王恩博 徐春碧 肖暉 王澤中

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

龍馬溪組頁巖可壓性實驗評價

王恩博 徐春碧 肖暉 王澤中

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

針對目標區(qū)塊龍馬溪組露頭制作巖樣，分別進行礦物組分測量、巖石力學(xué)測定及水力壓裂實驗，以驗證目標區(qū)塊頁巖的可壓性。測得儲層巖樣平均脆性指數(shù)為56.65，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.11，可知該層在進行水力壓裂時能形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。通過巖樣水力壓裂破壞實驗，發(fā)現(xiàn)巖樣水力壓裂后裂縫條數(shù)較多，平均為38條，裂縫網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜。最后驗證了該層頁巖良好的可壓性，在水力壓裂施工時可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

龍馬溪組； 脆性指數(shù)； 水力壓裂； 可壓性

1 可壓性概念

可壓性為表征材料脆性與韌性的指標，脆性較高的頁巖可壓性較高，脆性較低的頁巖可壓性較低。唐穎等人首次對可壓性進行了界定，將面對水力壓裂時，頁巖儲層所具有的壓裂后產(chǎn)量可增加的性質(zhì)稱為可壓性[1]。但該定義并未對“有效壓裂”進行詳細說明。袁俊亮等人通過巖石力學(xué)參數(shù)、斷裂韌性以及脆性指數(shù)對頁巖氣儲層的可壓裂性進行了研究[2]。趙金洲等人認為，可壓性反映的是頁巖地質(zhì)、儲層在水力壓裂過程中的綜合特征，與壓裂工藝無關(guān)[3]。綜合各方研究成果，我們將頁巖可壓性定義為，相同壓裂工藝技術(shù)下，儲層中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)并獲得足夠大的儲層改造體積和獲取經(jīng)濟效益的能力。

頁巖可壓性受多項因素如頁巖地質(zhì)、儲層特性等的影響而發(fā)生變化。Enderlin等人研究指出，通過楊氏模量、泊松比、無側(cè)限抗壓強度、內(nèi)摩擦角等物理量即可對頁巖的可壓性有所了解[4]。Mullen等人較系統(tǒng)地總結(jié)出了頁巖氣儲層可壓性影響因素，主要包括沉積構(gòu)造、地層性質(zhì)、礦物組分、天然弱面(天然裂縫、沉積層理、解理、斷層)的發(fā)育及產(chǎn)狀等[5]。在本次研究中，結(jié)合了國內(nèi)目前勘探選區(qū)時期的特點，用脆性系數(shù)、礦物組分以及天然裂縫等影響因素對頁巖可壓性進行評價。

2 可壓裂性實驗評價

本實驗的巖樣取自涪陵地區(qū)龍馬溪組泥頁巖的露頭，使用線切割設(shè)備切割出直徑為25 mm、長度為50 mm的圓柱形巖樣5組，每組3塊巖樣。分別對每組巖樣進行單軸力學(xué)性能實驗、巖石礦物組成測量及水力壓裂破壞實驗，實驗通過熱流固耦圍壓三軸耦合試驗系統(tǒng)及X射線衍射儀完成。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測試得出的實驗數(shù)據(jù)，進行該目標地層的可壓性實驗評價。

2.1 脆性指數(shù)計算

目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的脆性指數(shù)計算方法主要是礦物組成含量法和巖石力學(xué)參數(shù)法。

(1) 礦物組成含量法。采用X射線衍射儀，對巖石礦物含量進行定量分析。表1所示為目標層5組礦物含量。

由表1可知，目標層脆性礦物含量較高，石英含量為60.30%～88.70%，平均為51.39%。

表1 目標層5組礦物含量 %

根據(jù)礦物含量進行脆性指數(shù)計算[6]：

(1)

式中:IB—— 脆性指數(shù)；

ω(石英)—— 石英質(zhì)量分數(shù)，%；

ω(黏土礦物)—— 黏土礦物質(zhì)量分數(shù)，%；

ω(碳酸鹽巖礦物)—— 碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分數(shù)，%。

計算所得目標區(qū)塊脆性指數(shù)平均為59.10，表明目標區(qū)有利于頁巖氣層壓裂改造。

(2) 巖石力學(xué)參數(shù)法。通過巖石力學(xué)參數(shù)實驗得到巖石力學(xué)參數(shù)。表2所示為巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果?？梢钥闯?，除兩組異常數(shù)值外，目標地層的巖石楊氏模量較大，泊松比正常，巖石強度較高，脆性破壞明顯。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果 %

楊氏模量和泊松比是巖石力學(xué)參數(shù)的2個主要特征值[7]。楊氏模量是一種縱向的彈性模量，是指巖石壓裂后自身還能夠保持已形成裂縫的能力，其值越大說明巖石越容易形成裂縫。泊松比是材料橫向變形的一種彈性常數(shù)，是指當(dāng)巖石被壓裂時自身的抵抗壓裂能力，其值越大說明巖石越不容易被壓開。通過式(2)計算巖石的脆性指數(shù)：

(2)

式中：E—— 楊氏模量，GPa；

μ—— 泊松比，無因次。

根據(jù)由實驗獲得的數(shù)據(jù)，計算各參數(shù)。表3所示為據(jù)楊氏模量和泊松比計算的脆性指數(shù)。

表3 據(jù)楊氏模量和泊松比計算的脆性指數(shù)

由表3可知，目標地層的平均泊松比為0.24，平均楊氏模量為60.94，平均脆性指數(shù)為54.20，脆性指數(shù)較大。

2.2 水平應(yīng)力差異系數(shù)計算

在實際頁巖氣壓裂開采過程中，裂縫高度隨著最大水平主應(yīng)力不斷推進而變化[8]。若地層的水平主應(yīng)力差越小，推進過程中受到的阻力也越小，從而使裂縫的延伸性也更好，且水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的可能性也越高，因此可壓性也越好。

