王英偉，梁利喜，鄒正銀，劉向君，張景，張文，曲福治，丁乙

(1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300452)

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷油氣資源豐富，隨著近年來地質(zhì)理論取得突破與勘探技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，已形成了多個億噸級儲量區(qū)，瑪湖特大型致密礫巖油田儲量規(guī)模更是高達(dá)10億t，勘探開發(fā)潛力巨大[1-3]。作為瑪湖礫巖油田主力開發(fā)層系之一的三疊系百口泉組礫巖油層埋深2 500～4 000 m，屬于典型的低孔、低滲透—特低滲透儲集層[4-6]。已有研究及大量工程實(shí)踐表明，對于該類低滲、特低滲油氣層，通過體積壓裂技術(shù)在井周地層形成大規(guī)模復(fù)雜人工縫網(wǎng)是該類油氣藏實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)的關(guān)鍵。而能否通過壓裂在井周地層形成壓裂縫網(wǎng)關(guān)鍵取決于儲層的天然裂縫發(fā)育等結(jié)構(gòu)特征、巖石力學(xué)特性以及地應(yīng)力等地質(zhì)力學(xué)特征，其中，地層的脆性特征則是壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)。通常認(rèn)為巖石的脆性越強(qiáng)，壓裂作用下越容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，儲層的壓裂改造效果越好。因此，研究認(rèn)識礫巖儲層的脆性特征及其影響因素對低滲、特低滲油氣藏地質(zhì)工程一體化高效開發(fā)具有重要意義[7-8]。

近年來，圍繞地層脆性的評價國內(nèi)外學(xué)者開展了卓有成效的研究，并基于不同的研究目的建立了大量的脆性指數(shù)評價模型，可歸納為兩大類：一是基于礦物組分的脆性評價方法，該類方法基于礦物組分是決定巖石力學(xué)性質(zhì)內(nèi)在因素這一認(rèn)識，通過計算石英、長石、白云石等脆性礦物含量評價巖石的脆性[9-11]，但該類方法未能有效考慮巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成巖作用以及應(yīng)力狀態(tài)、溫度等賦存環(huán)境對脆性的影響，同時對于脆性礦物的界定及其對巖石變形破壞的影響尚存在分歧，評價結(jié)果科學(xué)性有待進(jìn)一步完善；二是基于巖石力學(xué)特性的脆性評價方法，該類方法主要通過巖石變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性參數(shù)評價巖石的脆性特征[12-14]。基于巖石力學(xué)特性的脆性評價方法又可進(jìn)一步劃分為：基于彈性參數(shù)的脆性評價方法、基于巖石強(qiáng)度的脆性評價方法、基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評價方法以及基于應(yīng)變能的脆性評價方法等。

值得注意的是，目前關(guān)于巖石脆性特征的相關(guān)研究大多圍繞頁巖地層，與頁巖地層不同，百口泉組礫巖儲集層多以塑性較強(qiáng)的玄武質(zhì)凝灰?guī)r為母巖，混有一定含量的砂巖、泥巖，礫巖顆粒分選差、粒徑差異大，呈現(xiàn)現(xiàn)出更為顯著的非均質(zhì)性特征[15-16]。鑒于此，基于百口泉地層井下取心，通過開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了百口泉組礫巖的脆性特征、評價方法以及圍壓、孔隙度、密度等因素對脆性特征的影響，對壓裂工程甜點(diǎn)評價、壓裂方案優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1 礫巖的脆性特征研究

1.1 試樣篩選及實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)礫巖取自瑪湖凹陷百口泉組礫巖，取樣深度3 200～3 408 m，其中礫石粒徑主要分布在2～21 mm。從井下全直徑取芯首先鉆取直徑25 mm、長度70 mm左右的圓柱體樣品，然后將70 mm圓柱樣品分割為長度為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。所有試樣端面平整度保持在±0.05 mm。

