劉曉強(qiáng)，郭天魁，曲占慶，孫瑩，侯健，徐鴻志，賀甲元

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東青島，266580；2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京，100871；3.北京大學(xué)天然氣水合物國(guó)際研究中心，北京，100871；4.中國(guó)石油海洋工程有限公司，北京，100282；5.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京，100083)

水合物作為一種清潔能源，憑借其儲(chǔ)量豐富、環(huán)境污染小的優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)外能源開發(fā)的研究熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)水合物藏商業(yè)化開發(fā)對(duì)于維護(hù)國(guó)家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。目前世界范圍內(nèi)對(duì)水合物藏共開展了9 次試采試驗(yàn)(陸地凍土4 次，海域5次)。按照現(xiàn)階段研究認(rèn)知[4]，陸地凍土水合物商業(yè)化開采的閾值為3×105m3/d，海域水合物商業(yè)化開采的閾值為5×105m3/d。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，只有麥索亞哈水合物藏實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開采，其他地區(qū)水合物試采產(chǎn)能距商業(yè)化開采閾值仍有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的差距[4-8]。如何提高水合物藏開采產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)是目前水合物藏開發(fā)面臨的難題。

傳統(tǒng)的降壓開采首先利用井底壓力降破壞井底周圍水合物穩(wěn)態(tài)使其分解，并自井底向地層傳遞壓力降，逐步實(shí)現(xiàn)地層內(nèi)水合物分解與開采[9-13]。但該方法具有2個(gè)弊端：一是井底壓力降波及范圍有限，使得降壓開發(fā)水合物效率緩慢且范圍有限；二是水合物地層的滲透率隨著水合物飽和度的增加而迅速降低。對(duì)于水合物飽和度高的地層，其滲透率很低，不利于水合物分解后流體的流動(dòng)。如何增大水合物地層降壓開采的波及范圍，提供水合物分解后流體有效的滲流通道是目前水合物降壓開采面臨的難題。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)降壓法試采水合物產(chǎn)能低的問題，已有學(xué)者提出采用水力壓裂技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造提高水合物產(chǎn)能的設(shè)想[14-16]。由于水合物儲(chǔ)層一般埋深較淺，儲(chǔ)層沉積物膠結(jié)程度較弱，且水合物對(duì)沉積物顆粒具有一定膠結(jié)作用，若壓裂過程中水合物相平衡發(fā)生破壞水合物分解，會(huì)使沉積物顆粒膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步降低。所以，水合物儲(chǔ)層是否具備壓裂可行性是一個(gè)急需解決的問題，在對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂之前需要進(jìn)行可壓性評(píng)價(jià)。

目前對(duì)儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)影響因素主要集中在巖石脆性、斷裂韌性、成巖作用、天然裂縫、礦物組分和水平應(yīng)力差這幾個(gè)方面，從中選擇一項(xiàng)或者幾項(xiàng)影響因素對(duì)儲(chǔ)層可壓性進(jìn)行評(píng)價(jià)[17-23]。對(duì)于水合物儲(chǔ)層，水合物對(duì)沉積物顆粒起到一定膠結(jié)作用，不同水合物飽和度會(huì)影響水合物沉積物物性和膠結(jié)程度，對(duì)水合物儲(chǔ)層的可壓性產(chǎn)生影響。所以，相比于油氣儲(chǔ)層，在水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)中，水合物飽和度是一項(xiàng)重要的影響因素。而水合物儲(chǔ)層埋深淺，成巖作用和斷裂韌性不清晰，且水合物儲(chǔ)層中水合物賦存以孔隙型為主，天然裂縫并不發(fā)育。為此，本文作者綜合考慮水合物飽和度、水合物藏自身膠結(jié)強(qiáng)度、黏土組分含量、地應(yīng)力差4個(gè)影響因素，采用層次分析法和熵值法，構(gòu)建水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型，結(jié)合水合物水力壓裂實(shí)驗(yàn)對(duì)水合物儲(chǔ)層水力壓裂可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)參數(shù)

