吉木薩爾致密油儲層脆性及可壓裂性預測

任 巖 曹 宏 姚逢昌 盧明輝 楊志芳 晏信飛(中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

1 引言

致密油氣儲層由于具有強非均質性、低孔隙度、低滲透率和氣流阻力大等特征，致使其有效開采面臨巨大挑戰。當前，針對非常規油氣開采的關鍵是水平井和分段體積壓裂進行儲層改造[1-3]。研究表明，巖石脆性是影響地層可壓性的重要因素[4]。在工程領域，脆性研究在鉆探工程、深部巖體工程以及煤田開采中發揮了很大的作用[5-7]。近年來，脆性已經成為指導油田壓裂施工的重要參數[8-11]，國內外學者開始直接利用脆性表征可壓裂性，并應用于非常規儲層可壓裂性評價，認為具有高脆性指數的巖石更容易壓裂[8]。但是，這一理論存在不足，在實際應用中經常發現脆性指數高的地層不一定具有良好的壓裂效果[12,13]。因此，雖然脆性是表征儲層可壓裂性的非常重要的參數，但單一地使用脆性評價可壓裂性并不完善。

本文針對吉木薩爾蘆草溝組致密油儲層，分析了現有的利用測井數據計算的多種脆性指數結果，提出了適用于該地區的改進的礦物組分脆性指數，并在此基礎上，引入斷裂韌性和抗壓強度參數，構建了三者相結合的、基于巖石礦物成分、力學參數和物性參數的可壓裂性評價模型，使目標區致密油儲層可壓裂性預測效果得到改善。

2 改進礦物組分法理論

脆性作為重要的巖石力學參數，受到科學家的廣泛關注，但是目前還沒有普適的定義和準確的脆性指數計算方法[14]。脆性在不同領域內的定義不同[15-18]，其中，地質學及相關學科認為材料斷裂或破壞前表現出極少或沒有塑性形變的特性為脆性[19]。對于脆性破裂來說，經典觀點認為破裂之前沒有或很少發生永久變形為脆性破裂[20]，Griggs等[21]規定永久變形不超過1%，而Heard[22]規定巖石破裂前總應變不超過3%即為脆性破裂。與韌性巖石相比，脆性巖石具有易形成天然裂縫、增加油氣儲藏能力和流動能力、容易壓裂、低扭曲、低嵌入度、易形成裂縫網絡、儲藏接觸體積大等特點，因此脆性大的巖石更有利于壓裂改造[4]。

2.1 現有脆性指數適用性分析

近年來，國內外學者提出了多種脆性指數。經過統計，現有脆性指數可分為6大類、共20余種方法(表1)。抗壓抗拉強度法(B1～B4)[14,23]分析了衡量巖石在壓應力和拉應力條件下的強度極限值，認為抗壓和抗拉強度差異越大，脆性越強； 應力應變曲線法通過巖石三軸壓縮試驗，得到應力—應變全過程曲線， 并通過曲線上各階段所代表的物理意義定義不同的脆性指數，這類方法分為曲線形態法(B5～B8)[24-28]和曲線能量法(B9～B12)[29-33]，分別利用定量化應力—應變曲線形態和能量關系表征巖石脆性；硬度與斷裂韌度法(B13～B19)[14,34,35]給出了巖石脆性指數與硬度和斷裂韌度的關系，通過硬度和斷裂韌度試驗、貫入試驗和普氏沖擊試驗等方法，獲得巖石脆性指數；礦物組分法(B20～B22)[9,10,12]認為巖石中脆性礦物含量越高，巖石的脆性越大，因此定義脆性礦物含量占總礦物含量的百分比為脆性指數；巖石力學參數法(B23)[8]認為脆性與楊氏模量和泊松比密切相關，巖石的楊氏模量越大、泊松比越小，脆性越大，以此定義脆性指數；內摩擦角法(B24、B25)[14,20]引入庫倫—莫爾破裂準則，將巖石內摩擦角與破裂角聯系起來，作為判斷巖石脆性程度的依據。

