肖佳林，李遠照，候振坤，郭印同，王磊

（1.中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院，湖北 武漢 430035；2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

一種頁巖儲層脆性評價方法

肖佳林1，李遠照1，候振坤1，郭印同2，王磊2

（1.中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院，湖北 武漢 430035；2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

頁巖的脆性對于巖石起裂以及壓裂復雜裂縫的形成具有重要影響，亦是綜合評價儲層可壓性的關鍵指標?；趲r石全過程應力-應變曲線，綜合室內巖心測試和測井解釋數據建立了多元回歸函數，建立了新型脆性指數計算方法，實現了儲層多因素影響下脆性的定量表征和綜合評價，并對涪陵焦石壩區(qū)塊部分頁巖氣井儲層脆性進行了分析研究?，F場應用表明，與傳統(tǒng)脆性評價方法相比，該方法計算結果在局部層段反映更為精細、更全面，同時與儲層地質力學條件、現場施工情況具有較好的關聯性。

頁巖；水平井；全應力應變；脆性指數；回歸函數；焦石壩

由于頁巖本身具有低孔低滲特征，一般都需經過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產量。研究發(fā)現，頁巖的脆性能夠明顯影響井壁的穩(wěn)定性以及壓裂效果，是評價儲層可壓性的關鍵指標，對甜點優(yōu)選、壓裂射孔簇選擇具有重要意義。

利用彈性模量、軟化模量、應力降系數等多參數為基礎的綜合脆性指標Bd1，結合涪陵焦石壩區(qū)塊導眼取心井地質、力學參數，以Bd1為目標函數、測井數據中動態(tài)彈性模量等多參數為自變量，獲得了多元回歸函數，以此為基礎建立了一種頁巖儲層脆性評價新方法。應用該方法對本區(qū)域部分直井、水平井段儲層脆性進行了分析研究，并結合現場施工情況驗證了該方法的可行性。

1 脆性評價新方法的建立

不同于常規(guī)砂巖儲層，頁巖儲層改造以形成復雜裂縫網絡為目標。目前，頁巖脆性特征作為可壓性評價的關鍵指標，一般可用于評估壓裂縫網能否形成及形成的難易程度。國內部分學者從不同角度、不同研究目的出發(fā)，提出了一系列可壓性評價方法［1-4］。由于大部分方法在分析頁巖脆性特征時，仍主要采用傳統(tǒng)的礦物組分或巖石力學參數分析方法，反映頁巖的可壓性特征存在一定局限。

巖石類材料的全過程應力-應變曲線是研究其強度和變形特性、確定材料參數和研究本構關系的基礎，在巖體工程勘查、設計、穩(wěn)定性評價等方面占有重要地位。其分析過程和數據對于研究不同巖性、不同樣品巖石力學特征具有重要指導作用。室內對巖樣進行加載測其變形可得到全過程應力-應變曲線，進而分析獲取其巖石力學參數。許多學者基于頁巖應力-應變曲線，研究巖石脆-塑性轉換的變化規(guī)律，取得了較為豐富的成果［5-15］。 左建平等［16-17］根據巖石加載及卸載過程定義了脆性跌落系數R。候正坤等［18］基于應力應變曲線，采用與脆性破壞難易程度關聯的脆性跌落系數R、反映脆性強弱的應力降系數P以及軟化模量M，建立了頁巖脆性評價綜合指標Bd1，并通過頁巖的單三軸試驗驗證了該指標的適用性。

經歸一化處理后定義的脆性評價指標Bd1為

其中 α+β+γ=1

式中：B1為與脆性跌落系數R相關的脆性指標；B2為與應力降系數P相關的脆性指標；B3為與軟化模量M相關的脆性指標；α為B1在總脆性指數中所占的權重；β為B2在總脆性指數中所占的權重；γ為B3在總脆性指數中所占的權重。

筆者以Bd1定義的計算方法為基礎，結合焦石壩區(qū)塊代表性導眼取心井的地質、力學參數，對計算模型進行修正，得到適用于本區(qū)塊的脆性指數計算新方法。

下部含氣泥頁巖段是涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣開發(fā)的目的層段，富有機質泥頁巖的厚度較大（80～114 m）、分布穩(wěn)定。綜合巖性、電性、物性、地化、含氣性等特征，將五峰—龍馬溪組含氣頁巖段縱向上劃分為3段5個亞段9個小層。其中最有利層段龍一段厚80～105 m，為灰黑色碳質硅質頁巖，可劃分為5個小層。

