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康毅力-致密岩石应力敏感性及裂缝宽度变化

发布时间:

第九届全国 渗流力学学术讨论会

致密岩石应力敏感性及裂缝宽度变化

康毅力 张

浩 游利军等

油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西 南 石 油 大 学 石 油 工 程学院 中国石油天然气集团公司油井完井技术中心 2007年05月12-14 日 西安 年 月
1

“七五”国家项目攻关和 七五” UNDP项目资助启动了储层 项目资助启动了储层 保护技术研究

UNDP官员评价“油井完井 官员评价“ 官员评价 技术中心”项目为400个援华 技术中心”项目为 个援华 2 项目中25个最优秀项目之一 项目中 个最优秀项目之一

油井完井技术中心

任 务 和 作 用

? 科学技术领域 ——储层损害理论 储层损害理论 ——储层保护技术 储层保护技术 ——现代完井工程 现代完井工程 ? 三大职能 ——科学研究基地 科学研究基地 ——技术服务中心 技术服务中心 ——技术培训中心 技术培训中心

3

学术带头人: 学术带头人:罗*亚 院士 孟英峰 教授
梯队构成:康毅力,练章华,刘向君,段永刚,熊友明 陈一健,李洪建,杨宪民,熊汉桥,游利军 唐洪明,梁大川,邓小刚,邓明毅,罗兴树

博士生导师7 博士生导师7人,博士生/后人员10-20人,硕士生50-70人 博士生/后人员10-20人 硕士生50-70人 10 50
4

资源三角图
对 技 术 进 步 的 依 赖 程 度 低
常规资源

低渗透 石油储 量7080亿吨 亿吨 资 源 质 量



低渗透-*致密 低渗透 *致密 油气资源

非常规油气资源
高 致密砂岩气 煤层甲烷 气水合物 12-20万亿 3 30-35万亿 3 !万亿 3 万亿m 万亿m 万亿m 万亿 万亿
5



6

CMS-300

SCMS-I岩心分析仪 岩心分析仪

储层损害动态评价实验室
7

汇报提纲
1、引 言 、 2、应力敏感性实验评价 、 3、孔隙结构参数对有效应力变化的响应 、 4、变围压条件致密砂岩力学性质研究 、 5、成组裂缝宽度变化计算机模拟 、 6、岩心造缝模拟应力实验法裂缝宽度求取 、 7、加载岩石微观图像分析系统裂缝宽度量测 、 8、结 论 、
8

1 、引 言
油气钻井完井及开发过程随应力扰动储层孔喉大小 及裂缝宽度会发生一定的变化 井筒钻井完井液正压差增大,导致井壁裂缝宽度增 井筒钻井完井液正压差增大, 加会引发严重的钻井液漏失及其它的储层损害问题 研究裂缝宽度随有效应力变化能够为油气田开发中 的储层保护工作制度的建立提供基本依据
9

2、应力敏感性实验评价
? Fatt 和Davis(1952)指出储层岩石渗透率随上覆岩层压力 Davis(1952) Jones和Owens(1980)、 增加而降低 ,Jones(1975) 、Jones和Owens(1980)、 Walsh(1981) Walsh(1981)对储层渗透率与有效应力之间关系进行了研究 ? 国内张琰、崔迎春(1999)等用不同应力点渗透率损害率来 国内张琰、崔迎春(1999) 解释低渗气层的应力敏感程度,蒋海军、鄢捷年(2000) 解释低渗气层的应力敏感程度,蒋海军、鄢捷年(2000)将 实验数据进行回归得到渗透率与有效应力指数关系 ? 2002年发布石油天然气行业标准(SY/T5358—2002)“储层敏 2002年发布石油天然气行业标准(SY/T5358 2002) 储层敏 年发布石油天然气行业标准 2002 感性流动实验评价方法” 感性流动实验评价方法”给出了应力敏感性评价方法标准
10

渗透率与有效应力的关系
120
渗透率比 K/ K0 (%)

