蒸汽辅助重力驱与地质力学分析报告.doc

蒸汽辅助重力泄油与地质力学 引言 最近在AEUB Chard Leismer Gas Over Bitumen听证会议期间，提出了各种有关蒸汽辅助重力驱（SAGD）技术方面的大量技术证据。它有别于上次介绍的与蒸汽辅助重力驱处理有关的地质学听证会（在Surmont）。本文的目的旨在提出地质力学概念的要点，以及论证地质力学对蒸汽辅助重力驱的设计和现场实际一致描述的重要所在。 概要 地质力学的本质主要是研究土壤力学。土壤力学被广泛应用于土木工程，特别是基础设计和土方工程。土壤是由未胶结的或是胶结差的矿物和/或岩石颗粒组成。然而遗憾的是，后者却往往被称作是“非胶结”的，尽管胶结和固结（因填充造成体积减缩）并没有直接的联系。 地质力学起着关键作用的基本范围包括： 1. 取样过程——特别是取心； 2. 评价常规地层特性，例如孔隙度和沥青、水，以及气饱和度； 3. 确定地层的渗透率； 4. 了解蒸汽辅助重力驱过程中地层内的机理； 5. 确定工作条件。 上述论点下面将予以详细讨论，首先初步介绍地质力学。 土壤力学 联锁结构 控制沥青砂的物理性质主要是砂粒结构。典型的沥青砂沉积中砂体就是颗粒呈水平状的长轴细粒。以往的深埋最终形成了联锁式的颗粒矩阵结构（注意与阿萨巴斯卡的上覆岩层相比，冰蚀并非是主要的载荷）。 受到载荷时，粒间特征有可能包括： 1. 超覆 2. 剪切 3. 旋转（滚动） 4. 位移（滑动） 5. 弹性变形 6. 挤压。 砂层被认定为不具有任何坚固的抗张强度。此外，确定颗粒材料的总体特征需要未受扰动的原始颗粒结构。到目前为止，还未开发出一旦砂粒结构受到扰动再将其复原的可靠方法。如果仔细注意的话，是有可能将这种损害现象降至最小限度的。 材料实验 土木工程上已开发出了两种确定砂粒强度的方法，即：（1）直接剪切装置; （2）三维单元。直接描述这些方法的情况见图1和图2。这些试验可以用两种根本不同的方式进行。第一种方式中，孔隙流体被排出，称为是“排放性试验”。第二种方法，孔隙流体不予排除，这种方法称作是“非排放性试验”。这对试验材料的性质有着很大影响。在非排放性试验中，孔隙压力开始会支撑住大部分增量载荷；在排放性试验中，孔隙压力在加载期间需要有足够的时间进行排放，排放的速度是渗透率的一个函数。 图1 图2 有效应力 为了解决孔隙压力的影响，有效应力的概念被开发出来。有效应力指的是总应力超出流体压力的部分。 σ’= σ - p ， 这里：σ’= 有效应力 σ = 总应力 p = 流体压力 图3 一般概念见图3。 典型反应 这类试验的结果见图4的左上侧。试验进行了变形控制，并标明了载荷的情况（否则材料变软时试验机会对岩样造成无法想象的破坏，并且无法支撑住更大 的载荷）。注意Δl表示变形，是仪器首次垂向（轴向）上的变形和仪表二次水平方向上的变形。Δh表示垂向上或圆周膨胀系数。在综合图上，松散砂岩与致密砂岩形成了明显差异。致密砂岩表现出了高峰值的特征，之后，它的承载能力呈下降趋势。 阿萨巴斯卡地区的McMurry地层是由致密砂岩所组成。在剪切完全出现失败以前，致密砂岩的砂粒接触必须克服除接触点摩擦以外的阻力。实际上岩石颗粒的一部分将成为更小的颗粒。因此，粒状结构永远变化，而过程却不会逆转。这个例证说明，应力达到最大值后载荷持续剪切力下降。注意，如果应力应变曲线的斜度随应变力下降的话，就叫做“应变软化”。 膨胀 图4的左下图显示出因剪切和膨胀引起的体积上的变化。致密砂岩结构膨胀 图4 图5 对提高孔隙度和渗透率产生影响。我们注意到，与致密砂岩接触的松散砂岩会使孔隙度和渗透率下降。 故障包络线 综合多种试验结果可以确定出一条故障包络线，称作“莫尔-库仑故障包络 线”。莫尔轨迹可用来确定应力作为任何平面上剪切和正应力的一个组合。莫尔 轨迹结构和故障标准见图5。 注意到这些方法均集中在砂体松散变形和支撑多大载荷方面。然而，我们对油藏工程上的目的兴趣不大。载荷以及有效应力变化怎样影响孔隙度和渗透率呢？利用计算机，有可能通过改变压力限制来完成以前在不同应力路径下描述的试验。照此，便可以估算出一个重油油藏单元的应力规律。 取心步骤 从含有沥青的松散砂岩中取心会产生许多特殊困难。自1984年Dusseault介绍从地下未受到损害的含油砂层粒状构造的取心困难开始就已为大量的文献资料所证实： ( 由于砂岩未胶结，它们易受到机械的作用而改变。此种情况下，岩心必须经过旋转摩擦取得，这会引起剪切膨胀。砂粒彼此上浮。 ( 溶解气的离溶作用将引起明显变形。溶解气沥青含量很低，一般低于4立方米/立方米。然而，有可能膨胀得很大，这与取样体积有关。我们注意到这可能与石油仅收缩1～2%大体一致。 ( 同常规取心一样，由于取心时钻井泥浆循环，