礫巖油藏巖石力學特征及其對壓裂改造的影響

張文 ，高陽 ，梁利喜 ，覃建華 ，劉向君 ，張景

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

礫巖油藏是我國重要的一種油藏類型，與常規砂巖油藏相比，它具有礫石含量高、儲層非均質性強的特點［1-2］。由于儲層物性差，該類致密油藏常利用壓裂改造增強儲層的滲透性，提高單井產能［3-4］。國內外學者從儲層地質力學特征［5-6］、縫網建造機理［7-9］，以及壓裂液濾失模型與支撐劑適應性［10-12］等方面研究了致密油藏壓裂改造的必要性和有效性。然而，礫石的存在使礫巖力學性質，特別是裂縫的擴展延伸特點，與常規砂巖差異顯著。劉向君等［13］進行了礫巖力學實驗，發現礫石對礫巖裂縫擴展具有屏蔽作用。Mahdevari等［14］發現當礫石含量較低時，礫巖以張性破壞為主；而礫石含量較高時，礫巖表現出明顯的剪切破壞。此外，考慮到礫巖儲層的壓裂改造效果主要與裂縫擴展有關，國內外學者對此也開展了相應的研究。李連崇等［15］進行了礫巖地層壓裂的二維數值模擬實驗，總結出礫巖地層裂縫擴展的3種典型形式。張子麟等［16］在三維的礫巖壓裂數值模擬實驗中，發現了裂縫環繞擴展的模式。張安東［17］的研究結果表明,當地應力與礫石和基質的力學參數達到一定配置時，水力縫總是能穿過礫石。因此，礫巖油藏的改造效果與其儲層巖石力學性質具有密切的關系。研究礫巖儲層的巖石力學特征，對于提升礫巖儲層的改造效果具有一定的參考價值。

本文以瑪湖凹陷礫巖油藏為研究對象，從礫巖的壓入硬度、抗拉強度等巖石特性出發，結合數值模擬手段，研究了礫巖儲層壓裂裂縫的擴展形態，并進一步結合比采液指數，研究了水平應力差對壓裂改造效果的影響。研究結果對于認識礫巖地層裂縫擴展機理、精準制訂和實施壓裂改造措施具有重要的意義。

1 礫巖儲層的力學特征

1.1 礫巖組成

礫巖樣品取自瑪湖凹陷百口泉組礫巖，深度3 159～3 209 m。礫石粒徑主要分布在3～20 mm，為典型的中礫巖。礫石成分以凝灰巖、霏細巖等巖漿巖為主，少見沉積巖礫石，而基質成分混雜。圖1為研究區塊的礫石粒徑分布及基質主要成分。

圖1 研究區塊的礫石粒徑分布及基質主要成分

1.2 礫石與基質壓入硬度

由于礫巖的巖性多變、結構復雜，其宏觀力學非均質性特征顯著，因此開展了多尺度下的巖石力學實驗，分別從局部和整體認識了礫巖的力學特性。在全直徑礫巖巖心上進行了點載荷實驗，表1為礫石與基質測試點的壓入硬度對比，圖2為點載荷實驗前后的礫巖照片。

表1 礫石與基質測試點的壓入硬度對比

圖2 點載荷實驗前后的礫巖照片

結合表1與圖2可知：礫石壓入硬度與巖性有關，總體分布在409～1 268 MPa，不同礫石之間的壓入硬度差異可達3倍，石英類白色礫石的壓入硬度最高，灰色礫石次之，黑色礫石最低；而基質的壓入硬度顯著低于礫石，分布范圍為117～296 MPa。此外，部分礫巖基質為砂質膠結，當以0.2 kN的載荷靠近測試點時，基質立刻破壞，說明礫巖基質的壓入硬度低于28 MPa。因此，實際情況下，礫石與基質間的壓入硬度相差高達數十倍。

1.3 礫巖抗拉強度及張性裂縫特征

巖石的抗拉強度常通過巴西劈裂實驗獲取。根據前面研究可知，礫石粒徑的分布范圍大，而常規的小尺寸（φ25 mm）礫巖樣品無法研究較大尺寸礫石對礫巖抗拉強度的影響。因此，采用小尺寸礫巖樣品和全直徑（φ100 mm）礫巖樣品相結合的方式，研究工區礫巖的抗拉強度特征。