100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60
11

渗透率变 化剧烈区

渗 透率变 化 *缓区

有效应力(Mp a)
原地有效应力为20MPa 原地有效应力为

2002年石油天然气行业标准 2002年石油天然气行业标准

D K = ( K 1 ? K m in ) K 1 × 100%
渗透率损害率; 第一个应力点( MPa)对应的渗透率, Dk—渗透率损害率;K1—第一个应力点(2.5MPa)对应的渗透率,10-3?m2; 渗透率损害率 第一个应力点 2.5MPa)对应的渗透率 Kmin—达到临界应力(7.5-20MPa)后岩样渗透率最小值,10-3?m2 达到临界应力( MPa)后岩样渗透率最小值, 达到临界应力 7.5-20MPa)后岩样渗透率最小值
渗透率损害率(%) DK≤5 5<DK≤30 30<DK≤50 50<DK≤70 70<DK≤90 DK>90 损害程度 无 弱 中等偏弱 中等偏强 强 极强
12

盒3(D15-8B) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
Ki/KO

基块岩样
3 15 27 39 51 63 75
有效应力σi(MP a)

盒3(D15-8B)

盒3(D15-8B)
损 害 率 (% )

100
140 120 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 渗透率增加 渗透率降低

损 害 率 (% )

80 60 40 20 0

0

10

60

70

30

40

50

60 有效应力σi(MPa)

70

有效应力σi(MPa)

13

盒3(D15-2B)
盒3(D15-2B)

1.2
K i /K O

100

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

损 害 率 (% )

80 60 40 20 0 30 35 40 45 50 55

3

13

23

33

43

53
有效应力σi(MPa)

有效应力σi(MP a)

盒3(D15-2B) 100 80 60 40 20
0
损 害 率 (% )

盒3(D15-2B) 100
损 害 率 (% )

80 60 40 20

渗透率增加 渗透率降低

0
15 20 25 30 35 40 45 50 55

0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 有效应力σ i(MPa)
有效应力σi(MPa)

14

相对原地K的渗透率变化率 的渗透率变化率(%)

900 800 700 600 500 400 基块 300 200 100 0 0 10 20 30 有效应力(MPa) 40 50 原地有效 应力点 裂缝 岩样 正压作业或流 生产时油气藏 体注入时孔隙 压力衰竭 压力增加

15

实例: 为基准点与20MPa原地有效应力为基准点孔隙压 实例 3MPa为基准点与 为基准点与 原地有效应力为基准点孔隙压 力衰减50%时的损害率对比(地层压力 MPa) 时的损害率对比( 力衰减 时的损害率对比 地层压力30 )

应力敏感损 (K3-K20)/K3 害率 0.83

(K3-K35)/K3 0.92

(K20-K35) /K20 0.55





评价结果为基准点得到的评价结果不是原地储层渗透率随 强 强 中等 3MPa为基准点得到的评价结果不是原地储层渗透率随

有效应力改变损害程度的真实反映, 有效应力改变损害程度的真实反映,其结果显然是夸 大了真实储层条件应力敏感损害程度
16

应力敏感性评价方法讨论
正如流体敏感性实验要用地层水测得的渗透率作为渗透 率损害的计算基准点一样, 率损害的计算基准点一样,应力敏感性实验也应以原地 有效应力对应的渗透率作为基准点 在原地有效应力的基础*从推乜紫堆沽Ρ浠慈范 有效应力测点范围 针对开发中孔隙压力降低的情形,建议选取孔隙压力衰 针对开发中孔隙压力降低的情形, 建议选取孔隙压力衰 10% 15% 25% 50% 75% 竭 5 % ,10 % ,15% , 25 %, 50 % , 75 % 计算得到有效应力值 作为有效应力测点
17

? 应用孔隙压力方法评价不同地区不同深度储层孔隙压力及原 地有效应力值大小不一,即评价标准不一, 地有效应力值大小不一,即评价标准不一,不利于对比 ? 研究发现,渗透率比值的立方根与对应有效应力比值的对数 研究发现, 具有很好的线性相关性
1.05 1
y1

0.95
y2

(ki/k*)1/3

0.9 0.85 0.8 y1 = -0.224x + 1 0.75 0.7 0.65 y4 = -0.2399x + 1 0.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 log(σi/σ*) 1 y2 = -0.2493x + 1 y3 = -0.2134x + 1

y3 y4

显著优点: 显著优点: 整体性 能预测 好对比

1.2
18

推荐应力敏感性系数作为应力敏感性实验评价指标: 推荐应力敏感性系数作为应力敏感性实验评价指标:

k 1/3 ( * ) = 1 ? S k

s

σ lg σ

*

σ为有效应力值,为对应有效应力σ时的气测渗透率,σ* 为有效应力值,为对应有效应力σ时的气测渗透率, 为原地有效应力值,为对应储层原地有效应力值σ 为原地有效应力值,为对应储层原地有效应力值σ*时的 气测渗透率, 气测渗透率,Ss为应力敏感性系数 应力敏感性系数评价标准
Ss 敏感 程度 Ss ≤0.05 无 0.05<Ss≤ 0.30 弱 0.30<Ss≤ 0.50 中等偏弱 0.5<Ss≤0 .7 中等偏 强 0.70<Ss≤ 1.0 强 Ss >1.0 极强
19

