曾 波 宋 毅 楊子葉 黃浩勇 姚志廣 岳文翰 桂俊川 徐爾斯 赫建明

(①中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院， 成都 610051， 中國(guó))

(②中國(guó)石油西南油氣田分公司， 成都 610051， 中國(guó))

(③中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029， 中國(guó))

(④中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049， 中國(guó))

0 引 言

頁(yè)巖氣作為典型的非常規(guī)能源，其開(kāi)發(fā)需要對(duì)儲(chǔ)層實(shí)施壓裂改造，儲(chǔ)層巖石在地下深部壓力和溫度條件下的變形破裂行為則直接決定著壓裂改造的效果(Papanastasiou， 2000； Rahimi et al.，2019)。巖石脆性是巖石材料的基本力學(xué)特性之一，直接決定著巖石在應(yīng)力作用下的變形破裂力學(xué)行為(Rybacki et al.，2016)。通過(guò)對(duì)巖石脆性進(jìn)行量化分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層水力壓裂效果的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而能夠?qū)Υ嘈蕴匦圆畹膬?chǔ)層提出針對(duì)性壓裂改造方法及措施。由于目前我國(guó)部分深層頁(yè)巖氣埋深已經(jīng)超過(guò)3500m，部分甚至達(dá)到4500m以上的深度(張素榮等， 2021)。與3500m以淺頁(yè)巖氣儲(chǔ)層相比較，隨著儲(chǔ)層埋深的顯著增長(zhǎng)，會(huì)形成高地應(yīng)力、高地溫以及高孔隙壓的特殊地質(zhì)環(huán)境，給儲(chǔ)層壓裂工作帶來(lái)很多極具挑戰(zhàn)性的新問(wèn)題。例如隨著埋深增加所導(dǎo)致的高地應(yīng)力和高地溫會(huì)使得儲(chǔ)層巖石的塑性行為越來(lái)越顯著，這就給儲(chǔ)層巖石壓裂改造帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)(劉俊新等， 2022)。

脆性為主巖石在外力作用下基本沒(méi)有塑性變形的情況下就會(huì)發(fā)生斷裂破壞，相較于韌性為主巖石，其特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，拉壓強(qiáng)度之比一般保持在1/8～1/10之間。Hoek et al. (1981)很早就觀察到了脆性巖石在發(fā)生破壞前只產(chǎn)生很少或者幾乎觀察不到永久變形。很多學(xué)者通過(guò)研究巖石的變形破壞過(guò)程以及強(qiáng)度特點(diǎn)，從應(yīng)變、能量、模量、強(qiáng)度以及破裂等作為主要因素來(lái)評(píng)價(jià)巖石的脆性，這些脆性評(píng)價(jià)方法在隧道、鉆井、儲(chǔ)層壓裂等巖石地下工程中扮演了重要的角色(Kahraman， 2002； Hajiabdolmajid et al.，2003; Gong et al.，2007; Altindag， 2010)。針對(duì)儲(chǔ)層巖石脆性開(kāi)展量化指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)，目前大多數(shù)方法采用基于巖石礦物含量建立的脆性指標(biāo)，由于缺乏考慮成巖作用以及力學(xué)指標(biāo)對(duì)于脆性的影響而難以適用深層頁(yè)巖儲(chǔ)層方面的脆性評(píng)價(jià)(Daniel et al.，2007; Wang et al.，2017)。考慮到巖石彈性參數(shù)能夠直接反映其脆性，有學(xué)者提出了基于彈性模量和泊松比所建立的相互關(guān)系來(lái)表征巖石脆性的方法，但是該方法對(duì)巖石力學(xué)特性的考慮不夠全面(Goodway et al.，2010; Tan et al.，2018)?；趲r石強(qiáng)度參數(shù)對(duì)其脆性的定量評(píng)價(jià)方法中主要考慮了巖石類材料抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，該方法在預(yù)測(cè)計(jì)算隧道開(kāi)挖以及鉆井過(guò)程中涉及到的巖石與機(jī)械兩者相互作用過(guò)程中發(fā)揮了重要作用(Kaharaman， 2002; Gong et al.，2007;Zhang et al.，2016)。Tarasov et al. (2013)針對(duì)巖石三軸試驗(yàn)峰前彈性應(yīng)變能的聚集可以導(dǎo)致其在峰后區(qū)破裂失穩(wěn)能夠直接反映巖石的脆性特征，所以引入巖石峰后區(qū)模量來(lái)描述其峰后力學(xué)行為特點(diǎn)。之后該脆性指數(shù)又被其他學(xué)者引入峰后強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)換能量進(jìn)行進(jìn)一步的改造以考慮更多因素(Meng et al.，2015; Rahimi-Aghdam et al.，2019)。基于巖石三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)其脆性的定量化評(píng)價(jià)，尤其是基于儲(chǔ)層原位條件開(kāi)展的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以直接用于預(yù)測(cè)儲(chǔ)層巖石壓裂的效果，所以巖石脆性的量化評(píng)價(jià)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵。

