一種頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)方法

肖佳林，李遠(yuǎn)照，候振坤，郭印同，王磊

（1.中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

一種頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)方法

肖佳林1，李遠(yuǎn)照1，候振坤1，郭印同2，王磊2

（1.中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

頁巖的脆性對(duì)于巖石起裂以及壓裂復(fù)雜裂縫的形成具有重要影響，亦是綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性的關(guān)鍵指標(biāo)?；趲r石全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，綜合室內(nèi)巖心測(cè)試和測(cè)井解釋數(shù)據(jù)建立了多元回歸函數(shù)，建立了新型脆性指數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層多因素影響下脆性的定量表征和綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)涪陵焦石壩區(qū)塊部分頁巖氣井儲(chǔ)層脆性進(jìn)行了分析研究。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)脆性評(píng)價(jià)方法相比，該方法計(jì)算結(jié)果在局部層段反映更為精細(xì)、更全面，同時(shí)與儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工情況具有較好的關(guān)聯(lián)性。

頁巖；水平井；全應(yīng)力應(yīng)變；脆性指數(shù)；回歸函數(shù)；焦石壩

由于頁巖本身具有低孔低滲特征，一般都需經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，頁巖的脆性能夠明顯影響井壁的穩(wěn)定性以及壓裂效果，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)甜點(diǎn)優(yōu)選、壓裂射孔簇選擇具有重要意義。

利用彈性模量、軟化模量、應(yīng)力降系數(shù)等多參數(shù)為基礎(chǔ)的綜合脆性指標(biāo)Bd1，結(jié)合涪陵焦石壩區(qū)塊導(dǎo)眼取心井地質(zhì)、力學(xué)參數(shù)，以Bd1為目標(biāo)函數(shù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中動(dòng)態(tài)彈性模量等多參數(shù)為自變量，獲得了多元回歸函數(shù)，以此為基礎(chǔ)建立了一種頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)新方法。應(yīng)用該方法對(duì)本區(qū)域部分直井、水平井段儲(chǔ)層脆性進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 脆性評(píng)價(jià)新方法的建立

不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層，頁巖儲(chǔ)層改造以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)。目前，頁巖脆性特征作為可壓性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，一般可用于評(píng)估壓裂縫網(wǎng)能否形成及形成的難易程度。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者從不同角度、不同研究目的出發(fā)，提出了一系列可壓性評(píng)價(jià)方法［1-4］。由于大部分方法在分析頁巖脆性特征時(shí)，仍主要采用傳統(tǒng)的礦物組分或巖石力學(xué)參數(shù)分析方法，反映頁巖的可壓性特征存在一定局限。

巖石類材料的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線是研究其強(qiáng)度和變形特性、確定材料參數(shù)和研究本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)，在巖體工程勘查、設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等方面占有重要地位。其分析過程和數(shù)據(jù)對(duì)于研究不同巖性、不同樣品巖石力學(xué)特征具有重要指導(dǎo)作用。室內(nèi)對(duì)巖樣進(jìn)行加載測(cè)其變形可得到全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而分析獲取其巖石力學(xué)參數(shù)。許多學(xué)者基于頁巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究巖石脆-塑性轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律，取得了較為豐富的成果［5-15］。 左建平等［16-17］根據(jù)巖石加載及卸載過程定義了脆性跌落系數(shù)R。候正坤等［18］基于應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用與脆性破壞難易程度關(guān)聯(lián)的脆性跌落系數(shù)R、反映脆性強(qiáng)弱的應(yīng)力降系數(shù)P以及軟化模量M，建立了頁巖脆性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)Bd1，并通過頁巖的單三軸試驗(yàn)驗(yàn)證了該指標(biāo)的適用性。

經(jīng)歸一化處理后定義的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)Bd1為

其中 α+β+γ=1

式中：B1為與脆性跌落系數(shù)R相關(guān)的脆性指標(biāo)；B2為與應(yīng)力降系數(shù)P相關(guān)的脆性指標(biāo)；B3為與軟化模量M相關(guān)的脆性指標(biāo)；α為B1在總脆性指數(shù)中所占的權(quán)重；β為B2在總脆性指數(shù)中所占的權(quán)重；γ為B3在總脆性指數(shù)中所占的權(quán)重。

筆者以Bd1定義的計(jì)算方法為基礎(chǔ)，結(jié)合焦石壩區(qū)塊代表性導(dǎo)眼取心井的地質(zhì)、力學(xué)參數(shù)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，得到適用于本區(qū)塊的脆性指數(shù)計(jì)算新方法。