应力敏感性系数方法与行业标准渗透率损害率关系
2

有 效 应 力 ( MPa) 10 15 20 30 40

Ss 与 Kd 直 线 关 系 Kd= 1.169Ss-0.019 Kd= 1.319Ss+0.031 Kd= 1.344Ss+0.093 Kd= 1.332Ss+0.174 Kd= 1.266Ss+0.251

相关系数(R ) 0.90 0.96 0.92 0.90 0.84

140

10MPa
120

40MPa

30MPa

15MPa
渗透率 损害率 (%) 100

20MPa 20MPa
80

30MPa 40MPa

60

15MPa
40

10MPa

20

0 0 0. 1 0.2 0.3 0. 4 0.5 应力敏 感性系数 0.6 0. 7 0.8

20

应力敏感性系数和渗透率损害率(原地应力为初始点) 应力敏感性系数和渗透率损害率(原地应力为初始点)的关系
1

0.8 渗透率 损害率

y = 1.0 001x R2 = 0.7772

0.6

0.4

0.2

0 0 0.2 0.4 应力敏 感性系 数 0.6 0. 8

21

应力敏感性系数与50% 应力敏感性系数与 %孔隙压力降损害率等级符合率
层位 川中 气层 川中 油层 松辽 油层 岩心个数 31 17 22 等级符合个数 28 15 20 符合率(%) 90.3 88.2 90.9 整体等级符合率(%)

90.0

常规应力敏感性评价是单一应力点渗透率损害率的反映, 常规应力敏感性评价是单一应力点渗透率损害率的反映, 敏感性系数评价则代表了岩样的整体应力敏感水*, 敏感性系数评价则代表了岩样的整体应力敏感水*,可作 为不同区块、 为不同区块、不同层位应力敏感性强弱的对比依据
22

1.2 1

1

Ss = 0.327-0.381LgK 6MPa
0.8
* 1/3

0.8 (K/K ) 0.6
0.29mD

Ss
0.6 0.4 0.2
1.5

0.75mD

0.4
0.15m

0.2 0 0 0.5
*

1 lg(σ/σ )

0 0.01

0.1 1 -3 2 K6MPa(10 ?m )

10

渗透率的立方根为有效应力 对数的线性函数

渗透率应力敏感系数S 渗透率应力敏感系数 s 与渗透率的关系
23

致密砂岩干岩样应力敏感性实验
0.8 0.7
1.2

应 力 敏 感 性 系 数 Ss

应 力 敏 感 性 系 数 Ss

1 0.8 n=33 0.6 0.4 y = 0.0894Ln(x) + 0.5761 0.2

0.6

n=13
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 y = -1.2167x + 0.8549

0 0.1

1

10

100

1000

渗透率(×10-3?m2)

渗透率(×10 -3 ?m 2 )
24

基块

裂缝

含水致密砂岩应力敏感性
0.25 岩样1(Sw=13.50%)加压 岩样1(Sw=13.50%)卸压 岩样2(Sw=26.98%)加压 岩样2(Sw=26.98%)卸压 岩样3(Sw=45.41%)加压 岩样3(Sw=45.41%)卸压

渗透率K(×10 ?m ) 10

0.2

-3

2

0.15

0.1

0.05

0 0 10 20 30 有效应力(MPa) 40
25

含水致密砂岩应力敏感性
岩样1(Sw=13.50%)加压 岩样2(Sw=26.98%)加压 岩样3(Sw=45.41%)加压 线性 (岩样1(Sw=13.50%)加压) 线性 (岩样2(Sw=26.98%)加压) 线性 (岩样3(Sw=45.41%)加压)

1.2 1
1/3

0.8 (ki/k*) 0.6 0.4 0.2 y = -0.9157x + 1 0 0 0.5 1 log(σi/σ*) 1.5 y = -0.609x + 1 y = -0.649x + 1

