天然裂缝对太原组灰岩变形及破坏的影响

杨尚儒; 罗森林; 解永刚; 古永红; 马占国; 凌衍森; 谭金淼; 赵博超; 刘利锋

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505584

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6370-6379 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505584

石油、天然气工业

天然裂缝对太原组灰岩变形及破坏的影响

杨尚儒 ¹^,² ,
罗森林 ³^,⁴^,^* ,
解永刚 ¹^,² ,
古永红 ¹^,² ,
马占国 ¹^,² ,
凌衍森 ³^,⁴ ,
谭金淼 ³^,⁴ ,
赵博超 ¹^,² ,
刘利锋 ¹^,²

作者信息 +

Influence of Natural Fractures on Deformation and Failure of Limestone in Taiyuan Formation

YANG Shang-ru ¹^,² ,
LUO Sen-lin ³^,⁴^,^* ,
XIE Yong-gang ¹^,² ,
GU Yong-hong ¹^,² ,
MA Zhan-guo ¹^,² ,
LING Yan-sen ³^,⁴ ,
TAN Jin-miao ³^,⁴ ,
ZHAO Bo-chao ¹^,² ,
LIU Li-feng ¹^,²

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摘要

鄂尔多斯盆地太原组灰岩气藏是天然气增储上产的重要接替领域,其中生屑滩和生物丘沉积微相是太原组灰岩的有利储集相带。为了支撑压裂改造优化工艺,明确天然裂缝对生屑滩和生物丘灰岩变形及破坏的影响规律,开展了0、10、20、30、40、50、60 MPa围压下的三轴压缩实验,建立了适用于生物丘灰岩弱面强度理论。结果表明:围压条件下剪胀扩容及天然裂缝剪切滑移是太原组灰岩的重要变形和破裂机制,并且在围压大于50 MPa后生屑滩灰岩产生了明显的剪切带,低于50 MPa形成剪切面;生屑滩天然裂缝力学性质强于基质,对灰岩力学性质具有强化作用,方解石填充是力学性质强化的根本原因;生物丘天然裂缝力学性质弱于基质,对灰岩力学性质具有弱化作用,基于弱面强度理论,角度在50°~80°的天然裂缝具备激活潜力。

Abstract

The Taiyuan Formation limestone gas reservoir in Ordos Basin is an important replacement area for gas accumulation and upper production, in which the bioclastic beach and biohummocks microfacies are favorable reservoir facies zones of the Taiyuan Formation limestone. In the process of fracturing, it is found that these two types of limestone develop structural high-angle fractures and have the conditions to form a complex fracture network of volume fracturing. To support the optimization process of fracturing and determine the influence law of natural fractures on the deformation and failure of bioclastic beach and biohummocks limestone, triaxial compression experiments were carried out under confining pressures of 0, 10, 20, 30, 40, 50 and 60 MPa, and the weak surface strength theory of biohummocks limestone was established. The results show that dilatancy and natural fracture shear slip are the important deformation and fracture mechanisms of the Taiyuan Formation limestone under confining pressure, and obvious shear zones occur in the bioclastic beach limestone when the confining pressure is greater than 50 MPa. The mechanical properties of natural fractures in the bioclastic beach are stronger than that of the matrix, which has a strengthening effect on the mechanical properties of limestone. The mechanical properties of natural fractures in biohummocks are weaker than that of the matrix, which has a weakening effect on the mechanical properties of limestone. Based on the weak surface strength theory, natural fractures with angles between 50° and 80° have activation potential in biohummocks limestone reservoirs. This study provides a theoretical basis for reforming limestone reservoir of Taiyuan Formation.

Graphical abstract

关键词

太原组灰岩 / 天然裂缝 / 力学性质 / 弱面强度理论

Key words

Taiyuan Formation limestone / natural fractures / mechanical properties / weak surface strength theory

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杨尚儒, 罗森林, 解永刚, 古永红, 马占国, 凌衍森, 谭金淼, 赵博超, 刘利锋. 天然裂缝对太原组灰岩变形及破坏的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6370-6379 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505584

YANG Shang-ru, LUO Sen-lin, XIE Yong-gang, GU Yong-hong, MA Zhan-guo, LING Yan-sen, TAN Jin-miao, ZHAO Bo-chao, LIU Li-feng. Influence of Natural Fractures on Deformation and Failure of Limestone in Taiyuan Formation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6370-6379 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505584