對試樣進(jìn)行不高于60 ℃條件下進(jìn)行烘干，然后依次開展如下實(shí)驗(yàn)：①測試試樣的孔隙度、密度、聲波波速等物理參數(shù)，依據(jù)所測物理參數(shù)將長度 50 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣分為兩組；②根據(jù)取樣地層的上覆壓力、地層壓力確定有效圍壓為35 MPa；對兩組長度為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，分別進(jìn)行單軸壓縮測試以及有效圍壓35 MPa下的三軸壓縮測試，分析獲取各個試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及單軸抗壓強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度應(yīng)力對應(yīng)的總應(yīng)變；所開展實(shí)驗(yàn)滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)要求。

1.2 礫巖的脆性特征

依據(jù)巖石力學(xué)理論可知，脆性是指應(yīng)力作用下巖石發(fā)生很小變形即發(fā)生破裂的性質(zhì)；脆性較強(qiáng)的巖石在壓縮變形破壞過程中通常表現(xiàn)出如下特征：①破壞前，巖石的總應(yīng)變較小；而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度、試樣發(fā)生破壞，表現(xiàn)為應(yīng)力的迅疾跌落、應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率大；②試樣破壞后，出現(xiàn)多個復(fù)雜的破裂面，試樣破裂程度高、甚至完全碎裂?；谏鲜龃嘈远x及內(nèi)涵特征，對實(shí)驗(yàn)樣品在應(yīng)力作用下的變形破壞進(jìn)行脆性特征分析。

通過對單軸壓縮、三軸壓縮后礫巖試樣的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1)及試樣破裂特征(圖2)進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論。

(1)在單軸壓縮條件下，應(yīng)力達(dá)到峰值發(fā)生破壞時，實(shí)驗(yàn)礫巖樣品軸向產(chǎn)生的總應(yīng)變約為5%[圖1(a)中的εa]；應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力降落快、應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相對較大斜率。實(shí)驗(yàn)后的巖樣表面[圖2(a)～圖2(c)]呈現(xiàn)不同程度的破壞，出現(xiàn)了多個明顯的破裂面。整體來看，實(shí)驗(yàn)所分析試樣的變形破壞符合脆性特征，即在無側(cè)向約束的單軸壓縮條件下礫巖試樣呈現(xiàn)出一定的脆性特征。

εa為軸向應(yīng)變；εr為徑向應(yīng)變；εv為體應(yīng)變圖1 礫巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress and strain curves of conglomerate

圖2 單軸和三軸(35 MPa圍壓)實(shí)驗(yàn)后的礫巖巖樣Fig.2 Conglomerate samples after uniaxial test and triaxial test(35 MPa confining pressure)

(2)在圍壓35 MPa的三軸壓縮條件下，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，隨應(yīng)力增大、試樣經(jīng)歷了彈性變形、塑性屈服變形、破壞后應(yīng)力降落如下階段；其中，軸向應(yīng)變約為12%時，隨應(yīng)變增大，應(yīng)力增大幅度較小，呈現(xiàn)顯著的塑性變形特征；應(yīng)變應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時，軸向總應(yīng)變超過2%[圖1(b)中的εa]；應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨應(yīng)變增大，應(yīng)力降低速率較慢，各個試樣均未出現(xiàn)破壞應(yīng)力快速跌落的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)后的巖樣顯示[圖2(d)～圖2(f)]，試樣以斜向剪切破裂為主，肉眼僅可見一條剪切破裂面，未見復(fù)雜破裂形態(tài)；個別巖樣呈現(xiàn)出顯著的剪切擴(kuò)容膨脹特征[圖2(e)、圖2(f)]。整體來看，在圍壓 35 MPa 條件下，測試巖樣變形以塑性變形為主，脆性破裂特征不顯著。

綜上，實(shí)驗(yàn)研究表明，所分析的百口泉礫巖在單軸條件下的變形破壞表現(xiàn)為一定的脆性特征；但在實(shí)驗(yàn)圍壓條件下，脆性較差，其變形破壞則表現(xiàn)出低脆性-塑性的變形破壞特征。