滤液侵入

含水饱和度增加

26 加重应力敏感程度

汇报提纲
1、引 言 、 2、应力敏感性实验评价 、 3、孔隙结构参数对有效应力变化的响应 、 4、变围压条件致密砂岩力学性质研究 、 5、成组裂缝宽度变化计算机模拟 、 6、岩心造缝模拟应力实验法裂缝宽度求取 、 7、加载岩石微观图像分析系统裂缝宽度量测 、 8、结 论 、
27

单面进汞与四面进汞孔喉参数测试方法比较

常规四面进汞 进汞特征 四面进汞 单面进汞 流动情况

单面进汞 围压情况 无 有
28

各向、 各向、有限流动 单向、 单向、无限流动

单面进汞与四面进汞毛管压力曲线特征对比
1000 1000 1000 15B 100

6A
100 100

9B

毛管压力 MPa

毛管压力 MPa

10

10

毛管压力 MPa 四面进汞

10

1

1

1

四面进汞
0.1 0.1

0.1

四面进汞 单面进汞25MPa

单面进汞15MPa 单面进汞5MPa
0.01 100 0.01 100 80 60 40 20 0 0.01 100

80

60

40

20

0

80

60

40

20

0

SHg %

SHg %

SHg %

与四面进汞相比, 与四面进汞相比 , 单面进汞毛管压力曲线形 态曲折, 态曲折,最大进汞饱和度小于四面进汞

29

3、孔隙结构参数对有效应力变化的响应 、
有效应力下单面进汞与四面进汞孔吼分布对比
50 50 40 % 30 20 10 0 0.0183 0.0366 0.0732 0.1465 0.293 0.5859 1.1719 2.3438 <0.0183 4.6875 20 10 0 0.0183 0.0366 0.0732 0.1465 0.293 0.5859 1.1719 <0.0183 2.3438 % 6A(四 ) 面 40 6A(单 5MPa) 面 30

喉 半 ( m) 道 径 μ

喉 半 ( m) 道 径 μ

有效应力下致密砂岩孔喉半径较粗部分对孔喉分布贡献值减少, 有效应力下致密砂岩孔喉半径较粗部分对孔喉分布贡献值减少, 孔喉分布半径较细部分贡献值比例增加 30

不同有效应力单面进汞致密砂岩孔隙结构变化
1000
盒2

1000
山1

100

100

毛管压力 MPa

10

毛管压力 MPa

10

1 D15-23A(5MPa) D15-30A(15MPa) 0.1 D15-34B(25MPa)

1

D15-59B(5MPa)
0.1

D15-68B(15MPa) D15-76A(25MPa)

0.01 100

80

60

40

20

0

0.01 100

80

60

40

20

0

SHg(%)

SHg(%)

随有效应力增加, 随有效应力增加,毛管压力曲线整体上向右向上偏移量增大 ;相同 汞饱和度条件下,随有效应力增加,对应进汞毛管压力值增大, 汞饱和度条件下,随有效应力增加,对应进汞毛管压力值增大,表 明随有效应力增大, 明随有效应力增大,进汞变得越来越困难 31

单面进汞与四面进汞Pc10 单面进汞与四面进汞Pc10对比 Pc10对比
空白框为四面进汞, 空白框为四面进汞,颜色框为单面进汞

单面进汞Pc10明显高于四面进汞 随单面进汞有效应力增加, Pc10明显高于四面进汞, 单面进汞Pc10 明显高于四面进汞,随单面进汞有效应力增加, 差值越来越大
32