目前由于我國(guó)川南頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的深度已經(jīng)接近5000m，原位地應(yīng)力、溫度以及孔隙壓力作用下儲(chǔ)層巖石的脆性則直接關(guān)系到巖石壓裂改造的難度以及方案的設(shè)計(jì)，這就要求對(duì)儲(chǔ)層巖石在深部原位條件下的脆性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。在前述針對(duì)巖石脆性的定量評(píng)價(jià)方法中，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬地層溫壓條件，對(duì)井中原位鉆取的巖石試樣開(kāi)展三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)獲取全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石在原位條件下的脆性評(píng)價(jià)，開(kāi)展此類脆性評(píng)價(jià)對(duì)于大埋深頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造具有重要意義。

1 頁(yè)巖儲(chǔ)層特性

1.1 儲(chǔ)層巖性特征

圖1 龍層位局部井中獲取的巖芯照片F(xiàn)ig. 1 Rock core taken from drilling well in the Longmaxi formation

1.2 儲(chǔ)層溫度壓力特征

圖2 井區(qū)孔隙壓力及地層溫度隨埋深變化Fig. 2 Pore pressure and temperature with the variation of depth in the shale reservoir

圖3 井區(qū)水平及垂直地應(yīng)力隨埋深變化Fig. 3 Horizontal and vertical stresses with the variation of depth in the shale reservoir

1.3 儲(chǔ)層原位條件三軸試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)機(jī)(GCTS RTR-2000)上模擬儲(chǔ)層取樣位置處原位條件下的地應(yīng)力、溫度以及孔隙壓條件來(lái)開(kāi)展巖石三軸壓縮試驗(yàn)，獲取儲(chǔ)層巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以獲得各鉆井中儲(chǔ)層巖石的強(qiáng)度以及彈模沿深度的變化規(guī)律。圖4所示為川南井區(qū)的井中試樣的強(qiáng)度與彈模隨儲(chǔ)層埋深的變化規(guī)律，該圖中顯示單井中強(qiáng)度與彈模整體是隨著埋深的增大而增大的，但是局部呈現(xiàn)波動(dòng)起伏變化。

圖4 井中試樣強(qiáng)度與彈模隨埋深變化Fig. 4 Strength and Young’s modulus of the tested rock cores taken from the different depth in the drilling well

如果將該井區(qū)獲取的井中試樣在儲(chǔ)層原位溫度壓力條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果(強(qiáng)度以及彈性模量)根據(jù)埋深變化繪制散點(diǎn)分布圖(圖5)，強(qiáng)度散點(diǎn)圖的淺藍(lán)色區(qū)帶中分布的強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示井區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層試樣的三軸強(qiáng)度隨著埋深的增加是呈整體增加的，強(qiáng)度整體增幅約為11.1MPa/100m。而彈模散點(diǎn)圖的淺藍(lán)色區(qū)帶顯示該井區(qū)巖石試樣的彈模隨著埋深增加其數(shù)據(jù)整體的離散性在逐漸減小。強(qiáng)度與彈模的整體變化說(shuō)明隨著儲(chǔ)層埋深的不斷增加，由于儲(chǔ)層內(nèi)地應(yīng)力、溫度和孔隙壓力等的變化而導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石的力學(xué)特性相應(yīng)產(chǎn)生顯著變化，

