陳 勇，翟明洋

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110819）

近年來，致密砂礫巖油氣藏的勘探開發(fā)受到了越來越多的關(guān)注。由于礫石的存在和天然裂縫系統(tǒng)欠發(fā)育，導(dǎo)致致密砂礫巖儲層與其他沉積儲層（如頁巖、煤巖等）的地質(zhì)特征不同。致密砂礫巖儲層是在物源附近快速沉積形成的，具有巖性變化大、孔隙率低、滲透率低、非均質(zhì)性強等特點［1-2］。

脆性是致密砂礫巖油藏水力壓裂設(shè)計和施工的重要指標(biāo)，能夠反映儲層形成復(fù)雜裂縫的能力［3-8］。目前對脆性的定義尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般認為巖石脆性受礦物組成、力學(xué)性能、天然裂縫和地應(yīng)力條件的控制［9-10］。巖石脆性研究主要從3 個方面開展：①巖石礦物成分。利用巖石中脆性礦物含量的比重定義脆性指數(shù)，僅考慮了脆性礦物含量，未有效考慮應(yīng)力狀態(tài)和成巖作用對脆性的控制作用；另外脆性礦物和延性礦物的界定存在分歧。②巖石物理力學(xué)特征。RICKMAN 等采用彈性模量和泊松比定義脆性指數(shù)［11］，HUCKA 等采用巖石抗壓強度和抗拉強度評價脆性指數(shù)［12］，HONDA 等采用硬度來表征脆性［13］，但未考慮巖石應(yīng)力狀態(tài)對脆性的影響。③巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。利用巖石破壞過程中應(yīng)力-應(yīng)變來反映巖石的脆性［14-16］。KIVI等指出用一個或幾個力學(xué)參數(shù)對脆性特征進行評估不能有效反映巖石破壞的全部應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，且過于簡化了巖石破裂的漸進過程［17］。合理的脆性指數(shù)必須反映巖石在破壞前后的連續(xù)損傷過程，兼顧峰前和峰后階段［18-19］。

由于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以充分反映巖石破壞全過程的變形破壞和能量耗散及演化特征，因此近年來基于巖石破壞全過程的能量耗散特征評價脆性得到廣泛發(fā)展。XIA 等提出了基于峰后應(yīng)力跌落速率及能量比的脆性指數(shù)BI1，但該指數(shù)未考慮峰前能量耗散和峰后剩余彈性應(yīng)變能對脆性特征的影響［20］。ZHANG 等針對煤巖提出了基于峰前、峰后能量平衡的脆性指數(shù)BI2，但其對致密砂礫巖的適用性有待驗證［18］。AI等提出了一種脆性指數(shù)BI3，但該指數(shù)未考慮峰后剩余彈性應(yīng)變能對脆性特征的影響且物理意義不夠明確［19］。KIVI 等提出了針對頁巖的脆性指數(shù)BI4，但頁巖中天然裂縫和層理對巖石力學(xué)特征具有顯著的控制作用，因此該指數(shù)對致密砂礫巖的適用性也有待驗證［17，20］。MUNOZ 等基于能量平衡提出了脆性指數(shù)BI5，未考慮峰后應(yīng)力跌落程度對脆性的影響［21］。TARASOV 等基于能量平衡提出了脆性指數(shù)BI6，未考慮峰前耗散能對脆性特征的影響［22］。因此，針對其他巖性所提出的脆性指數(shù)對致密砂礫巖脆性評價的適用性和準(zhǔn)確性有待考量。

儲層脆性特征與水力壓裂改造效果密切相關(guān)，如何定量評價巖石的脆性特征并與實際相結(jié)合是致密砂礫巖儲層改造的關(guān)鍵問題。目前針對頁巖、砂巖和煤巖的脆性評價方法較多，但對砂礫巖脆性的研究卻較少，而其他類型巖石脆性評價方法可能不適用于砂礫巖。為此，筆者在分析砂礫巖破壞過程各階段的能量耗散演化和損傷狀態(tài)的基礎(chǔ)上，利用能量耗散量和耗散速率來反映脆性特征，建立一種可靠的砂礫巖脆性評價模型，為脆性評價提供了新的視角。對砂礫巖巖心進行單軸和三軸壓縮實驗，并結(jié)合室內(nèi)巖心實驗結(jié)果與其他脆性指數(shù)進行對比分析，以驗證新建立脆性指數(shù)的有效性。研究儲層脆性對水力裂縫復(fù)雜性的影響，對水力壓裂目標(biāo)層段篩選和工藝參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

