非常規(guī)儲層體積改造中巖石脆性特征的判別方法

才 博 丁云宏 盧擁軍 王曉冬 楊振周 孫 豪 吳國濤

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，廊坊 065007；3.中油華北油田鉆采院，任丘 062552）

非常規(guī)儲層體積改造中巖石脆性特征的判別方法

才 博1，2丁云宏2盧擁軍2王曉冬1楊振周2孫 豪3吳國濤2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，廊坊 065007；3.中油華北油田鉆采院，任丘 062552）

水平井鉆井+體積改造技術(shù)是非常規(guī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破的關(guān)鍵。研究儲層的脆彈性特征是儲層是否適合體積改造的核心問題，通過巖石力學(xué)分析、全巖分析及核磁掃描等方法，建立巖心剪切破壞觀察、脆性指數(shù)計(jì)算、斷裂韌性計(jì)算和巖心CT與巖石力學(xué)結(jié)合的一套用于評價儲層脆性特征的綜合研究方法。

體積改造；脆性指數(shù)；巖石力學(xué)；致密氣；斷裂韌性

隨著勘探程度的不斷深化，儲層物性越來越差，儲層改造在勘探與開發(fā)中的作用更加顯著。近幾年，隨著頁巖氣和致密氣等非常規(guī)領(lǐng)域改造技術(shù)和理念的進(jìn)步與革新，體積壓裂技術(shù)成為這類儲層的主流改造技術(shù)［1-4］。體積壓裂是低滲、特低滲透儲層經(jīng)濟(jì)開發(fā)的關(guān)鍵，然而是否所有的儲層都能通過大規(guī)模的壓裂施工實(shí)現(xiàn)大范圍的體積改造是目前所有學(xué)者急需解決的問題，并非所有儲層都能實(shí)現(xiàn)大液量下所期望的大范圍體積改造的目的。因?yàn)橐酝难芯勘砻鞣浅Ｒ?guī)低滲透氣藏基質(zhì)普遍具有低孔、特低滲等特征，比表面大，微觀孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，儲集空間類型與滲流機(jī)理更加復(fù)雜、孔喉細(xì)小，各種物理吸附作用強(qiáng)，儲層對外來液體的傷害更加敏感，遠(yuǎn)高于常規(guī)儲層，因此大的規(guī)模改造如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，儲層改造可能與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相違背，造成大量的傷害和浪費(fèi)，因此必須對儲層進(jìn)行體積改造的適應(yīng)性分析。Sonderseld C H［5］等人研究頁巖氣儲層的可壓性時，根據(jù)頁巖礦物組分等提出了評價的脆性指數(shù)方法。該方法主要通過全巖分析計(jì)算脆性礦物的比例，在許多時候由于巖心資料不齊或者全巖分析誤差的存在，會使評價的指標(biāo)過于單一。本文在以上評價基礎(chǔ)上，通過巖心實(shí)驗(yàn)與理論研究，提出幾種用于評價巖心脆性特征的綜合評估方法，豐富了脆性識別原則，對于判斷儲層是否適合體積改造具有重要的指導(dǎo)意義，提高了體積改造的適應(yīng)性和科學(xué)性。

1 巖石脆性特征判別方法研究

1.1 巖心剪切破壞事件

巖心在鉆樣過程中受到取樣器剪切作用的結(jié)果，由于巖石內(nèi)礦物成分不同導(dǎo)致鉆樣時的結(jié)果不同，可以反映出儲層巖石的脆彈性特征。脆的巖樣在鉆置過程中往往容易碎裂且不規(guī)則。因此通過巖心在鉆樣過程中的剪切破壞事件，可以初步判斷巖石的大致脆性特征，進(jìn)而進(jìn)行下一步的脆性特征的相關(guān)分析。圖1為某一巖心在鉆樣過程中由于脆性特征較強(qiáng)，在剪切作用下巖心成多處破裂特征。

圖1 脆性巖心剪切破壞事件圖

1.2 脆性指數(shù)計(jì)算

首先通過全巖分析實(shí)驗(yàn)分析巖石中的各種礦物成分，一般儲層中礦物組分主要有黏土礦物 (高嶺石、伊利石和蒙脫石等)，石英、方解石、長石、白云石等礦物。利用式（1）進(jìn)行脆性指數(shù)計(jì)算：

式中：β—脆性指數(shù)，%；Cquartz—頁巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Cclay—頁巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ccarbonate—頁巖碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

當(dāng)黏土礦物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)較高時，巖石表現(xiàn)為塑性特征，不利于產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)體積，因此不適合采用體積改造。當(dāng)巖石中石英、碳酸巖等礦物含量較高時，表明脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，巖石的脆性特征強(qiáng)，有利于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)體積，適合于體積改造技術(shù)的利用。如美國Barnett頁巖中富含石英和碳酸鹽礦物，脆性指數(shù)高達(dá)50%以上［6］，適合于低黏度液體的體積改造。因此1997年以來，美國Mitchell公司成功將滑溜水等工藝應(yīng)用到該頁巖的體積改造中，不但使壓裂費(fèi)用較以往減少65%，而且最終采收率提高了20%。