表1 脆性指數計算方法匯總

從以上描述可知，前三類方法(B1～B19)均需要對樣品進行巖石力學試驗分析，根據巖石實際壓裂后的特征和過程中的測量數據進行脆性評價，結果會更加準確，而在對致密油氣儲層脆性評價時，產層往往較多、較薄，對每個薄層的巖心樣品均需進行實驗測量以計算脆性指數，這種做法費用昂貴且實驗周期長，所得結果不連續，在實際應用中存在較大局限；后三類脆性指數(B20～B25)不僅可以通過試驗獲得，還可以通過礦物成分測井和常規測井方便地求取，雖然這種方式存在一定的誤差和多解性，但由于測井數據具有連續性強、分辨率高的特征，實際應用中可以將誤差和多解性降低到壓裂預測可接受的范圍。因此，利用測井數據進行非常規儲層脆性和可壓裂性評價是當前較為經濟、有效的方式。

2.2 改進的礦物組分法脆性指數

近年來，基于礦物組分的脆性評價方法在不斷發展。起初，Jarvie等[9]針對北美Barnett頁巖，認為只有石英可定義為脆性礦物，首先建立了利用脆性礦物含量評價巖石脆性的方法(B20)；Wang等[10]經過對北美頁巖氣儲層研究發現，白云石含量的增加對頁巖的脆性起促進作用，因此將石英和白云石定義為脆性礦物(B21)； Jin等[12]認為石英、長石、云母、方解石和白云石均會增加頁巖脆性，因此定義了脆性指數B22。從以上三種方法可以看出，它們針對的都是頁巖儲層，對于致密砂巖或致密碳酸鹽巖儲層不一定適用，有很強的地域局限性。因此，對于致密油氣儲層，需要有針對性地提出合理的礦物組分脆性評價方法。

吉木薩爾蘆草溝組致密油地層具有下列特點：巖石種類較為復雜，組成巖石的礦物種類多，過渡類巖性多等。以吉174井為例，上甜點以云質粉砂巖、粗粒砂屑云巖與云質泥巖互層為主要特征，儲集巖以云質粉砂巖為主，砂屑云巖次之，儲層單層厚度多小于1m； 下甜點以云質粉砂巖和云質泥巖互層為主要特征，致密油主要賦存于云質粉砂巖中，與上甜點相比，儲集巖單層較厚，可達到2m； 中間為烴源巖，巖性以云質泥巖、泥頁巖為主[36]。因此，從巖性上看，烴源巖地層的脆性整體上應該低于上、下甜點區。圖1為吉木薩爾J174井全巖礦物分析百分比含量圖，可以看出，巖石組成以石英、長石、碳酸鹽礦物為主，其中石英含量在儲層與非儲層中差異不大。圖2為B20～B22三種礦物組分法脆性指數的對比圖，可以看出，這三種方法計算的結果均不理想，不能較好地刻畫不同類別巖石的脆性強弱關系，同樣也不能體現儲層與非儲層巖石脆性程度的差異，因此這三種礦物組分法脆性指數均不適用于該研究區。

圖1 吉木薩爾J174井礦物百分比含量

圖2 B20～B22三種礦物組分法脆性指數對比

通過分析，認為吉木薩爾致密油儲層巖石中脆性礦物應為石英、白云石、長石和黃鐵礦，但由于石英含量差異較小，代入計算不會引起脆性差異，還會削弱其他脆性礦物在脆性指數上的反映，故不將石英含量代入計算，提出的改進的礦物組分法脆性指數Bnew公式為

(1)

式中：Wdol為白云石類礦物百分含量，包括白云石、鐵白云石、菱鐵礦等；Wfel為長石類礦物百分含量，包括鉀長石、斜長石、方沸石等；Wpyr為黃鐵礦含量。Bnew的取值范圍為[0,1]。

2.3 方法對比

指數B20～B25是常用的幾種基于測井數據求取的脆性評價指標，具有簡單、高效、成本低、不依賴于實驗測量的特點，本文將重點對比這幾種方法在研究區致密油儲層脆性評價中的應用效果。

(2)

(3)

