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”國家重點實驗室·成都理工大學

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 3.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院

0 引言

21世紀以來，我國先后在四川盆地和塔里木盆地發(fā)現(xiàn)多個儲量規(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)了巨大的油氣增儲上產(chǎn)潛力[1]。較之于國外，我國深層—超深層海相碳酸鹽巖時代古老、埋藏深，受多期成藏改造作用影響，儲層巖性致密、物性普遍較差、非均質(zhì)性強，往往只有天然裂縫相對發(fā)育層段才具有經(jīng)濟開發(fā)潛力，裂縫的發(fā)育特征和保存機理也成為劃定油氣勘探埋深下限的重要依據(jù)。同時，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)和鉆井液漏失風險[2]，對酸壓復雜縫網(wǎng)改造也提出了更高的技術要求[3]。

近年來隨著水平井結(jié)合大規(guī)模儲層改造技術的廣泛應用，充分認識并利用儲層天然裂縫/層理發(fā)育特征和力學特性已成為創(chuàng)新工程技術理念，實現(xiàn)高效安全建井，復雜縫網(wǎng)改造的關鍵基礎之一[4-7]。然而，針對碳酸鹽巖地層的巖石力學特性，相關研究仍集中在不同溫度壓力和破壞模式下的常規(guī)力學強度參數(shù)測試評價[8-9]、基于巖石聲學特性和參數(shù)反演的力學參數(shù)計算和測井模型分析[10-11]、巖石脆性/可壓性評價和酸-巖反應動力學等方向[12-13]。關于天然裂縫發(fā)育程度及裂縫細觀特征對超深層碳酸鹽巖力學性質(zhì)的影響機制，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象，結(jié)合井下巖樣三軸力學實驗和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)測試等手段，揭示天然裂縫對地層巖石力學性能的控制機制，以期為超深層碳酸鹽巖地層防塌防漏和酸壓工藝技術改進提供基礎實驗依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

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層平均白云石含量達到84%，含有少量方解石和石英，未檢測到黏土礦物，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，孔滲相關性較差，呈現(xiàn)出明顯的裂縫性儲層特征（圖1）。

巖心觀測顯示（圖2），雷四段儲層天然裂縫發(fā)育，且裂縫為重要的儲集空間。儲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)造應力下的順層剪切破裂特征（圖2-f）。同時，在部分巖石脆性高、構(gòu)造應力強的層段發(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)造應力場作用的成因背景。

1.2 實驗方法

按照實驗要求，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。力學實驗前，隨機選擇部分巖樣采用MicroXCT-400掃描儀進行巖心柱塞CT掃描，以獲取巖樣的三維孔隙裂縫發(fā)育特征。然后，測試巖心隨機分為兩組，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，實驗設備為滾子加熱爐。將干燥和浸泡后的巖樣均采用GCTS-RTR 1000型巖石力學測試系統(tǒng)進行三軸力學試驗，測試圍壓均為50 MPa。力學試驗后對破裂面的礦物組成和硬度進行實驗測試，采用高速光學接觸角測量儀（DSA100HP）測試鉆井液與破裂面間的潤濕接觸角，同時采用自制的裂縫面激光掃描儀（CWCT-FSAN）和摩擦系數(shù)測試儀（COF-1型）對巖樣的破裂面進行三維形貌表征和摩擦系數(shù)測試。

表1 雷口坡組雷四段巖心三軸力學實驗測試結(jié)果表

2 實驗結(jié)果

實驗結(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)出強度參數(shù)離散度大，但脆性強的特點，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度，并使巖石發(fā)生明顯的軟化，而其中的關鍵就在于鉆井液與巖樣裂縫系統(tǒng)的相互作用，后文將詳細討論。

圖3顯示，測試巖樣的軸向應力—應變曲線呈現(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），當應力加載過程發(fā)生裂縫剪切滑移破壞時，軸向應力—應變曲線就會出現(xiàn)不同形態(tài)的局部峰值。本文將軸向應力—應變曲線出現(xiàn)第一個峰值點對應的差應力作為該巖樣的抗壓強度指標，因為在該點巖樣的徑向應變和體積應變均發(fā)生了瞬時激增，說明破裂面（天然裂縫面）發(fā)生了明顯的剪切滑移破壞，但此時巖樣的破壞主要是沿主破裂面破裂（圖5）。如果對應到實際井眼中，則說明井壁已經(jīng)發(fā)生剪切失穩(wěn)。部分巖樣后續(xù)曲線段加載應力持續(xù)升高，主要是因為高圍壓有限空間內(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），但此時的峰值強度已不具有實際工程意義。在實際工程應用中，如果不參考巖樣的軸向應力—徑向應變/體積應變變化趨勢，僅將常用軸向應力—應變曲線的最大值作為抗壓強度參考點，可能高估裂縫性地層巖石的抗壓強度。