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2022年在鄂尔多斯盆地发现了第一个太原组灰岩气田——横山大气田,累计探明储量和预测储量超过2 000亿m³^[1-2]。储量的有效动用依赖压裂改造,借鉴碳酸盐岩储层的改造技术,太原组灰岩储层主体采用基质酸化、复合酸压、“深度酸压+大规模加砂压裂”等工艺^[3]。生屑滩、生物丘有利沉积微相是太原组灰岩储层形成的物质基础^[4],现场开发对策和改造方案主要围绕这两类沉积微相展开。前期的岩心观察、成像测井和矿场压裂等结果表明生屑滩和生物丘灰岩天然裂缝较为发育^[5-7],天然裂缝密度主要介于6~10条/m,激活并沟通天然裂缝进而形成复杂缝网是目前改造关注的重点问题^[3]。岩石力学性质是储层压裂改造的基础,影响压裂设计的准确性及改造效果。因此,亟需明确天然裂缝对灰岩岩石力学性质的影响,为太原组灰岩储层压裂提供理论指导。

文献[8 -10]表明,天然裂缝显著影响岩石强度和破坏形式。岩石在受到外部载荷时,天然裂缝周围首先会产生应力集中,这种应力集中效应导致岩石强度明显下降。此外,天然裂缝角度和力学性质对岩石整体的力学性质具有控制作用,Jaeger^[11]在1960年基于Mohr-Coulomb强度准则提出单一弱面强度理论,该理论详细给出了沿弱面破坏的角度及强度,被广泛用于页岩等弱面发育的岩石^[12-13]。天然裂缝的存在对裂缝的连通性和相互作用有重要影响,可以作为裂缝传递和扩展的路径,从而影响裂缝的发育和演化。新形成的人工裂缝可能会与天然裂缝相互交汇,形成更大范围的裂缝网络,增加了岩石在应力作用下的断裂路径^[14-15]。

目前对灰岩的力学性质和三轴压缩下的变形破坏特征已经开展了部分研究,但天然裂缝对灰岩力学特性的影响规律尚不清楚。三轴压缩下灰岩的破坏可以划分为四个阶段,其应力阈值随围压而增大^[16-18]。田勇等^[19]基于裂缝扩展程度影响弹性模量大小的情况,提出了裂缝发展系数F的概念,给出了3种围压下利用轴向应力求取F的经验公式,从而可以获得灰岩压缩破坏过程中各阶段的实际岩石力学参数,并且F的变化趋势决定了高围压时峰值强度附近出现塑性平台。常新科等^[20]分析了深部灰岩劈裂过程中声发射全波形演化特征,发现声发射高频信号主要与宏观层面上的矿物颗粒、结构面的滑移和分离相关,仅在灰岩临近完全断裂前出现。张俊等^[21]认为非压密参数是表征灰岩塑性的重要参数,可揭示灰岩由脆性向延性转变的机制。针对太原组灰岩,问晓勇等^[22-23]基于钻井岩屑表征了地层岩石力学性质,并且认为灰岩裂缝扩展过程中易形成分支缝。目前太原组灰岩储层开发处于起步阶段,储层岩石力学性质,尤其是天然裂缝的影响,仍有待进一步研究。

现采集真实井下岩心,针对生屑滩和生物丘灰岩开展了0、10、20、30、40、50、60 MPa围压下的三轴压缩实验,对比分析这两类灰岩的力学性质、破裂特征以及裂缝形态;基于Mohr-Coulomb强度准则,获取生屑滩和生物丘灰岩基质、天然裂缝的力学参数;基于单一弱面强度理论,建立生物丘灰岩的强度模型。研究结果可为太原组灰岩储层甜点区优选和压裂参数优化提供岩石力学支撑。

1 实验样品及实验方案

1.1 实验样品

灰岩样品采集于鄂尔多斯盆地太原组储层2 593~3 414 m深度范围。根据沉积微相划分方案,实验样品分为生屑滩灰岩和生物丘灰岩两大类型,如图1所示。生屑滩灰岩孔隙度在1.67%~6.23%,渗透率小于0.17 mD;生物丘灰岩孔隙度在0.81%~1.14%,渗透率小于0.01 mD。生屑滩沉积微相以生屑粉晶灰岩为主,天然裂缝发育,且被方解石填充,偶见硅质晶间孔,如图1(a)所示。生物丘沉积微相以藻黏结灰岩为主,发育天然裂缝,并且未被充填,如图1(b)所示。全岩矿物X射线衍射结果表明,太原组灰岩储层矿物成分以方解石,白云石和黏土矿物为主,其中方解石含量高达85%以上,白云石含量一般低于10%,黏土矿物含量一般低于5%。在正式开展实验前,样品在80 ℃的干燥箱中烘干24 h,以消除孔隙中的水分对力学性质的影响。

