超深層裂縫性碳酸鹽巖力學(xué)特性及其主控機(jī)制

楊 斌 張 浩 劉其明 歐 彪 胡永章 佘繼平 潘冠昌

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)

2.西部低滲—特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心·西安石油大學(xué) 3.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

21世紀(jì)以來，我國(guó)先后在四川盆地和塔里木盆地發(fā)現(xiàn)多個(gè)儲(chǔ)量規(guī)模大、產(chǎn)量高的深層（4 500～6 000 m）、超深層（大于6 000 m）海相碳酸鹽巖油氣藏，展現(xiàn)了巨大的油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)潛力[1]。較之于國(guó)外，我國(guó)深層—超深層海相碳酸鹽巖時(shí)代古老、埋藏深，受多期成藏改造作用影響，儲(chǔ)層巖性致密、物性普遍較差、非均質(zhì)性強(qiáng)，往往只有天然裂縫相對(duì)發(fā)育層段才具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)潛力，裂縫的發(fā)育特征和保存機(jī)理也成為劃定油氣勘探埋深下限的重要依據(jù)。同時(shí)，發(fā)育的天然裂縫可能顯著增加鉆完井過程的井壁失穩(wěn)和鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)[2]，對(duì)酸壓復(fù)雜縫網(wǎng)改造也提出了更高的技術(shù)要求[3]。

近年來隨著水平井結(jié)合大規(guī)模儲(chǔ)層改造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，充分認(rèn)識(shí)并利用儲(chǔ)層天然裂縫/層理發(fā)育特征和力學(xué)特性已成為創(chuàng)新工程技術(shù)理念，實(shí)現(xiàn)高效安全建井，復(fù)雜縫網(wǎng)改造的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一[4-7]。然而，針對(duì)碳酸鹽巖地層的巖石力學(xué)特性，相關(guān)研究仍集中在不同溫度壓力和破壞模式下的常規(guī)力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試評(píng)價(jià)[8-9]、基于巖石聲學(xué)特性和參數(shù)反演的力學(xué)參數(shù)計(jì)算和測(cè)井模型分析[10-11]、巖石脆性/可壓性評(píng)價(jià)和酸-巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方向[12-13]。關(guān)于天然裂縫發(fā)育程度及裂縫細(xì)觀特征對(duì)超深層碳酸鹽巖力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，仍需系統(tǒng)深入研究。為此筆者將以四川盆地西部中三疊統(tǒng)雷口坡組超深層碳酸鹽巖地層為研究對(duì)象，結(jié)合井下巖樣三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)和CT掃描重構(gòu)、裂縫充填物分析、裂縫面掃描成像和摩擦系數(shù)測(cè)試等手段，揭示天然裂縫對(duì)地層巖石力學(xué)性能的控制機(jī)制，以期為超深層碳酸鹽巖地層防塌防漏和酸壓工藝技術(shù)改進(jìn)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

川西坳陷雷口坡組具有“兩隆、兩凹、兩斜坡”的構(gòu)造格局[14]，其中馬井地區(qū)隸屬于川西坳陷廣漢—中江斜坡帶，工區(qū)面積約637 km2。本文測(cè)試巖心均來自該斜坡帶的MJ112井。取心段為區(qū)塊主要含氣層位雷口坡組四段（T2l4），儲(chǔ)層段巖性以含藻微晶白云巖、藻屑微晶針孔白云巖、藻云巖為主，底部部分發(fā)育含白云質(zhì)硬石膏巖和含膏質(zhì)藻云巖。巖樣取心深度介于6 197.92～6 278.58 m，礦物組分分析顯示儲(chǔ)層平均白云石含量達(dá)到84%，含有少量方解石和石英，未檢測(cè)到黏土礦物，說明該層段碳酸鹽白云巖化程度較高。雷四段碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖性致密，孔隙度主要介于2.0%～6.0%，平均為3.81%，滲透率介于0.003～63.5 mD，孔滲相關(guān)性較差，呈現(xiàn)出明顯的裂縫性儲(chǔ)層特征（圖1）。