圖5 井區(qū)儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度及彈模隨埋深的整體變化Fig. 5 Variation trends of the strength and Young’s modulus of the tested rock cores taken from the Longmaxi formation with different depth

2 儲(chǔ)層原位條件下的脆性評(píng)價(jià)

對(duì)于巖石的應(yīng)力-應(yīng)變特性來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)為兩大類(圖6)，一類的峰后模量M為負(fù)值(Class Ⅰ)，另外一類的峰后模量M為正值(Class Ⅱ)。Ⅰ類應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠代表普通巖石材料的全應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展， Ⅱ類應(yīng)力-應(yīng)變曲線則代表了脆性巖石材料的超彈性應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展，甚至巖石峰后的回彈變形超越了試驗(yàn)機(jī)的伺服控制能力。

2.1 脆性指數(shù)

儲(chǔ)層原位條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示巖石三軸壓縮在峰值發(fā)生前的變形是穩(wěn)定且可靠的，而伴隨著強(qiáng)度退化的快速失穩(wěn)破壞只在峰后發(fā)生，巖石的峰后失穩(wěn)破壞過(guò)程恰恰能夠反映巖石的脆性，所以Tarasov et al. (2013)基于上述對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為巖石在峰后的非穩(wěn)定破壞過(guò)程反映了巖石的脆性變形特性，而且?guī)r石材料中儲(chǔ)存的彈性能釋放導(dǎo)致了不同程度的峰后失穩(wěn)。如圖6所示巖石材料三軸壓縮變形試驗(yàn)的峰后模量M，則通過(guò)計(jì)算峰后余能來(lái)評(píng)估其峰后不穩(wěn)定程度，從而對(duì)巖石脆性做出評(píng)價(jià)。圖6中采用不同顏色標(biāo)出了不同類型的峰后余能，其中紅色的dWe區(qū)域表示存儲(chǔ)于巖石試樣中的彈性能，灰色區(qū)域表示用于巖石峰后破裂的能量，而黃色的dWa區(qū)域則表示用于巖石破碎、震動(dòng)以及發(fā)熱等那部分額外能量。dWr區(qū)域表示峰后破裂能量，其值為dWe加上灰色區(qū)域ABCD對(duì)應(yīng)的能量(Class Ⅰ)或者減去黃色區(qū)域ABCD對(duì)應(yīng)的能量(Class Ⅱ)。

圖6 Ⅰ類(左)和Ⅱ類(右)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress-strain curves of class Ⅰ(left) and class Ⅱ(right)

(1)

(2)

據(jù)此上述各部分能量的定義，可以定義脆性指數(shù)K1和K2，如下：

(4)

(5)

式中：σB和σC代表圖6中B，C兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)；E=dσ/dε代表峰前彈性模量。根據(jù)式(4)以及式(5)，計(jì)算脆性指數(shù)K1和K2，按照計(jì)算結(jié)果對(duì)巖石的脆性分類如表1所示。

表1 巖石脆性指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of brittleness according to the brittleness indexes

2.2 儲(chǔ)層脆性指數(shù)分布

選取川南某井區(qū)不同埋深處鉆取的儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣共76塊，尺寸為直徑50mm、高100mm，在GCTS RTR-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)上施加圍壓、孔隙壓、溫度分別模擬地應(yīng)力、孔隙壓力、地層溫度，試驗(yàn)所施加的圍壓、溫度和孔隙壓完全模擬在獲取試樣位置處鉆井內(nèi)的實(shí)測(cè)應(yīng)力、溫度和孔隙壓力，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中記錄軸向連續(xù)加載全過(guò)程數(shù)據(jù)，繪制全應(yīng)力-應(yīng)變曲線以直觀反映試樣在儲(chǔ)層原位條件下的地層溫度、壓力條件下的彈、塑性特征，通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算獲得抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)。該井區(qū)儲(chǔ)層試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中Ⅰ類和Ⅱ類均有體現(xiàn)，圖7是該井區(qū)巖石試樣三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中典型的Ⅰ類應(yīng)力-應(yīng)變曲線和Ⅱ類應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖7 典型的Ⅰ類和Ⅱ類三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Typical stress-strain curves of class Ⅰ and class Ⅱ in this triaxial testing