1.2 实验设备及方案

实验样品为φ25 mm×50 mm的圆柱体,实际样品的加工误差在±0.2 mm范围内。室内实验的围压设置为0、10、20、30、40、50、60 MPa,共14块样品。

实验设备采用中国石油大学(北京)电液伺服控制岩石三轴试验机(图2),其刚度大于1 000 kN/mm。样品应变利用两个轴向LVDT(linear variable displacement transducer)传感器和一个径向链条式LVDT传感器。在实验开始前,使用热缩管包裹实验样品以隔绝围压液体。正式开展实验时,为了防止样品与设备之间的虚接触对实验曲线产生影响,先以20 N/s的负荷控制方式进行加载,直到应力大于1 MPa时,加载速率转换为0.02 mm/min,直至样品发生破坏。加载速率满足准静态加载要求。

2 灰岩岩石力学性质及破裂特征

2.1 变形特征

在单轴压缩条件下,随着外部荷载的增加,天然裂缝表面的剪应力克服固有剪切强度以及摩擦力从而引起天然裂缝滑动,进一步产生附加应变,这在应力应变曲线上表现为变形突进,如图3(a)局部放大图所示。应力-应变曲线在峰值处迅速跌落,这表明单轴压缩下灰岩表现出明显的脆性特征。在施加围压后,由于围压对裂缝扩展的抑制作用,两种灰岩中的天然裂缝在峰值强度前均未出现明显的扩展迹象。随着围压增大,生物丘灰岩表现出显著的塑性特征,如图3(b)所示。如图3(a)所示,生屑滩灰岩在50 MPa和60 MPa围压下,应力应变曲线在峰值附近有较长的平直段,这表明50~60 MPa围压可能是生屑滩灰岩由脆性转化为韧性的临界围压。

2.2 破裂特征

如图4所示为生屑滩灰岩在不同围压下的破裂形态。整体来看,天然裂缝影响了裂缝扩展路径及最终裂缝形态。在0 MPa围压下,天然裂缝发生剪切滑移,形成了一条垂直于荷载方向的水平裂缝,轴向方向形成了一条拉伸劈裂裂缝,并且遇到时水平裂缝停止扩展,如图4(a)所示。在10 MPa围压下,天然裂缝的滑移伴随着另外一条裂缝的开启,如图4(b)所示。在30 MPa围压下,天然裂缝并未开启,样品的破裂是由剪切应力控制,如图4(d)所示。另外,由于30 MPa围压样品中的天然裂缝位于剪切裂缝的扩展路径上,二者的相互作用形成了局部的破碎带。20 MPa围压下,样品的破裂由内部的应力状态控制,完全遵循Mohr-Coulomb强度准则,如图4(c)所示。在40 MPa围压下,观察到天然裂缝剪切滑移,样品的破裂受到天然裂缝性质影响,如图4(e)所示。有趣的是,在50 MPa和60 MPa围压下,从破裂形态来看,生屑滩灰岩并不是简单的脆性剪切破裂均而是形成了剪切带,并且60 MPa围压下剪切带边界与天然裂缝局部重合,如图4(f)和图4(g)所示。这是由于生屑滩灰岩在高围压下塑性增强,变形更加趋向于局部塑性流动,而非脆性断裂。塑性流动区域的矿物颗粒发生破碎,加剧了应变局部化,从而促进剪切带的形成。

如图5所示为生物丘灰岩在不同围压下的破裂形态。在0 MPa围压下,样品发生轴向劈裂,如图5(a)所示。在10 MPa和40 MPa围压下,天然裂缝并未开启,样品破裂仍然由剪切应力控制,遵循Mohr-Coulomb强度准则,但是局部受到天然裂缝影响形成破碎带,如图5(b)和图5(e)所示。整体来看,天然裂缝和剪切裂缝共同形成了复杂的网状裂缝。在20 MPa围压下,两条天然裂缝都产生了剪切滑移,如图5(c)所示。在30 MPa围压下,两条共轭的裂缝共同导致了样品的破裂,一条是天然裂缝剪切滑移产生,另一条是剪切应力产生的剪切裂缝,并且在天然裂缝周围同样发现了破碎带,如图5(d)所示。在50 MPa围压下,生物丘灰岩的破裂模式属于典型的脆性压剪破裂,如图5(f)所示。在60 MPa围压下,样品的破裂明显是由天然裂缝的剪切滑移导致,如图5(g)所示。

为了准确描述天然裂缝对灰岩破裂模式的影响,在实验前后对60 MPa围压的样品开展了计算机断层扫描(computed tomography,CT),扫描精度为9.6 μm,扫描范围是样品几何中心一个直径为25 mm,高度为24 mm的圆柱区域。利用Avizo软件重构了天然裂缝和实验产生裂缝的三维空间形态。

