砂礫巖壓縮破壞形態(tài)及影響因素分析

郝紅永， 徐常晫， 郭晟豪， 李 雅， 楊興渝，周 偉， 嚴(yán)印強(qiáng)

( 1. 中國(guó)石油礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000； 3. 中國(guó)石油新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000； 4. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249 )

0 引言

砂礫巖油藏在中國(guó)分布廣泛且儲(chǔ)量巨大[1-2]，尤其是近年發(fā)現(xiàn)新疆瑪湖10億噸級(jí)礫巖油田，砂礫巖油藏的改造開發(fā)成為研究熱點(diǎn)[3-5]。砂礫巖儲(chǔ)層一般具有巖性和滲透率變化大、孔隙度低、連通性差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，開發(fā)難度較大[6-9]。為實(shí)現(xiàn)砂礫巖儲(chǔ)層的高效開發(fā)，人們對(duì)砂礫巖的物理、力學(xué)性質(zhì)開展研究。利用天然露頭或人工巖樣開展物理實(shí)驗(yàn)是常用的儲(chǔ)層性質(zhì)研究方法?；谖锢韺?shí)驗(yàn)，趙益忠等[10]、孟慶民等[11]分析礫石顆粒、應(yīng)力差等因素對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響。MA X等[12]在砂礫巖壓裂實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水力裂縫與礫石顆粒相交后的4種擴(kuò)展模式：止礫、穿礫、繞礫和吸引，與李連崇等[13]通過數(shù)值計(jì)算得到的研究結(jié)果一致。砂礫巖儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，礫石的強(qiáng)度、彈性模量、形狀等參數(shù)影響水力裂縫的擴(kuò)展[14]。RUI Z等[15]建立砂礫巖水力裂縫擴(kuò)展流動(dòng)—應(yīng)力—損傷耦合模型，研究礫石性質(zhì)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響。砂礫巖組成方式特殊，礫石和基質(zhì)性質(zhì)多樣，使砂礫巖具有復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)[16]。砂礫巖內(nèi)礫石、基質(zhì)等組成部分的斷裂性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致砂礫巖水力裂縫不規(guī)則延伸和施工壓力波動(dòng)，羅攀等[17]提出基于斷裂韌性的砂礫巖水力裂縫延伸方向判斷方法。馬東東等[18]開展不同粒徑分選性砂礫巖的水力壓裂實(shí)驗(yàn)，分析圍壓和粒徑分選性對(duì)砂礫巖水力裂縫破裂機(jī)制的影響，影響效果受壓裂液濾失和注射能的共同控制。魯文婷等[19]采用地質(zhì)—地應(yīng)力—壓裂耦合的模擬方法建立三維數(shù)值模型，對(duì)瑪湖油田致密礫巖油藏壓裂開展數(shù)值模擬研究，分析壓裂施工后礫巖儲(chǔ)層裂縫形態(tài)及地應(yīng)力變化規(guī)律。砂礫巖力學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)裂縫起裂、轉(zhuǎn)向等力學(xué)行為具有明顯影響[20]?；赗FPA方法，孫元偉等[21]開展砂礫巖單軸壓縮數(shù)值模擬，分析礫石尺寸及力學(xué)性質(zhì)變化對(duì)巖心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的影響。砂礫巖等粒狀巖石材料具有顆粒破碎的特性[22]，顆粒破碎產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形是粒狀巖石材料抗剪強(qiáng)度非線性變化的主要原因，同時(shí)加載應(yīng)力水平越高，顆粒破碎現(xiàn)象越顯著?；谌S壓縮實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線，分析礫石粒徑對(duì)砂礫巖脆性的影響[23]，含大粒徑礫石的砂礫巖存在大量弱膠結(jié)面，力學(xué)強(qiáng)度更低，基于能量演化的脆性指數(shù)也明顯低于小粒徑礫石為主的巖樣。此外，儲(chǔ)層改造過程對(duì)砂礫巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)鉆井液處理的砂礫巖的抗壓強(qiáng)度大幅下降，脆性表現(xiàn)更加明顯[24]。

這些研究主要集中于討論砂礫巖的宏觀水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律及影響因素，有關(guān)砂礫巖的破壞特征及各因素的影響機(jī)制認(rèn)識(shí)不清。基于巖石力學(xué)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，筆者應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，建立考慮砂礫巖復(fù)雜組成結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，研究砂礫巖壓縮破壞形態(tài)特征，分析圍壓、礫石粒徑和分布、弱膠結(jié)界面及巖樣尺寸等因素對(duì)砂礫巖壓縮破壞規(guī)律的影響，為砂礫巖儲(chǔ)層改造提供參考。