下部含氣泥頁巖段是涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣開發(fā)的目的層段，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的厚度較大（80～114 m）、分布穩(wěn)定。綜合巖性、電性、物性、地化、含氣性等特征，將五峰—龍馬溪組含氣頁巖段縱向上劃分為3段5個(gè)亞段9個(gè)小層。其中最有利層段龍一段厚80～105 m，為灰黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖，可劃分為5個(gè)小層。

針對(duì)焦石壩導(dǎo)眼井A井不同開發(fā)小層，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算不同深度脆性指數(shù)，并與室內(nèi)巖礦組分分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖1給出了該井不同小層脆性評(píng)價(jià)的結(jié)果。對(duì)比不同曲線認(rèn)為，根據(jù)脆性指標(biāo)Bd1的計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析相關(guān)性較好，不同小層間的變化趨勢(shì)基本保持一致。同時(shí)，新方法分析結(jié)果在局部層段與礦物組分分布存在一定差異，亦反映出該新方法能更為精細(xì)地反映巖石脆性變化，進(jìn)而指導(dǎo)射孔段簇位置優(yōu)選。

圖1 A井不同小層不同方法脆性指數(shù)分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)于頁巖氣井，其測(cè)井解釋數(shù)據(jù)間接反映了儲(chǔ)層巖性、電性、裂縫及深度等多重因素影響。筆者將室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與測(cè)井解釋數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)建立回歸函數(shù)，以此來分析本區(qū)域直井、水平井段儲(chǔ)層綜合脆性。以修正后的脆性指標(biāo)Bd1為目標(biāo)函數(shù)，以測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中頁巖動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)泊松比、自然伽馬、斷裂韌性為自變量，進(jìn)行函數(shù)回歸得出Bd1的多元回歸函數(shù)Y：

式中：E為彈性模量，GPa；μ為泊松比；GR為自然伽馬測(cè)井值，API；KⅡ?yàn)閿嗔秧g性。

綜上所述，基于新型脆性指標(biāo)分析評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層脆性的具體方法為：首先根據(jù)室內(nèi)巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型和回歸函數(shù)，再利用獲取的單井（直井、水平井）測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，將上述幾個(gè)參數(shù)代入該回歸函數(shù)計(jì)算公式，可求得直井及水平井段儲(chǔ)層脆性指數(shù)，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性。

2 新型脆性評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

焦石壩頁巖氣田位于重慶涪陵，屬川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜焦石壩構(gòu)造帶，一期產(chǎn)能建設(shè)階段對(duì)壓裂工藝及參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化完善，截至目前，共計(jì)完成240口井4 600余段的壓裂施工，形成了 “復(fù)雜縫/網(wǎng)縫+主縫”的壓裂改造思路以及“混合壓裂、組合加砂”的壓裂模式，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了顯著效果。伴隨勘探開發(fā)由主體區(qū)域逐漸南移，相比構(gòu)造平緩、埋深適中的主體區(qū)域，地質(zhì)條件發(fā)生明顯變化，外擴(kuò)區(qū)域構(gòu)造更為復(fù)雜，埋深顯著增加，目的層垂深由2 400 m增至3 800 m，穿行層位跨度明顯增大。由于地質(zhì)力學(xué)條件發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)反映施工壓力高、壓力窗口小、加砂難度大、復(fù)雜縫網(wǎng)形成難度增大等問題。

在不同區(qū)域、不同小層儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)過程中，一般仍采用傳統(tǒng)的巖土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)或者Rickman脆性指數(shù)等方法對(duì)儲(chǔ)層脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。礦物脆性指數(shù)法主要分析巖土礦物成分中石英、方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小，以此評(píng)價(jià)儲(chǔ)層脆性高低。傳統(tǒng)Rickman方法［19］主要根據(jù)彈性模量、泊松比等參數(shù)，參照相關(guān)公式進(jìn)行推算。

然而，由于傳統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)方法未考慮不同圍壓條件對(duì)巖石脆塑性影響，主要從宏觀上定性比較脆性的相對(duì)強(qiáng)弱，對(duì)相同儲(chǔ)層地質(zhì)條件的頁巖較為適用，而對(duì)于不同埋深、構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下的巖石脆性則存在較大的局限性。