1 巖石破壞全過程的能量耗散特征

巖石破壞的整個過程始終伴隨著與外界的能量轉(zhuǎn)換和交換。砂礫巖在載荷作用下的損傷和變形主要是由能量耗散、轉(zhuǎn)化和釋放［23］驅(qū)動的。巖石在載荷作用下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線是內(nèi)部能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的外在表現(xiàn)。能量的積累和耗散過程是影響砂礫巖整體變形和破壞行為的重要因素。在變形破壞過程中，假設(shè)巖心與外界環(huán)境之間不發(fā)生熱傳遞，將巖心視為一個閉環(huán)系統(tǒng)，且假設(shè)卸載彈性模量等于初始彈性模量［23-26］，則巖石單元體積的能量平衡可以表示為［23］：

如圖1 所示，巖心破壞全過程的能量演化可以描述為3個階段。

圖1 巖心破壞全過程的能量演化示意Fig.1 Schematic diagram of energy evolution during whole process of rock failure

能量吸收與積累階段 在該階段（圖1 中OA段），巖心從外部吸收能量并儲存于內(nèi)部。其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為2個部分：①由于孔隙壓密和原生微裂隙閉合，導(dǎo)致從外部吸收的一部分機械能轉(zhuǎn)化為耗散能，進而導(dǎo)致巖石的非線性變形。②巖心繼續(xù)從外界吸收能量，幾乎所有的能量均轉(zhuǎn)化成彈性應(yīng)變能并儲存于巖心內(nèi)部。在該階段，巖心主要經(jīng)歷軸向應(yīng)力下的彈性變形，彈性應(yīng)變能不斷積累；雖然耗散能很少，但占總能量的比例很大。

能量耗散階段 在該階段（圖1 中AB 段）裂紋的產(chǎn)生、積累和擴展會造成能量的耗散。其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為2個部分：①當(dāng)軸向應(yīng)力水平達到裂紋起裂應(yīng)力時，開始出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致不可逆的損傷和塑性變形。同時隨著裂紋的擴展，彈性應(yīng)變能不斷積累，耗散能開始增加。②當(dāng)應(yīng)力水平達到裂紋損傷應(yīng)力時，巖心的損傷和塑性變形隨裂紋擴展而加劇。隨著載荷的增加，耗散能的增加速率變大，而彈性應(yīng)變能的增加速率變小。

能量轉(zhuǎn)換與釋放階段 在該階段（圖1 中BC段），能量演化表現(xiàn)為峰前階段所積累的彈性應(yīng)變能突然釋放，伴隨著耗散能的突然增加，導(dǎo)致宏觀裂紋的積累貫通和巖石的完全破壞。然而，釋放的彈性應(yīng)變能往往不足以維持宏觀裂紋的擴展并導(dǎo)致進一步的損傷；因此，巖石進一步損傷和完全破壞需要額外的能量。從外部吸收的一部分機械能被利用并轉(zhuǎn)化為導(dǎo)致巖心破裂的能量。在峰后階段，釋放的彈性應(yīng)變能和從外部吸收的用于維持破裂的額外能最終被轉(zhuǎn)化變成耗散能；理想脆性巖石在峰后階段幾乎不需要額外的能量，因為釋放的彈性應(yīng)變能足以使巖石完全破裂，即破壞過程表現(xiàn)出一種自我維持的特征。脆性巖石通常比延性巖石需要更少的額外能來維持宏觀裂縫的擴展和進一步破壞，因此脆性巖石峰后階段的耗散能所占比例小于延性巖石。

巖石的能量釋放和耗散在巖石結(jié)構(gòu)的突然破壞中起著至關(guān)重要的作用，而突然破壞又反映出巖石的脆性特征。ZHANG等研究表明，脆性巖石易發(fā)生突然性破壞，出現(xiàn)拉剪斷裂；因此，脆性巖石的破壞特征是能量的突然釋放和耗散的迅速增加［18］。LABUZ 等研究表明巖石破壞前后的能量耗散是決定應(yīng)變能積累和釋放的關(guān)鍵因素［27-28］；因此，應(yīng)變能的耗散率和釋放率被認為與巖石脆性密切相關(guān)。CHEN 等指出耗散能的發(fā)展可以反映巖石的損傷和斷裂演化的程度［29］。因此，定義能量損傷系數(shù)的表達式為：