灰岩在60 MPa高围压条件下,存在两类破坏形式。在生屑滩样品中产生了剪切带,天然裂缝未被激活,如图6所示。生物丘样品天然裂缝剪切滑移导致其周围形成剪切-拉伸复杂裂缝,其与天然裂缝共同构成了局部网状缝,如图7所示。如图8所示为三维裂缝形态,发现生物丘样品除了天然裂缝剪切滑移外还形成了一条倾斜的剪切面,这进一步增加了裂缝复杂性。总体来说,这两种破坏形式在储层改造过程中均有利于增大改造范围,提高裂缝导流能力。

3 灰岩破裂准则

3.1 基质破裂准则

太原组灰岩的破裂分为岩石基质破裂和沿天然裂缝破裂,这也就是说灰岩的力学性质由基质力学性质和天然裂缝力学性质共同控制。为了厘清这两种破裂机制,有必要分别开展应力状态分析。在本节中,分析了基质破裂时的临界应力状态。生屑滩和生物丘灰岩分别在20、30、50、60 MPa和0、10、40、50 MPa围压下破裂由基质力学性质主导,根据峰值应力和围压绘制了应力Mohr圆以及Coulomb包络线。

可以发现,生屑滩和生物丘灰岩破裂时具有不同的临界应力状态,如图9所示。生屑滩灰岩基质黏聚力c_o高达62.0 MPa,内摩擦角ϕ_o为31.7°;生物丘灰岩基质黏聚力为16.1 MPa,内摩擦角为48.8°。

基于Mohr-Coulomb强度准则,可以得到灰岩基质的破裂准则为

(1) τ=0.62σ+62.0, 生屑滩

(2) τ=1.14σ+16.1, 生物丘

式中:τ为破坏面上的剪应力,MPa;σ为破坏面上的正应力,MPa。

Mohr-Coulomb强度准则认为岩石的破裂要克服黏聚力和破坏面上的摩擦力。由式(1)和式(2)可以发现,生屑滩灰岩的黏聚力约为生物丘的3.85倍,但是在相同正应力条件下,生物丘破坏面上的摩擦力约为生屑滩的1.84倍。这些数据表明在低围压的条件下生物丘灰岩更容易达到破裂,而在高围压的条件下生屑滩灰岩更容易达到破裂。

应力Mohr圆与Coulomb包络线相切的时候,样品发生破坏,岩石的强度为

(3)σ_1max-σ₃=$\frac{2({\mathit{c}}_{\mathrm{o}}+{\mathit{\sigma }}_{3}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{\mathrm{o}})}{(1-\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{\mathrm{o}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}{\mathit{\beta }}_{\mathrm{o}})\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}2{\mathit{\beta }}_{\mathrm{o}}}$

式(3)中:c_o为基质的黏聚力,MPa;φ_o为基质的内摩擦角,(°);σ₃为围压,MPa;σ_1max为基质强度,MPa。

将生屑滩和生物丘灰岩基质的黏聚力和内摩擦角分别代入式(3)即可得到不同围压条件下基质强度为

(4) σ_1max-σ₃=2.22σ₃+222.6, 生屑滩

(5) σ_1max-σ₃=6.06σ₃+85.77, 生物丘

3.2 天然裂缝破裂准则

在采用Coulomb破裂包络线获取天然裂缝的黏聚力和内摩擦角时,为了提高计算精度,充分利用了天然裂缝倾角这一参数,具体计算过程如下:选取天然裂缝发生剪切滑移的样品,开展受力分析,将天然裂缝滑移时的轴向应力和围压转换为天然裂缝面上的正应力和剪应力,从而得到天然裂缝的Coulomb破裂包络线,进一步反演出黏聚力和内摩擦角,转化公式为

(6)τ=$\frac{{\mathit{\sigma }}_{1}-{\mathit{\sigma }}_{3}}{2}$sin2β

(7)σ=$\frac{{\mathit{\sigma }}_{1}+{\mathit{\sigma }}_{3}}{2}$+$\frac{{\mathit{\sigma }}_{1}-{\mathit{\sigma }}_{3}}{2}$cos2β

式中:β为天然裂缝倾角,(°);σ₁为轴向应力,MPa。

在生屑滩样品中,0、10、40 MPa围压下破裂沿着天然裂缝发生,相应的天然裂缝倾角是76°、86°和72°;在生物丘样品中,20 MPa围压下两条天然裂缝均产生剪切滑移,天然裂缝角度分别为73°和75°;30 MPa和60 MPa围压下破裂沿着天然裂缝发生,天然裂缝倾角分别是56°和58°。根据上述提出的方法将天然裂缝滑移时的轴向应力、围压以及天然裂缝倾角代入式(6)、式(7)即可获得Coulomb破裂包络线,如图10所示。