式中：E為實測點的楊氏模量；Emin和Emax分別為區域內楊氏模量的最小值和最大值，本文儲層分別取14GPa和51GPa；υ為實測點的泊松比；υmin和υmax分別為泊松比的最小值和最大值，本文分別取0.10和0.36。楊氏模量和泊松比可以由兩種方式獲得：一是從巖石力學試驗中測得，稱為靜態方法；二是通過聲波和密度測井數據計算得到，稱為動態方法[37]，較為常用，其表達式為

(4)

(5)

式中：VP和VS分別為縱、橫波速度；ρ為密度。

脆性指數B24和B25是基于內摩擦角的脆性評價方法，內摩擦角一般通過巖石三軸壓縮試驗獲得，但這種方式成本較高，局限性較大。經過大量研究[38-42]，提出了內摩擦角計算的經驗公式，可以利用常規測井數據方便地求取。通過自然伽馬曲線計算地層內摩擦角[40]的公式為

(6)

式中： GR為自然伽馬測井曲線讀數； GRsand和GRshale分別表示純砂巖和純頁巖的自然伽馬數值，一般取60和120API；μsand和μshale分別表示純砂巖和純頁巖的內摩擦系數，一般分別取0.9和0.5。

脆性指數B24與B25等價，這里以B24為例，將式(6)計算結果代入式(7)即可得到內摩擦角法脆性指數

B24=sinφ

(7)

將改進的礦物組分法脆性指數Bnew與B23、B24計算結果進行對比，如圖3所示。可以看出： ①這三條曲線的計算過程相互獨立，但曲線形態互有相似(全巖礦物分析采樣間隔較大，但變化趨勢顯著)，其中Bnew與B23相似度較高，B24與另外兩曲線相似度較低； ②改進的礦物組分法脆性指數Bnew的變化范圍最大，脆性變化趨勢明顯，便于劃分巖石脆性強弱，適用性最好，其次為巖石力學參數法B23； ③內摩擦角法脆性指數B24變化范圍很小，且曲線受自然伽馬曲線影響，波動較大，在上述方法中適用性最低。

圖3 Bnew與B23、B24效果對比(黃色陰影為甜點區)

3 斷裂韌性對可壓裂性的影響

應力強度因子KI是斷裂力學中用來預測由于遠程載荷或殘余應力引起的裂紋尖端附近應力狀態的一個重要參數[12]。隨著外加應力的增大，裂紋尖端應力強度因子不斷增加，當其達到某一臨界值時，能使裂紋尖端某一區域的應力大到足以使材料被破壞，從而導致裂紋失穩擴展，發生斷裂。裂紋失穩擴展的臨界狀態所對應的應力強度因子稱為臨界應力強度因子，也稱作材料的斷裂韌性KIC。斷裂韌性KIC是應力強度因子的臨界值，但二者意義卻完全不同。KI是裂紋尖端應力場強度的度量，它與裂紋形狀、外力大小、加載方式等因素有關，而斷裂韌性KIC則是描述材料阻止宏觀裂紋失穩擴展能力的量，它與外界條件無關，是材料的固有屬性，只與材料種類有關[20]。

水力壓裂要求施工層段具有較好的造縫能力，使儲層改造體積最大化[43]，其施工過程與引入斷裂韌性原理的模型非常類似，造縫能力的高低在一定程度上與巖石抵抗裂紋擴展的能力有關，KIC數值越小，越有利于水力壓裂。因此，斷裂韌性KIC可以作為水力壓裂造縫能力的參量，可以對壓裂施工的難易程度和壓裂效果起指示作用。

斷裂韌性的測量方法有很多種，巖石力學試驗是最常用、最準確的方法[44]。但是由于巖石力學試驗程序復雜、費用昂貴、時間成本高，并且無法得到地下連續的斷裂韌性曲線，因此，科學家研究了巖石斷裂韌性與楊氏模量、泊松比、硬度、抗拉強度、抗壓強度以及聲波速度等參數的關系，得到了不同的經驗關系式，并通過實驗對不同種類的巖石樣品進行了驗證[45,46]。

本文使用斷裂韌性與楊氏模量的經驗關系[12]進行巖石斷裂韌性的估計，這一方法可以通過測井曲線數據得到地下連續的KIC變化曲線

KIC=0.313+0.107E

(8)