2 礫巖脆性定量評價及影響因素

2.1 礫巖脆性的評價方法

依據(jù)脆性的定義及內(nèi)涵，基于全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，綜合峰值前應(yīng)變、峰值強(qiáng)度、峰值后應(yīng)力-應(yīng)變以及破壞殘余應(yīng)變等參數(shù)的定量模型能夠較好地反映、表征巖石的脆性特征。但目前已有的該類方法通常需要由全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線來獲取殘余應(yīng)變等參數(shù)，受巖石實(shí)際破裂及實(shí)驗(yàn)過程的制約，部分巖石峰值強(qiáng)度后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲取困難，從而限制了該類方法的應(yīng)用。

針對礫巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，同時考慮由于各個脆性評價關(guān)系模型建立的目的、理論依據(jù)的不同，導(dǎo)致同一地層巖石，利用不同評價方法的評價結(jié)果存在差異性[17]。分別采用基于彈性參數(shù)的Rickman模型、壓拉比以及峰值強(qiáng)度的割線模量3個模型進(jìn)行礫巖脆性的定量評價，并分析各模型計算結(jié)果的合理性。

Rickman模型基于彈性參數(shù)進(jìn)行脆性評價，具體采用歸一化后的彈性模量、泊松比兩個參數(shù)。由于模型計算簡單、參數(shù)獲取相對便捷，該評價方法被研究人員廣泛應(yīng)用[18]。

(1)

式(1)中：B1為基于Rickman模型的脆性指數(shù)，無量綱；En、υn可分別表示為

(2)

(3)

式中，En為歸一化的彈性模量；υn為歸一化的泊松比，無量綱；E為彈性模量，MPa；υ為泊松比，無量綱；Emax、Emin分別為研究地層的最大彈性模量和最小彈性模量，MPa；υmax、υmin分別為研究地層的最大泊松比和最小泊松比，無量綱。

壓拉比通過巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的比值進(jìn)行脆性評價[19]。

(4)

式(4)中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；B2為基于壓拉比的脆性指數(shù)，無量綱。

峰值強(qiáng)度的割線模量評價脆性綜合考慮了巖石破裂時的最大應(yīng)力即峰值強(qiáng)度，以及破壞時所發(fā)生的應(yīng)變大小。

(5)

式(5)中：σp為峰值強(qiáng)度，MPa；εp為峰值應(yīng)變，%；α為模型系數(shù)，取值0.1；B3為基于割線模量的脆性指數(shù)，無量綱。

考慮礫巖多級顆粒支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的復(fù)雜力學(xué)特性，結(jié)合Rickman等[18]的脆性分級研究成果，建立研究地層礫巖脆性等級分類，如表1所示。

基于所研究單軸壓縮、三軸壓縮以及抗張強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由式(1)～式(5)計算得到基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1、基于壓拉比的脆性指數(shù)B2、基于割線模量的脆性指數(shù)B3如圖3所示。

圖3 基于不同模型的各巖樣脆性指數(shù)Fig.3 Brittleness index of samples based on different models

基于3個脆性評價模型得到的脆性指數(shù)B1、B2、B3大小差異顯著。除了其中個別巖樣的脆性指數(shù)B3大于B1外，所測試巖樣脆性指數(shù)B1結(jié)果普遍大于脆性指數(shù)B2、B3，且各個巖樣的脆性指數(shù)B3都小于B1、B2。脆性指數(shù)B2居中、脆性指數(shù)B3居中。對照表1所示脆性等級劃分，25個測試樣品中，依據(jù)脆性指數(shù)B2結(jié)果巖樣普遍呈現(xiàn)塑性，僅2個巖樣呈現(xiàn)低脆性；脆性指數(shù)B1顯示大部分巖樣均為脆性-高脆性，僅7個巖樣為低脆性，且有3個巖樣為高脆性；脆性指數(shù)B3顯示15個樣品為低脆性-塑性，其他樣品呈現(xiàn)脆性。因此，結(jié)合對巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞特征分析可知，脆性指數(shù)B1計算結(jié)果普遍偏大，相對而言，脆性指數(shù)B3的計算結(jié)果能夠更好表征百口泉組礫巖的脆性特征。