1 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備及方法

應(yīng)用巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)，可進(jìn)行復(fù)雜條件下的單/三軸壓縮、抗拉、三點(diǎn)彎、疲勞和蠕變實(shí)驗(yàn)，從而開展砂礫巖壓縮破壞形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)機(jī)參數(shù)：最大軸向壓力為1 000 kN，最大圍壓為140 MPa，軸向壓力控制精度為50 N，圍壓控制精度為10 kPa，軸向/徑向變形控制精度為0.001 mm。

實(shí)驗(yàn)所用巖樣取自新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)塊深度為6 000 m的地層，將取得的巖石加工成Ф25 mm×50 mm的圓柱形樣品。在整個(gè)巖樣的高度方向上，直徑誤差不超過0.3 mm，端面平整度控制在0.05 mm以內(nèi)；端面垂直于巖樣軸線，最大偏差不超過0.25°；巖樣在干燥箱內(nèi)烘干處理。

首先將砂礫巖樣固定在夾具上，按順序安裝徑向、軸向引伸計(jì)；然后將夾具置于實(shí)驗(yàn)機(jī)指定位置并連接傳感器。實(shí)驗(yàn)加載過程中采用等側(cè)壓三軸壓縮加載方式，先施加圍壓到指定載荷，再進(jìn)行軸向加載，直到巖樣發(fā)生破壞；軸向加載采用變形控制，加載速率為0.02 mm/min。

1.2 力學(xué)特征

選取10組巖樣開展三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，其中2組為砂巖、8組為砂礫巖，樣品信息及實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。巖樣中砂巖、砂礫巖的抗壓強(qiáng)度相近；泊松比主要分布在0.18～0.21之間，砂巖彈性模量較砂礫巖的低18%左右；增大圍壓(10 MPa)可提高巖石抗壓強(qiáng)度5%～12%。

表1 樣品信息及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

三軸壓縮實(shí)驗(yàn)后，砂巖(見圖1(a-b))和部分砂礫巖(見圖1(c-f))的破壞形態(tài)為單條傾斜的剪切裂縫，裂縫面與軸向夾角為23°～34°。砂巖均質(zhì)性較強(qiáng)，破壞面與軸向傾角約為33°。對(duì)于粒徑較小的砂礫巖，單一貫穿破壞面與軸向夾角為23°～32°(見圖1(c-d、f))。含單個(gè)大礫石的砂礫巖形成的主要貫穿破壞面與軸向夾角為34°(見圖1(e))。

圖1 砂巖、砂礫巖樣品三軸壓縮實(shí)驗(yàn)裂縫形態(tài)Fig.1 Fracture morphologies of sandstone and conglomerate after triaxial compression experiments

對(duì)于礫石粒徑分布范圍較大的砂礫巖巖樣，壓縮產(chǎn)生的宏觀破壞面不規(guī)則，且與軸向夾角大于常規(guī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宏觀破壞面甚至接近水平(見圖1(g-j))。主要原因是礫石粒徑分布范圍大，以及礫石與基質(zhì)間界面膠結(jié)強(qiáng)度低。砂礫巖在三向應(yīng)力作用下易沿礫石邊界發(fā)生破壞，不會(huì)穿過礫石而形成貫通的單個(gè)破壞面。礫石粒徑和分布變化較大時(shí)，宏觀的破壞面反映差應(yīng)力作用和礫石膠結(jié)面影響，形成的破壞面宏觀上不規(guī)則。同時(shí)，圍壓影響砂礫巖破壞面形態(tài)，隨圍壓增加，礫巖破壞面趨于規(guī)則，表明圍壓增加強(qiáng)化差應(yīng)力對(duì)宏觀破壞面的影響。

砂礫巖壓縮產(chǎn)生的不規(guī)則破壞形態(tài)區(qū)別于常規(guī)的單一貫穿裂縫，導(dǎo)致砂礫巖儲(chǔ)層性質(zhì)及改造規(guī)律與一般儲(chǔ)層的存在較大差異，在儲(chǔ)層開發(fā)的施工設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮影響因素。

2 砂礫巖數(shù)值模型

2.1 有限元數(shù)值模型

砂礫巖中礫石、界面等組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過實(shí)驗(yàn)獲取砂礫巖的力學(xué)特征參數(shù)，以及砂礫巖產(chǎn)生不規(guī)則破壞形態(tài)的特性。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元軟件，建立考慮砂礫巖復(fù)雜組成結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對(duì)影響因素開展三軸壓縮數(shù)值模擬。

