王小軍，梁利喜，趙 龍，劉向君，秦志軍，李 瑋

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

世界石油工業(yè)正在從常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣跨越。目前頁巖氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點，頁巖油的相關(guān)研究也正在興起[1-2]。受頁巖油豐度低、儲層滲流能力差等地質(zhì)特征制約，與頁巖氣相同，頁巖油儲層單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限，且儲層能量衰減快、補給困難[3-5]。以地質(zhì)工程一體化理念為指導(dǎo)，通過對巖性、物性、地應(yīng)力、脆性等多信息的大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)“甜點區(qū)”的科學(xué)系統(tǒng)評價，以及水平井或多支井體積壓裂等技術(shù)實現(xiàn)“人造高滲區(qū)、重構(gòu)滲流場”等技術(shù)體系的建立是破解頁巖油經(jīng)濟開采困局、實現(xiàn)工業(yè)效益開采的有效途徑[6-7]。

儲層可壓裂性是表征儲層具有能夠被有效壓裂改造而增產(chǎn)的性質(zhì)，是儲層固有的地質(zhì)力學(xué)屬性。通常，可壓裂性較強的儲層，更容易實施壓裂、且能夠更有效的溝通儲層孔隙、微裂縫，提高泄流面積、達到預(yù)期的壓裂增產(chǎn)效果。儲層可壓裂性評價已成為頁巖油氣為代表的非常規(guī)油氣的“甜點”評價、壓裂工程設(shè)計的重要技術(shù)支撐。長期以來，普遍采用脆性指數(shù)表征頁巖儲層的可壓裂性，并取得了良好的應(yīng)用效果，但已有工程實踐也同時顯示，大量具有較高脆性的頁巖儲層，壓裂改造效果并不理想。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者針對頁巖儲層可壓裂性，開展了大量研究，已有形成的評價指標與評價方法可歸納為3大類[8-13]：①基于力學(xué)指標的可壓裂性評價。該方法針對脆性指數(shù)物理意義不夠明確，且考慮因素單一的局限性，采用脆性指數(shù)、斷裂韌性、地應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)其中的一個或多個指標組合進行可壓裂性評價。②基于儲層力學(xué)指標與地質(zhì)指標的可壓裂性評價?；陧搸r壓裂縫網(wǎng)形成機制，考慮儲層裂縫、層理等結(jié)構(gòu)特征以及脆性礦物等地質(zhì)因素對壓裂縫網(wǎng)的影響，綜合脆性指數(shù)、斷裂韌性、地應(yīng)力等力學(xué)指標與礦物組成、天然軟弱結(jié)構(gòu)面(微裂縫、層理)等地質(zhì)指標進行可壓裂性評價。③基于地質(zhì)指標與工程指標的可壓裂性評價。該類基于儲層可壓裂性不僅反映儲層壓裂難易程度、壓裂縫形態(tài)，同時還應(yīng)反映壓裂后的油氣產(chǎn)出能力即可生產(chǎn)性、可持續(xù)性的認識，在地質(zhì)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮固井質(zhì)量、水平井井段長度、射孔方式以及支撐劑量、壓裂液量等壓裂工程參數(shù)實現(xiàn)儲層可壓裂性評價，從而將儲層可壓裂性的概念推廣至反映容易壓裂和能夠達到預(yù)期的壓裂效果可壓裂性與可生產(chǎn)性、可持續(xù)性的重要指標。然而，由于儲層巖性、物性特征以及壓裂改造目標的不同，目前尚未形成統(tǒng)一的儲層可壓裂性評價方法體系。

準噶爾盆地東部二疊系蘆草溝組是中國最為古老的陸相液態(tài)烴頁巖層系之一，是近海咸化湖盆混積巖沉積，具有源儲一體、薄層疊置、厚度較大、整體含油、連續(xù)分布的典型特征[3]。2012年以來，準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油勘探取得重大突破，并在勘探開發(fā)實踐過程中取得水平井加體積壓裂是該套儲層合理開發(fā)方式的認識[7]。本研究針對蘆草溝組油頁巖儲層，研究認識儲層的巖石力學(xué)特征，建立適用于蘆草溝組頁巖油開發(fā)的可壓裂性評價方法，為工程甜點評價以及壓裂工程設(shè)計提供參考。

