华北平原蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储岩体原位环境下力学特性研究

Carbonates of the Wumishan Formation, Jixian System in the North China Plain: Mechanical properties under in-situ geothermal conditions

摘要

碳酸盐岩在热储层高温高压原位环境下的物理力学特性不清楚,导致井壁稳定性评估缺乏准确数据与机理支撑。以蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储层岩石为研究对象,沿地层延展方向寻找合适的露头进行取样。在确保岩性、成分和地质年代与现场钻井岩心一致的基础上,研究了高温高压下碳酸盐岩力学特性演化规律与温度作用机理。得到以下结论:温度的升高使碳酸盐岩的强度阈值随围压的增长速度变缓。当围压由40 MPa增加至60 MPa时,在室温下峰值强度增加了15.9%,而在150 ℃下峰值强度仅增加了7.9%。在110 ℃后,摩擦角随温度的增加而减小,黏聚力随温度的增加而增加。碳酸盐岩力学特性随温度变化的机制是温度诱导的增强效应和损伤效应共同作用的结果。在本文研究的温度范围内,温度不会导致碳酸盐岩矿物成分发生化学变化,但会引起不同矿物颗粒间的不均匀热膨胀,导致晶间热应力增加,温度对碳酸盐岩力学特性的作用机理主要以热膨胀导致矿物颗粒间微裂缝压密为主。成果将为华北平原碳酸盐岩热储层的井壁稳定性分析提供准确数据与研究基础。

关键词

华北平原 / 碳酸盐岩 / 蓟县系雾迷山组 / 岩石力学 / 高温

Key words

North China Plain / carbonate / Wumishan Formation / Jixian System / rock mechanics / high temperature

0 引言

由于传统化石能源会对生态系统造成严重污染,现有的能源结构已经不符合中国经济可持续发展的需求,以地热能为代表的绿色可再生能源迎来重大发展机遇。华北平原由西向东依次发育有冀中坳陷(北部)、临清坳陷(南部)、沧县隆起、黄骅坳陷和埕宁台拱等构造单元,凹凸相间的构造格局和多级断裂,构成了地热流体良好的导水导热通道^[1-2],仅以华北平原中低温地热资源开采100年为期计算,人们实际利用的热能不到深部岩层(包括热储层流体、岩石骨架和非热储层)热能的万分之一^[3],深部热储具有巨大的开发潜力。华北平原的深部热储层岩性以上部的砂岩储层和下部的碳酸盐岩储层构成,相较于砂岩孔隙热储,碳酸盐岩热储具有储水能力强、热储量大、易开发等优点,使得碳酸盐岩热储成为深层地热能开采的重点目标储层^{[4⇓⇓⇓⇓-9]}。而碳酸盐岩物理力学特性的研究,对碳酸盐岩储层井壁稳定性评估分析具有重要意义,是碳酸盐岩热储高效开发研究工作中的关键一环^[10-11]。

目前国内外学者针对碳酸盐岩物理力学性质开展了相关研究工作并取得了一系列重要成果。Vajdova等^[12]通过常规三轴和扫描电镜分析研究了碳酸盐岩破坏的微观结构演变过程;黄真萍等^[13]对加温遇水冷却后的碳酸盐岩进行轴向压缩试验和声波测试,研究不同高温遇水冷却岩样的表观形态和力学性质的变化情况,并分析力学与声学性质的关系;Rajabzadeh等^[14]确定碳酸盐岩类别和孔隙度对不同成因(沉积、成岩和变质)碳酸盐岩的物理力学性质的影响; Palchik^[15]建立了非均质碳酸盐岩大轴向应变下应力—应变关系模型的半解析方程;潘林华等^[16]研究了围压、孔隙压力动态变化对碳酸盐岩力学性能的影响;Nouailletas等^[17]对碳酸盐岩岩体被酸液侵蚀后的力学特性进行了直剪试验研究。以上研究中的试验工况多为高温或高压单独作用环境,若要准确获取碳酸盐岩的物理力学参数,需要尽量还原碳酸盐岩热储层的高温高压共同作用环境。而目前缺乏高温高压环境下的碳酸盐岩物理力学数据,高温高压下碳酸盐岩物理力学特性演化规律与温度作用机理不清楚,导致井壁稳定性评估缺乏准确数据与机理支撑。碳酸盐岩热储开发中井壁坍塌频发的工程问题,极大增加了碳酸盐岩热储的开发难度。