圖2 為巖石破壞全過程的損傷演化過程，可以分為3個階段：①彈性應(yīng)變能積累，孔隙和原生裂紋被壓密，幾乎沒有損傷。②彈性應(yīng)變能積累的程度超過微裂隙的表面能，微裂紋產(chǎn)生并開始擴展，從而引發(fā)損傷，且損傷演化和能量耗散較為緩慢；隨著裂紋大量積累和貫通，巖心發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，損傷開始加速，耗散能迅速積累。③彈性應(yīng)變能迅速釋放，伴隨著耗散能的快速積累，進一步加劇損傷演化直至巖心完全破壞。

圖2 巖石破壞全過程的損傷演化示意Fig.2 Schematic diagram of damage evolution during whole process of rock failure

2 基于能量耗散特征的砂礫巖脆性評價模型

2.1 脆性評價模型的建立

巖心的整個損傷破壞過程都伴隨著能量的演化。巖體脆性從本質(zhì)上來說，是巖體應(yīng)力達到峰值前儲存大量的彈性應(yīng)變能，在達到峰值后，短時間釋放大量能量。由此可見從初始加載到巖心破壞，耗散能隨損傷累積而增大。ZHANG 等認為峰前和峰后階段的耗散能水平是決定煤脆性的重要因素［18］。對于理想的脆性巖石，峰前階段的耗散能很小，峰后階段達到巖石破壞所需的額外能也很小。峰前階段的損傷演化過程可以用巖石體積所吸收的總彈性應(yīng)變能占總機械能的比例來表征。在峰前階段，從外界吸收的能量可以儲存在脆性巖石中，而不是延性巖石中；即在峰前階段，脆性巖石比延性巖石耗散的能量少。在峰后階段，脆性巖石比延性巖石釋放更多的彈性應(yīng)變能和更少的耗散能；因此，峰后階段釋放的彈性應(yīng)變能與耗散能之比反映了巖石的脆性。峰后階段的耗散能等于破裂能，從能量損傷演化的角度看，損傷變量的增長率反映了耗散能的演化速率。脆性巖石的耗散能演化速率一般大于延性巖石?？紤]峰前和峰后階段，基于能量平衡和損傷演化，重點考察峰前和峰后耗散能的占比和演化速率，提出新的針對砂礫巖的脆性評價模型：

其中：

圖3 三軸壓縮實驗系統(tǒng)及巖心Fig.3 Triaxial compression experimental system and core

基于巖心破裂過程中伴隨的能量耗散和損傷演化特征，新建立的脆性指數(shù)可以定量評估巖心整個損傷破裂過程所反映出的脆性特征。從理想延性巖心到理想脆性巖心的脆性指數(shù)取值為0～1，且連續(xù)單調(diào)遞增。

2.2 脆性評價模型的驗證

對勝利油田致密砂礫巖油藏埋深為2 350.0～2 386.3 m 不同層系的砂礫巖巖心進行實驗研究，分析其變形破壞特征，得到單軸和三軸壓縮條件下的基本力學(xué)參數(shù)。根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析材料的能量平衡和損傷演化特征。采用圖3所示的電液伺服高溫高壓動態(tài)三軸壓縮實驗系統(tǒng)（GCTS RTR-1500）對砂礫巖巖心進行了一系列單軸和三軸壓縮實驗。RTR-1500 三軸壓縮實驗系統(tǒng)的組件及相關(guān)參數(shù)為：單軸加載系統(tǒng)（最大單軸加載壓力達1 500 kN）、徑向變形傳感器數(shù)字聲學(xué)分析系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)（圍壓為140 MPa）、孔隙壓力系統(tǒng)（孔隙壓力高達140 MPa）以及計算機系統(tǒng)。實驗過程符合國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)。