1 巖石力學(xué)特性

1.1 三軸壓縮力學(xué)特性

1.1.1 試樣制備及實驗過程

考慮到頁巖粘土含量高、易水化的特征，巖樣制備過程中采用液氮冷卻，并嚴格參照《工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266—2013)》的相關(guān)要求對巖樣進行切割、打磨，保證巖心圓柱試樣與加載壓頭(承壓板)的直徑之比為0.96～1.00，圓柱形巖心試樣高度與直徑之比為2.0～2.5。

實驗過程中，首先對熱塑管封裝的圓柱形試樣以每秒0.05 MPa的加載速率同步加載圍壓及軸向壓力至預(yù)定的測試圍壓，保持圍壓在后續(xù)實驗中恒定，然后以每秒0.5～1.0 MPa的加載速度施加軸向載荷，直至試件破壞，并同步監(jiān)測記錄軸向載荷、軸向變形及應(yīng)變、徑向變形及應(yīng)變。

1.1.2 三軸壓縮條件下的變形破壞特征

不同圍壓下，單軸及三軸壓縮加載對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，分析可知：①巖石強度受圍壓影響顯著，主要表現(xiàn)為隨圍壓增大(0，15，20，35，45 MPa)，峰值強度、彈性模量增大，泊松比降低;②在單軸與三軸(圍壓分別為15和35 MPa)壓縮條件下，在軸向載荷未達到峰值強度時，試樣主要呈現(xiàn)為彈性變形；峰值強度后，應(yīng)力隨應(yīng)變迅即跌落。該現(xiàn)象表明壓縮條件下試樣呈現(xiàn)出較強的脆性特征；③分析壓縮實驗后的試樣破裂可知(圖2)，單軸條件下試樣破壞主要表現(xiàn)為沿加載方向的貫穿裂縫，即呈現(xiàn)張性劈裂破壞；隨圍壓增大，試樣破壞逐漸呈現(xiàn)為單剪切破壞，且碎裂程度降低；同時，部分試樣受層理、微裂縫等天然結(jié)構(gòu)面影響，即便在高圍壓條件下，試樣破壞也較為破碎。

綜上實驗，蘆草溝組的變形破壞呈現(xiàn)出典型的脆性特征，且其力學(xué)特征受圍壓影響顯著，表現(xiàn)為低圍壓下抗壓強度低、破壞碎裂程度高、裂縫復(fù)雜等特征。同時，層理、微裂縫等結(jié)構(gòu)面的發(fā)育將加劇試樣的破碎程度。結(jié)合蘆草溝組的薄互層特征，層理面發(fā)育將有助于壓裂縫形態(tài)的復(fù)雜化。

此外，高陽等[14]實驗研究表明蘆草溝組儲層層理發(fā)育導(dǎo)致的巖石抗壓強度各向異性特征，表現(xiàn)為水平方向的楊氏模量大于垂直方向，而抗壓強度的各向異性特征不顯著。因此，巖石力學(xué)強度的各向異性將導(dǎo)致沿不同方向進行壓裂的難易程度有所不同。

圖1 吉木爾凹陷二疊系蘆草溝組巖心三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves during triaxial compression of the core in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag(紅色為軸向應(yīng)變；藍色為徑向應(yīng)變。)

圖2 吉木爾凹陷二疊系蘆草溝組巖心壓縮實驗后的破裂形態(tài)Fig.2 Triaxial compression test induced fracture geometry of shale cores in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer saga.圍壓0 MPa；b.圍壓15 MPa；c.圍壓20 MPa；d.圍壓35 MPa；e.圍壓45 MPa

1.2 抗張強度特征

抗張強度是影響地層壓裂難易程度的重要強度參數(shù)，可通過對高度與直徑比值為0.25～0.75的圓柱試樣進行巴西劈裂測試得到。

受層理發(fā)育的影響，頁巖抗張強度呈現(xiàn)橫觀各向同性的特征，即當圓柱試樣軸線垂直于層理面，通過巴西劈裂測得的平行于層理的抗張強度為各向同性；而當圓柱試樣軸線與層理面平行時，基于巴西劈裂測得的抗張強度與加載方向相關(guān)，表現(xiàn)為隨加載方向與層理之間角度的增大，抗張強度呈增趨勢。并且，基于經(jīng)典彈性力學(xué)導(dǎo)出的各向同性巖石巴西劈裂抗張強度理論計算模型不再適用，需采用針對橫觀各向同性體的巴西劈裂計算模型[15-16]。