1.1 水合物飽和度

ECKER 等[24]提出了3 種水合物在沉積物孔隙中分布模式：懸浮模式、接觸模式和膠結(jié)模式。當(dāng)水合物飽和度很低時(shí)，水合物顆粒以懸浮模式分布于沉積物孔隙中，但未與沉積物顆粒接觸，此時(shí)，水合物對(duì)沉積物顆粒尚未起到膠結(jié)作用。水合物的存在增加了水合物顆粒之間以及水合物顆粒與沉積物顆粒之間的摩擦力，使得含水合物沉積物的強(qiáng)度比不含水合物沉積物的強(qiáng)度大。隨著水合物飽和度增加，水合物顆粒開始與沉積物顆粒接觸，處于接觸模式，水合物顆粒可作為沉積物骨架顆粒的一部分。當(dāng)水合物飽和度進(jìn)一步增大時(shí)，水合物的分布處于膠結(jié)模式，此時(shí)水合物顆粒連成一個(gè)整體，同時(shí)將沉積物顆粒連接起來，起到膠結(jié)作用。水合物膠結(jié)作用對(duì)沉積物可壓性的影響可以用水合物飽和度來表示Shy。水合物飽和度越高，對(duì)沉積物顆粒膠結(jié)作用越強(qiáng)，沉積物的脆性特征越明顯，越有利于水合物儲(chǔ)層水力壓裂。

式中：Vhy和V分別為水合物體積和儲(chǔ)層孔隙體積，m3。

1.2 水合物藏膠結(jié)強(qiáng)度

水合物藏普遍埋深較淺，受地層壓實(shí)作用弱，在海域和陸地不同地層環(huán)境中，其自身沉積物顆粒膠結(jié)強(qiáng)度差別較大。陸地凍土水合物賦存于埋深100～300 m，一般不超過800 m 的固結(jié)成巖地層中，巖性包括頁(yè)巖、泥巖、砂巖等。而海域水合物主要賦存于海底以下300 m內(nèi)未成巖地層中，水合物藏沉積物顆粒自身多為弱膠結(jié)甚至未膠結(jié)。沉積物膠結(jié)強(qiáng)度的不同最直觀反映在其力學(xué)屬性上，膠結(jié)強(qiáng)度高的水合物地層彈性模量高，泊松比小，壓裂時(shí)有利于形成裂縫。此處，水合物藏膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)壓裂的影響可以用RICKMAN等[25]提出的基于彈性模量和泊松比的脆性指數(shù)表征：

式中：IB為脆性指數(shù)；En為歸一化彈性模量；μn為歸一化泊松比；E為靜態(tài)彈性模量，GPa；μ為靜態(tài)泊松比；Emax和Emin分別為所研究?jī)?chǔ)層層段內(nèi)最大和最小靜態(tài)彈性模量，GPa；μmax和μmin分別為所研究?jī)?chǔ)層層段內(nèi)最大和最小靜態(tài)泊松比。

1.3 黏土含量

水合物藏普遍含有一定的黏土組分，水合物藏礦物組分差異能明顯影響儲(chǔ)層的可壓性。黏土等塑性礦物組分不利于水力裂縫的起裂和擴(kuò)展，而石英、長(zhǎng)石、方解石等脆性礦物含量高的儲(chǔ)層在水力壓裂過程中更容易產(chǎn)生裂縫。水合物藏黏土含量對(duì)水力壓裂的影響采用MAENDE 等[26]提出的基于脆性礦物組分含量的脆性礦物指數(shù)Bw表征：

式中：wqtz，wfeld和wcal分別為水合物儲(chǔ)層組分中石英、長(zhǎng)石和方解石質(zhì)量，kg；wtot為全部礦物組分質(zhì)量，kg。

1.4 地應(yīng)力差

水力裂縫的起裂和擴(kuò)展需要克服巖土抗拉強(qiáng)度和地應(yīng)力的共同約束。其中裂縫擴(kuò)展方向垂直于地層最小主應(yīng)力方向，地應(yīng)力差越大，壓裂效果越好。地應(yīng)力差對(duì)壓裂效果的影響用地應(yīng)力差異系數(shù)Kσ表示：

式中：σ1為地層最大主應(yīng)力，MPa；σ3為地層最小主應(yīng)力，MPa。

2 基于層次分析法和熵值分析法的水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型

儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)最關(guān)鍵的問題是如何確定各評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，權(quán)重取值不同將明顯影響可壓性評(píng)價(jià)結(jié)果。為此，本文采用層次分析法和熵值法，構(gòu)建水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型。綜合考慮水合物飽和度、脆性指數(shù)、脆性礦物指數(shù)和地應(yīng)力差異系數(shù)4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出水合物儲(chǔ)層可壓指數(shù)?？蓧褐笖?shù)越大，表示水合物儲(chǔ)層越適合壓裂，可壓指數(shù)計(jì)算公式為

式中：IF為可壓指數(shù)；Si為各評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值；Wi為各評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重。

