苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩储层力学性质及影响因素研究

苏北盆地金湖凹陷阜宁组砂岩储层力学性质及影响因素研究

李亚男

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 山东东营 257000

摘 要：在油气田的开发中，储层岩石力学在其中起到非常重要的作用。以苏北盆地金湖凹陷古近系阜宁组砂岩储层为基础，通过岩石力学的实验分析，使用多种方法对阜宁组的岩性、温度、流体及围压与砂岩力学性质的关系进行了分析，并研究了其中各个因素产生的影响。

关键词：阜宁组砂岩储层；苏北盆地；力学性质；影响因素

岩石力学在油气田的开发领域中得到了较好的应用。阜宁组砂岩储层是苏北盆地金湖凹陷主要的开发层系，关于储层力学性质的影响因素主要包含地层环境因素和岩石固有属性。而在油气田的开发中，由于人为因素的加入，使得其中的因素发生动态变化，岩石的力学性质进一步复杂化。对阜宁组的砂岩储层使用多种方法获取到砂岩力学参数，然后分析多个因素对力学性质的影响，借助实验的结果能够对油气田开发带来启示。

1.概况

在苏北盆地的西南部位为金湖凹陷，凹陷以南临接杨村断裂，以北偏西主要为斜坡带过渡至建湖隆起，属于东北-西南走向的箕状断陷湖盆。关于金湖凹陷的构造演化，其中经历了断拗、断陷、拗陷这几个阶段，而且又受多个构造事件的影响，形成了汊涧、龙岗、三河、汜水等次级凹陷。金湖凹陷地层自下而上发育有浦口组、赤山组、泰州组、阜宁组、戴南组、三垛组、盐城组和东台组。其中，主要的开发层系为阜宁组，储层埋深大多为1-3km，岩性主要为粉砂岩和细砂岩。

2.岩石力学实验

2.1单轴压缩实验

为了能够了解阜宁组砂岩的岩性对力学性质的影响，主要利用单轴压缩实验对砂岩的相关力学参数进行收集，同时借助于X光衍射技术和光学显微镜对砂岩中黏土矿物、碳酸盐胶结物、矿物碎屑等的含量进行计算。砂岩的样品主要从多个岩心中获取，进行相应的实验，以获取实验结果。另外，在不同的温度条件下进行实验，主要是结合苏北盆地坳陷口井测温资料中显示的阜宁组地温范围，在实验时选择的温度条件分别为：25℃、60℃、100℃、140℃、180℃。实验中对应力应变的变化情况进行统计。变化曲线如图1所示。

图1 阜宁组砂岩在不同温度条件下的应力应变曲线

再者，在不同的流体条件下进行实验，为了能够确保实验结果的准确性，在实验的过程中需要对真空饱和时间进行严格的控制。阜宁组地层水主要为碳酸氢钠型，在进行实验时使用19g/L的碳酸氢钠溶液替代地层水，由于阜宁组不同时期的油水比例不同，因此实验时对不同油水比例下的样品进行单轴压缩实验。

2.2三轴压缩实验

这一实验主要是对砂岩地层围压条件展开模拟，结合金湖凹陷地层压力的实际测量结果可以得知，阜宁组砂岩储层的围压范围为9.57-29.37MPa，因此在实验中分别设置围压条件为：10MPa、20MPa、30MPa，在多个口井中取实验样品进行实验。

3.砂岩储层力学性质影响因素分析

3.1岩性

关于岩性对阜宁组砂岩储层力学性质的影响，首先从粒度进行分析。依照实验的结果可以得知，粒径在减小时，砂岩的刚度和强度也是存在降低趋势，出现了粒径软化情况。然而由于砂岩的力学参数具有较高的离散性，相同粒度下的砂岩力学性质也会存在一定的差别。另外是从矿物成分进行分析。在阜宁组砂岩储层中，石英所占据的比例最大，其余还有长石类型、岩屑，岩屑主要为火山岩岩屑和沉积岩岩屑。依照实验结果可知，石英含量在提升时，砂岩的弹性模量和单轴抗压强度也提高，其中抗压强度高低排序为石英-长石-岩屑。阜宁组砂岩中的黏土矿物的均值含量为3.4%，在实验中发现，黏土矿物含量在25%以内时，砂岩力学性质和黏土矿物含量具有相关性，矿物含量在增加时，砂岩弹性模量和单轴抗压强度下降。再者从胶结物分析。阜宁组砂岩中的胶结物主要为碳酸盐，其中的均值含量大概8.6%，其分布主要是以离散状存在于粒间孔隙中。依照实验结果可知，在增大碳酸盐胶结物的含量时，砂岩的弹性模量和单轴抗压强度也增大。

3.2温度

从实验中发现，温度条件在100℃时，砂岩的弹性模量和单轴抗压强度开始出现下降，而实验中的温度不连续，因此100℃作为砂岩力学性质发生改变的临界值。所以分析温度对砂岩力学性质的影响时，主要分为两段式。在25℃-100℃时，温度和弹性模量、单轴抗压强度存在正比关系，在100℃-180℃时，存在反比关系。从具体的影响因素来讲，温度对其影响主要表现在孔隙度、微结构以及水分脱出。由于温度变化会使矿物颗粒发生涨缩效应，因此会对砂岩力学性质产生影响。温度上升时，矿物颗粒会产生热应力，在温度达到热开裂温度之前，热应力低于矿物强度极限，热膨胀效应会使砂岩孔隙度降低。同时，温度达到热开裂阈值、热应力达到矿物极限时，矿物颗粒会出现裂缝，导致砂岩发生微结构变化。温度升高会使水分脱出，砂岩硬化，使得砂岩的刚度和强度增加。

3.3流体

砂岩孔隙流体产生的影响主要表现为压力作用、部分饱和作用以及化学作用。砂岩受到孔隙流体的作用，其力学性质会受有效应力的控制，在流体压力提高时，有效应力会下降，这时砂岩的强度会下降，反之则提高。另外，在孔隙中存在不少于两个的流体时，会发生部分饱和作用，两相流体会出现毛细管压力差，砂岩储层具有较好的孔隙渗透性时，毛细管力较低，部分饱和作用对砂岩力学性质的影响较小。化学作用的影响主要是由于砂岩储层受到人工措施的干预，砂岩矿物化学平衡被破坏，作用于胶结物形态和大小、砂岩颗粒表面等，进而对砂岩强度产生影响。

3.4围压

通过三轴压缩实验可以得知，在围压升高时，阜宁组砂岩储层的弹性模量和抗压强度都有增大的趋势。而且从应力变化曲线中发现，在轴向应力没有达到峰值时，围压升高，会使砂岩的抗压强度提高，在到达30MPa时，砂岩会从脆性转变到延性。

结束语：

综上所述，对砂岩储层力学性质产生影响的因素主要有岩性、温度、孔隙流体、围压等。其中岩性因素起到决定性作用，温度所产生的影响具有分段性。通过分析不同因素对阜宁组砂岩储层力学性质的影响，能够为油气田开发带来一定的启示。

参考文献：

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