2.1 不同地質(zhì)條件頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊由北向南地質(zhì)條件呈現(xiàn)復(fù)雜性及多樣性，具體反映為構(gòu)造相對(duì)破碎、斷裂更為發(fā)育、地層傾角更大、埋深增大等特點(diǎn)。選取本區(qū)塊不同埋深、不同區(qū)域及不同構(gòu)造位置的S2，S3，S4，S6，S8，S7-3等6口井導(dǎo)眼井主力層段（第①—⑨小層）相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（見表1）。

表1 不同區(qū)域單井構(gòu)造、埋深情況

圖2、圖3分別給出了不同單井采用傳統(tǒng)方法和新型評(píng)價(jià)方法獲得的脆性指數(shù)。從圖中可以看出，傳統(tǒng)Rickman方法計(jì)算得到的各小層脆性未見明顯變化，而新型脆性指數(shù)法計(jì)算結(jié)果反映出隨構(gòu)造部位、深度的變化，儲(chǔ)層脆性特征整體有逐步降低的趨勢(shì)，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明顯。因此，考慮埋深等多因素綜合影響，相同礦物組成的巖石經(jīng)歷不同的成巖過程，不同區(qū)域頁巖的綜合脆性可能存在較大差異，進(jìn)而會(huì)對(duì)水平井分段壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工造成不利影響。

2.2 頁巖氣水平井不同層段脆性評(píng)價(jià)及分析

受水平井鉆井過程中鉆遇層位影響，該區(qū)域頁巖氣水平井軌跡具有穿行層位跨度大、深度范圍廣等特點(diǎn)，需結(jié)合具體穿行小層地質(zhì)特征選擇針對(duì)性壓裂工藝及參數(shù)。C井為本區(qū)塊西南區(qū)域的一口開發(fā)井，水平井段長(zhǎng)2 000 m，分28段進(jìn)行壓裂試氣，目的層段斜深3 600～5 500 m，垂深 3 000～3 400 m。

圖2 傳統(tǒng)Rickman方法計(jì)算脆性指數(shù)

圖3 新型脆性評(píng)價(jià)方法計(jì)算脆性指數(shù)

圖4給出了分別采用傳統(tǒng)Rickman方法和新型脆性評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的水平井段脆性指數(shù)，由于穿行層位特征及非均質(zhì)性影響，各井段脆性存在明顯差異?？梢钥吹剑滦痛嘈栽u(píng)價(jià)方法得到的脆性指數(shù)整體趨勢(shì)與傳統(tǒng)方法較為一致，但局部層段存在一定差異。

圖4 C井水平段不同深度、不同井段脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析，以第5，19段為例（見圖5，6），各段施工曲線特征與新型脆性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果具有較好的關(guān)聯(lián)性，其中脆性較高的第19段可壓性較好，加砂較為順暢，施工壓力波動(dòng)較小，而脆性較差的第5段反映可壓性較差、施工壓力波動(dòng)大、加砂困難等特征。綜合對(duì)比分析，由于考慮了多參數(shù)、多因素影響，新型脆性指標(biāo)與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，表征更為精細(xì)，與施工關(guān)聯(lián)性也較強(qiáng)，為儲(chǔ)層脆性綜合評(píng)價(jià)和壓裂效果評(píng)估提供了一種新途徑。

圖5 C井第5段施工曲線

圖6 C井第19段施工曲線

3 結(jié)論

1）結(jié)合頁巖氣井巖心力學(xué)測(cè)試及測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，基于擬合回歸函數(shù)建立了適用于焦石壩區(qū)塊的新型脆性評(píng)價(jià)方法。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該方法對(duì)于水平井局部層段脆性變化表征更為精細(xì)，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工具有較好的關(guān)聯(lián)性。

2）提出的頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)新方法考慮了圍壓影響，隨著圍壓增加，脆性指數(shù)明顯降低。焦石壩區(qū)塊開發(fā)由主體區(qū)向外圍區(qū)域擴(kuò)展，由于埋深、構(gòu)造位置等發(fā)生變化，儲(chǔ)層綜合脆性有逐步降低的趨勢(shì)，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明顯，需針對(duì)性優(yōu)化工藝參數(shù)以提升改造效果。

［1］ 袁俊亮，鄧金根，張定宇，等.頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.石油學(xué)報(bào)，2013，34（3）：523-528.

［2］ 蔣廷學(xué)，卞曉冰，蘇瑗，等.頁巖可壓性指數(shù)評(píng)價(jià)新方法及應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（5）：16-21.

［3］ 郭天魁，張士誠(chéng)，葛洪魁.評(píng)價(jià)頁巖壓裂形成縫網(wǎng)能力的新方法［J］.巖土力學(xué)，2013，34（4）：947-955.

