頁巖儲(chǔ)層可壓性調(diào)研及新發(fā)現(xiàn)

摘 要：如何高效經(jīng)濟(jì)開采頁巖氣引起國內(nèi)研究人員的重視。開采頁巖氣常用的方法就是水力壓裂法，壓裂最重要的是形成網(wǎng)狀裂縫，研究表明頁巖可壓性隨著外界因素的變化而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，于是在提出了“可壓度”這個(gè)概念來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性，頁巖氣儲(chǔ)層的可壓度與脆性指數(shù)呈正相關(guān)，與斷裂韌性呈負(fù)相關(guān)，可壓度可以由脆性指數(shù)和斷裂韌度之比來表征，可壓度越大，可壓性越好，可壓度可以更好地評(píng)估儲(chǔ)層開采效果。

關(guān)鍵詞：壓裂；可壓度；脆性指數(shù)；斷裂韌度；礦物含量

中圖分類號(hào)：TQ 000 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2016）00-0000-00

可壓度就是儲(chǔ)層通過壓裂形成裂縫達(dá)到增產(chǎn)的性質(zhì)，即可壓性，是評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層的重點(diǎn)之一。國內(nèi)外學(xué)者多從巖石礦物組分或巖石力學(xué)等方面對(duì)泥頁巖的可壓裂性進(jìn)行了分析。

Jarvie[ 1 ]等認(rèn)為脆性礦物含量是頁巖脆性的主要因素，以頁巖脆性衡量可壓裂性。Breyer[ 2 ]通過彈性模量、泊松比評(píng)價(jià)可壓裂性。唐穎[ 3 ]從脆性指數(shù)、巖石礦物、巖石力學(xué)特性等方面分析泥頁巖可壓裂性的影響因素，并建立壓裂級(jí)別。袁俊亮[ 4 ]等在國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥頁巖可壓裂性研究的基礎(chǔ)上，綜合測(cè)、錄井信息，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)、巖石礦物組分等信息，對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層的可壓裂級(jí)別進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)分析，并建立泥頁巖儲(chǔ)層壓裂高度的預(yù)測(cè)方法。

儲(chǔ)層可壓度影響因素有很多，主要包括礦物組成、脆性指數(shù)、斷裂韌度、孔隙度和滲透率等。巖石脆性礦物的含量在一定程度上決定了儲(chǔ)層的可壓性，一般脆性礦物含量越高，脆性指數(shù)越大，可壓性越強(qiáng)，越容易產(chǎn)生天然裂縫。隨著黏土礦物含量增加，巖樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量會(huì)明顯降低，泊松比則呈上升趨勢(shì)。斷裂韌度表征了泥頁巖在壓裂過程中的蠕變性能，斷裂韌度越強(qiáng)，證明泥巖塑性越好，可壓性就越差。本文主要研究這兩個(gè)因素對(duì)可壓度的影響。

1 影響可壓度的主要因素分析

1.1 斷裂韌性的研究

鑒于斷裂力學(xué)歷史上是材料強(qiáng)度研究的發(fā)展，因此，為了決定破壞是發(fā)生或是沒有發(fā)生，就得把結(jié)構(gòu)應(yīng)力與某些材料強(qiáng)度進(jìn)行比較，斷裂力學(xué)的基本材料參數(shù)稱為斷裂韌性。

僅僅通過彈性模量與泊松比并不能完全判斷儲(chǔ)層可壓度，還得考慮儲(chǔ)層斷裂韌性。

斷裂韌性是一項(xiàng)描述儲(chǔ)層壓裂程度的重要因素，反映的是壓裂過程中裂縫形成之后維持裂縫繼續(xù)延伸的能力。

在線彈性斷裂力學(xué)中，根據(jù)巖石位移形態(tài)可將裂縫分為3類，張開型（I型）、錯(cuò)開型（II型）和撕開型（Ⅲ 型）。

任何一種裂縫狀態(tài)均可由這3種基本形式疊加得到，疊加的裂紋統(tǒng)稱為復(fù)合型裂紋或混合型裂紋。

在頁巖氣體積壓裂中形成的裂縫最常見的是I型與 II型，在地應(yīng)力場(chǎng)或者巖性劇變的地層也有可能出現(xiàn)混合裂縫。

根據(jù)陳治喜的研究，在無圍壓下頁巖的I型斷裂韌性K與單軸抗拉強(qiáng)度St存在如下關(guān)系：

斷裂韌度在一定程度上會(huì)影響到巖石的脆性指數(shù)。

1.2 脆性指數(shù)因素分析

表征頁巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)有楊氏模量和泊松比，楊氏模量反映了壓裂后頁巖保持裂縫的能力；泊松比反映了在壓力下頁巖破裂的能力，即頁巖的彈性大小。頁巖楊氏模量越高，泊松比越低，脆性越強(qiáng)。脆性系數(shù)是定量表征頁巖脆性的主要參數(shù)。頁巖楊氏模量和脆性系數(shù)越高，泊松比越低，脆性越強(qiáng)。

依據(jù)脆性系數(shù)、裂縫發(fā)育程度及脆性礦物含量等參數(shù)，還可以劃分泥頁巖可壓裂級(jí)別，并進(jìn)一步證明該地層存在裂縫，可壓裂性較好。

2 頁巖可壓度評(píng)價(jià)

頁巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性顯然與脆性指數(shù)呈正相關(guān)，與斷裂韌性呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于受多重因素影響的指標(biāo)，可以用乘積的方法綜合各種因素的影響 。在此定義可壓裂指數(shù)（Frac）來表示儲(chǔ)層壓裂的難易程度，形式如下：

Frac=2Brit /KICKIIC

其中，斷裂韌性取I型與II型的平均值。

3 結(jié)論

頁巖可壓度評(píng)價(jià)工作對(duì)于前期壓裂可行性評(píng)估、優(yōu)選壓裂層段、預(yù)測(cè)壓裂效果有著重要意義，影響儲(chǔ)層可壓度的因素很多，如巖石脆性、天然裂縫發(fā)育程度、埋藏深度、水平應(yīng)力差、成巖程度等。同時(shí)儲(chǔ)層可壓裂性還受到地下高溫高壓環(huán)境的影響。各種影響因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互作用，形成了復(fù)雜作用體系。研究認(rèn)為，巖石脆性不僅能夠顯著影響井壁穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)壓裂效果也有非常重要的影響。

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作者簡介：

陳艷秋（1900-），女，河南周口人，碩士，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程。