泰森多邊形是對(duì)空間平面的一種剖分，在有限元軟件中，通過隨機(jī)生成泰森多邊形將模型分為若干區(qū)域，劃分結(jié)果能夠模擬礫石結(jié)構(gòu)；采用全局嵌入Cohesive單元的方式刻畫砂礫巖的界面特征，實(shí)現(xiàn)砂礫巖壓縮破壞的仿真模擬。Cohesive單元即內(nèi)聚力單元，常應(yīng)用于膠結(jié)界面和巖石裂縫等結(jié)構(gòu)的模擬，力學(xué)性質(zhì)滿足線彈性關(guān)系[25]：

s=Ee,

(1)

式中：s為單元牽引力；e為單元應(yīng)變；E為單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

對(duì)于模型中Cohesive單元以外的材料，彈性部分由線彈性模型定義，塑性部分由Mohr-Coulomb塑性模型定義。Mohr-Coulomb塑性模型的屈服面函數(shù)[25]為

F=Rmcq-ptanφ-c=0,

(2)

(3)

設(shè)定砂礫巖模型尺寸(Ф25 mm×50 mm)，基于壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定模型的巖石力學(xué)參數(shù)：彈性模量為30.00 GPa，泊松比為0.20，摩擦角為40°，膨脹角為30°，屈服強(qiáng)度為150 MPa。分別建立6個(gè)含有泰森多邊形的有限元計(jì)算模型，模擬砂礫巖的組成結(jié)構(gòu)變化(見圖2)。模型采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.3 mm×0.3 mm。網(wǎng)格劃分見圖2，其中綠色部分為實(shí)體單元，單元類型為CPE4；紅色部分為Cohesive單元，單元類型為COH2D4。通過改變泰森多邊形的數(shù)量實(shí)現(xiàn)泰森多邊形的大小變化，模擬不同礫石粒徑的3組砂礫巖，比較不同礫石粒徑的砂礫巖壓縮破壞形態(tài)差異(見圖2(a-c))；泰森多邊形數(shù)量相同，改變分布模擬不同的礫石分布，分析同尺寸礫石條件下礫石分布對(duì)砂礫巖破壞形態(tài)的影響(見圖2(c-e))；泰森多邊形數(shù)量、大小和分布相同時(shí)(見圖2(c、f))，改變部分Cohesive單元的性質(zhì)，模擬砂礫巖中存在天然裂縫或弱膠結(jié)界面的情況(見圖2(f))，研究砂礫巖破壞形態(tài)。Cohesive單元參數(shù)設(shè)置見表2。

圖2 砂礫巖模型及網(wǎng)格劃分示意Fig.2 Schematics of conglomerate models and meshes

表2 Cohesive單元參數(shù)設(shè)置

2.2 離散元數(shù)值模型

在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬中，砂礫巖巖樣尺寸固定，砂礫巖中存在不同粒徑的礫石，礫石與巖樣相對(duì)大小改變產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)可能影響砂礫巖的破壞形態(tài)。端部約束是巖石單軸壓縮強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)的原因之一[26]。對(duì)于砂礫巖等強(qiáng)非均質(zhì)巖石材料，組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是尺寸效應(yīng)的主導(dǎo)因素，尺寸效應(yīng)具有不同的表現(xiàn)形式?；陔x散元軟件PFC2D開展數(shù)值計(jì)算[27]，PFC2D模擬細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見表3。顆粒接觸采用平行黏結(jié)模型，對(duì)比不同幾何尺寸條件下砂礫巖三軸壓縮破壞形態(tài)，探討尺寸效應(yīng)對(duì)砂礫巖破壞形態(tài)的影響。

表3 PFC2D模擬細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

3 壓縮破壞形態(tài)

采用建立的6組砂礫巖模型，對(duì)不同圍壓條件下的砂礫巖進(jìn)行三軸壓縮數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見表4。分別研究圍壓、礫石粒徑和分布、弱膠結(jié)界面及巖樣尺寸對(duì)砂礫巖壓縮破壞形態(tài)的影響。