［4］ 張新華，鄒筱春，趙紅艷，等.利用X熒光元素錄井資料評(píng)價(jià)頁巖脆性的新方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（5）：92-96.

［5］ 李慶輝，陳勉，金衍，等.頁巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法及改進(jìn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（8）：1680-1686.

［6］ 楊根蘭，黃潤(rùn)秋，蔡國(guó)軍，等.巖石破壞前后曲線分類及脆-延轉(zhuǎn)換圍壓研究：蝕變巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)Ⅰ［J］.巖土力學(xué)，2008，29（10）：2759-2764.

［7］ 朱珍德，張勇，王春娟.大理巖脆-延性轉(zhuǎn)換的微觀機(jī)理研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（1）：31-36.

［8］ 李國(guó)梁，秦四清，薛雷，等.基于脆性巖石破裂過程中特征點(diǎn)的能量密度研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，22（1）：35-45.

［9］ 呂森鵬，陳衛(wèi)忠，賈善坡，等.脆性巖石破壞試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增刊 1）：2772-2778.

［10］ 袁俊亮，鄧金根，張定宇，等.頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.石油學(xué)報(bào)，2013，34（3）：523-528.

［11］ YUAN S C，HARRISON J P.An empirical dilatancy index for the dilatant deformation of rock ［J］.International Journal of Rock Mechanicsand Ming Science，2004，41：679-686.

［12］張春會(huì)，趙全勝，于永江.考慮圍壓影響的非均質(zhì)巖石剪脹擴(kuò)容模型［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（3）：436-441.

［13］王云飛，龔健，陳贊成.不同圍壓下煤巖變形與剪脹擴(kuò)容模型［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42（1）：106-112.

［14］趙星光，蔡明，蔡美峰.巖石剪脹角模型與驗(yàn)證［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（5）：970-982.

［15］周輝，孟凡震，張傳慶，等.基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石脆性特征定量評(píng)價(jià)方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1114-1123.

［16］左建平，黃亞明，熊國(guó)軍，等.脆性巖石破壞的能量跌落系數(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2014，35（2）：321-328.

［17］史貴才.脆塑性巖石破壞后區(qū)力學(xué)特性的面向?qū)ο笥邢拊c無界元耦合模擬研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2005.

［18］ 侯振坤，楊春和，魏翔，等.龍馬溪組頁巖脆性特征試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（5）：1189-1193.

［19］ RICKMAN R，MULLEN M J，PETRE J E，et al.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization：all shale plays are not clones of the Barnett Shale［R］.SPE 11528，2008.

（編輯 趙旭亞）

Evaluation method for shale reservoir brittleness

XIAO Jialin1,LI Yuanzhao1,HOU Zhenkun1,GUO Yintong2,WANG Lei2
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,Jianghan Oilfield Company,SINOPEC,Wuhan 430035,China;2.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

The brittleness index of shale plays an important role in the process of crack in rock and complex fracture in hydraulic fracturing,which is also a key indicator to evaluate the reservoir characteristics.Based on the whole strain-stress curves，a new brittle index was established through both the state parameter and the process evolution.The quantitative characterization and comprehensive evaluation for the brittleness were studied by the influence of multi-factors for the reservoir.Multiple regression function was established from the indoor core experimental data and logging interpretation data and the analysis were obtained for some gas wells in Jiaoshiba blocks,Fuling.Comparing with the traditional evaluation method for brittleness index,the calculation results of this method in the local section are more precise and more comprehensive,which show good relevance with reservoir geological mechanics condition and field operations.

shale;horizontal well;whole stress-strain;brittleness index;regression function;Jiaoshiba

TE122

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁巖儲(chǔ)層壓裂復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理與擴(kuò)展模型研究”（51574218）;中國(guó)石化集團(tuán)公司科技項(xiàng)目“涪陵區(qū)塊頁巖氣層改造技術(shù)研究”（P14092）、“涪陵地區(qū)深井高壓頁巖氣壓裂方式研究”（P15138）

10.6056/dkyqt201704011

2016-12-01；改回日期：2017-05-09。

肖佳林，男，1984年生，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣地質(zhì)勘探工作。E-mail：799071660@qq.com。

肖佳林，李遠(yuǎn)照，候振坤，等.一種頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)方法［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：486-489.

XIAO Jialin，LI Yuanzhao，HOU Zhenkun，et al.Evaluation method for shale reservoir brittleness［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：486-489.