可壓指數(shù)需要經(jīng)過評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用層次分析法獲得模糊權(quán)重，采用熵值法對(duì)權(quán)重進(jìn)行修正，對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

2.1 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

水合物飽和度、脆性指數(shù)、脆性礦物指數(shù)和地應(yīng)力差異系數(shù)4 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)單位及量綱均不相同，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，包括正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)[27]。正向指標(biāo)越大，逆向指標(biāo)越小，水合物儲(chǔ)層可壓性越強(qiáng)。

正向指標(biāo)：

逆向指標(biāo)：

式中：S為評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值；X為評(píng)價(jià)參數(shù)值；Xmax和Xmin分別為評(píng)價(jià)參數(shù)在目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)的最大值和最小值。

2.2 層次分析法獲取模糊權(quán)重

層次分析法是定量表征多因素權(quán)重的有效方法。通過比較矩陣標(biāo)度，對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)兩兩之間相互比較確定相對(duì)重要性，并通過標(biāo)度表征組成判斷矩陣，求解判斷矩陣得到各評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重[27]。比較矩陣標(biāo)度如表1所示。

表1 比較矩陣標(biāo)度Table 1 Comparison matrix scaling

各評(píng)價(jià)參數(shù)兩兩比較建立比較矩陣：

定義重要程度指數(shù)ri為

基于重要程度指數(shù)，依據(jù)表2計(jì)算判斷矩陣各元素，建立判斷矩陣：

表2 判斷矩陣元素賦值Table 2 Judgment matrix element assignment

構(gòu)造矩陣An×n的反對(duì)稱矩陣：

基于反對(duì)稱矩陣確定最優(yōu)傳遞矩陣：

通過求解最優(yōu)傳遞矩陣A*n×n的特征向量，確定各評(píng)價(jià)參數(shù)的模糊權(quán)重ξ=(ξ1,ξ2,…,ξn)。

基于水合物沉積物水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水合物藏膠結(jié)強(qiáng)度是影響水合物儲(chǔ)層可壓性的首要因素，其次是水合物藏黏土含量和水合物飽和度，地應(yīng)力差影響程度最小。將評(píng)價(jià)參數(shù)兩兩比較可以得到表3所示的可壓性評(píng)價(jià)參數(shù)比較矩陣，根據(jù)式(11)可進(jìn)一步求得各可壓性評(píng)價(jià)參數(shù)重要指數(shù)，如表4所示。

表3 可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)比較矩陣Table 3 Fracability evaluation index comparison matrix

表4 可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)重要指數(shù)Table 4 Important index of fracability evaluation index

根據(jù)式(12)得判斷矩陣：

由式(13)構(gòu)造A的反對(duì)稱矩陣：

由式(14)和(15)求得最優(yōu)傳遞矩陣：

求解最優(yōu)傳遞矩陣得其特征向量，經(jīng)歸一化處理得ξ=(0.4251,0.117 0,0.280 9,0.177 0)，即水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)參數(shù)經(jīng)層次分析法求得脆性指數(shù)模糊權(quán)重為0.425 1，地應(yīng)力差異系數(shù)模糊權(quán)重為0.117 0，水合物飽和度模糊權(quán)重為0.280 9，脆性礦物指數(shù)模糊權(quán)重為0.177 0。

2.3 熵值法對(duì)權(quán)重修正

層次分析法獲得的模糊權(quán)重存在主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)，不同人對(duì)兩兩因素進(jìn)行比較可能會(huì)采用不同的標(biāo)度[27]。對(duì)此，本文采用熵值法對(duì)層次分析法獲得模糊權(quán)重進(jìn)行修正。首先對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的判斷矩陣計(jì)算各評(píng)價(jià)參數(shù)的熵值Hi(i=1，2，…，n)：

基于各評(píng)價(jià)參數(shù)的熵值計(jì)算初始權(quán)重：

基于Wi對(duì)模糊權(quán)重ξi進(jìn)行修正，得到最終各評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重：

根據(jù)式(20)～(24)可以求得各評(píng)價(jià)參數(shù)的熵值(Hi)、初始權(quán)重(Wi)、模糊權(quán)重(ξi)和修正權(quán)重(λi)，如表5所示。

表5 熵值法修正后可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 5 Weight of fracability evaluation index modified by entropy method

