摘要
四川灯影组已成为中国石化在四川盆地天然气增储上产、提升国家能源安全保障力度的重要层系。由于对超深层高温灯影组白云岩力学特性认识尚不清楚,常导致白云岩井壁失稳问题。通过开展25(室温)、100、150、180、200和220 ℃条件下白云岩的单轴抗压强度实验,揭示了白云岩单轴力学强度特征和变形特征。灯影组白云岩在一定温度范围内(100~220 ℃)将随着温度升高而表现出明显的脆性增强,认为这是灯影组白云岩峰值强度随温度升高而降低的原因。基于应变等效原理,建立了高温后灯影组白云岩损伤变形本构模型。对比研究表明:由本构模型绘出的应力-应变曲线与实验实测曲线对比,模型结果与实际情况吻合较好,模型能够充分反映不同温度下的灯影组白云岩损伤过程;该模型能够很准确地表征白云岩在不同温度下其强度参数和变形参数,可以为井筒稳定性分析提供更科学、更严格的模型,提高了重点区域超深—特深复杂地层地质认识及钻完井复杂故障防控能力。
四川盆地超深层油气资源丰富,是中国石化油气勘探开发的重点区域。多年来,中国石化通过对四川盆地超深层油气持续勘探评价,对震旦系灯影组地层有了新发现,在普光、元坝和川西等地先后发现深层海相碳酸盐岩大气田。目前,该地区已成为中石化增加天然气产量、增强国家能源安全的重要一环。四川盆地震旦系灯影组地层主要由硬脆性白云岩组成,其埋藏深,地质条件复杂,温度超过160
岩石的强度特性直接决定井壁的承载力,岩石的应力状态是研究井壁稳定性的基
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图1 灰岩在拉伸和压缩实验中随温度及围压变化下的脆韧性过渡图
Fig.1 Brittle toughness transition diagram of limestone under temperature and confining pressure changes in tensile and compression experiments
(据文献[
国内外大量研究表
目前鲜有学者开展高温后四川震旦系灯影组白云岩力学特性研究,对超深层高温高应力灯影组白云岩力学特性认识尚不清楚。特别是前人普遍认为高温后岩石强度峰值应变是增加的,这与超深层白云岩井壁发生脆性失稳现象相悖。以上制约着四川盆地超深层油气勘探开发进程,不利于钻井工程提速增效。本文通过对不同高温处理后的白云岩进行常规单轴压缩试验,研究灯影组白云岩应力-应变曲线,白云岩强度参数和变形参数随温度的变化规律;岩石本构模型是岩石力学研究的重要组成部分,采用Lemaitre提出的应变等价性原理,建立白云岩在单轴压缩条件下具有明确的物理意义的损伤本构模型,为井筒稳定性分析提供更科学、更严格的模型,提高重点区域超深—特深复杂地层地质认识及钻完井复杂故障防控能力。
本次实验加热设备采用LH-9245A型电热恒温干燥箱,温度测量精度为±1 ℃,加热速率为10 ℃/min,最高加热温度为1200 ℃。本次单轴压缩实验采用TerraTek岩石力学三轴应力测试系统(

图2 TerraTek岩石力学三轴应力测试系统
Fig.2 TerraTek rock mechanics triaxial stress testing system
本次实验所用岩心取自四川省广元市的灯影组白云岩露头。

图3 灯影组白云岩露头取样现场
Fig.3 Sampling site of Dengying Formation dolomite outcrop
针对超深层温度环境,采用LH-9245A型电热恒温干燥箱对白云岩进行高温处理,温度分别设为25(室温)、100、150、180、200和220 ℃,升温速率设为10 ℃/min。前人研究指出岩心在预设温度保温超过2 h便使岩样内部温度和其表面温度接
通过TerraTek岩石力学三轴应力测试系统分别得到25(室温)、100、150、180、200和220 ℃条件下白云岩的单轴抗压峰值强度,取各个温度点所对应峰值强度的平均值后绘制白云岩单轴抗压峰值强度随温度的变化关系图(
(1) |
式中:——白云岩的单轴抗压峰值强度,MPa;——温度,℃。