針對焦石壩導眼井A井不同開發(fā)小層，結合巖石力學試驗、測井數據計算不同深度脆性指數，并與室內巖礦組分分析結果進行對比。圖1給出了該井不同小層脆性評價的結果。對比不同曲線認為，根據脆性指標Bd1的計算結果與室內實驗測試分析相關性較好，不同小層間的變化趨勢基本保持一致。同時，新方法分析結果在局部層段與礦物組分分布存在一定差異，亦反映出該新方法能更為精細地反映巖石脆性變化，進而指導射孔段簇位置優(yōu)選。

圖1 A井不同小層不同方法脆性指數分析結果對比

對于頁巖氣井，其測井解釋數據間接反映了儲層巖性、電性、裂縫及深度等多重因素影響。筆者將室內試驗結果與測井解釋數據相關聯建立回歸函數，以此來分析本區(qū)域直井、水平井段儲層綜合脆性。以修正后的脆性指標Bd1為目標函數，以測井數據中頁巖動態(tài)彈性模量、動態(tài)泊松比、自然伽馬、斷裂韌性為自變量，進行函數回歸得出Bd1的多元回歸函數Y：

式中：E為彈性模量，GPa；μ為泊松比；GR為自然伽馬測井值，API；KⅡ為斷裂韌性。

綜上所述，基于新型脆性指標分析評價頁巖儲層脆性的具體方法為：首先根據室內巖心力學實驗數據修正脆性評價指標計算模型和回歸函數，再利用獲取的單井（直井、水平井）測井解釋數據，將上述幾個參數代入該回歸函數計算公式，可求得直井及水平井段儲層脆性指數，進而綜合評價儲層可壓性。

2 新型脆性評價方法的應用

焦石壩頁巖氣田位于重慶涪陵，屬川東高陡褶皺帶萬縣復向斜焦石壩構造帶，一期產能建設階段對壓裂工藝及參數進行不斷優(yōu)化完善，截至目前，共計完成240口井4 600余段的壓裂施工，形成了 “復雜縫/網縫+主縫”的壓裂改造思路以及“混合壓裂、組合加砂”的壓裂模式，現場應用取得了顯著效果。伴隨勘探開發(fā)由主體區(qū)域逐漸南移，相比構造平緩、埋深適中的主體區(qū)域，地質條件發(fā)生明顯變化，外擴區(qū)域構造更為復雜，埋深顯著增加，目的層垂深由2 400 m增至3 800 m，穿行層位跨度明顯增大。由于地質力學條件發(fā)生變化，現場反映施工壓力高、壓力窗口小、加砂難度大、復雜縫網形成難度增大等問題。

在不同區(qū)域、不同小層儲層脆性評價過程中，一般仍采用傳統(tǒng)的巖土礦物質量分數或者Rickman脆性指數等方法對儲層脆性進行評價。礦物脆性指數法主要分析巖土礦物成分中石英、方解石的質量分數大小，以此評價儲層脆性高低。傳統(tǒng)Rickman方法［19］主要根據彈性模量、泊松比等參數，參照相關公式進行推算。

然而，由于傳統(tǒng)的靜態(tài)參數評價方法未考慮不同圍壓條件對巖石脆塑性影響，主要從宏觀上定性比較脆性的相對強弱，對相同儲層地質條件的頁巖較為適用，而對于不同埋深、構造應力環(huán)境下的巖石脆性則存在較大的局限性。

2.1 不同地質條件頁巖儲層脆性評價

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊由北向南地質條件呈現復雜性及多樣性，具體反映為構造相對破碎、斷裂更為發(fā)育、地層傾角更大、埋深增大等特點。選取本區(qū)塊不同埋深、不同區(qū)域及不同構造位置的S2，S3，S4，S6，S8，S7-3等6口井導眼井主力層段（第①—⑨小層）相關數據進行對比分析（見表1）。

表1 不同區(qū)域單井構造、埋深情況

圖2、圖3分別給出了不同單井采用傳統(tǒng)方法和新型評價方法獲得的脆性指數。從圖中可以看出，傳統(tǒng)Rickman方法計算得到的各小層脆性未見明顯變化，而新型脆性指數法計算結果反映出隨構造部位、深度的變化，儲層脆性特征整體有逐步降低的趨勢，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明顯。因此，考慮埋深等多因素綜合影響，相同礦物組成的巖石經歷不同的成巖過程，不同區(qū)域頁巖的綜合脆性可能存在較大差異，進而會對水平井分段壓裂參數設計及現場施工造成不利影響。