礦物組成、成巖條件和地質(zhì)環(huán)境決定了砂礫巖的力學(xué)性質(zhì)。砂礫巖的地質(zhì)條件和巖性隨埋深變化較大，因此其力學(xué)性質(zhì)和宏觀破壞模式也是多種多樣的。由單軸和三軸壓縮條件下的8塊砂礫巖巖心的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖4）及相關(guān)力學(xué)參數(shù)（表1）可以看出，單軸壓縮實驗測試不同鉆孔深度的砂礫巖巖心，其力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。巖心2 的單軸抗壓強度在4 個巖心中最高，巖心3 和巖心1 次之，而巖心4 的單軸抗壓強度最低。4 個巖心的彈性模量為21.82～31.63 GPa。對于不同圍壓條件下的砂礫巖巖心，其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的力學(xué)參數(shù)具有明顯的規(guī)律性。隨著圍壓的增大，砂礫巖巖心的抗壓強度、殘余強度和彈性模量增大，峰值應(yīng)變和殘余應(yīng)變也增大，巖心的彈性模量從25.61 GPa 提高至37.95 GPa。

圖4 單軸和三軸壓縮條件下砂礫巖巖心全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破裂形態(tài)Fig.4 Total stress-strain curves and fracture morphology of glutenite cores under uniaxial and triaxial compression conditions

表1 砂礫巖巖心力學(xué)參數(shù)Table1 Mechanical parameters of glutenite cores

由于不同鉆孔深度的砂礫巖巖心的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)不同，其破壞形態(tài)和斷裂形態(tài)也可能存在差異。由單軸和三軸壓縮實驗各巖心的破裂形態(tài)（圖4）可以看出，在單軸壓縮條件下，砂礫巖巖心存在多條宏觀裂縫，而在三軸壓縮條件下，只有1條宏觀裂縫。此外，單軸壓縮條件下的砂礫巖巖心的斷裂形態(tài)比三軸壓縮條件下的巖心更為復(fù)雜。巖心3的單軸壓縮破裂角（剪切破裂面與主應(yīng)力之間的夾角）是4 個巖心中最大的。在砂礫巖巖心上觀察到粗糙的斷裂面，這是由于砂礫巖強烈的非均質(zhì)性和礫石對裂縫擴展的干擾造成的。

準(zhǔn)確評價不同砂礫巖地層的脆性對砂礫巖油層的勘探開發(fā)具有重要意義?？茖W(xué)合理的脆性評價方法不僅可以定量判別一組巖心的相對脆性程度，而且可以清晰地反映圍壓對巖石脆性的抑制作用。一般來說，可以通過其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀、變形、強度特性（如彈性模量）以及峰后應(yīng)力降和速率來定性地評價砂礫巖的脆性等級。對于單軸壓縮條件下的砂礫巖巖心，其峰后的應(yīng)力降和彈性模量隨著圍壓的增大而增大；因此，難以直接確定圍壓作用下的脆性變化趨勢。此外，在單軸壓縮條件下，由于巖心1 和巖心3 的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，難以區(qū)分4 個巖心的相對脆性程度。根據(jù)圖4所示的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到的力學(xué)參數(shù)，計算單軸和三軸壓縮條件下砂礫巖巖心的脆性指數(shù)BInew1和BInew2。為了比較脆性的相對程度，采用不同的方法對其進行評價。正相關(guān)指數(shù)（脆性指數(shù)與巖石脆性呈正相關(guān)關(guān)系，如BI1，BI4，BI5）和負相關(guān)指數(shù)（脆性指數(shù)與巖石脆性呈負相關(guān)關(guān)系，如BI2，BI3，BI6）分別進行歸一化處理。

砂礫巖巖心在單軸壓縮條件下的歸一化脆性指數(shù)如圖5所示。巖心在單軸壓縮條件下的脆性指數(shù)變化較小，表明4 種巖心的脆性特征相似。這與前文從全應(yīng)力-應(yīng)變曲線初步分析的巖心脆性特征結(jié)果是一致的。脆性指數(shù)的取值反映了砂礫巖脆性的相對程度。BInew1和BInew2從巖心1至巖心4依次增大，與BI2，BI4，BI5，BI6的變化趨勢一致，反映巖心1 到巖心4 的脆性逐漸增強。而根據(jù)BI1和BI3計算出的巖心1 和巖心2 的脆性指數(shù)與其他脆性指數(shù)的計算結(jié)果則相反，說明這2 個脆性指數(shù)不能準(zhǔn)確區(qū)分砂礫巖巖心的脆性等級。BI2值為0.278～1.352，明顯反映出巖心的脆性變化。雖然BInew1和BInew2值非常接近，但其相對大小反映砂礫巖脆性的相對程度，且BInew1和BInew2反映的砂礫巖脆性的相對程度與BI2，BI4，BI5的相對程度相近。