图4 灯影组单轴抗压峰值强度随温度的变化关系
Fig.4 Relationship between the peak uniaxial compressive strength of the Dengying Formation and temperature variation
白云岩在一定温度范围内(25~220 ℃)单轴抗压峰值强度随温度的升高逐步弱化,该岩石类型的峰值强度特征与前人所做花岗岩、大理岩、砂岩等岩石的强度变化特征明显不同,其原因值得探究。
为了研究25(室温)、100、150、180、200和220 ℃条件下白云岩的单轴抗压峰值应变随温度的变化关系,取各个温度点所对应峰值应变的平均值后绘制白云岩单轴抗压峰值应变随温度的变化关系图(

图5 灯影组单轴抗压峰值应变随温度的变化关系
Fig.5 Relationship between uniaxial compressive peak strain and temperature in the Dengying Formation
(2) |
式中:——白云岩的单轴抗压峰值应变;——温度,℃。
此外,为了后续建立高温后白云岩损伤变形本构模型,灯影组单轴抗压初始弹性模量随温度的变化关系图也得到了绘制(

图6 灯影组单轴抗压初始弹性模量随温度的变化关系
Fig.6 Relationship between the initial elastic modulus of uniaxial compression and temperature in the Dengying Formation
(3) |
式中:——白云岩初始弹性模量;——温度,℃。
从实验结果可以得知,当温度超过100 ℃时,白云岩单轴抗压峰值应变随温度升高而降低,即白云岩在一定温度范围内(100~220 ℃)将随着温度升高而表现出明显的脆性增强。正是由于白云岩高温后峰值变形减小的特征增加了井壁瞬时崩塌风险。
通过统计平均法建立岩石细观损伤规律与宏观损伤规律之间的关系,可以反映岩石的宏观力学性质。细观统计损伤力学建立了细观损伤和宏观损伤之间的联系,统计理论在其中起到纽带作用。统计损伤中的“损伤”是指岩石中含有具有直观的几何形状的各种孔洞和微裂纹,由于损伤的存在降低了材料承受载荷的能力,从而弱化了岩石的力学性能。
1971年,Lemaitre提出了应变等效原理(
(4) |
式中:——无缺陷材料产生的应变;——含缺陷材料产生的应变。

图7 Lemaitre应变等价性原理示意
Fig.7 Schematic diagram of Lemaitre strain equivalence principle
作用在含缺陷材料和理想无缺陷材料上的所受的载荷F是一样的。无缺陷材料的有效应力为:
(5) |
式中:S——材料的横截面积。
作用在缺陷材料上的名义应力为:
F/S | (6) |
(7) |
弹脆性损伤材料的本构关系可表示为:
(8) |
式中:——材料加载时的轴向应力;D——损伤变量;E——材料弹性模量常数。
假设白云岩损伤变量与轴向应变的演化方程形式可表述为一元二次方程:
(9) |
式中:a、b、c——拟合常数。
(10) |
式中:A、B、C——待定常数。
对
(11) |
当时,通过
(12) |
当加载应力达到峰值强度点时,应力和应变分别为和,此时应力-应变曲线达到极限点,切线模量为0,分别由
(13) |
联立
(14) |
由
(15) |
上
将白云岩单轴峰值强度σc随温度T的响应关系
(16) |
为了验证本文提出的高温后灯影组白云岩损伤变形本构模型的准确性,对比室内白云岩单轴压缩实验实测的变形曲线进行分析。首先,根据实验数据,计算获取各岩样的初始切线模量;其次,分别统计各试样的峰值强度和峰值应变;最后,代入

图8 不同温度条件下灯影组白云岩单轴抗压实验测试曲线和模型计算曲线对比
Fig.8 Comparison of uniaxial compressive test curves and model calculation curves of Dengying Formation dolomite under different temperature conditions
由
(1)灯影组白云岩在一定温度范围内(25~220 ℃)单轴抗压峰值强度随温度的升高逐步弱化,其满足一元三次方程关系:。
(2)单轴压缩条件下,灯影组白云岩在一定温度范围内(100~220 ℃)将随着温度升高而表现出明显的脆性增强,二者之间满足一元三次方程关系:,这解释了灯影组白云岩的峰值强度弱化的原因。正是白云岩高温后峰值变形降低的特征增加了井壁瞬时崩塌风险。
(3)基于应变等效原理,建立了高温后白云岩损伤变形本构模型。该模型能够很准确地表征灯影组白云岩在不同温度下其强度参数和变形参数,可以为井筒稳定性分析提供更科学、更严格的模型,提高了重点区域超深—特深复杂地层地质认识及钻完井复杂故障防控能力。
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