表2為礫巖巴西劈裂實驗的結果。與巖石的斷裂韌性一樣，礫巖抗拉強度既能表征礫巖中裂縫的起裂能力，又是計算地層起裂壓力的關鍵參數。由表2可知，礫巖抗拉強度的差異性顯著，它與礫石尺寸有關。由于礫石對裂縫的屏蔽作用，礫巖難以在拉張應力作用下劈裂破壞，較大尺寸礫石的存在強化了礫巖整體的抗拉強度。此外，礫巖的抗拉強度具有尺度效應，全直徑礫巖的抗拉強度明顯低于小尺寸礫巖。圖3為巴西劈裂實驗后全直徑礫巖照片。由圖3可知，張性裂縫在礫巖中的延伸也與礫石尺寸有關。A7樣品的張性裂縫經歷了2次穿礫行為（區域A和區域B）和1次繞礫行為（區域C）；而A9樣品的張性裂縫全程都是繞礫，主要是拉張應力不足以破壞較大尺寸的礫石，張性裂縫沿著能量最小的方向延伸。在同樣的壓裂規模下，要避免礫石較大的層段。

表2 礫巖巴西劈裂實驗結果

圖3 巴西劈裂實驗后全直徑礫巖照片

2 基于真實礫巖結構的壓裂模擬

2.1 數值模擬方法

真實破裂過程分析（RFPA）軟件是基于連續介質和統計損傷原理，考慮巖石材料的非均勻性、缺陷分布的隨機性，并把這種特性耦合在有限元中，對滿足強度準則的單元進行破壞分析的數值模擬軟件。其中，該軟件的滲流分析采用損傷、應力及滲透性相互作用的耦合控制方法。

該軟件假定離散后的細觀基元的力學性質服從Weibull分布（見式（1）），由此建立細觀與宏觀力學參數之間的聯系。

式中：α為細觀基元的力學參數（彈性模量、抗拉強度等）；φ（α）為 α 的統計分布密度；m為均質度系數（均質度系數越大，細觀基元的力學參數分布越集中，反之越分散）；α0為細觀基元力學參數的平均值（反映巖石的宏觀力學參數）。

2.2 數值模型及參數

根據真實礫巖巖心的礫石分布情況，在全直徑礫巖樣品端面劃分400 mm×400 mm的區域，利用數字圖像處理方法，建立反映真實礫巖儲層斷面的非均質幾何模型。根據礫石的色差，建立了白色、灰色和黑色等3種特性的礫石數值模型（見圖4，其中：σH，σh分別為水平最大、最小主應力，強度指彈性模量、抗拉強度等）。礫巖儲層的地層孔隙壓力為40 MPa，σH，σh分別為65，59 MPa。礫石與基質相應的力學參數見表3。為了研究在不同地質、工程條件下礫巖壓裂裂縫的擴展形態，在模型中間設計1個注入點，每步向該點注入1 MPa的液柱壓力，從而模擬直井壓裂過程中壓裂裂縫在礫巖地層的橫向延伸規律。

圖4 基于真實礫巖結構的壓裂模型

表3 礫石與基質力學參數

2.3 礫石強度對壓裂裂縫擴展形態的影響

為了研究礫石強度對壓裂裂縫擴展形態的影響，在表3的基礎上，固定基質力學參數，等比例變化礫石強度。為便于對比分析，均采用70步時的彈性模量為分析對象。圖5為不同礫石強度下礫巖中壓裂裂縫的擴展形態。

圖5 不同礫石強度下礫巖中壓裂裂縫的擴展形態

由圖5可知：在該地應力條件下，礫巖地層形成沿水平最大主應力方向擴展的雙翼縫，其中左翼縫向前延伸過程中，遇到較大的黑色礫石，裂縫穿礫而過，但右翼縫向前延伸過程中，前方以尺寸較小卻強度高的灰色和白色礫石群為主，裂縫以繞礫為主。隨著礫石強度的增加，黑色礫石強度超過基質強度，左翼縫遇到黑色礫石，由穿礫轉變為繞礫；而右翼縫延伸路徑逐漸固定，即僅沿著礫石與礫石之間的基質區域延伸，裂縫變得細而迂曲。因此，從礫巖儲層縫網形成來看，對于低基質強度、高礫石強度的儲層，壓裂有利于裂縫在基質區域延伸，并可依靠礫石復雜的結構形態，構建復雜的縫網結構；但由于大量的水力能被消耗在復雜縫網結構的構建中，壓裂規模將受到限制。