本研究過程中，為了便于對不同巖性地層抗張強度的對比分析，對蘆草溝組巖心均沿正交于層理方向鉆取直徑2.5 cm，厚度為0.25～0.75倍直徑的圓柱形試樣，且保證試樣兩端不平整度不超過0.1 mm，端面垂直于試樣軸線。各試樣的抗張強度測試結(jié)果如圖3所示。可看出，所取試樣的抗張強度分布范圍為3.16～11.04 MPa，受抗張強度差異的影響，相同的地應(yīng)力及壓裂施工條件下，地層的起裂壓力不同，壓裂難易度也不同。鑒于此，本研究結(jié)合測井數(shù)據(jù)進一步分析了蘆草溝組巖石力學(xué)特性的縱向分布差異。

圖3 吉木爾凹陷二疊系蘆草溝組巖心抗張強度測試結(jié)果Fig.3 Test results showing the tensile strength of the shale cores in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

1.3 巖石力學(xué)與地應(yīng)力縱向分布特征

在巖石力學(xué)試驗分析基礎(chǔ)上，分析巖石力學(xué)參數(shù)與同步測試得到的聲波、密度等巖石物理信息的關(guān)系，通過統(tǒng)計、擬合及實測數(shù)據(jù)校驗，建立巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型。

Es= 0.925Ed-10 882R2=0.650 8

(1)

Co=43.057Exp(3E-05Es)R2=0.605 2

(2)

St=0.028 2(ρ/AC)2.844R2=0.735 8

(3)

式中:Es，Ed，Co，St分別為靜態(tài)彈性模量、動態(tài)彈性模量、抗壓強度、抗張強度，MPa；ρ為體積密度，g/cm3；AC為縱波時差，μs/m。

基于上述模型及地應(yīng)力的組合彈簧評價模型，根據(jù)測井資料對蘆草溝組進行巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力縱向分布特征計算分析。由圖4可知，儲層段楊氏模量為25 000～30 000 MPa，隔層段楊氏模量為28 000～35 000 MPa；儲層段泊松比為0.26～0.28，隔層泊松比為0.30～0.34；儲層段抗張強度為3～10 MPa，隔層段為8～18 MPa，儲層段水平最小主應(yīng)力為71～78 MPa，隔層段為78～89 MPa。對比可知，在儲隔層交互發(fā)育層段，隔層不僅具有較大的巖石力學(xué)強度，同時也具有較高的地應(yīng)力。黃波等[17]綜合礦物組成測試與三軸壓縮實驗分析取得了與本研究相同的認識：認為不同巖性地層巖石力學(xué)強度差異顯著，其中白云質(zhì)含量高的頁巖呈現(xiàn)極高的抗壓強度。

由于縱向上各巖性地層存在顯著的巖石力學(xué)與地應(yīng)力差異，在該儲層中進行壓裂改造，壓裂裂縫縱向延伸將可能受到高強度、高應(yīng)力隔層的阻擋，從而降低裂縫的縱向溝通能力、限制儲層壓裂改造體積，難以達到預(yù)期壓裂效果。因此，可壓裂性評價及壓裂設(shè)計時，應(yīng)對壓裂縫的縱向溝通能力進行評價、認識。

圖4 吉木爾凹陷J251井的主要巖石力學(xué)特性與地應(yīng)力縱向分布特征Fig.4 The main rock mechanical properties and the lateral distribution of geostress in Well J251,Jimusaer sag

2 儲層可壓裂性評價

吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組為中低孔、特低滲儲層，孔隙以微納米級為主，類型多樣，主要有粒間孔(隙)、粒間溶孔、晶間孔及微裂隙等[18]。針對該類儲層的油氣資源開采，水平井體積壓裂已被證實是較為有效的技術(shù)手段，其中，壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)對實現(xiàn)油井工業(yè)化生產(chǎn)尤為關(guān)鍵。同時，考慮到甜點區(qū)的薄互層特征以及縱向上高強度、高應(yīng)力隔層發(fā)育的特點，水平井壓裂縫最大程度溝通縱向儲層、實現(xiàn)壓裂改造體積最大化，對保持油井長期穩(wěn)產(chǎn)、最大程度提高原油采油也十分重要[10,17]。因此，蘆草溝組的可壓裂性不僅應(yīng)能夠反映水平井體積壓裂的縫網(wǎng)形成難易，同時還應(yīng)能表征壓裂縫穿越隔層溝通縱向儲層能力。