1.3 斷裂韌性分析

斷裂韌性是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)［7］。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)，是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。斷裂韌性是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值［8］。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。

先將測試試樣表面拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值Kc：

式中：Kc—斷裂韌性值，MPa·m1/2；E—楊氏模量，MPa；P—加載載荷，kg；C—裂紋長度，mm； Hv—顯微硬度，GPa。

1.4 巖石力學(xué)及CT掃描實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography,簡稱CT)是通過測定多組X射線束透射過物體某一選定截面的衰減信息計(jì)算出該截面各單位容積吸收系數(shù)［9］,進(jìn)而得到該截面的密度分布圖像［10］。本研究將這一技術(shù)應(yīng)用到三維裂縫的描述上，建立了脆性特征識別的實(shí)驗(yàn)方法，研究天然裂縫的分布和巖石在三軸應(yīng)力條件下受壓后裂縫的變化情況，為壓裂設(shè)計(jì)脆性指數(shù)識別提供科學(xué)有效指導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）制備標(biāo)準(zhǔn)的巖心柱體（2.5cm×5cm）；

（2）標(biāo)記巖樣后進(jìn)行巖石三維CT掃描；

（3）對三維CT掃描進(jìn)行切片分析；

（4）計(jì)算巖心三軸應(yīng)力條件下巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)；

（5）按照第二步的標(biāo)記位置再次進(jìn)行巖石三維CT掃描；

（6）處理掃描結(jié)果，進(jìn)行定位對比分析巖石受壓后的裂縫變化情況。

圖2（a）為三軸應(yīng)力巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)前CT裂縫受壓前的照片，圖2（b）為巖石裂縫在受壓后的三維CT照片?？梢娫谌S應(yīng)力受壓后巖石裂縫出現(xiàn)多處展開，呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裂縫特征，說明地層的脆性特征較強(qiáng)，為體積改造的優(yōu)選提供了依據(jù)。

圖2 巖石受壓前、后三維CT裂縫掃描圖

2 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

以某非常規(guī)頁巖氣儲層為例，儲層厚度5～15m，孔隙度 3%～8%，滲透率 0.01×10-3μm2，因此需進(jìn)行體積改造的適應(yīng)性研究。從巖心在鉆樣過程中受到取樣器材剪切作用的結(jié)果看，巖心存在一定的脆性特征，巖石全巖分析表明：石英占30.7%～40.5%，碳酸鹽巖占30.0%～32%，總泥質(zhì)含量占15.5%～20%，計(jì)算的脆性指數(shù)為40%～3%，巖心三軸的楊氏模量為4.5×104MPa，泊松比為0.19,利用三維CT掃描后巖石受壓后見到明顯的多條張開裂縫的特征，以上研究表明地層的脆性特征十分明顯，適合采用體積改造的方式。

3 結(jié) 論

體積改造技術(shù)是壓裂理念的一次革命，但研究儲層是否適合體積改造是研究特低滲透及非常規(guī)油氣儲層的重要任務(wù)。大量的液體如不能實(shí)現(xiàn)大范圍體積改造目標(biāo)只能造成對儲層的傷害和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

巖石的脆性特征判別是體積改造設(shè)計(jì)方案優(yōu)選的重要論據(jù)，本文通過巖石力學(xué)分析、巖心礦物分析及核磁掃描等方法，建立了巖心剪切破壞事件、脆性指數(shù)計(jì)算、斷裂韌性計(jì)算和巖心CT與巖石力學(xué)結(jié)合的掃描方法等用于評價儲層脆性特征的綜合研究方法，為體積改造技術(shù)的優(yōu)選提供重要的參數(shù)依據(jù)。

現(xiàn)場應(yīng)用表明，綜合應(yīng)用上述方法提高了對儲層脆性的識別，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Study of Rock Brittleness for Stimulated Reservoir Volume Fracturing Technology

CAI Bo1，2 DING Yunhong2LU Yongjun2 WANG Xiaodong1YANG Zhenzhou2SUN Hao3 WU Guotao2
（1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083；2.Langfang Branch of Exploration&Development Research Institute,PetroChina,Langfang 065007；3.North China Oilfield Drilling and Extraction Institute,PetroChina,Renqiu 062552）

Study of reservoir brittle characteristics is the core problem of stimulated reservoir volume fracturing technology.Through rock mechanics analysis,rock mineral analysis and magnetic scanning method,this article establishes a core shear failure observation,brittle fracture toughness index calculation,core CT used in the evaluation of reservoir brittle characteristics comprehensive research methods.As the volume of this technology are preferably provided important basis for the parameters.The study has very important significance

stimulated reservoir；volume brittleness；rock mechanics；tight gas fracture；toughness

TE357.1

A

1673-1980(2012)05-0086-03

2012-05-08

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05013）

才博(1979-)，男，吉林四平人，博士，工程師，研究方向?yàn)樗毫压に嚰夹g(shù)。