圖5 單軸壓縮條件下砂礫巖巖心的歸一化脆性指數(shù)Fig.5 Normalized brittleness indexes of glutenite cores under uniaxial compression condition

三軸壓縮條件下的砂礫巖巖心的歸一化脆性指數(shù)如圖6所示。在圍壓為0～20 MPa，脆性指數(shù)總體呈下降趨勢，反映出隨著圍壓的增大，砂礫巖的脆性呈下降趨勢。在圍壓為0 和20 MPa 時，巖心的脆性指數(shù)分別達到最大值和最小值。BI1不能反映圍壓作用下砂礫巖脆性的變化趨勢，因為在圍壓為10 MPa 時的BI1值小于圍壓為15 MPa 時的BI1值，這與其他脆性指數(shù)得出的總體下降趨勢存在矛盾。新的脆性指數(shù)BInew1和BInew2與其他脆性指數(shù)的變化趨勢一致。從圖6 可以看出，在不同的三軸壓縮條件下，BInew1和BInew2計算的砂礫巖巖心的脆性相對程度與BI4和BI5計算的脆性相對程度相近。因此，采用新的脆性指數(shù)BInew1和BInew2對砂礫巖脆性進行定量評價，其結(jié)果與其他脆性指數(shù)的評價結(jié)果基本一致。

圖6 三軸壓縮條件下砂礫巖巖心的歸一化脆性指數(shù)Fig.6 Normalized brittleness indexes of glutenite cores under triaxial compression condition

據(jù)上所述，BInew1和BInew2的變化趨勢與BI4和BI5較為接近，表明新建立的2 個脆性指數(shù)都是評價砂礫巖脆性的可靠指標(biāo)。峰前階段彈性應(yīng)變能儲存較多，而脆性較大的砂礫巖產(chǎn)生較少的耗散能。對于峰后階段，BInew1是從能量耗散的角度定義的，而BInew2是從能量損傷演化的角度定義的。損傷的產(chǎn)生和演化被認為是由能量耗散驅(qū)動的，因此，基于能量耗散定義了損傷變量，以反映砂礫巖破壞全過程的損傷演化特征。BInew2利用損傷演化速率來反映砂礫巖的脆性，建立了損傷演化與脆性之間的關(guān)系，具有創(chuàng)新意義。從砂礫巖巖心的脆性評價來看，BInew2值略大于BInew1值，但2 個脆性指數(shù)的歸一化值非常接近，說明2 個脆性指數(shù)的評價效果是一致的。為了研究能量損傷演化速率與砂礫巖脆性的關(guān)系，在單軸壓縮條件下對更多的砂礫巖巖心進行實驗測試，并利用新的脆性指數(shù)對其進行脆性評價。由單軸和三軸壓縮條件下砂礫巖BInew1與Bd的相關(guān)性（圖7）可以看出，BInew1與Bd呈正相關(guān)關(guān)系，說明損傷演化速率與砂礫巖巖心的脆性程度密切相關(guān)，損傷演化速率越大，脆性越強。全應(yīng)力-應(yīng)變曲線是不同應(yīng)力條件下砂礫巖力學(xué)性質(zhì)和破壞特征的綜合反映。理論和實驗分析表明，峰后階段的損傷演化速率反映了砂礫巖的脆性破壞特征，可用于區(qū)分不同砂礫巖巖心的相對脆性程度。

圖7 單軸和三軸壓縮條件下砂礫巖BInew1與Bd的相關(guān)性Fig.7 Correlation between BInew1 and Bd of glutenite under uniaxial and triaxial compression conditions

3 巖心力學(xué)參數(shù)與脆性指數(shù)的相關(guān)性分析

由三軸壓縮條件下的強度參數(shù)與砂礫巖巖心的脆性指數(shù)之間的關(guān)系（圖8）可以看出，在三軸壓縮應(yīng)力作用下，BInew1和BInew2與其強度參數(shù)均呈負相關(guān)關(guān)系，且砂礫巖巖心的強度與脆性表現(xiàn)出較強的對數(shù)關(guān)系。圍壓可以限制裂紋的擴展，增加裂紋萌生、貫通的閾值，提高砂礫巖的承載能力，進而提高其強度。

圖8 砂礫巖脆性指數(shù)與強度參數(shù)之間的相關(guān)性Fig.8 Correlations between brittleness indexes and strength parameters of glutenite

圖9 砂礫巖脆性指數(shù)與應(yīng)變能之間的相關(guān)性Fig.9 Correlations between strain energies and brittleness indexes of glutenite