通過式(3)計算水平應(yīng)力差異系數(shù)：

(3)

式中：Kh—— 水平應(yīng)力差異系數(shù)；

σH—— 最大水平主應(yīng)力，MPa；

σh—— 最小水平主應(yīng)力，MPa。

表4所示為水平應(yīng)力差異計算結(jié)果。

表4 水平應(yīng)力差異系數(shù)計算結(jié)果

按照水平應(yīng)力差異系數(shù)大小可以將其分為3個等級：(1) 水平應(yīng)力差異系數(shù)為0～0.30，表示水力壓裂可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)；(2) 水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.30～0.50，表示水力壓裂在凈高壓條件下可以形成較為復(fù)雜的縫網(wǎng)；(3)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.50～2.00，表示水力壓裂不能形成復(fù)雜縫網(wǎng)。計算所得的目標區(qū)塊水平應(yīng)力差異系數(shù)平均值為0.11，故認為該區(qū)塊可以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

2.3 水力壓裂破壞實驗

通過熱流固耦圍壓三軸耦合試驗系統(tǒng)完成水力壓裂破壞實驗。對實驗后的巖樣進行巖樣形態(tài)、裂縫分布、裂縫條數(shù)及縫網(wǎng)復(fù)雜程度分析。儲層裂縫發(fā)育中等，儲層中能見尺寸較長的裂縫，多數(shù)裂縫被石英和方解石充填，有較多裂縫被多期剪切，頁巖儲層裂縫普遍較發(fā)育。圖1所示為水力壓裂巖樣示意圖。

從裂紋數(shù)量來看，劈裂式破壞和雙剪切面破壞比單剪切面破壞能夠產(chǎn)生更多的裂紋，脆性特征也更明顯。從體積應(yīng)變來看，劈裂式破壞和雙剪切面破壞均出現(xiàn)較為顯著的體積擴容現(xiàn)象。由此得出觀察結(jié)論：巖心經(jīng)壓裂后裂縫條數(shù)較多，平均值為38條，裂縫網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，壓裂效果良好。實驗所得脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差異系數(shù)與計算結(jié)果相符。

圖1 水力壓裂巖樣示意圖

3 結(jié) 語

可壓裂性表征的是頁巖在水力壓裂中能夠承受有效壓裂的能力，其主要影響因素包括頁巖脆性、天然裂縫、石英含量等。

本次研究中，利用涪陵地區(qū)龍馬溪組泥頁巖露頭制作的巖樣分別進行了礦物組成、巖石力學(xué)參數(shù)測量，測得目標層平均脆性指數(shù)為56.65，水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.11。研究表明，巖樣具有良好的可壓性。測得壓后平均產(chǎn)生38條裂縫，裂縫網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，壓裂效果良好。

[1] 唐穎,邢云,李樂忠,等.頁巖儲層可壓裂性影響因素及評價方法[J].地學(xué)前緣，2012, 19(5):356-363.

[2] 袁俊亮，鄧金根，張定宇，等.頁巖氣儲層可壓裂性評價技術(shù)[J].石油學(xué)報, 2013,34(3):523-527.

[3] 趙金洲,許文俊,李勇明,等.頁巖氣儲層可壓性評價新方法[J].非常規(guī)天然氣，2015,26(6)：1165-1172.

[4] ENDERLIN M,ALSEBEN H,BEYER J A.Predicting fracability in shale reservoirs[C]∥AAPG Annual Convention and Exhibition.Houston,Texas,USA,2011:10-13.

[5] MULLEN M,ENDERLIN M.Fracability index-more than just calculating rockproperties,SPE159755[C]∥Paper 159755-MS Presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SanAntonio,Texas,USA, 2012:10-11.

[6] 郭海萱,郭天魁.勝利油田羅家地區(qū)頁巖儲層可壓性實驗評價[J].石油實驗地質(zhì),2013,35(3):339-346.

[7] 蔣廷學(xué),卞曉冰,蘇瑗,等. 頁巖可壓性指數(shù)評價新方法及應(yīng)用[J]. 石油鉆井技術(shù), 2014, 42(5):16-20.

[8] 汪吉林,朱炎銘,宮云鵬,等.重慶南川地區(qū)龍馬溪組頁巖微裂縫發(fā)育影響因素及程度預(yù)測[J].天然氣地球科學(xué),2015(8): 256-332.

ExperimentalEvaluationofShaleCompressibilityinLongmaxiFormation

WANGEnboXUChunbiXIAOHuiWANGZezhong

(College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

This paper aims to study the compressibility of the target block Longmaxi group, based on the test of rock outcrops samples of the Longmaxi formation with mineral composition measurement, rock mechanics measurement and hydraulic fracturing experiment. According to the experimental data, the average brittleness index of the reservoir is 56.65 and the horizontal stress difference coefficient is 0.11. It can be seen that the layer can form a complex fracture network during hydraulic fracturing. And then the rock fracturing failure test is carried out. It is found that the number of fractures after rock fracturing is large, with the average of 38, and the fracture network is complicated. This confirms that the layer has good compressibility and can form complex slits during hydraulic fracturing.

Longmaxi formation; brittleness index; hydraulic fracturing; compressibility

2017-07-07

重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃項目“頁巖氣儲層復(fù)雜裂縫形成機理實驗研究”(KJ-2015046)

王恩博(1993 — )，男，天津人，重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向為油氣田開發(fā)。

P618

A

1673-1980(2017)06-0005-03