根據(jù)儲(chǔ)層原位條件下三軸壓縮試驗(yàn)的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算求解不同埋深巖石試樣相應(yīng)的脆性指數(shù)K1以及K2，按照表1的分類標(biāo)準(zhǔn)將儲(chǔ)層巖石分為超脆性巖石、脆性巖石、過(guò)渡型巖石和延性巖石，其脆性依次減弱，具體計(jì)算值以及分類結(jié)果如圖8所示。

圖8 隨埋深變化的儲(chǔ)層試樣K1和K2值的分區(qū)變化Fig. 8 Zoning of the brittleness classification according to the brittleness indexes K1及K2a. 五峰； b. 龍 龍 龍 龍

表2 脆性指數(shù)K1及K2分類結(jié)果Table 2 Results of the brittleness classification according to the brittleness indexes K1及K2

3 實(shí)際壓裂情況

巖石脆性的定量化評(píng)價(jià)，可以直接預(yù)測(cè)儲(chǔ)層巖石壓裂的效果，實(shí)際工程中對(duì)于壓裂效果的評(píng)價(jià)主要依靠微地震監(jiān)測(cè)。水力壓裂對(duì)儲(chǔ)層改造時(shí)會(huì)引起儲(chǔ)層內(nèi)地應(yīng)力的急劇變化，這會(huì)導(dǎo)致巖層內(nèi)產(chǎn)生裂縫或者形成錯(cuò)斷，進(jìn)而誘發(fā)產(chǎn)生烈度很低的地震波，對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及反演就可以獲知壓裂改造的范圍以及裂縫的類型，微震監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂改造效果的重要手段。近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了川南地區(qū)深層(>3500m)頁(yè)巖氣試驗(yàn)性開(kāi)發(fā)，如圖9所示為水平井中不同層位壓裂改造的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖9 水平井中不同層位壓裂改造的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 9 Fracturing results reflected from the micro-seismic monitoring of the different layers in the Longmaxi formationa. 龍層位的3段微震監(jiān)測(cè)結(jié)果； b. 龍層位的4段微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層原位條件下的頁(yè)巖樣品實(shí)施三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)獲得其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其峰前與峰后的應(yīng)力-應(yīng)變信息有效反映了原位條件下巖石的峰值破壞前后的內(nèi)在材料屬性以及變形破壞過(guò)程，獲取能夠反映出深埋頁(yè)巖儲(chǔ)層在原位溫度和壓力條件下的巖石脆性指數(shù)，從而能夠?qū)ι盥窈Ｏ囗?yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行原位條件下的脆性評(píng)價(jià)。

(1)深埋條件下頁(yè)巖儲(chǔ)層深達(dá)到了4927.30m(五峰組)，埋深范圍內(nèi)井區(qū)的實(shí)測(cè)孔隙壓力變化范圍為60.60～108.20MPa，沿深度的平均孔壓遞增值為3.0MPa/100m。而地層溫度的變化范圍為108～132℃，沿深度的平均地溫遞增值為1.5℃/100m，在3700～3900m范圍內(nèi)地溫升高較快。

(2)井區(qū)水平向平均地應(yīng)力的變化范圍為68.70～113.00MPa，而垂直地應(yīng)力的變化范圍為85.80～125.60MPa，水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比變化范圍為0.76～0.96。

(3)基于儲(chǔ)層原位條件下的三軸壓縮試驗(yàn)可以反映儲(chǔ)層位置巖石的力學(xué)行為特點(diǎn)，將儲(chǔ)層巖石分為超脆巖石、脆性巖石、過(guò)渡型巖石和延性巖石，本研究對(duì)不同層位的井中巖樣根據(jù)脆性指數(shù)進(jìn)行了脆性評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層巖石壓裂效果的有效預(yù)測(cè)。