综上所述,在高温高压共同作用环境中研究碳酸盐岩物理力学参数对地热能高效开发具有重要意义,而涉及的相关文献与数据较少,有必要开展相关的室内试验研究。为此,本文针对华北平原碳酸盐岩热储层典型靶区——河北献县,取得与目标碳酸盐岩储层岩性一致的蓟县系雾迷山组碳酸盐岩露头岩样,研究了目标热储层岩石在高温高压共同作用环境下的力学特性,探讨了温度对碳酸盐岩力学特性的作用机理。研究成果将为华北平原碳酸盐岩热储层的高效开发利用提供数据与研究基础。

1 试样选取与试验方法

1.1 分析方法

华北平原是一个大型中新生代的沉积盆地,基底由太古宇和古元古界经过褶皱变质形成的一套复杂变质岩系组成,盖层由中新元古界、古元古界和新生界两套沉积层组成,前者为海相碳酸盐岩,后者为陆相碎屑岩。献县科研基地位于河北省沧州市献县国营梅庄洼农场,是京津冀地热调查科技攻坚战(三区一点一线)的重要试验点。

献县地热田是华北地区最优质的地热田之一,2028年预计年地热水总开采量可达1 495×10⁴ m³,日可采量达4.09×10⁴ m³,占所在区域地热水可开采量的1/4。献县热储层可以分为两大热储层系,新近系明化镇组和馆陶组孔隙型热储层与基岩岩溶裂隙型热储层(图1^[18])。基岩岩溶裂隙型热储层主要分布于献县东部Ⅲ级构造沧县台拱的Ⅳ级构造单元献县断凸区,主要为中元古界蓟县系雾迷山组、杨庄组和高于庄组。其中蓟县系岩溶裂隙热储顶界埋深1 100~1 500 m,储厚比为15%~30%,热储厚度120~2 500 m,水温为90~100 ℃,3 000 m处地层温度为105~150 ℃^[18]。

蓟县系雾迷山组在华北平原有十分广泛的分布^{[19⇓⇓-22]},并且有大量地热开采工程将其作为目标储层。蓟县系雾迷山组根据岩石学特征可分为晶粒白云岩、颗粒白云岩、微生物白云岩、硅质白云岩和角砾白云岩,其中晶粒白云岩分布最为广泛^[23]。本文首先进行了井下岩心的XRD矿物成分分析,白云石含量为100%,为晶粒白云岩。由于现场岩心取样困难,数量少,本文在确保露头岩石的岩性、成分和地质年代与现场钻井岩心一致的前提下,进行地质考察后选取露头岩石进行试验。露头取样现场如图2所示,对取得的露头岩样进行了XRD矿物成分分析,矿物成分为100%白云石,为晶粒白云岩,与现场岩心鉴定报告结果相同。根据试验要求,室内试验需求的试样尺寸为50 mm×50 mm×100 mm,具体试样加工过程(图3)为:首先,选取符合试验要求的岩块,将岩块置于岩石取心机的托盘上;然后用岩石切割机将岩心切割成略厚的试件,方便下道工序进行打磨,在切割过程中需要注意将岩心固定牢固,避免切割过程松动对岩心造成损坏;最后,将切割好的岩石试件双面磨光,在打磨过程中随时对试件尺寸进行测量,保证打磨完成后试件尺寸符合要求。加工好的试样如图4所示。由于所取露头试样不可避免地包含天然裂缝,为获得准确的试验数据,挑选形状完整的碳酸盐岩试样,每组试验数据为3次试验的平均值。