2.1 頁巖壓裂縫網(wǎng)形成影響因素

通過壓裂改造最大規(guī)模形成復(fù)雜連通縫網(wǎng)是實現(xiàn)頁巖油等非常規(guī)油氣工業(yè)化開采的關(guān)鍵。其中，壓裂縫的起裂、擴展行為特征是影響壓裂縫網(wǎng)規(guī)模及其復(fù)雜度最為重要因素。

針對頁巖的已有大量研究表明[19-26]，頁巖壓裂縫的起裂與擴展涉及張性破壞、剪切滑移、錯斷等復(fù)雜的綜合力學(xué)行為，除了受壓裂液粘度、射孔參數(shù)、壓裂施工排量等工程因素顯著影響外，主要受控于地應(yīng)力、巖石的力學(xué)性質(zhì)、天然弱結(jié)構(gòu)面(微裂縫、層理等)發(fā)育程度及脆性特征等地質(zhì)力學(xué)因素。目前研究認為[27]：脆性礦物含量高、巖石脆性強、水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力差小、天然結(jié)構(gòu)面(裂縫、層理等)適度發(fā)育的地層，更易實施體積壓裂，并可充分形成復(fù)雜縫網(wǎng)，即具有較高可壓裂性。這也是現(xiàn)有研究主要通過地層脆性指數(shù)、斷裂韌性、地應(yīng)力等進行頁巖地層縫網(wǎng)可壓裂性評價的主要原因。

2.2 壓裂縫縱向穿層延伸影響因素

蘆草溝組“甜點體”橫向展布較為穩(wěn)定。每個“甜點”中發(fā)育頁巖、泥巖、粉細砂巖與碳酸鹽等多種巖性，且多呈互層狀。此類地層中壓裂縫縱向擴展行為復(fù)雜，將經(jīng)歷如下階段：①裂縫在儲層內(nèi)擴展至儲層-隔層界面；②裂縫延伸至地層界面，其可能的擴展模式為：裂縫在地層界面處止裂、沿地層界面轉(zhuǎn)向擴展、沿地層界面滑移后穿越地層界面、直接穿越地層界面；③穿越地層界面的裂縫在隔層中的擴展，其可能擴展模式為：止裂于隔層、擴展并穿越隔層。其中，裂縫能夠穿越地層界面與隔層，有效溝通鄰近儲層是儲層壓裂縫有效高度最大化與壓裂改造體積最大化的關(guān)鍵。

壓裂縫在薄互層中的擴展模式除了與壓裂施工排量、壓裂液粘度等因素密切相關(guān)外，還主要受層間地應(yīng)力差、地層斷裂韌性、彈性模量、地層界面強度以及隔層厚度等地質(zhì)力學(xué)因素影響[28-30]。通常，層間應(yīng)力差低，地層斷裂韌性小，彈性模量高、隔層厚度小的地層組合更利于壓裂縫的縱向穿層擴展，具有更好的可壓裂性。

2.3 儲層可壓裂性評價模型

根據(jù)上述分析，針對蘆草溝組交互的特低滲儲層，從形成復(fù)雜可連通壓裂縫網(wǎng)及壓裂改造體積最大化兩個方面，建立綜合可壓裂性指數(shù)(FI)如下：

FI=FSRVFfr

(4)

式中：FI為綜合可壓裂性指數(shù);Ffr為表征形成復(fù)雜可連通壓裂縫網(wǎng)的可壓裂性指數(shù),依據(jù)頁巖壓裂縫網(wǎng)形成影響因素分析，用脆性指數(shù)與應(yīng)力差進行表征;FSRV為表征裂縫能夠穿越隔層實現(xiàn)壓裂改造體積最大化的可壓裂性指數(shù)，依據(jù)壓裂縫縱向穿層延伸影響因素分析，用層間應(yīng)力差、斷裂韌性以及抗張強度表征。

(5)

(6)

公式(5)和(6)中：BIN為脆性指數(shù)；σHD為儲層內(nèi)水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力之差，MPa；σID為層間水平最小主應(yīng)力之差，MPa；K1C為斷裂韌性；STB為層界面抗張強度，MPa。

其中，針對脆性指數(shù)，國內(nèi)外已建立了大量的評價方法、計算模型，本研究綜合蘆草溝的地層巖性、力學(xué)特征及現(xiàn)場評價的需要，采用計算模型如下[31]：

BIN=-77.982ρ-1.94Φ+0.000 49Es+216.079

(7)