劉厚彬等[2]和郭印同等[15]測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度平均值在200 MPa以上，明顯高于本文井下巖樣的測試結(jié)果，但彈性模量仍處于同一區(qū)間，說明兩者測試巖樣的基質(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，相比本文測試巖樣應力應變加載曲線的多峰和鋸齒狀特征，裂縫欠發(fā)育巖樣的應力應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下的巖樣變形破壞是本文測試巖樣形成鋸齒狀多峰應力應變曲線的主要原因。

3 討論

3.1 天然裂縫充填特征

結(jié)合圖3和圖6可知，天然裂縫對馬井地區(qū)雷口坡組超深層碳酸鹽巖的抗壓強度和破壞特征具有顯著影響，測試巖樣均是在天然裂縫主導下發(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抗壓強度最高，說明裂縫充填物的膠結(jié)強度雖然低于基質(zhì)，但相比于未充填裂縫，仍在保持巖石整體強度上具有一定優(yōu)勢。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，測試巖樣（S7～S12）的抗壓強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。同時，潤濕性測試顯示巖樣天然裂縫面與水基鉆井液間潤濕性良好，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，裂縫流體自吸強度更大，對裂縫膠結(jié)強度的破壞也更為顯著，從而進一步加劇天然裂縫對巖樣破壞的主導作用。

X射線衍射分析顯示測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)強度均相對較低[16]，當巖樣發(fā)生剪切破壞時，天然裂縫面就成為優(yōu)勢破裂面。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力進一步降低。

3.2 裂縫面摩擦系數(shù)

采用自研巖石摩擦系數(shù)測試儀（COF-1）測試雷口坡組巖樣天然裂縫面摩擦系數(shù)[17-18]。取測試曲線平臺階段數(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裂縫完全由強度遠低于基質(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)降幅達到28.6%，也明顯高于S13，進一步說明鉆井液的潤滑作用對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力僅為38.4 MPa（圖3），遠低于測試巖樣平均值。

表2 雷口坡組巖樣壓入硬度測試數(shù)據(jù)表

另一方面，對巖樣裂縫面進行激光三維掃描測試（圖7），并采用計盒維數(shù)法進行裂縫表面分形維數(shù)計算。依據(jù)分形理論，對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，再次從形貌學上證實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度。

筆者測得巖樣的裂縫面摩擦系數(shù)明顯低于同層位露頭巖樣實驗結(jié)果（表3）。主要原因在于本文測試對象為天然裂縫面，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，從而導致縫面摩擦系數(shù)降低。相對應，李澤華等[15]和郭印同等[15]的測試結(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)對比表

根據(jù)摩爾—庫侖準則[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險。

3.3 礦場啟示

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)生了嚴重的井壁掉塊和井徑擴大現(xiàn)象。圖8顯示該井總體沿某固定優(yōu)勢方位發(fā)生掉塊并導致井徑擴大，部分層段發(fā)生全面擴徑，結(jié)合圖2中天然裂縫產(chǎn)狀分析，以及儲層基質(zhì)和天然裂縫基本不含黏土礦物的特點，認為地應力—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，相比于泥頁巖地層以水化抑制和封堵為核心的控制策略，對類似于馬井地區(qū)雷口坡組的超深層裂縫性碳酸鹽巖，在強調(diào)鉆井液高效封堵的同時，合理調(diào)節(jié)鉆井液對井壁裂縫潤濕特性，保持天然裂縫摩擦系數(shù)和膠結(jié)強度[23]，是預防和控制井壁失穩(wěn)的另一關鍵突破口。

天然裂縫的力學特性同樣對超深層碳酸鹽巖酸壓改造具有顯著影響。一方面，超深層碳酸鹽巖儲層埋藏深、地應力高、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于增大縫網(wǎng)復雜程度和有效改造體積變得愈發(fā)重要，而充分認識含天然裂縫巖體的摩擦學特性和力學強度則是重要基礎[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，必然導致酸—巖反應速率和酸蝕效果不同[26-27]。因而，在室內(nèi)評價酸液對儲層巖石的損傷特性時，需要重點分析酸液對天然裂縫力學特性的影響，為超深層裂縫性碳酸鹽巖儲層酸壓改造設計和技術參數(shù)優(yōu)化提供更具針對性的基礎指導。

4 結(jié)論

川西坳陷雷口坡組超深層碳酸鹽巖儲層發(fā)育多類型天然裂縫，且裂縫多被高純度方解石充填。三軸力學試驗顯示儲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），抗壓強度偏低（89.8～271.7 MPa）且離散性強等典型裂縫性碳酸鹽巖特征，鉆井液浸泡后巖石強度進一步降低，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、充填物和摩擦學特征是導致巖石抗剪切破壞能力弱、抗壓強度整體偏低的本質(zhì)原因。強化對天然裂縫力學特性的認識有助于為超深層裂縫性碳酸鹽巖儲層井壁失穩(wěn)控制和酸壓設計優(yōu)化提供更具針對性的基礎指導。

符號說明

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