2.2 頁巖氣水平井不同層段脆性評價及分析

受水平井鉆井過程中鉆遇層位影響，該區(qū)域頁巖氣水平井軌跡具有穿行層位跨度大、深度范圍廣等特點，需結合具體穿行小層地質特征選擇針對性壓裂工藝及參數。C井為本區(qū)塊西南區(qū)域的一口開發(fā)井，水平井段長2 000 m，分28段進行壓裂試氣，目的層段斜深3 600～5 500 m，垂深 3 000～3 400 m。

圖2 傳統(tǒng)Rickman方法計算脆性指數

圖3 新型脆性評價方法計算脆性指數

圖4給出了分別采用傳統(tǒng)Rickman方法和新型脆性評價方法計算得到的水平井段脆性指數，由于穿行層位特征及非均質性影響，各井段脆性存在明顯差異?？梢钥吹剑滦痛嘈栽u價方法得到的脆性指數整體趨勢與傳統(tǒng)方法較為一致，但局部層段存在一定差異。

圖4 C井水平段不同深度、不同井段脆性指數計算結果

結合現場施工情況分析，以第5，19段為例（見圖5，6），各段施工曲線特征與新型脆性指標計算結果具有較好的關聯性，其中脆性較高的第19段可壓性較好，加砂較為順暢，施工壓力波動較小，而脆性較差的第5段反映可壓性較差、施工壓力波動大、加砂困難等特征。綜合對比分析，由于考慮了多參數、多因素影響，新型脆性指標與傳統(tǒng)計算方法相比，表征更為精細，與施工關聯性也較強，為儲層脆性綜合評價和壓裂效果評估提供了一種新途徑。

圖5 C井第5段施工曲線

圖6 C井第19段施工曲線

3 結論

1）結合頁巖氣井巖心力學測試及測井解釋數據，基于擬合回歸函數建立了適用于焦石壩區(qū)塊的新型脆性評價方法。現場應用表明，該方法對于水平井局部層段脆性變化表征更為精細，同時與現場壓裂施工具有較好的關聯性。

2）提出的頁巖儲層脆性評價新方法考慮了圍壓影響，隨著圍壓增加，脆性指數明顯降低。焦石壩區(qū)塊開發(fā)由主體區(qū)向外圍區(qū)域擴展，由于埋深、構造位置等發(fā)生變化，儲層綜合脆性有逐步降低的趨勢，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明顯，需針對性優(yōu)化工藝參數以提升改造效果。

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（編輯 趙旭亞）

Evaluation method for shale reservoir brittleness

XIAO Jialin1,LI Yuanzhao1,HOU Zhenkun1,GUO Yintong2,WANG Lei2
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,Jianghan Oilfield Company,SINOPEC,Wuhan 430035,China;2.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

The brittleness index of shale plays an important role in the process of crack in rock and complex fracture in hydraulic fracturing,which is also a key indicator to evaluate the reservoir characteristics.Based on the whole strain-stress curves，a new brittle index was established through both the state parameter and the process evolution.The quantitative characterization and comprehensive evaluation for the brittleness were studied by the influence of multi-factors for the reservoir.Multiple regression function was established from the indoor core experimental data and logging interpretation data and the analysis were obtained for some gas wells in Jiaoshiba blocks,Fuling.Comparing with the traditional evaluation method for brittleness index,the calculation results of this method in the local section are more precise and more comprehensive,which show good relevance with reservoir geological mechanics condition and field operations.

shale;horizontal well;whole stress-strain;brittleness index;regression function;Jiaoshiba

TE122

A

國家自然科學基金項目“頁巖儲層壓裂復雜裂縫網絡形成機理與擴展模型研究”（51574218）;中國石化集團公司科技項目“涪陵區(qū)塊頁巖氣層改造技術研究”（P14092）、“涪陵地區(qū)深井高壓頁巖氣壓裂方式研究”（P15138）

10.6056/dkyqt201704011

2016-12-01；改回日期：2017-05-09。

肖佳林，男，1984年生，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于長江大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現主要從事油氣地質勘探工作。E-mail：799071660@qq.com。

肖佳林，李遠照，候振坤，等.一種頁巖儲層脆性評價方法［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：486-489.

XIAO Jialin，LI Yuanzhao，HOU Zhenkun，et al.Evaluation method for shale reservoir brittleness［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：486-489.