单面进汞与四面进汞孔隙度对比
5MPa 15MPa 25MPa 四面 单面

25 20 孔隙度 % 15 10 5 0 6A 23A 39B 42C 59B 9B 30A 48B 68B 15B 34B 40B 52C 55B

样品号

单面进汞下储层岩石孔隙度比四面进汞均低, 单面进汞下储层岩石孔隙度比四面进汞均低,表明加围压条件 下岩石孔喉空间被压缩
33

76A

3、孔隙结构参数对有效应力变化的响应 、
大于0.2μm孔喉比例 大于0.2μm孔喉比例 0.2μm

空白框为四面进汞, 空白框为四面进汞,颜色框为单面进汞

单面压汞孔喉半径> 单面压汞孔喉半径>0.2?m的比例比四面压汞小,随着有效应力的增加, 的比例比四面压汞小,随着有效应力的增加, 差距越来越明显
34

单面进汞与四面进汞孔喉参数对比
岩 样 D15-6A D15-6A*(5MPa) a D15-9B D15-9B*(15MPa) a D15-15B D15-15B*(25MPa) a D15-23A D15-23A *(5MPa) a D15-30A D15-30A*(15MP) D15-34B D15-34B*(25MPa) a D15-59B D15-59B*(5MPa) a D15-68B D15-68B*(15MPa) a D15-76A D15-76A*(25MP) +10.7 - -29.29 -1.31 +16.48 +14.3 +70.85 -15.29 -4.97 +21.42 +18.1 +13.86 -11.98 -3.47 - +8.53 - -54.63 +1.38 +3.28 +10.9 +13.77 -28.1 +2.45 +22.7 -4.03 +11.69 -8.69 -3.72 +14.61 +9.1 +40.53 -9.63 -22.16 - +2.29 +50.3 -9.93 -8.19 +13.07 +1.41 +21.44 -5.32 -8.15 +14.22 排驱压力 增加(%) 增加 中值压力 增加(%) 增加 最大进汞饱 和度降低(%) 和度降低 >0.1?m孔喉 孔喉 半径降低(%) 半径降低 <0.0183?m孔喉 孔喉 半径增加 (%)

35

汇报提纲
1、引 言 、 2、应力敏感性实验评价 、 3、孔隙结构参数对有效应力变化的响应 、 4、变围压条件致密砂岩力学性质研究 、 5、成组裂缝宽度变化计算机模拟 、 6、岩心造缝模拟应力实验法裂缝宽度求取 、 7、加载岩石微观图像分析系统裂缝宽度量测 、 8、结 论 、
36

4、变围压条件致密砂岩力学性质研究 、
实验目的: 实验目的:观察围压致密砂岩力学参数变化特征 实验设备:美国进口的 型三轴岩石测试系统( 实验设备:美国进口的GCTS-RTR-1000型三轴岩石测试系统(西南 - 型三轴岩石测试系统 石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室) 石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室) 实验内容:用围压不断增加的三轴压缩变形试验来研究致密砂岩力学 实验内容: 参数变化 实验程序如下: 实验程序如下: (1)对应每块岩样设定围压点为3,5,10,15,20,30,40,50MPa 对应每块岩样设定围压点为3 10,15,20,30,40,50MPa 40MPa围压阶段设定加载速率为 (2)3~40MPa围压阶段设定加载速率为1KN/M,50MPa设定加载速率为 40MPa围压阶段设定加载速率为1KN/M,50MPa设定加载速率为 2KN/M (3)对应每个设定围压点测量弹性模量及泊松比 (4)在50MPa下测量岩样的弹性模量、泊松比及抗压强度 50MPa下测量岩样的弹性模量、 MPa下测量岩样的弹性模量
37

变围压致密砂岩全应力应变特征
250 Sd MPa) Sd(

200

150

100

50

0 -0.03

0.22

0.47

0.72

0.97

1.22

1.47

1.72

Ea(%)
38

变围压致密砂岩应力应变直线段斜率特征
60 3MPa 50 Sd Sd(MPa) 5MPa 10MPa 15MPa 40 y = 292.3x + 24.1 20MPa 30 30MPa 40MPa 20 y = 330.9x + 24.8 y = 318.1x + 32.4 y = 145.8x + 6.4 y = 191.6x + 7.6 y = 239.1x + 10.9 y = 266.4x + 17.7

10

0 -0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

Ea ( % )

随围压增加,直线斜率经历了快速增加-增加减慢- 随围压增加,直线斜率经历了快速增加-增加减慢-斜 率下降几个阶段

39

致密砂岩变形模量与围压的关系
60000
变形模量 变形模量(MPa )

50000 40000 30000 20000 10000 0 0 10 20 30 40 50

1 2 3 5 6 7 8

60

围 压 ( M P a)

整体上随围压增加, 整体上随围压增加,变形模量增大

40

不同围压阶段致密砂岩泊松比
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 10 20 30 40
围压(MPa)