巖心觀測(cè)顯示（圖2），雷四段儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，且裂縫為重要的儲(chǔ)集空間。儲(chǔ)層天然裂縫類型以高角度構(gòu)造剪切縫為主，裂縫面具有平直光滑、分布規(guī)則、產(chǎn)狀穩(wěn)定等典型特征，且多數(shù)后期被部分或完全充填（圖2-a、c、e）。低角度縫產(chǎn)狀分布總體較為雜亂，未形成明顯的優(yōu)勢(shì)方位，可見低角度裂縫產(chǎn)狀與地層層里面小角度相交，體現(xiàn)了推覆擠壓構(gòu)造應(yīng)力下的順層剪切破裂特征（圖2-f）。同時(shí)，在部分巖石脆性高、構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)的層段發(fā)育部分充填或未充填的網(wǎng)狀裂縫，并形成了局部小規(guī)模破碎帶（圖2-g、h）。雷四段儲(chǔ)層天然裂縫在產(chǎn)狀和充填情況等方面的差異性，側(cè)面上反映出其經(jīng)歷了多期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的成因背景。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照實(shí)驗(yàn)要求，選取雷口坡組碳酸鹽巖井下巖樣，取心深度介于6 227.8～6 248.2 m（表1），切割制備直徑約2.5 cm，高度4.0～5.0 cm的小巖心柱塞12塊，巖心上、下端面平行度不小于±0.02 mm。力學(xué)實(shí)驗(yàn)前，隨機(jī)選擇部分巖樣采用MicroXCT-400掃描儀進(jìn)行巖心柱塞CT掃描，以獲取巖樣的三維孔隙裂縫發(fā)育特征。然后，測(cè)試巖心隨機(jī)分為兩組，其中1組保持干燥，另一組巖心在取心井所采用的鉆井液樣品中浸泡48 h，浸泡溫度為模擬地層溫度，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為滾子加熱爐。將干燥和浸泡后的巖樣均采用GCTS-RTR 1000型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行三軸力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試圍壓均為50 MPa。力學(xué)試驗(yàn)后對(duì)破裂面的礦物組成和硬度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用高速光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x（DSA100HP）測(cè)試鉆井液與破裂面間的潤(rùn)濕接觸角，同時(shí)采用自制的裂縫面激光掃描儀（CWCT-FSAN）和摩擦系數(shù)測(cè)試儀（COF-1型）對(duì)巖樣的破裂面進(jìn)行三維形貌表征和摩擦系數(shù)測(cè)試。

表1 雷口坡組雷四段巖心三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1），馬井地區(qū)雷口坡組超深層碳酸鹽巖干燥巖樣（50 MPa圍壓）的抗壓強(qiáng)度介于89.8～271.7 MPa，泊松比介于0.18～0.23，彈性模量介于20.2～38.2 GPa，總體上表現(xiàn)出強(qiáng)度參數(shù)離散度大，但脆性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有典型的裂縫性碳酸鹽巖特征。鉆井液浸泡48 h后，相同條件下巖樣抗壓強(qiáng)度介于65.6～207.1 MPa，平均降幅為26.5%；泊松比介于0.19～0.23，總體略有增大，彈性模量介于4.6～29.5 GPa，平均降幅為37.6%。說明即使深部碳酸鹽巖儲(chǔ)層通常不存在明顯的黏土礦物水化破壞，但鉆井液作用仍能顯著降低巖石強(qiáng)度，并使巖石發(fā)生明顯的軟化，而其中的關(guān)鍵就在于鉆井液與巖樣裂縫系統(tǒng)的相互作用，后文將詳細(xì)討論。

圖3顯示，測(cè)試巖樣的軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的多峰或鋸齒峰特征，內(nèi)在原因是巖樣普遍發(fā)育天然裂縫，且天然裂縫呈現(xiàn)充填、半充填和未充填等多種特征（圖4），當(dāng)應(yīng)力加載過程發(fā)生裂縫剪切滑移破壞時(shí)，軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線就會(huì)出現(xiàn)不同形態(tài)的局部峰值。本文將軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的差應(yīng)力作為該巖樣的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，因?yàn)樵谠擖c(diǎn)巖樣的徑向應(yīng)變和體積應(yīng)變均發(fā)生了瞬時(shí)激增，說明破裂面（天然裂縫面）發(fā)生了明顯的剪切滑移破壞，但此時(shí)巖樣的破壞主要是沿主破裂面破裂（圖5）。如果對(duì)應(yīng)到實(shí)際井眼中，則說明井壁已經(jīng)發(fā)生剪切失穩(wěn)。部分巖樣后續(xù)曲線段加載應(yīng)力持續(xù)升高，主要是因?yàn)楦邍鷫河邢蘅臻g內(nèi)，巖樣發(fā)生主破裂后仍能繼續(xù)承壓，直至發(fā)生局部或整體崩解（圖5，S2、S6），但此時(shí)的峰值強(qiáng)度已不具有實(shí)際工程意義。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果不參考巖樣的軸向應(yīng)力—徑向應(yīng)變/體積應(yīng)變變化趨勢(shì)，僅將常用軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線的最大值作為抗壓強(qiáng)度參考點(diǎn)，可能高估裂縫性地層巖石的抗壓強(qiáng)度。