三軸壓縮條件下砂礫巖脆性指數(shù)與應(yīng)變能之間的相關(guān)性如圖9 所示，脆性指數(shù)與應(yīng)變能均呈負對數(shù)關(guān)系。在峰前階段，圍壓提高了彈性應(yīng)變能的儲存能力，導(dǎo)致dWet值增加。然而由于裂紋的擴展，dWd值也隨著圍壓的增大而增大，一般dWd/dWU值隨著dWet/dWU值的減小而增大，導(dǎo)致砂礫巖脆性指數(shù)減小。dWd值和dWx值均隨著圍壓的增大而減小，因為圍壓增大了裂紋萌生的閾值，使峰后階段的砂礫巖巖心的承載能力提高，脆性減弱。峰后階段圍壓增大，dWe值增大，但dWe/dWr值減小。

4 儲層脆性與裂縫復(fù)雜性的相關(guān)性分析

水力裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的復(fù)雜程度是能否實現(xiàn)致密油藏經(jīng)濟有效開采的首要因素。雖然有不同的學(xué)術(shù)觀點認為脆性并不是致密砂礫巖形成縫網(wǎng)的主要因素［30-32］，但是脆性指數(shù)作為儲層的天然性質(zhì)之一，對縫網(wǎng)的形成必然起到關(guān)鍵的影響作用。選擇勝利油田鹽560 斜1 井埋深約3 000 m 井段作為工程背景，開展不同施工排量和儲層脆性特征條件下的裂縫復(fù)雜性測試。鹽560 斜1 井巖心的脆性指數(shù)分析結(jié)果及測試得到的裂縫擴展形態(tài)分別如表2和圖10 所示。從圖10 可以看出，無論施工排量為8或12 m3/min，隨著砂礫巖儲層脆性的增強，水力裂縫的復(fù)雜性增強。

圖10 不同施工排量和儲層脆性特征條件下的水力裂縫擴展形態(tài)Fig.10 Hydraulic fracture geometries under different injection rates and rock brittleness

表2 勝利油田鹽560斜1井巖心的脆性指數(shù)分析結(jié)果Table2 Brittleness index of core from Well Yan560-X1 in Shengli Oilfield

由計算得到的裂縫復(fù)雜性指數(shù)（圖11）可以看出，施工排量對裂縫復(fù)雜性具有重要影響。提高施工排量，可大幅提高裂縫復(fù)雜性；儲層脆性也可以提高裂縫復(fù)雜性，但幅度有限，即在同一施工排量條件下，隨著脆性指數(shù)的增大，裂縫復(fù)雜性逐漸趨于平穩(wěn)。因此，在實際壓裂設(shè)計中，只要地層強度-脆性滿足基本需求，可以通過提高施工排量來提高裂縫復(fù)雜性。但是僅基于工程因素評價裂縫復(fù)雜性并不完全準(zhǔn)確，還應(yīng)兼顧地質(zhì)因素。只有結(jié)合地質(zhì)因素和施工條件，設(shè)法溝通更多的天然裂縫，提高縫內(nèi)凈壓力，才能實現(xiàn)改造體積最大化。

鹽560 斜1 井壓裂層段為特低孔滲砂礫巖儲層。通過微地震數(shù)據(jù)處理解釋得到該井第1 和第2段致密砂礫巖儲層水力裂縫的監(jiān)測結(jié)果如圖12 和圖13所示。其人工裂縫展布廣泛，裂縫東翼與西翼基本對稱，表明東翼與西翼的儲層物性差異不大。對微地震監(jiān)測結(jié)果進行儲層壓裂改造體積計算（表3），將儲層脆性指數(shù)分析結(jié)果（表2）與水力裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)第2 段儲層的脆性指數(shù)總體高于第1 段儲層的脆性指數(shù)，第2 段儲層更

圖11 不同施工排量和儲層脆性特征條件下的裂縫復(fù)雜性分析Fig.11 Fracture complexity under different brittleness and injection rates

易于被壓裂改造形成復(fù)雜裂縫，因此可以獲得更大的壓裂改造體積。脆性是影響儲層可壓性的重要因素，將脆性較強的儲層作為射孔壓裂層段更易于形成復(fù)雜裂縫，提高產(chǎn)能。因此，基于巖心脆性特征評價開展水力裂縫復(fù)雜性預(yù)測分析具有一定的可行性。