1.2 试验设备与方法

为了研究高温高压共同作用环境下的碳酸盐岩力学特性,采用中国科学院武汉岩土力学研究所研发的实时高温真三轴试验系统进行了高温三轴压缩试验。该系统如图5所示,主要由真三轴加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统构成。该试验系统可真实模拟岩石在深部地层中的温度和三维应力共同作用下的环境。实时高温真三轴试验系统为三向独立刚性加载,最大主应力(σ₁)、中间主应力(σ₂)和最小主应力(σ₃)由伺服系统控制,最高可在460 ℃高温下进行多种应力路径试验^{[24⇓⇓-27]}。在50 mm×50 mm×100 mm的标准试样上,实时高温真三轴试验系统可施加的最高σ₂和σ₃为200 MPa,最高σ₁为1 000 MPa。共有36个加热棒分为4个单元插入加载板。在加载板和加载活塞之间放置导热系数为0.12 W/(m·K)的玻璃粉和云母片组成刚性保温板,防止热损失。LVDT用于测量试件在3个方向上的位移,以抵消添加刚性绝缘板后的测量误差。液压缸中的磁位移传感器的作用是在板材与试样不接触时提供位移信号。试样用薄铜带夹套,用耐高温铜粉润滑脂擦拭,以尽量减少端部摩擦效应。通过以上措施,保证本试验仪器可对试样施加稳定的温度应力共同作用环境。由于本文进行常规三轴压缩实验,不考虑中间主应力效应,默认σ₂=σ₃。由图6所示,试验过程中岩石试样位移由LVDT进行采集。根据献县地热工程中的地应力和温度,设置试验中围压变量为40、50和60 MPa,温度变量分别为室温和70、11、150 ℃。试验步骤具体如下:(1)在试样周围包裹减磨铜箔,安装试样并进行对中;(2)以应力控制模式进行预加载,在3个方向为试样同时施加静水压力至设定围压值;(3)以1 ℃/min加热至指定温度,并保温2 h;(4)切换σ₁方向为位移加载控制,以0.001 mm/min加载至试样破坏。

2 试验结果与分析

2.1 应力应变曲线

由于实时高温真三轴试验系统是全刚性真三轴试验机,可同时测得最大主应变(ε₁)、中间主应变(ε₂)和最小主应变(ε₃)。虽然本试验为常规三轴压缩试验,但由于岩石试样裂缝发育的非对称性,实际测得的ε₂和ε₃会呈现出不同的发展趋势。碳酸盐岩从受到偏应力至试样破坏后的过程,从应力应变曲线中(图7)可以大致分为以下5个阶段。(1)裂缝初始压密阶段:岩石的应力—应变曲线呈非线性上凹型,岩样内部裂缝、孔隙等微结构面闭合,而碳酸盐岩试样此阶段几乎不可见,说明碳酸盐岩结构致密,岩石骨架刚度较大。(2)弹性变形与裂缝稳定发展阶段:应力—应变曲线呈线性增长,变形主要为弹性应变和少量塑性应变。(3)裂纹稳定发育阶段:应力—应变曲线逐渐偏离线性阶段,并随轴向应力增长产生一定量的塑性应变,此阶段碳酸盐岩偏离线性阶段的程度较小。(4)裂纹非稳定发育阶段:应力应变曲线逐渐变缓,裂缝由随机分布逐渐向宏观裂纹过渡,裂纹的发展出现了质的变化,由于起裂过程中所造成的应力集中现象显著,即使施加的应力保持不变,裂纹仍会不断累积发展,直至汇集发展成为宏观裂纹,造成岩石的失稳破坏。(5)峰后破坏阶段:试样破坏后应力—应变曲线斜率变为负值。但高温高压环境下碳酸盐岩试样内部天然裂缝分布较为复杂,激活后无法获得规律的破坏形态。