劉厚彬等[2]和郭印同等[15]測(cè)得四川盆地同層位露頭碳酸鹽巖巖樣在相近圍壓條件下的抗壓強(qiáng)度平均值在200 MPa以上，明顯高于本文井下巖樣的測(cè)試結(jié)果，但彈性模量仍處于同一區(qū)間，說明兩者測(cè)試巖樣的基質(zhì)

礦物組成和膠結(jié)情況基本近似，造成抗壓強(qiáng)度差別明顯的主要原因是巖樣天然裂縫發(fā)育程度和充填特征差異。并且，相比本文測(cè)試巖樣應(yīng)力應(yīng)變加載曲線的多峰和鋸齒狀特征，裂縫欠發(fā)育巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線則具有明顯的光滑單峰特征[10,12]，間接說明加載過程天然裂縫主導(dǎo)下的巖樣變形破壞是本文測(cè)試巖樣形成鋸齒狀多峰應(yīng)力應(yīng)變曲線的主要原因。

3 討論

3.1 天然裂縫充填特征

結(jié)合圖3和圖6可知，天然裂縫對(duì)馬井地區(qū)雷口坡組超深層碳酸鹽巖的抗壓強(qiáng)度和破壞特征具有顯著影響，測(cè)試巖樣均是在天然裂縫主導(dǎo)下發(fā)生破壞。總體上，巖樣均沿高角度天然裂縫面發(fā)生主破裂，剪切破裂面邊緣規(guī)則整齊，明顯不同于碳酸鹽巖基質(zhì)剪切破壞時(shí)不規(guī)則或階梯狀的粗糙破裂面（圖6，TH和TJ）。干燥巖樣中S4抗壓強(qiáng)度最高，說明裂縫充填物的膠結(jié)強(qiáng)度雖然低于基質(zhì)，但相比于未充填裂縫，仍在保持巖石整體強(qiáng)度上具有一定優(yōu)勢(shì)。巖樣S3和S5裂縫充填情況相近，S5發(fā)育多條天然裂縫且多為高角度縫，因而其抗壓強(qiáng)度明顯低于僅發(fā)育一條斜交縫的S3巖樣。

鉆井液浸泡作用后，測(cè)試巖樣（S7～S12）的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均顯著降低，并呈現(xiàn)出巖樣破碎程度降低，沿天然裂縫面剪切破壞更為明顯的趨勢(shì)。同時(shí)，潤(rùn)濕性測(cè)試顯示巖樣天然裂縫面與水基鉆井液間潤(rùn)濕性良好，接觸角介于33.4°～35.9°，有利于鉆井液流體自吸。自吸進(jìn)入巖樣的流體，一方面與巖石礦物發(fā)生相互作用，降低巖石整體強(qiáng)度；另一方面，由于超深層碳酸鹽巖巖性致密，裂縫成為主要的自吸通道，裂縫流體自吸強(qiáng)度更大，對(duì)裂縫膠結(jié)強(qiáng)度的破壞也更為顯著，從而進(jìn)一步加劇天然裂縫對(duì)巖樣破壞的主導(dǎo)作用。

X射線衍射分析顯示測(cè)試巖樣裂縫充填物的礦物主要是方解石（94.5%），含少量白云石（4.3%）和石英（1.2%），與巖樣基質(zhì)礦物含量差異巨大，屬于典型的后期方解石充填。硬度測(cè)試顯示巖樣裂縫方解石充填層硬度為0.65～0.79 GPa，明顯低于基質(zhì)部分的硬度（1.89～2.64 GPa），說明方解石充填層的礦物顆粒致密程度和膠結(jié)強(qiáng)度均相對(duì)較低[16]，當(dāng)巖樣發(fā)生剪切破壞時(shí)，天然裂縫面就成為優(yōu)勢(shì)破裂面。鉆井液作用后巖樣基質(zhì)和裂縫充填物硬度均有降低，但裂縫充填物的降幅更為顯著，更有利于沿裂縫面發(fā)生破壞，使巖樣發(fā)生剪切破壞的臨界應(yīng)力進(jìn)一步降低。