4 抗壓強度對可壓裂性的影響

巖石的單軸抗壓強度σc是在單向受壓條件下，巖石樣品被破壞時的極限壓應力值，是巖石最重要的物理力學參數之一，也是從事巖石力學工程研究、設計、施工和生產中不可或缺的力學參數[47]。

水力壓裂施工中，除了考慮斷裂韌性所影響的造縫能力，還應考慮在非主應力方向上能否產生次生裂縫，以溝通不同的人工及天然裂縫，形成復雜縫網。垂直于主應力裂縫方向上的巖石由于裂縫張開，往往處于壓應力條件下，因此地下巖石的抗壓強度是決定在壓應力條件下能否形成裂縫的重要因素。抗壓強度越大，越不容易壓裂形成復雜縫網[48]，即抗壓強度是巖石可壓裂性的負向指示因子。

圖4 巖石單軸抗壓強度與孔隙度交會圖

巖石抗壓強度一般通過單軸或三軸壓縮試驗獲得，為了簡單、高效地求取地下連續的抗壓強度數據，本文總結了前人已發表的實驗數據[12,49,50]，發現巖石單軸抗壓強度與孔隙度存在負相關關系，如圖4所示。圖4中紅色、藍色和綠色的數據點分別代表文獻中來自不同地區的砂巖、頁巖和碳酸鹽巖樣品的實驗測量數據，其中，由于碳酸鹽巖與砂巖、頁巖等碎屑巖的成巖作用不同，前者以化學成巖作用為主，后者以物理壓實作用為主，因此碳酸鹽巖在較小孔隙度時的規律并不明顯，但三種巖性整體來看趨勢明顯。進一步建立了σc與孔隙度的經驗關系，以通過常規測井解釋的孔隙度數據方便地獲得巖石抗壓強度。本文對吉木薩爾地區泥頁巖樣品進行了抗壓強度的測量(圖4中黑色五星)，可以看出，經驗關系對目標區樣品的擬合程度較好，抗壓強度隨孔隙度增大而減小的趨勢明顯。因此用下式對本地區地層的抗壓強度進行估計

σc=199.211e-10.324p

(9)

式中p為孔隙度。

5 可壓裂性指數的提出

非常規儲層的有效開發需要進行大規模分段水力壓裂，而地層的脆性和可壓裂性評價對確定較好的壓裂位置、壓裂成功與否至關重要。并且，準確識別可壓裂性高的層段，對合理設計壓裂方案、提高作業效率、節約開發成本具有重要意義。

非常規儲層水力壓裂的目的是：①形成復雜、可連通的裂縫網絡；②最大化改造體積和油氣采收率。因此，高脆性、低斷裂韌性、低抗壓強度地層具有理想的水力壓裂施工條件。鑒于此，本文建立了巖石脆性指數、力學參數、物性參數相結合的地層可壓裂性指數

(10)

式中B為巖石脆性指數。

圖5 地層可壓裂性與地層脆性、斷裂韌性

應用式(10)計算研究區的地層可壓裂性指數，并得到地層可壓裂性與地層脆性、斷裂韌性和抗壓強度的三維關系圖(圖5)。由圖可見：①地層可壓裂性指數高值對應高脆性指數、低斷裂韌性、低抗壓強度；②地層具有較高的脆性指數、較低的斷裂韌性時，可壓裂性指數不一定高，因為抗壓強度也可能較高，使得復雜縫網難以形成，地層可壓裂性降低；③地層具有較高的脆性指數、較低的抗壓強度時，可壓裂性指數不一定高，因為斷裂韌性可能較高，可造成地下裂縫難以延伸擴展，改造體積小，同樣造成可壓裂性降低；④地層斷裂韌性和抗壓強度均較低時，如果地層脆性較低，也會造成地層可壓裂性降低。