由图8所示,碳酸盐岩破坏形态多样,有单斜面剪切破坏、X共轭剪切破坏、解体式破坏等。

这些不同破坏形式的产生主要与温度和围压共同作用下岩石内部微裂缝的演化机制有关。单斜面剪切破坏通常是由于围压较高,岩石沿着一个主剪切面发生滑动和破裂所致。X共轭剪切破坏则是岩石内部存在多个交叉的剪切应力,导致形成两个相互交叉的剪切面,最终形成破裂面。解体式破坏多见于高温高压条件,岩石内部存在大量天然微裂缝和孔隙,在高温条件下热膨胀效应使微裂缝进一步扩展并相互贯通,最终导致岩石整体结构失稳而解体。温度升高引起的热膨胀和微裂缝压密效应在不同破坏形式中起着不同的作用,导致碳酸盐岩在高温高压环境下表现出复杂的破坏行为。

2.2 强度阈值

地热钻井井壁围岩的强度劣化可能会导致井壁失稳,造成钻井报废。而岩石强度劣化始于微裂纹的起裂(起裂强度σ_ci),并最终导致井壁围岩在低于σ_p的应力水平(损伤强度σ_cd)下发生破坏。因此岩石的σ_ci、σ_cd和σ_p被称为3个重要的强度阈值,是岩石压缩过程中不同破坏阶段的分界点^[28]。本文采用侧向应变响应 (LSR) 法^[29]分析计算得出岩石试样的σ_ci和σ_cd由体积应变的拐点确定。由于在σ_cd处,侧向应变(LSR)显著增加,LSR法是基于监测从静水压力开始加载到σ_cd的过程中ε₃的变化而获得σ_ci的。具体步骤如下:由图9所示,在(σ₁-σ₃)—ε₃图中,作从σ_d开始到零应力的参考线,评估ε₃和参考线之间的差值,该差值最高处为σ_ci。

碳酸盐岩的强度阈值如图10所示。在σ₃=40和50 MPa时,150 ℃下的σ_p均高于室温下的σ_p。σ₃=60 MPa时,除110 ℃下的σ_p略有降低,其他温度下的σ_p值变化不大。因此,在围压较低的情况下,高温会使碳酸盐岩试样的σ_p增大。σ_ci和σ_cd作为裂纹发育程度的指标,更能反映温度对碳酸盐岩力学特性的影响。不同温度下围压对碳酸盐岩强度阈值的影响不一致。如在70 ℃下,σ_ci在σ₃=40和60 MPa时分别为235.7和326.2 MPa,增加了38.4%。而在150 ℃下,σ_ci在σ₃=40和60 MPa时分别为252.3和265.2 MPa,仅增加5.1%。温度的升高使碳酸盐岩的强度阈值随围压的增长速度变缓。在室温下,σ_cd占σ_p的96.9%~97.7%,裂纹非稳定发育阶段在应力应变曲线中的占比仅为3%左右。而在150 ℃下,σ_cd占σ_p的91.0%~94.9%。以上数据说明,在高温下碳酸盐岩试样具有更高的裂纹非稳定发育阶段占比。

2.3 剪切强度

井壁稳定性的评估计算取决于井壁围岩强度准则。因此本文采用Mohr-Coulomb强度准则,将碳酸盐岩强度阈值作为参数进行拟合,得到了不同温度下的碳酸盐岩剪切强度参数。

如图11所示,温度对碳酸盐岩的内摩擦角与黏聚力具有较大影响。在室温升至70 ℃时,碳酸盐岩的黏聚力降低,摩擦角增加。随着温度继续升高,摩擦角降低,而黏聚力则升高。

3 讨论

试验结果表明,碳酸盐岩的物理力学特性具有明显的温度和应力环境依赖性。在本文研究的温度和围压范围内,温度并不会对碳酸盐岩力学特性造成明显的劣化,但是温度的升高使碳酸盐岩的强度阈值随围压的增幅变小,并具有更高的裂纹非稳定发育阶段占比,对应的摩擦角与黏聚力也随温度发生明显变化。