1 2 3 5 6 7

泊松比

50

60

随围压增加, 随围压增加,泊松比增大

41

变围压与常规恒定围压力学参数对比
实验项目 恒定围压和孔压 三轴常温 变围压三轴常温 恒定围压和孔压 三轴常温 变围压三轴常温 恒定围压和孔压 三轴常温 变围压三轴常温 恒定围压和孔压 三轴常温 变围压三轴常温 层 位 盒3 盒3 盒1 盒1 山2 山2 山1 山1 围压 (MPa) 48.0 23.6 41.5 17.5 41.0 14.5 50.0 22.8 孔隙压 力(MPa) 24.4 0 24.4 0 26.5 0 27.2 0 净围压 MPa) (MPa) 23.6 23.6 17.1 17.1 14.5 14.5 22.8 22.8 *均 E(MPa) E( 18925 31205 19555 32005 18785 33311 16955 34489 *均 ? 0.16 0.14 0.22 0.16 0.21 0.12 0.26 0.18

相同“净围压”条件下,变围压下的杨氏模量大、 相同“净围压”条件下,变围压下的杨氏模量大、泊松比 小

42

不同围压阶段致密砂岩形变特征
围压值( 围压值(MPa) ) 特 征 <15 变形阶段 塑性- 塑性-弹性 15~30 弹性- 弹性-塑性 30~40 塑 性 50 破 裂

应力应 快速增加 变斜率 变形模量值 快速增加 变化特征 新裂缝大量产生, 新裂缝大量产生, 微裂缝状态 微裂缝快速闭合 微裂缝闭合完成 少量新微裂缝产生 形成贯通裂缝 应力敏感性 渗透率快速下降 渗透率特征 43 渗透率下降减缓 — — 增加减慢 稳定或开始减小 渐减或速减 增加减慢 稳定或开始减小 渐减或速减

5、成组裂缝宽度变化计算机模拟 、
在进行数值模拟时首先作出如下基本假设: 在进行数值模拟时首先作出如下基本假设: 1)假设地层岩石为各向同性 2)假设裂缝面为*面 3)假设地层岩体为弹性变形体 4)假设致密岩石的渗透率为零
44

单条裂缝宽度变化数值模拟
z
垂 裂 直 缝 E F A B

σv
D C

p2 E

D

P2
井 眼

P1
垂 直

p1

p
地 层

裂 缝 面

F
? P

y o x

p A
?p P

B

C

单条天然垂直裂缝空间实体模型

单条天然垂直裂缝1/4 单条天然垂直裂缝1/4网格力学模型 1/4网格力学模型
45

垂直裂缝

井眼

地层

单条垂缝不同压差沿裂缝位置裂缝宽度预测曲线
0.40 0.35 裂缝宽度mm 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 100 200 300 400 500 500mm 1MPa 2MPa 3.5MPa 5MPa 7.5MPa 10MPa 0.7 裂缝宽度mm 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 200 400 600 800 1000 1000mm 1MPa 2MPa 3.5MPa 5MPa 7.5MPa 10MPa

沿裂缝长度mm

沿裂缝长度mm

1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 400

2 000mm

裂缝宽度mm

1MPa 2MPa 3.5MPa 5MPa 7.5MPa 10MPa

3000mm 1.6 裂缝宽度mm 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

1MPa 2MPa 3.5MPa 5MPa 7.5MPa 10MPa

800

1200

1600 沿裂缝长度mm

2000 0 600 1200 1800 2400 3000 沿裂缝长度mm

46

随压差增加,裂缝宽度变大,相同压差下裂缝越长, 随压差增加,裂缝宽度变大,相同压差下裂缝越长,宽度变化越大

成组天然垂直裂缝空间实体 成组天然垂直裂缝空间实体模型及网格力学模型 实体模型及网格力学模型
P2 E D

F

P1

P

G P A P

B

C

与井筒连通两条垂直天然裂缝实体模型及1/4网格力学模型
P2 E D

G

H

P1

F P A P B C

连通井筒与层内4条垂缝*行且具有一定间距成组天然垂 连通井筒与层内4条垂缝*行且具有一定间距成组天然垂缝数空间实体及1/4网格力学模型

与井筒连通两条垂缝随正压差增加宽度变化

压差越大, 压差越大,宽度变化越大 裂缝越长, 裂缝越长,宽度变化越大

48

与层内垂缝*行具一定间距连通井筒缝宽度变化

间距越大,宽度变化越小;相同间距, 间距越大,宽度变化越小;相同间距, 长度越长, 长度越长,宽度变化越大

49

成组裂缝与单条裂缝宽度变化对比
1.6 裂缝宽度 裂缝宽度(mm) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 500 1000 1500 沿裂缝位置(mm) 2000
1MPa(单条) 3.5MPa(单条) 10MPa(单条) 1MPa(成组) 3.5MPa(成组) 10MPa(成组)