6 應用實例

6.1 可壓裂性預測流程

以吉木薩爾蘆草溝組致密油儲層J174井為例，說明本文提出的地層脆性及可壓裂性預測方法及流程。如圖6所示，自然伽馬測井曲線數值在全井段上震蕩幅度較大，趨勢變化不明顯，巖性識別較困難，也證實了該地區地層巖性復雜，砂巖、碳酸鹽巖和泥巖互層的特點。可壓裂性預測流程如下：

(1)綜合自然伽馬、密度、中子、聲波時差等常規測井曲線信息，計算孔隙度和含水飽和度等物性參數，結合鉆井試油結果，確定甜點區或儲集層位置(圖6中黃色陰影)；

(2)利用錄井或礦物分析測井數據，計算改進的礦物組分法脆性指數；

(3)利用密度、聲波時差測井資料，計算地層連續的動態楊氏模量和泊松比；

(4)通過斷裂韌性與楊氏模量的經驗關系(式(8))，計算地層連續的斷裂韌性曲線；

(5)通過巖石單軸抗壓強度與孔隙度的經驗關系(式(9))，計算地層連續的抗壓強度曲線；

(6)綜合上述計算得到的脆性指數、斷裂韌性和抗壓強度，利用本文提出的地層可壓裂性預測公式(式(10))，計算地層可壓裂性指數，并進行地層可壓裂性優選(圖6中可壓裂性指數紫色填充部分)；

(7)結合地層可壓裂性優選結果和測井識別的儲集層位置信息，確定可壓裂層段(圖6中最后一欄的粉色陰影段)。

6.2 預測結果驗證

地面微地震裂縫監測技術可以獲得地下壓裂縫空間展布情況，同時可對可壓裂性預測效果進行檢驗。

油田對該致密油儲層上甜點段(對應于圖6中“工程解釋”里最上面兩塊紅色陰影位置)進行水平井水力壓裂施工，該井水平段長度為1233m，15段分段壓裂，所用壓裂液總量為16030.7m3，加砂量為1798m3。圖7所示為該水平井微地震監測結果，可見致密油儲層被有效改造，單段壓裂縫長度達200～250m，壓裂區域的寬度可達20～50m。經過260天試開采，該井累計總產量達7864t，日均產量達30.25t[51]。實際施工結果表明，該水平井儲層改造效果明顯，致密油產量得到顯著提升，說明本文提出的可壓裂性指數適用于致密油儲層，具有一定的可靠性。

圖6 J174井致密油儲層脆性及可壓裂性預測結果

圖7 上甜點段水力壓裂微地震監測結果[51]

7 結論

(1)致密油氣儲層的巖性、巖石礦物組成較為復雜，物性參數等特征與頁巖氣儲層有較大差異，常規基于頁巖儲層所提出的礦物組分法脆性指數不適用于致密油氣儲層，本文提出的基于數據驅動的改進的礦物組分法脆性指數可以有效地反映地層脆性程度，脆性計算結果適用于儲層可壓裂性評價。

(2)巖石的斷裂韌性與地層可壓裂性關系密切，斷裂韌性較低的地層具有較好的造縫能力，更有利于改造體積最大化，本文通過其與楊氏模量的經驗關系求得地下連續的斷裂韌性數據，很好地解決了斷裂韌性實驗測量成本高、數據量小的問題。

(3)巖石較低的抗壓強度對壓裂施工中溝通主裂縫、形成復雜縫網具有促進作用，因此抗壓強度是指示地層可壓裂性的主要因素之一，本文通過統計不同種類巖石的孔隙度與單軸抗壓強度的關系，得出二者的關系曲線，可方便求取地層巖石抗壓強度數據，也從儲層物性的角度判斷地層的可壓裂性。

(4)對于致密油氣儲層，單一的脆性指數不能很好地指示地層的可壓裂性，脆性指數高的地層不一定是優良的可壓裂層段，本文提出了基于礦物脆性指數、斷裂韌性和抗壓強度的地層可壓裂性指數，認為地層脆性指數較高、斷裂韌性較低、抗壓強度較低的儲層更有利于壓裂改造，利用該方法對吉木薩爾致密油儲層可壓裂性進行了預測，得到了壓裂有利層段，預測結果與實際壓裂施工效果相吻合，說明可壓裂性指數的可靠性，可用于指導壓裂施工。

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