最終得到修正后水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重：脆性指數(shù)(IB)為0.414 8，地應(yīng)力差異系數(shù)(Kσ)為0.121 3，水合物飽和度(Shy)為0.291 3，脆性礦物指數(shù)(Bw)為0.172 6，將它們代入式(7)可得考慮脆性指數(shù)(IB)、地應(yīng)力差異系數(shù)(Kσ)、水合物飽和度(Shy)和脆性礦物指數(shù)(Bw)的水合物儲(chǔ)層可壓指數(shù)為

3 水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型應(yīng)用

水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)是結(jié)合水合物沉積物可壓指數(shù)和水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的，具體的可壓性評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 可壓性評(píng)價(jià)流程Fig.1 Fracability evaluation process

從圖1可見：首先構(gòu)建水合物沉積物試樣，對(duì)其物性和力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。隨后開展水力壓裂實(shí)驗(yàn)，分析不同因素對(duì)水合物沉積物試樣壓裂的影響。然后根據(jù)所測(cè)的特性參數(shù)及水力壓裂實(shí)驗(yàn)條件，求出不同水合物沉積物試樣的脆性指數(shù)(IB)、地應(yīng)力差異系數(shù)(Kσ)、水合物飽和度(Shy)和脆性礦物指數(shù)(Bw)，并根據(jù)式(25)進(jìn)一步求出水合物沉積物試樣的可壓指數(shù)。最后基于一系列不同水合物沉積物試樣可壓指數(shù)和水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納提出水合物藏水力壓裂適用條件。

3.1 水合物沉積物物性和力學(xué)特性測(cè)試

水合物沉積物物性和力學(xué)特性主要測(cè)試的是水合物沉積物的孔隙度、彈性模量、泊松比等參數(shù)?？紫抖炔捎脷鉁y(cè)法，測(cè)試目的是根據(jù)孔隙度計(jì)算出水合物沉積物孔隙體積，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水合物飽和度反推算出生成不同水合物飽和度所需要的四氫呋喃(THF)和水的用量。彈性模量和泊松比采用原位生成水合物沉積物三軸力學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x[28-30]進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)獲取，其目的是根據(jù)彈性模量和泊松比進(jìn)一步求出水合物沉積物的脆性指數(shù)(IB)。

其中水合物沉積物采用骨架密度為2.65 g/cm3，粒徑分布范圍介于0.089～0.104 mm 的純天然石英砂作為水合物賦存介質(zhì)顆粒。通過向石英砂中分別加入不同含量的黏土(由蒙脫石、高嶺石和伊利石按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為7∶2∶1構(gòu)成)和石灰，分別模擬未膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物和弱膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物2種類型。為縮短水合物生成時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率，采用THF 生成水合物。水合物生成溫度設(shè)定為1 ℃(保證溫度高于水的結(jié)冰溫度，避免水結(jié)冰對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾)，構(gòu)建THF 水合物生成的低溫高壓環(huán)境。剪切過程中維持系統(tǒng)穩(wěn)定為1 ℃，確保水合物在剪切過程中不發(fā)生分解。

3.2 水合物沉積物水力壓裂實(shí)驗(yàn)

水合物沉積物水力壓裂實(shí)驗(yàn)中水合物沉積物壓裂試樣骨架采用與剪切實(shí)驗(yàn)中水合物沉積物骨架相同的配方構(gòu)建。沉積物骨架構(gòu)建完后將其放入恒溫干燥箱中保持50 ℃溫度烘干24 h，使沉積物骨架孔隙中水分完全蒸發(fā)，消除骨架制備過程中加入的蒸餾水對(duì)后續(xù)水合物生成的影響。根據(jù)骨架體積以及測(cè)試得到的骨架孔隙度，計(jì)算配置不同水合物飽和度所需要的四氫呋喃用量，并配置好四氫呋喃溶液。將骨架浸入配置好的混合溶液中進(jìn)行飽和，然后用橡膠膜將骨架四周包裹，經(jīng)過2次反復(fù)的升溫和降溫，接入試樣夾持器，設(shè)定冷庫(kù)溫度為1 ℃維持24 h 并通入氮?dú)庵?.5 MPa，確保四氫呋喃水合物完成生成。通過上述過程制成未膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物和弱膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物2種壓裂試樣，分別模擬海域黏土質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層和陸地凍土水合物儲(chǔ)層。水合物沉積物水力壓裂實(shí)驗(yàn)采用自行研制的耐低溫真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表6所示。

表6 水合物沉積物水力壓裂實(shí)驗(yàn)方案Table 6 Experimental scheme of hydraulic fracturing in hydrate-bearing sediments