整体上,相同压差、 整体上,相同压差、相同长度条件下单条裂缝宽度变化值比成组 裂缝宽度变化值小, MPa压差下成组裂缝宽度变化是单条裂缝 压差下成组裂缝宽度变化是单条裂缝9 裂缝宽度变化值小,在1MPa压差下成组裂缝宽度变化是单条裂缝9 压差越大, 倍,压差越大,成组裂缝与单条裂缝相比宽度值增加幅度越大
50

6、岩心造缝模拟应力实验法裂缝宽度求取 、
岩心观察法裂缝宽度求取 未 充 填 缝

充 填 缝
51

岩心观察法裂缝宽度求取
(%)
30 25 20 15 10 5 0

百分比(%)

40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.01 0.05 0.1 0.5 裂缝宽度(mm) 1

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0 4.5

5.0

( mm)

未充填缝宽度统计

充填缝宽度统计

没有完全裂开的未充填缝宽度范围为0.5~50mm,其中 , 没有完全裂开的未充填缝宽度范围为 0.5~20mm之间裂缝较多 之间裂缝较多 充填缝缝宽度分布为0.1~1mm,其中 充填缝缝宽度分布为 ,其中0.1mm附*比例较多 附*比例较多 52

铸体薄片裂缝宽度求取
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1-3 3-5 5-7 7-10 10-13 百分比(%)

n=106

13-15

15-20

裂缝宽度(?m)

铸体薄片微裂缝特征

铸体薄片微裂缝宽度统计

铸体薄片观察微裂缝宽度为2~40?m,主要分布区间在2~10?m之间 ,主要分布区间在 铸体薄片观察微裂缝宽度为 之间
53

20-30

6、岩心造缝模拟应力实验法裂缝宽度求取 、
裂缝宽度与渗透率关系理论模型 Huitt、Parsons、Long等人对裂缝宽度与渗透率之间关系的*行板理 Huitt、Parsons、Long等人对裂缝宽度与渗透率之间关系的*行板理 论模型进行了大量研究

Kf

e 3 cos 2 α = 12 D

基于*行板理论模型,室内实验沿基块长轴造垂缝进行实验模拟,模型如下: 基于*行板理论模型,室内实验沿基块长轴造垂缝进行实验模拟,模型如下:

得到室内实验裂缝宽度渗透率计算公式为: 得到室内实验裂缝宽度渗透率计算公式为:

e = 3 3πDKf

54

渗透率(10 -3 um 2 )

60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 3 5 6
裂缝宽度(um)

25 20 15 10 5 0

1 2 3 4 5 6

0

5

10

15

20

25

30

35

40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 有效应力(MPa)

有效应力 (MPa)

渗透率与有效应力的关系

裂缝宽度与有效应力的关系

随有效应力增加裂缝渗透率值不断降低 随有效应力增加宽度不断变小
55

7、加载岩石微观图像分析系统裂缝宽度量测
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验 室最新研制了与CT 机配套使用的中低压岩土渗流试验装置 室最新研制了与

56

西南交通大学工程地质实验室最新研制了与SEM配套使用的刚 配套使用的刚 西南交通大学工程地质实验室最新研制了与 性加载岩石力学试验装置能够对加载裂缝宽度变化进行测量

57

—光电三维面形自动测试系统法 光电三维面形自动测试系统法

58

1

2

自制岩心加载微观图象分析系统 59

有效应力增加裂缝宽度压缩图像观测

3M P a

5M P a

10M P a

15M P a

20M P a

随着围压的增加, 随着围压的增加,裂缝宽度不断变小
60

1
80
未 压 加

100 90

2
未 压 加

70 裂缝宽度(um) 60

3MPa

80 裂缝宽度(um)
3MPa

5MPa 10MPa

70
5MPa

50
15MPa

60 50 40 30

10MPa 15MPa 20MPa

40 30 20

20MPa

20
10

10
0
0 0 0.35

0
2 0.70
1.05 4 1.40

61.75

8

0 0

1 0.4

20.8

3 1.2

4 1.6

5

沿 缝 置 m 裂 位 ( m)

