用于海上油田注水扩张的真实三轴岩石力学物理模拟试验

这对海上油气为何重要

世界上大部分易开采的海上石油已被开发殆尽。剩余油气常见于难以流动的紧致岩层。本文探索了一种有前景的方法：通过可控注水在注入井周围温和“扩张”这类致密岩石，使石油在不需传统水力压裂那样大型地面设备的情况下更易流动。对于关心如何用巧妙的物理思路和实验室试验以更小的环境代价开发难采资源的读者，这项研究提供了详尽的视角。

紧致海上岩石的挑战

中国西部南海的海上油田仍然含有大量石油，但多数储存在低渗透率的砂岩中。这类岩石孔隙小且连通性差，内部层理复杂，且已有井区常有损伤，均不利于注入水将油推进生产井。常规水力压裂虽然能改善流动，但需要大规模高压泵站和平台上往往不可用的空间。因此，作者们研究“注水扩张”——一种更为温和的方法，通过精控注水促使大量微小裂缝和孔隙开启，而非形成少数大断裂。

探测岩石在应力下的行为

为设计此类工艺，团队首先需了解储层岩石在地下应力作用下的响应。研究人员测试了目标油田的岩心样品，以测量砂岩的强度、刚度及受压时的侧向膨胀程度。结果显示岩石强度适中但较脆，侧向膨胀有限。这一组合意味着岩石能储存应力后突然失稳，倾向于在注水加压时形成微小裂缝。他们还采用声学方法监听岩石在重新加载时产生的微小声发射，这些声信号揭示了井下原位应力水平，包括上覆地层的垂直重力和两项主要水平应力。在实验室中重现这些应力条件对模拟真实井下环境至关重要。

在岩石立方体中重建储层

研究的核心是一系列“真实三轴”试验。不同于通常被两侧等压挤压的圆柱形岩心，研究人员使用了可在三个方向独立施加应力的10厘米见方岩石立方体，以模拟地下垂直与水平力的实质差异。每个立方体中都钻有一个连接泵的小中心井筒。团队按测得的地层应力值施加外加应力，并进行了八种不同的注入方案。这些方案在是否先对孔隙加压、注入液体的冷热点、稳态或振荡流动以及所用流体是纯水还是粘度较高的聚合物溶液等方面各不相同。通过将最大压力控制在略低于岩石破坏点的水平，他们旨在促进分布式扩张而非贯穿的单一裂缝。

不同注入方式如何改变岩石内部

在每次试验中，科学家记录了注入速率、压力和总注入体积，并目视检查是否有流体从立方体表面渗出，这表明裂缝已经连通至表面。他们还加入了有色示踪剂以显示水的流动路径。随后用医学级CT对立方体扫描并转化为三维数字模型，通过图像分析计算在各情形下岩石孔隙体积分数的变化。尽管总体孔隙度的增加较小——在几百分之一百分点量级——这些变化可测且具有一致性：当孔压分阶提高、使用较冷的水或泵在高低流量间交替时，孔隙增加更明显。更高粘度的聚合物虽较难推入岩体，但似乎有助于支撑并稳定井筒附近的极细裂缝。

对实际海上油井的意义

综合结果，作者认为当原位应力有利、尤其是水平应力差异显著时，注水扩张能够在注入井周围温和但有效地打开紧致海上砂岩。最有效的方案包括分阶先给孔隙加压、采用较低注入速率、引入一定的流量振荡，以及在某些情况下选择更冷或略高粘度的流体。相比依赖剧烈的压裂作业，运营者可以利用这些发现设计更温和、更紧凑的注水方案，以形成密集的微裂缝网络、改善局部渗透性，并可能延长海上储层的生产寿命。

引用: Li, D., Chen, H., Liang, X. et al. Physical simulation test of true triaxial rock mechanics for waterflood dilation in offshore oilfields. Sci Rep 16, 13736 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42750-2

关键词: 注水扩张, 海上砂岩, 三轴岩石力学, 微裂缝网络, 提高采收率