基于Mohr-Coulomb强度准则,可以得到天然裂缝的破裂准则为

(8) τ=1.41σ+11.3, 生屑滩

(9) τ=0.80σ+22.4, 生物丘

3.3 强度效应

整体上,生屑滩和生物丘灰岩的三轴抗压强度和弹性模量随围压的增加而增大,如图11所示。进一步分析发现,生屑滩灰岩在天然裂缝诱导破坏下,其三轴抗压强度和弹性模量反而较大,这表明生屑滩天然裂缝对力学参数具有强化作用。生物丘灰岩在天然裂缝诱导破坏下,其三轴抗压强度和弹性模量显著下降,天然裂缝对力学参数具有弱化作用。

如图12所示为生屑滩和生物丘灰岩基质和天然裂缝的力学性质。在围压条件下,生屑滩天然裂缝的库仑包络线在基质的上方;生物丘天然裂缝的库仑包络线在基质的下方。通过对力学参数和库仑包络线的综合分析,太原组灰岩天然裂缝分为两类:天然裂缝强化型和天然裂缝弱化型。生屑滩灰岩属于天然裂缝强化型,天然裂缝力学性质强于基质,天然裂缝强化了灰岩的力学性质;生物丘灰岩属于天然裂缝弱化型,天然裂缝力学性质弱于基质,天然裂缝弱化了灰岩的力学性质。

生屑滩天然裂缝被方解石填充是力学性质强化的根本原因,如图1(b)、图1(c)所示。方解石填充作用将原本不连续的力学薄弱面(裂缝)转化为一个与基质牢固结合的连续力学强化单元(方解石脉)。这一转化主要通过两个机制实现:①方解石晶体在结晶过程中会相互咬合形成致密的晶间联锁结构,该结构使得裂缝单元成为高强度单元,其抗压和抗剪能力均显著优于未充填裂缝;②方解石晶体以裂缝壁为核结晶,与灰岩基质中的方解石发生晶体延续生长,形成了牢固的化学键合。这两种作用机制共同确保了方解石充填裂缝与基质结合为一个完整的高强度岩石力学单元,使得应力能够在两者之间连续传递,从而整体增强了生屑滩灰岩的力学性质。

综上分析可知,生物丘灰岩符合弱面强度理论,该理论是对Mohr-Coulomb强度准则进一步补充。基于生物丘灰岩天然裂缝的黏聚力和内摩擦角,即可得到不同围压条件下沿天然裂缝破裂时的强度为

(10)σ₁-σ₃=$\frac{44.8+1.60{\mathit{\sigma }}_{3}}{(1-1.11\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathit{\beta })\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}2\mathit{\beta }}$

式(10)中:β的上下限计算公式为

(11)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{\beta }}_{1}=19.3+\frac{1}{2}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left[\frac{0.62({\mathit{\sigma }}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}+{\mathit{\sigma }}_{3}+56.1)}{{\mathit{\sigma }}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{\sigma }}_{3}}\right]\\ {\mathit{\beta }}_{2}=109.3-\frac{1}{2}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left[\frac{0.62({\mathit{\sigma }}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}+{\mathit{\sigma }}_{3}+56.1)}{{\mathit{\sigma }}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{\sigma }}_{3}}\right]\end{array}\right.$

如图13所示为生物丘灰岩在围压作用下的破坏强度以及天然裂缝激活角度范围。储层工况在40~60 MPa围压,角度在50°~80°的天然裂缝具备激活潜力。

4 结论

(1)单轴压缩下灰岩表现出明显的脆性特征。围压条件下剪胀扩容及天然裂缝剪切滑移是太原组灰岩的重要变形和破裂机制,生屑滩灰岩在围压大于50 MPa后产生了明显的剪切带。

(2)生屑滩灰岩基质黏聚力高达62.0 MPa,内摩擦角为31.7°,天然裂缝黏聚力高达11.3 MPa,内摩擦角为54.7°;生物丘灰岩基质黏聚力为16.1 MPa,内摩擦角为48.8°,天然裂缝黏聚力高达22.4 MPa,内摩擦角为38.6°。生屑滩天然裂缝由于被方解石填充,其力学性质强于基质;

(3)基于弱面强度理论,生物丘灰岩储层中,角度在50°~80°的天然裂缝具备激活潜力。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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