式中:ρ為巖石密度，g/cm3；Φ為巖石孔隙度，%；

斷裂韌性計算采用如下關(guān)系式[32-33]：

+0.517St-0.332 2

(8)

式中:pc為圍壓，MPa，其數(shù)值大小等于有效水平最小主應(yīng)力，即：

pc=σh-apP

(9)

式中：a為孔隙彈性系數(shù)，是0～1的小數(shù)；pP為地層孔隙壓力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa。

2.4 可壓裂性評價方法的可靠性

利用本文所建立的可壓裂性評價模型、方法對JHW020水平井段進行可壓裂性指數(shù)計算評價,并結(jié)合微地震監(jiān)測結(jié)果驗證本文所建可壓裂性評價方法的可靠性。

對JHW020井水平井段3 458.2～4 763.0 m，分17段共33簇實施了體積壓裂改造，采用固井完井+速鉆橋塞多簇射孔聯(lián)作分級壓裂工藝，具有大排量、大液量、大規(guī)模壓裂加砂的施工特點。所用壓裂液總量為23 992.3 m3，其中各級總液量為1 147～1 677.4 m3；總加砂量為1 288.34 m3，各級加砂量為60.28～100.3 m3。微地震壓裂監(jiān)測結(jié)果分析表明：所形成的各級壓裂縫網(wǎng)高為44～89 m，各級縫網(wǎng)長為169～467 m。

基于微地震壓裂監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計各級的縫網(wǎng)體積SRV以及反映各級壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜度的微地震事件數(shù)，進而分析縫網(wǎng)體積SRV與可壓裂性指數(shù)的關(guān)系、微地震事件數(shù)與可壓裂性指數(shù)的關(guān)系(圖7，圖8)，可看出縫網(wǎng)體積SRV、微地震事件數(shù)與可壓裂性指數(shù)都呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。該結(jié)果表明，本文所建立的可壓裂性指數(shù)評價模型適用于蘆草溝組頁巖油儲層，分析結(jié)果具有一定可靠性，可為地質(zhì)工程“甜點”區(qū)綜合評價以及壓裂選層、水平段分段分簇等壓裂設(shè)計提供基礎(chǔ)參考。

3 結(jié)論

1) 基于三軸壓縮巖石力學(xué)實驗分析可知，蘆草溝組含油頁巖在軸向載荷未達到峰值強度時，試樣主要呈現(xiàn)為彈性變形，峰值強度后，應(yīng)力隨應(yīng)變迅即跌落，其變形破壞呈現(xiàn)出顯著的脆性特征；且層理、微裂縫等結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及低圍壓條件都將加劇巖石破壞的碎裂程度。具備壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)的內(nèi)在地質(zhì)力學(xué)條件。

2) 縱向上，蘆草溝組各巖性地層的巖石力學(xué)特性與地應(yīng)力存在顯著差異，即儲層間存在巖石力學(xué)強度、地應(yīng)力相對較高的隔層。針對此類儲集體實施壓裂，除了保證形成復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)外，還同時應(yīng)強化壓裂縫的縱向溝通能力，合理增大縫高，實現(xiàn)壓裂改造有效體積的最大化。

圖5 吉木薩爾凹陷JHW020井各級壓裂的縫網(wǎng)長度與縫網(wǎng)高度Fig.5 The length and height of fracture networks at various levels in Well JHW020，Jimusaer saga.縫網(wǎng)高度；b.縫網(wǎng)長度

圖6 吉木薩爾凹陷JHW020井的縫網(wǎng)體積、微地震事件數(shù)與可壓裂性指數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship of fracture network volume,number of microseismic events and fracability index in Well JHW020a.縫網(wǎng)體積與可壓裂性指數(shù)的關(guān)系；b.微地震事件數(shù)與可壓裂性指數(shù)的關(guān)系

3) 針對蘆草溝組儲層中低孔、特低滲的物性特征以及縱向上高強度、高應(yīng)力隔層發(fā)育的特點，建立了可同時表征水平井體積壓裂縫網(wǎng)形成難易與壓裂縫穿越隔層溝通縱向儲層能力的可壓裂性評價方法。

4) 基于微地震壓裂監(jiān)測分析得到的壓裂縫網(wǎng)體積SRV、微地震事件數(shù)與利用本文方法分析得到的可壓裂性指數(shù)具有較強的相關(guān)性，表明本文所建立的可壓裂性指數(shù)評價方法在以吉木薩爾凹陷油頁巖為代表的薄互層狀頁巖地層中具有較好的適用性。