表4 砂礫巖三軸壓縮數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 影響因素分析

3.1.1 圍壓

由表4可知，圍壓為30 MPa時(shí)，模型1在低圍壓條件下產(chǎn)生2條傾斜裂縫；隨圍壓升高(60～90 MPa)，破壞形態(tài)趨向于單一規(guī)則裂縫，表明圍壓增加能夠增強(qiáng)差應(yīng)力對(duì)砂礫巖破壞的控制作用。

3.1.2 礫石粒徑

對(duì)比相同圍壓條件下模型1-3的計(jì)算結(jié)果，得到礫石粒徑對(duì)砂礫巖壓縮破壞形態(tài)的影響：礫石粒徑較小(模型1)時(shí)，模型性質(zhì)接近均質(zhì)材料，宏觀破壞形態(tài)不受礫石影響，產(chǎn)生與砂巖等巖石材料相似的規(guī)則貫穿破壞面，與相同條件的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(見圖1(c-d、f))；中等粒徑的砂礫巖(模型2)破壞形態(tài)在一定程度上受礫石影響，產(chǎn)生3條宏觀傾斜裂縫，但局部破壞形態(tài)類似于小粒徑砂礫巖的，破壞面規(guī)則且與軸向夾角約為40°；含大粒徑礫石的砂礫巖(模型3)破壞形態(tài)在宏觀上表現(xiàn)為單條不規(guī)則傾斜裂縫，大粒徑礫石對(duì)裂縫形態(tài)的影響顯著，裂縫迂曲度高。

3.1.3 礫石分布

模型3-5中泰森多邊形(礫石)數(shù)量相同，礫石粒徑變化范圍相同，通過改變模型中礫石分布分析砂礫巖破壞形態(tài)。3組模型壓縮破壞后整體上產(chǎn)生傾斜破壞面，其中模型3為單條裂縫且迂曲度較高，模型4-5各產(chǎn)生2個(gè)破壞面，局部裂縫形態(tài)差異大。砂礫巖中礫石的強(qiáng)度明顯高于膠結(jié)界面的，在外力作用下，巖樣破壞首先發(fā)生在膠結(jié)界面，整體上表現(xiàn)為砂礫巖傾向于沿礫石間的膠結(jié)界面發(fā)生破壞，砂礫巖破壞形態(tài)受礫石分布控制顯著。

3.1.4 弱膠結(jié)界面

砂礫巖壓縮破壞主要發(fā)生在膠結(jié)界面，改變模型3中部分Cohesive單元的參數(shù)，在模型中插入弱膠結(jié)界面，分析弱膠結(jié)界面/天然裂縫等結(jié)構(gòu)對(duì)砂礫巖破壞形態(tài)的影響。低圍壓(30 MPa)條件下，弱膠結(jié)界面主導(dǎo)砂礫巖的壓縮破壞形態(tài)，模型6與模型3的破壞形態(tài)存在較大差異，巖樣沿預(yù)置的弱膠結(jié)界面發(fā)生破壞，宏觀破壞面與軸向載荷夾角較大，接近70°(見表4)，與圖1(e)異常裂縫形態(tài)相似；隨圍壓增加(60～90 MPa)，砂礫巖處于壓緊狀態(tài)，三向應(yīng)力作用使弱膠結(jié)界面強(qiáng)度提高，與常規(guī)界面差異減小，弱膠結(jié)界面對(duì)砂礫巖破壞形態(tài)的控制作用減弱，砂礫巖破壞重新受控于礫石粒徑和分布。

在三軸壓縮數(shù)值模擬過程中，砂巖等巖石材料先產(chǎn)生微破裂，隨機(jī)分布在巖樣的各個(gè)位置；隨加載的進(jìn)行，微破裂逐漸溝通并產(chǎn)生宏觀主裂縫，其余微破裂不再繼續(xù)發(fā)育；最終在差應(yīng)力作用下形成單一貫穿破壞面。砂礫巖巖樣具有相似砂巖的破壞過程，受礫石和膠結(jié)界面的影響，微破裂分散在礫石邊界，產(chǎn)生的裂縫軌跡與礫石邊界高度重合。

圍壓為30 MPa時(shí)，不同加載時(shí)刻模型6的裂縫形態(tài)示意見圖3，其中t為總加載時(shí)間。砂礫巖巖樣出現(xiàn)異常破壞形態(tài)的過程：在三向應(yīng)力作用下，砂礫巖巖樣首先于弱膠結(jié)界面發(fā)生局部破壞，產(chǎn)生常規(guī)傾斜裂縫(見圖3的裂縫1、2)；受礫石結(jié)構(gòu)影響，局部的傾斜裂縫未按原趨勢(shì)擴(kuò)展形成貫穿裂縫，隨加載時(shí)間推移沿礫石產(chǎn)生新的破壞，局部裂縫之間互相溝通，形成與常規(guī)剪切裂縫形態(tài)差異較大的不規(guī)則破壞面。