表1 巖石脆性等級分類Table 1 Classification of rockbrittleness

2.2 礫巖脆性的影響因素分析

研究表明，巖石的脆性特征受自身巖性、礦物組成、巖石結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)度以及所賦存的應(yīng)力環(huán)境、溫度環(huán)境、流體環(huán)境、應(yīng)力加載路徑及應(yīng)力加載方式等因素的影響與控制。

針對頁巖的相關(guān)研究顯示[20-21]：巖石中石英等脆性礦物含量高，則巖石的脆性特征顯著；裂縫、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，有利于增強(qiáng)巖石的脆性；隨圍壓增大、應(yīng)力水平增高、溫度升高，巖石的脆性減弱、塑性增強(qiáng)；隨巖石孔隙流體壓力的增大，巖石的脆性則呈增強(qiáng)趨勢。

脆性指數(shù)計算結(jié)果(圖4)也表明：單軸條件下表現(xiàn)為脆性的礫巖，在圍壓35 MPa條件下則呈現(xiàn)為低脆性-塑性，即隨圍壓增大，礫巖的變形破壞模式發(fā)生了由脆性向塑性的轉(zhuǎn)變。

圖4 不同圍壓下礫巖脆性指數(shù)B3Fig.4 Brittleness index B3 with different confining pressure

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)研究獲得孔隙度結(jié)果，對相同圍壓下的脆性指數(shù)B2、B3與孔隙度的統(tǒng)計關(guān)系顯示隨孔隙度增大，所分析礫巖的脆性指數(shù)呈降低趨勢(圖5)。百口泉組礫巖儲層礫巖膠結(jié)類型為孔隙-壓嵌型，儲集空間類型主要為剩余粒間孔和長石溶孔，儲集層孔隙結(jié)構(gòu)及孔喉組合類型多樣，在應(yīng)力作用孔隙空間首先發(fā)生大幅壓實(shí)變形，隨著應(yīng)力進(jìn)一步增大，孔隙發(fā)生破裂，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。且孔隙度越大，孔隙壓實(shí)變形-破裂效應(yīng)越顯著，巖樣塑性變形越大。隨孔隙度增大，塑性變形越大。

圖5 礫巖脆性指數(shù)與孔隙度的關(guān)系Fig.5 Relation between brittleness index and porosity of conglomerate

相同圍壓條件，隨巖樣密度增大，脆性指數(shù)B2、B3呈現(xiàn)增大趨勢(圖6)。進(jìn)一步分析可知，百口泉組礫巖中礫石以玄武質(zhì)凝灰?guī)r、霏細(xì)巖為主；隨礫石含量增高、膠結(jié)物含量降低、填隙物減少，密度增大，應(yīng)力作用下，礫石更易沿著礫石顆粒間接觸面產(chǎn)生錯動、滑移，導(dǎo)致礫巖整體塑性變形加劇。

圖6 礫巖脆性指數(shù)與密度的關(guān)系Fig.6 Relation between brittleness index and density of conglomerate

3 結(jié)論

(1)不同圍壓下巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，瑪湖凹陷百口泉礫巖在無側(cè)向圍壓的單軸條件下表現(xiàn)出脆性特征，但在地層圍壓條件下，呈現(xiàn)為低脆性-塑性的特征。

(2)對于相同巖樣，不同脆性評價方法得到的脆性指標(biāo)存在顯著差異。針對百口泉組礫巖，基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1、基于壓拉比的脆性指數(shù)B2、基于割線模量的脆性指數(shù)B33個模型計算結(jié)果中，基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1相對最大，基于壓拉比的脆性指數(shù)B2相對最小。結(jié)合實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的脆性特征，基于割線模量的脆性指數(shù)B3能夠較好地表征百口泉組礫巖的脆性特征。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析表明，瑪湖凹陷百口泉組礫巖的脆性與圍壓以及自身的孔隙度、密度關(guān)系密切。具體表現(xiàn)為：隨圍壓、孔隙度增大，礫巖的脆性降低、塑性增強(qiáng)；隨密度增大，礫巖的脆性增強(qiáng)、塑性降低。