2.4 水平應力差對壓裂裂縫擴展形態的影響

為了研究水平應力差對壓裂裂縫擴展形態的影響，固定水平最大主應力（65 MPa），變化水平最小主應力（63，59，55，50 MPa）。圖 6 為不同水平應力差下礫巖中壓裂裂縫的擴展形態。

圖6 不同水平應力差下礫巖中壓裂裂縫的擴展形態

由圖6可知：當水平應力差為2 MPa時，在不同力學參數的礫石組合下，注入點周圍的應力分布改變，導致裂縫定向性不強，形成多支壓裂裂縫，裂縫在基質區域延伸，并以繞礫為主；隨著水平最小主應力降低，水平應力差增大，壓裂裂縫逐漸定向，并在水平最大主應力方向形成左翼和右翼2條壓裂主縫。在水平最小主應力降低過程中，不僅伴隨水平應力差的增加，地應力水平也在降低，因此，左右兩翼裂縫長度逐漸增加。當水平應力差由6 MPa增加至10 MPa時，左翼縫延伸受阻，主要是因為遇到較大尺寸的黑色礫石，大尺寸的礫石對裂縫產生較強的屏蔽作用。

結合圖3可知：在礫石尺寸較小時，即使含有高強度礫石，水力能依然能夠對礫石進行有效穿透；而對于較大尺寸的礫石，即使強度不高，它也能夠對壓裂主縫產生十分強烈的屏蔽作用，甚至提高水力能都無法實現有效穿透。因此，在礫巖油藏勘探開發時，應該在研究儲層地質特征的基礎上，優先選擇中礫巖儲層和細礫巖儲層，盡量規避粗礫巖儲層，而且選擇有一定水平應力差的儲層進行壓裂改造。這樣既保證了壓裂主縫的橫向延伸，又確保了礫巖儲層復雜縫網結構的構建。

3 礫巖儲層壓裂改造效果評價

比采液指數既表征了單井控制的儲層物性，又表征了壓裂對儲層物性的改造效果。研究區塊壓裂井的比采液指數與水平應力差的統計關系表明：在比采液指數小于 0.2 m3/（d·MPa·m），即儲層物性本身較差時，隨著水平應力差增加，比采液指數降低（見圖7藍色區域）；但比采液指數較高時，隨著水平應力差增加，比采液指數增加（見圖7紅色區域）。結合壓裂裂縫在不同水平應力差下的擴展形態，當儲層比采液指數較低時，壓裂形成井周復雜裂縫，有利于產能的提高；當儲層比采液指數較高時，壓裂形成長距離延伸的單一裂縫，更有利于產能提高。因此，在進行開發井網部署時，應考慮礫巖儲層綜合甜點所處的構造位置及地應力特征。在井眼軌道設計、壓裂方案制定等方面對地應力水平予以充分重視，在復雜的縫網結構與壓裂規模之間權衡經濟效益，制定有利于油氣田長期高產、穩產的開發措施。

圖7 水平應力差對比采液指數的影響

4 結論

1）礫石巖性差異導致其壓入硬度差異，不同礫石之間的壓入硬度差異可達3倍；而礫石與基質的壓入硬度差異顯著，兩者相差甚至高達數十倍。礫巖抗拉強度體現了強的力學非均質性特征。

2）高強度的礫石能有效抑制裂縫穿透礫石，強化礫巖整體的抗拉強度。而礫石尺寸較大，對裂縫的屏蔽作用就更強，甚至提高水力能都無法使壓裂裂縫穿過礫石，因此，在壓裂方案設計時，礫石尺寸對壓裂改造效果的影響應給予高度重視。

3）儲層強水平應力差是實現壓裂裂縫橫向延伸的助力因素。對于物性較好的儲層，應以擴大改造規模、實現壓裂裂縫橫向延伸為目的；而對于物性較差的儲層，應以形成復雜的縫網結構為目的，選擇弱水平應力差的礫巖儲層進行壓裂改造。