碳酸盐岩力学特性随温度的变化是温度诱导的增强效应和温度诱导的损伤效应竞争的综合结果^[19]。在本文研究的温度范围内,温度不会引起碳酸盐岩矿物成分的化学反应或变化,温度引起的损伤效果主要是不同矿物颗粒间的不均匀热膨胀导致的晶间热应力引起的^[20]。由于蓟县系雾迷山组碳酸盐岩的矿物颗粒成分单一,在温度场分布均匀的情况下,内部温度梯度较小,因此温度导致的损伤效应较小。而温度导致的增强效应是由于实时高温下岩石矿物颗粒产生体积膨胀,随着碳酸盐岩试样温度均匀升高,碳酸盐岩矿物颗粒产生均匀热膨胀效应,造成内部微裂缝均匀压密效果,这与围压的增加导致岩石力学参数增加的机理相近。

图12为高温三轴压缩试验后碳酸盐岩试样断口形貌的扫描电镜(SEM)照片。即使经过了高温高压环境下的剪切破坏,碳酸盐岩矿物颗粒依旧排列紧密,没有发现明显的热损伤效应造成的沿晶破坏现象,这说明在本文温度与围压作用范围内,碳酸盐岩温度作用机理主要以热膨胀导致的微裂缝压密为主。在高温已经对岩石内部微裂缝具有一定压密效果的前提下,围压对碳酸盐岩强度阈值的增强效果在高温下减弱。因此,温度升高条件下,黏聚力先减小后增大的规律可以归因于温度对岩石内部微结构的不同影响。从室温到70 ℃阶段,温度导致的微裂隙扩展使黏聚力减小;而在高温阶段,热膨胀效应使微裂隙压密,增强了黏聚力。

4 结论

本文针对华北平原地热储层中广泛分布的蓟县系雾迷山组碳酸盐岩在恢复储层压力与温度的试验条件下进行三轴试验,主要结论如下。

(1) 恢复热储层的高温高压共同作用环境对准确获取碳酸盐岩力学参数十分关键。在本文研究的温度范围内,温度不会对围压作用下的碳酸盐岩力学强度产生明显的劣化作用,但会影响碳酸盐岩的强度参数随围压的变化规律及裂纹发育情况。温度的升高使碳酸盐岩的强度阈值随围压增长的速度变缓,导致碳酸盐岩在高温下更容易进入裂纹非稳定发育阶段。

(2)实验结果表明,碳酸盐岩的黏聚力随温度变化表现出先减小后增大的趋势。在温度从室温升高至70 ℃时,黏聚力降低;然而,当温度进一步升高至150 ℃时,黏聚力显著增加。这一规律表明,在高温条件下,热膨胀效应导致的微裂缝压密作用逐渐增强,从而使得黏聚力增加。这种现象在110 ℃后尤其明显。

(3) 碳酸盐岩力学特性随温度变化的机制是温度诱导的增强效应和损伤效应共同作用的结果。在本文研究的温度范围内,温度不会导致碳酸盐岩矿物成分发生化学变化,但会引起不同矿物颗粒间的不均匀热膨胀,导致晶间热应力增加。由于本文中碳酸盐岩矿物颗粒成分单一,温度场分布均匀,内部温度梯度较小,故温度导致的损伤效应较小。温度导致的增强效应主要是由于热膨胀引起的矿物颗粒体积膨胀和微裂缝压密,因此在高温条件下,尽管围压增加,但碳酸盐岩强度阈值的增强效果有所减弱。具体表现为在150 ℃时的高温条件下,围压从40 MPa增加至60 MPa时的峰值强度增幅显著降低,仅为7.9%,而在室温下,峰值强度增幅为15.9%。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52179114)

国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目(2023YFE0112900)