根據(jù)水合物沉積物石英砂、黏土、石灰等組分比例可以計(jì)算出脆性礦物指數(shù)(Bw)。根據(jù)水合物沉積物三軸剪切實(shí)驗(yàn)獲得的彈性模量和泊松比可以計(jì)算出水合物沉積物的脆性指數(shù)(IB)。根據(jù)水力壓裂實(shí)驗(yàn)三軸應(yīng)力設(shè)置計(jì)算地應(yīng)力差異系數(shù)(Kσ)，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水合物飽和度(Shy)，可以根據(jù)式(25)最終求出水合物沉積物試樣的可壓指數(shù)。

水合物藏可壓性評(píng)價(jià)不僅評(píng)價(jià)水合物藏水力壓裂能否形成裂縫，還包括壓裂投產(chǎn)水合物發(fā)生分解后，裂縫能否繼續(xù)保持。壓裂投產(chǎn)水合物分解后，水合物對(duì)沉積物顆粒膠結(jié)作用減弱可能導(dǎo)致裂縫發(fā)生坍塌閉合，對(duì)水合物藏而言水力壓裂技術(shù)也不適用。所以，本文中水合物壓裂實(shí)驗(yàn)是在冷庫(kù)溫度為1 ℃的環(huán)境下進(jìn)行，壓裂結(jié)束后將冷庫(kù)溫度恢復(fù)至室溫，待水合物分解后再打開壓裂腔，模擬水合物壓裂投產(chǎn)水合物分解后狀況，觀察是否仍然有裂縫。

圖2所示為未膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物可壓指數(shù)與壓裂結(jié)果。其中，u為壓裂液黏度，Q為壓裂液排量。試樣中未添加交聯(lián)劑，僅靠水合物膠結(jié)作用和黏土與粉砂之間的黏連，且含有一定量黏土組分，試樣整體上具有低彈性模量、高泊松比、強(qiáng)塑性。7組未膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物試樣可壓指數(shù)介于0.190～0.48之間。前5組試樣(No.1～No.5)可壓指數(shù)低于0.3，壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示均未能形成裂縫，壓裂液以滲流的形式從試樣中大量濾失，并造成試樣中黏土成分泥化，特別是井筒周圍黏土成分泥化嚴(yán)重，造成沉積物變形，膠結(jié)強(qiáng)度降低，甚至引起井筒脫落。No.6 試樣可壓指數(shù)為0.34，采用大排量(Q=5 mL/min)進(jìn)行壓裂試驗(yàn)。雖然壓裂結(jié)果顯示形成了破裂面，但打開試樣呈現(xiàn)的破裂面極為不規(guī)則，壓裂曲線也無明顯破裂壓力，經(jīng)分析認(rèn)為是大排量壓裂液的沖刷造成試樣內(nèi)部黏土成分泥化，造成試樣內(nèi)部強(qiáng)度降低，試樣內(nèi)部破壞劇烈引起沉積物顆粒疏松形成的破裂面不是壓裂形成的裂縫。No.7 試樣可壓指數(shù)為0.48，壓裂過程試樣內(nèi)部黏土組分受壓裂液影響泥化，造成井筒脫落，壓裂液從井筒中流出，但打開試樣可見擴(kuò)展不充分的雙翼裂縫。

圖2 未膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物可壓指數(shù)與壓裂結(jié)果Fig.2 Fracability index of unconsolidated clayey silt hydrate sediments and fracturing results

圖3所示為弱膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物可壓指數(shù)與壓裂試驗(yàn)結(jié)果。10 組試樣的可壓指數(shù)介于0.44～0.66之間，其中No.8和No.9試樣由于不含水合物或水合物飽和度低，滲透率高，不易憋壓，可壓指數(shù)分別僅為0.44 和0.47。壓裂結(jié)果顯示No.8 和No.9 試樣壓裂液大量濾失未能形成裂縫，不具備可壓性。No.11試樣可壓指數(shù)為0.6，壓裂液黏度為1 mPa·s，初期以3 mL/min的排量注入壓裂液未能形成裂縫，將排量增加到9 mL/min 時(shí)才形成裂縫。其他7 組試樣壓裂后均形成形態(tài)不一的裂縫。

圖3 弱膠結(jié)黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物可壓指數(shù)與壓裂結(jié)果Fig.3 Fracability index and fracturing results of weakly cemented clayey silt hydrate sediments

3.3 水合物儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)