圖3 在不同加載時(shí)刻模型6裂縫形態(tài)示意Fig.3 Fractures morphology at different loading steps in model 6

3.2 巖樣尺寸效應(yīng)

應(yīng)用離散元軟件PFC2D建立兩種尺寸(25 mm×50 mm和125 mm×250 mm)的二維砂礫巖模型，開展三軸壓縮數(shù)值模擬，不同尺寸砂礫巖三軸壓縮破壞形態(tài)見圖4，兩種模型中礫石尺寸相同，礫石粒徑為3～7 mm，平均為5 mm，約為小尺寸模型寬度的。小尺寸(25 mm×50 mm)模型的破壞形態(tài)(見圖4(a))與圖1(j)的相似，在礫石的影響下產(chǎn)生復(fù)雜的不規(guī)則宏觀破壞面，破裂面與軸向夾角較大，甚至接近垂直；大尺寸(125 mm×250 mm)模型的壓縮破壞形態(tài)(見圖4(b))更接近砂巖，整體上為單條貫穿裂縫，迂曲度低，礫石影響不明顯，在局部區(qū)域(見圖4(b)藍(lán)色虛線內(nèi))能夠觀察到與小尺寸巖樣相似的破壞特征。

砂礫巖的破壞形態(tài)存在尺寸效應(yīng)，主要與礫石粒徑與巖樣尺寸的比例相關(guān)：礫石相對(duì)巖樣直徑較大時(shí)非均質(zhì)性明顯，砂礫巖巖樣主要沿礫石邊界發(fā)生破壞，產(chǎn)生的裂縫形態(tài)主要受礫石分布控制；當(dāng)巖樣直徑擴(kuò)大到礫石粒徑的25倍時(shí)，礫石、弱膠結(jié)界面等結(jié)構(gòu)尺寸整體上相對(duì)較小，僅能在巖樣局部區(qū)域產(chǎn)生影響，對(duì)宏觀破壞形態(tài)的控制作用有限，使砂礫巖整體的非均質(zhì)性降低，宏觀破壞形態(tài)趨于規(guī)則破壞面。砂礫巖的復(fù)雜組成導(dǎo)致礫石、弱膠結(jié)界面等結(jié)構(gòu)對(duì)破壞形態(tài)的影響存在尺寸效應(yīng)，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮影響因素。

圖4 不同尺寸砂礫巖三軸壓縮破壞形態(tài)(PFC2D)Fig.4 Triaxial compression fracture morphologies of conglomerate with different sizes(PFC2D)

4 結(jié)論

(1)基于三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立考慮砂礫巖復(fù)雜組成結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析砂礫巖的壓縮破壞特征及影響因素。砂礫巖產(chǎn)生的破壞形態(tài)與砂巖等細(xì)粒沉積巖差異較大，其裂縫形態(tài)不規(guī)則、迂曲度高，破壞面與軸向夾角大，甚至出現(xiàn)接近水平的宏觀破壞面。

(2) 砂礫巖的破壞形態(tài)主要受圍壓、礫石粒徑和分布、弱膠結(jié)界面等因素的影響：隨圍壓的增加，差應(yīng)力對(duì)宏觀破壞面的控制作用增強(qiáng)，弱膠結(jié)界面的影響降低，砂礫巖破壞形態(tài)趨于規(guī)則；礫石粒徑的增加導(dǎo)致礫石分布和弱膠結(jié)界面對(duì)破壞形態(tài)的影響更顯著，砂礫巖產(chǎn)生不規(guī)則破壞形態(tài)。

(3)砂礫巖壓縮破壞形態(tài)存在顯著的尺寸效應(yīng)：巖樣尺寸相對(duì)礫石尺寸較小時(shí)，砂礫巖產(chǎn)生復(fù)雜的不規(guī)則破壞面；巖樣直徑達(dá)到礫石粒徑的25倍時(shí)，圍壓、礫石粒徑和分布、弱膠結(jié)界面等因素的影響降低，宏觀上砂礫巖趨向于產(chǎn)生單條貫穿破壞面。在實(shí)際工程中，需結(jié)合研究對(duì)象與礫石的相對(duì)尺寸討論各因素對(duì)砂礫巖破壞的影響。