3.2 裂縫面摩擦系數(shù)

采用自研巖石摩擦系數(shù)測(cè)試儀（COF-1）測(cè)試?yán)卓谄陆M巖樣天然裂縫面摩擦系數(shù)[17-18]。取測(cè)試曲線平臺(tái)階段數(shù)據(jù)均值作為巖樣裂縫面摩擦系數(shù)（圖7），巖樣在干燥狀態(tài)的摩擦系數(shù)為0.35～0.51，鉆井液潤(rùn)濕條件下摩擦系數(shù)為0.25～0.39。巖樣S7的縫面摩擦系數(shù)顯著低于S13，原因可從裂縫充填物和粗糙度兩方面探討。

一方面，巖樣S13為無(wú)充填裂縫，裂縫面的摩擦主要為基質(zhì)微凸體的剪切滑移，而巖樣S7裂縫完全由強(qiáng)度遠(yuǎn)低于基質(zhì)的方解石充填（表2），且充填層表面平整、分布均勻，其縫面摩擦更近似于相對(duì)較軟且光滑的接觸面滑移。鉆井液作用后，巖樣S7的摩擦系數(shù)降幅達(dá)到28.6%，也明顯高于S13，進(jìn)一步說明鉆井液的潤(rùn)滑作用對(duì)光滑平整的接觸面更為明顯。上述分析也能解釋為何巖樣S7初始形態(tài)完整，但鉆井液作用后其沿天然裂縫面發(fā)生剪切破壞的臨界差應(yīng)力僅為38.4 MPa（圖3），遠(yuǎn)低于測(cè)試巖樣平均值。

表2 雷口坡組巖樣壓入硬度測(cè)試數(shù)據(jù)表

另一方面，對(duì)巖樣裂縫面進(jìn)行激光三維掃描測(cè)試（圖7），并采用計(jì)盒維數(shù)法進(jìn)行裂縫表面分形維數(shù)計(jì)算。依據(jù)分形理論，對(duì)于存在分形特性的粗糙表面，覆蓋盒子的特征尺寸（δ）與覆蓋盒子總數(shù)（N）之間存在以下關(guān)系[19-20]：

式中D和A分別為裂縫面自相似分形維數(shù)和與微凸體波坡度相關(guān)的系數(shù)。結(jié)果顯示，巖樣S7和S13的裂縫面分形維數(shù)分別為2.138和2.243，再次從形貌學(xué)上證實(shí)后者具有更大的表面粗糙度，有利于增大縫面摩擦系數(shù)。圖3和圖6也顯示破裂面粗糙的巖樣整體上具有更大的抗壓強(qiáng)度。

筆者測(cè)得巖樣的裂縫面摩擦系數(shù)明顯低于同層位露頭巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）。主要原因在于本文測(cè)試對(duì)象為天然裂縫面，裂縫在形成后往往經(jīng)歷多期構(gòu)造和成巖作用，無(wú)論是否被充填，裂縫輪廓都變得更為平整，微凸體遭到破壞后裂縫面起伏減小，從而導(dǎo)致縫面摩擦系數(shù)降低。相對(duì)應(yīng)，李澤華等[15]和郭印同等[15]的測(cè)試結(jié)果為碳酸鹽巖基質(zhì)的新鮮破裂面摩擦系數(shù)，裂縫輪廓起伏大，表面更為粗糙，微凸體尚具有較高的抗剪強(qiáng)度，裂縫面在宏觀輪廓和微觀微凸體接觸上都具有更高的咬合程度，其摩擦系數(shù)自然更高。

表3 碳酸鹽巖巖石摩擦系數(shù)對(duì)比表

根據(jù)摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則[21-22]，天然裂縫的縫面摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力兩大核心參數(shù)均顯著低于巖石基質(zhì)，這就決定了含天然裂縫碳酸鹽巖往往具有更高的剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 礦場(chǎng)啟示