上述17 組水合物沉積物試樣的可壓指數(shù)和壓裂結(jié)果如表7所示。

表7 可壓指數(shù)與壓裂結(jié)果Table 7 Fracability index and fracturing results

由于實(shí)驗(yàn)用的巖心和井筒內(nèi)徑小，壓裂過程中控制壓裂液注入排量也很小，無法直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。根據(jù)井筒內(nèi)徑將實(shí)驗(yàn)排量折算為流速，按下式計(jì)算：

式中：v為壓裂液在井筒內(nèi)流速，m/s；Q為壓裂液排量，m3/s；A為井筒內(nèi)徑橫截面積，m2。

根據(jù)可壓指數(shù)和壓裂試驗(yàn)結(jié)果，不同可壓指數(shù)的水合物沉積物試樣在不同壓裂液黏度和壓裂液流速下的可壓性如圖4和表8所示。

整體而言，由水合物沉積物自身屬性決定的可壓指數(shù)(IF)對(duì)可壓性起關(guān)鍵作用，可壓指數(shù)越高，水合物沉積物壓裂形成裂縫的可行性越大。根據(jù)圖4，對(duì)于含黏土粉砂水合物沉積物，整體上可以以可壓指數(shù)IF為0.48 作為一個(gè)界限，當(dāng)IF＜0.48 時(shí)，整體上可壓性低，通過增大壓裂液排量和壓裂液黏度實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層有效改造形成的裂縫效果不理想，甚至不具備可壓性；當(dāng)IF≥0.48 時(shí)，整體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的可壓性，可以考慮采取水力壓裂增產(chǎn)措施，但不建議采用滑溜水等低黏度壓裂液，應(yīng)采用高黏度壓裂液且添加防黏土泥化膨脹組分，甚至采用無水壓裂液，減少壓裂液在黏土質(zhì)粉砂水合物沉積物中的濾失以及抑制黏土的泥化。

圖4 可壓性評(píng)價(jià)(綠色表示形成裂縫，紅色表示未形成裂縫)Fig.4 Fracability evaluation(green indicates fracture formed,red indicates no fracture formed)

水合物沉積物的可壓性不僅與可壓指數(shù)有關(guān)，而且與施工參數(shù)(壓裂液黏度、壓裂液排量)有關(guān)。當(dāng)壓裂液黏度達(dá)到60 mPa·s 及以上時(shí)，可壓指數(shù)大于0.48 的試樣在壓裂液流速超過1.6×10-2m/s 時(shí)都可形成裂縫，具備可壓性。對(duì)于可壓指數(shù)為0.60的No.10試樣，當(dāng)壓裂液黏度為60 mPa·s、流速為5×10-3m/s 時(shí)可以形成裂縫。而對(duì)于可壓指數(shù)與之相同的No.11 試樣(IF=0.60)，由于壓裂液黏度為1 mPa·s，在流速為1.6×10-2m/s 和2.7×10-2m/s 時(shí)都無法有效憋壓達(dá)到破裂壓力形成裂縫，當(dāng)壓裂液排量提高到流速4.8×10-2m/s 時(shí)，才最終被壓開形成裂縫。

從表8可知：可壓指數(shù)小于0.48的水合物沉積物試樣在高黏度壓裂液和高壓裂液排量下都未能形成裂縫，儲(chǔ)層基本不具備可壓性?？蓧褐笖?shù)在0.48～0.60 之間的水合物沉積物試樣已具備較好可壓性條件，但需要提高壓裂液排量和黏度減少壓裂液濾失?？蓧褐笖?shù)高于0.60 的水合物沉積物基本具有可壓性，是采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層改造優(yōu)先考慮的儲(chǔ)層。

4 結(jié)論

1)由水合物沉積物自身屬性決定的可壓指數(shù)對(duì)可壓性起關(guān)鍵作用，可壓指數(shù)越高，水合物儲(chǔ)層壓裂形成裂縫的可行性越大。施工參數(shù)(壓裂液黏度、壓裂液排量)也會(huì)影響水合物儲(chǔ)層的可壓性，為減少壓裂液濾失以及黏土組分泥化，建議使用高黏度壓裂液且添加防黏土膨脹組分。

2)整體而言，可壓指數(shù)小于0.48 的水合物儲(chǔ)層基本不具備可壓性?？蓧褐笖?shù)在0.48～0.60 之間的水合物儲(chǔ)層已具備較好可壓性條件，但要采用大排量、高黏度壓裂液以減少壓裂液在地層中的濾失。可壓指數(shù)大于0.60 的水合物儲(chǔ)層基本具有可壓性，是水力壓裂儲(chǔ)層改造優(yōu)先考慮的對(duì)象。