模量是沙溪庙组和千佛崖组分布值相对较高, 各层段砂岩泊松比均值差别不大。

饱水及地层围压条件下, 砂岩的抗压强度、弹性模量仍然比泥岩高, 泥岩的泊松比则比砂岩大, 但差别没有单轴条件下那么大。各层段砂岩的地层条件抗压强度差别不大, 弹性模量也是沙溪庙组和千佛崖组分布值较高, 各地层砂岩泊松比均值差别不大。围压条件对各岩石力学参数的影响明显, 抗压强度、弹性模量及泊松比参数都有增加, 但对不同层段的影响有差异, 与岩石自身非均质性有关。

摘要：岩石抗压强度是油气井钻井工程、完井工程及压裂改造等工作中重要的岩石强度参数。不同岩石类型、不同饱和条件、不同围压条件下岩石的抗压强度差别较大。针对实际井下取心, 开展了饱和水状态下的单轴及地层围压下的岩石抗压试验, 查明了岩石强度参数与围压、岩性的关系, 为研究区钻完井工程及后续储层改造等提供了技术支撑。

关键词：抗压强度,单轴条件,地层条件,岩性因素

参考文献

[1] 周文.裂缝性油气储集层评价方法[M].四川:四川科学技术出版社, 1998.

[2] 谢润成, 周文, 单钰铭, 等.考虑岩样尺度效应时钻井液对岩石力学性质影响的试验评价[J].石油学报, 2008, 29 (1) :135～138.

[3] 谢润成, 周文, 高雅琴, 等.应用偏相关+灰关联方法进行致密砂岩气藏压裂地质选层[J].石油与天然气地质, 2008, 29 (6) :797～800、805.

[4] 谢润成, 周文, 陶莹, 等.有限元分析方法在现今地应力场模拟中的应用[J].石油钻探技术, 2008, 36 (2) :60～63.

[5] 谢润成, 韩振林, 周文, 等.深层致密砂岩气藏高异常破裂压力影响因素分析[J].石油钻采工艺, 2009, 31 (5) :60～64.