井壁失穩(wěn)是裂縫性碳酸鹽巖地層鉆井過程面臨的關(guān)鍵難題之一。以MJ112井為例，該井在雷口坡組碳酸鹽巖地層發(fā)生了嚴(yán)重的井壁掉塊和井徑擴(kuò)大現(xiàn)象。圖8顯示該井總體沿某固定優(yōu)勢(shì)方位發(fā)生掉塊并導(dǎo)致井徑擴(kuò)大，部分層段發(fā)生全面擴(kuò)徑，結(jié)合圖2中天然裂縫產(chǎn)狀分析，以及儲(chǔ)層基質(zhì)和天然裂縫基本不含黏土礦物的特點(diǎn)，認(rèn)為地應(yīng)力—流體耦合作用下的天然裂縫剪切破壞是井壁失穩(wěn)的主要原因。同時(shí)，相比于泥頁(yè)巖地層以水化抑制和封堵為核心的控制策略，對(duì)類似于馬井地區(qū)雷口坡組的超深層裂縫性碳酸鹽巖，在強(qiáng)調(diào)鉆井液高效封堵的同時(shí)，合理調(diào)節(jié)鉆井液對(duì)井壁裂縫潤(rùn)濕特性，保持天然裂縫摩擦系數(shù)和膠結(jié)強(qiáng)度[23]，是預(yù)防和控制井壁失穩(wěn)的另一關(guān)鍵突破口。

天然裂縫的力學(xué)特性同樣對(duì)超深層碳酸鹽巖酸壓改造具有顯著影響。一方面，超深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋藏深、地應(yīng)力高、破裂壓力高，相比中淺層和深層碳酸鹽巖[3]，依靠泵注流體形成大規(guī)模張性裂縫的難度劇增，天然裂縫的激活和剪切滑移對(duì)于增大縫網(wǎng)復(fù)雜程度和有效改造體積變得愈發(fā)重要，而充分認(rèn)識(shí)含天然裂縫巖體的摩擦學(xué)特性和力學(xué)強(qiáng)度則是重要基礎(chǔ)[7,24-25]。另一方面，超深層碳酸鹽巖天然裂縫普遍被不同程度充填，充填物與巖石基質(zhì)在礦物組成和成巖作用等方面差異顯著，必然導(dǎo)致酸—巖反應(yīng)速率和酸蝕效果不同[26-27]。因而，在室內(nèi)評(píng)價(jià)酸液對(duì)儲(chǔ)層巖石的損傷特性時(shí)，需要重點(diǎn)分析酸液對(duì)天然裂縫力學(xué)特性的影響，為超深層裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓改造設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)優(yōu)化提供更具針對(duì)性的基礎(chǔ)指導(dǎo)。

4 結(jié)論

川西坳陷雷口坡組超深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育多類型天然裂縫，且裂縫多被高純度方解石充填。三軸力學(xué)試驗(yàn)顯示儲(chǔ)層巖石具有較低的泊松比（0.18～ 0.23），中等彈性模量（20.2～ 38.2 GPa），抗壓強(qiáng)度偏低（89.8～271.7 MPa）且離散性強(qiáng)等典型裂縫性碳酸鹽巖特征，鉆井液浸泡后巖石強(qiáng)度進(jìn)一步降低，且裂縫主控特征更為顯著。雷口坡組碳酸鹽巖天然裂縫多為高角度縫，充填物為弱膠結(jié)強(qiáng)度低的方解石，裂縫面摩擦系數(shù)僅為0.35～0.51，顯著低于巖石基質(zhì)，上述裂縫產(chǎn)狀、充填物和摩擦學(xué)特征是導(dǎo)致巖石抗剪切破壞能力弱、抗壓強(qiáng)度整體偏低的本質(zhì)原因。強(qiáng)化對(duì)天然裂縫力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)有助于為超深層裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)控制和酸壓設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更具針對(duì)性的基礎(chǔ)指導(dǎo)。

符號(hào)說明

Δ表示計(jì)盒維數(shù)法覆蓋盒子的特征尺寸，μm；N(δ)表示計(jì)盒維數(shù)法覆蓋盒子總數(shù)，無(wú)因次；D表示裂縫面自相似分形維數(shù)，無(wú)因次；A表示與裂縫表面微凸體坡度相關(guān)的系數(shù)，無(wú)因次。