表3 水力裂縫解釋結(jié)果Table3 Interpretation results of hydraulic fractures

5 結(jié)論

圖12 鹽560斜1井第1段致密砂礫巖儲層水力裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Microseismic monitoring results of hydraulic fractures of the first section of Well Yan560-X1 in tight glutenite reservoir

圖13 鹽560斜1井第2段致密砂礫巖儲層水力裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果Fig.13 Microseismic monitoring results of hydraulic fractures of the second section of Well Yan560-X1 in tight glutenite reservoir

提出基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量損傷演化的脆性指數(shù)BInew1和BInew2，該脆性指數(shù)綜合考慮了全應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前和峰后階段能量耗散和演化過程。通過與現(xiàn)有脆性評價模型的評價效果進行對比可知，新建立的脆性評價模型具有較好的準(zhǔn)確性和適用性。巖心強度參數(shù)和彈性模量均隨圍壓的增大而增大，但脆性指數(shù)卻隨圍壓的增大而減小，不同圍壓下巖心強度參數(shù)和彈性模量與脆性指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。儲層脆性可提高裂縫復(fù)雜性，但提高幅度有限；隨著施工排量的增加，裂縫復(fù)雜性大幅提高，即在同一施工排量條件下，隨著脆性指數(shù)的增大，裂縫復(fù)雜性指數(shù)隨之增大并逐漸趨穩(wěn)。因此在實際壓裂設(shè)計中，需首先根據(jù)儲層強度和脆性優(yōu)選射孔壓裂層段，只要地層強度-脆性滿足基本需求，便可通過優(yōu)化施工工藝參數(shù)達到提高裂縫復(fù)雜性的目的。通過對比鹽560 斜1 井第1 和第2 段致密砂礫巖儲層的脆性指數(shù)和水力裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脆性較強的層段更易于壓裂改造形成復(fù)雜裂縫，獲得更大的壓裂改造體積。儲層脆性是影響儲層可壓性的重要因素，在實際壓裂工程施工中，將脆性較強的地層作為射孔壓裂層段更易于形成復(fù)雜裂縫，提高產(chǎn)能。基于巖心脆性特征評價開展水力裂縫復(fù)雜性預(yù)測分析具有一定的可行性。

符號解釋

Bd——考慮耗散能演化速率的脆性指數(shù)；

BI1——XIA等提出的脆性指數(shù)［20］；

BI2——ZHANG等提出的脆性指數(shù)［18］；

BI3——AI等提出的脆性指數(shù)［19］；

BI4——KIVI等提出的脆性指數(shù)［17，20］；

BI5——MUNOZ等提出的脆性指數(shù)［21］；

BI6——TARASOV等提出的脆性指數(shù)［22］；

BInew1，BInew2——新建立的砂礫巖脆性指數(shù)；

Bpre，Bpost——峰前和峰后的脆性指數(shù)；

De——能量損傷系數(shù)，與巖心的損傷程度呈正相關(guān)，取值為0～1，De=0 表示巖心內(nèi)部沒有損傷，De=1 表示巖心完全破壞；

dWd——峰前階段的耗散能，kJ/m3；

dWe——巖石破壞全過程中消耗的彈性應(yīng)變能，dWe=dWet-dWer，kJ/m3；

dWer——巖石破壞后剩余的彈性應(yīng)變能，kJ/m3；

dWet——峰前階段巖心儲存的彈性應(yīng)變能，kJ/m3；

dWr——破裂能，即巖石破壞所需的總應(yīng)變能，kJ/m3；

dWU——巖石單元破壞全過程中吸收的總能量，kJ/m3；

dWx——巖石破壞所需的額外能，kJ/m3；

E——彈性模量，GPa；

ε——應(yīng)變；

εcc——裂紋閉合應(yīng)變；

εcd——屈服應(yīng)變；

εci——起裂應(yīng)變；

εi——全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中某一點的應(yīng)變；

εp——峰值應(yīng)變；

εr——殘余應(yīng)變；

ν——泊松比；

σ——應(yīng)力，MPa；

σcc——裂紋閉合應(yīng)力，MPa；

σcd——屈服應(yīng)力，MPa；

σci——起裂應(yīng)力，MPa；

σi——全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中某一點的應(yīng)力，MPa；

σr——殘余應(yīng)力，MPa；

σp——峰值應(yīng)力，MPa。