沿 缝 置 m 裂 位 ( m)

不 同 围 压 下 裂 缝 宽 度 (?m ) 样 1 2 号 0 MPa 52.01 65.04 3M Pa 32.88 32.59 5MPa 26.20 25.57 10M Pa 20.54 17.32 15M Pa 14.39 9.80 20M P a 10.02 6.18

随着有效应力的增加, 随着有效应力的增加,裂缝不断闭合 初始加压阶段裂缝闭合快,有效应力超过15MPa后裂缝的闭合趋势减缓, 后裂缝的闭合趋势减缓, 初始加压阶段裂缝闭合快,有效应力超过 后裂缝的闭合趋势减缓 61 与渗透率随有效应力变化趋势一致

岩心模拟应力实验与图像观测裂缝宽度对比
35

35 30 观测值 观测值(um) 25 20 15 10 5 0 0 5

样品1

样品2

观测值(um)

30 25 20 15 10 5 0 y = 2.71x - 15.2 R2 = 0.95

y = 2.20x - 12.6 2 R = 0.98

10

15

20 25 计算值(um)

0

5

10

15 20 计算值(um)

图像观测法与应力敏感性实验法裂缝宽度具有很好的线 性相关性,相关系数R 达到0.95以上 以上 性相关性,相关系数 2达到
62

岩心模拟应力实验与图像观测裂缝宽度对比
样 1 品 有 应 效 力 透 M ( Pa) 观 宽 (?m) 渗 率 -3 2 测 度 (10 ?m ) 3 32.88 26.081 5 26.20 20.504 10 20.54 11.236 15 14.39 6.157 20 10.02 3.374 样 2 品 观 宽 测 度 渗 率 透 -3 2 计 宽 (?m) 算 度 (?m) (10 ?m ) 32.59 14.814 16.53 25.57 11.487 15.18 17.32 7.681 13.28 9.79 2.819 9.51 6.18 1.204 7.16

计 宽 算 度 (?m) 19.96 18.42 15.07 12.33 10.09

图像观测证明了岩心造缝模拟应力敏感性实验法求得的裂缝宽度的可行性

63

8 、结 论
提出了应力敏感性系数评价法和基于原地有效应力渗透率损 害率评价法 应力敏感性系数评价方法反映了原地储层整体应力敏感程度, 应力敏感性系数评价方法反映了原地储层整体应力敏感程度, 可进行不同区块、 可进行不同区块、不同层位之间应力敏感性强弱对比 与常规四面进汞相比,单面进汞和对应有效应力增加时, 与常规四面进汞相比,单面进汞和对应有效应力增加时,毛 管压力曲线排驱压力及中值压力增大、 管压力曲线排驱压力及中值压力增大、最大注入汞饱和度量 降低、孔喉分布中值半径偏粗部分比例减少、 降低、孔喉分布中值半径偏粗部分比例减少、偏细部分比例 增加
64

8 、结 论(续1 )
围压不断增加的三轴压缩变形实验结果表明, 围压不断增加的三轴压缩变形实验结果表明,随 围压增加致密砂岩杨氏模量及泊松比测量值增大 计算机数值模拟技术能够对较大尺度岩体中与井 筒连通成组裂缝宽度变化及裂缝尖端破裂压力进 行预测 正压差条件下钻井完井, 正压差条件下钻井完井,与井筒连通的成组裂缝 比单条裂缝宽度张开程度大, 比单条裂缝宽度张开程度大,连通井筒裂缝尖端 破裂压力比单条裂缝尖端破裂压力小
65

8 、结 论(续2 )
应用岩心造缝模拟应力实验法能够间接的得到有效应力下 裂缝宽度参数, 裂缝宽度参数 , 原地有效应力条件下计算得到裂缝*均宽 度为地面观测宽度的1 度为地面观测宽度的1/5~1/10 岩石微观图像分析系统直接观测得到的有效应力下的裂缝 宽度与模拟岩心应力实验法测量渗透率计算得到的裂缝宽 度具有良好的一致性 已经完成酸蚀岩样应力敏感性、 已经完成酸蚀岩样应力敏感性、工作液固相侵入岩心应力 敏感性、滤饼形成时裂缝宽度变化等研究, 敏感性、滤饼形成时裂缝宽度变化等研究,将陆续发表

66

南充校区龙井湖
67




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