陶祖文李 欽徐力群徐單峰

（1.中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 德陽618000；2.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒841000；3.中國石化西南石油工程有限公司湖南鉆井分公司，湖南 長沙410000）

0 引言

頁巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)是開展壓裂工程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的基礎(chǔ)依據(jù)之一。目前，頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)主要參考脆性指數(shù)、斷裂韌性、彈性模量等參數(shù)［1］，結(jié)合地應(yīng)力測(cè)井解釋技術(shù)［2］，采用極差變換和經(jīng)驗(yàn)賦值方法將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，并設(shè)置不同因素對(duì)可壓性影響的權(quán)重建立可壓性數(shù)學(xué)模型［3］。近年來，四川盆地威榮、永川等3 500 m以深頁巖氣藏已逐步進(jìn)入滾動(dòng)開發(fā)階段，成為確?！笆奈濉奔耙院箜搸r氣持續(xù)規(guī)模上產(chǎn)的關(guān)鍵。但是，深層頁巖氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜、具有高溫高壓的特點(diǎn)，進(jìn)一步明確深層頁巖儲(chǔ)層可壓性，成為推進(jìn)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)單井產(chǎn)量突破的關(guān)鍵。針對(duì)永川區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組深層頁巖儲(chǔ)層可壓性問題，開展了單軸和三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而獲取頁巖力學(xué)參數(shù)和礦物組分，并分析了脆性指數(shù)、水平差應(yīng)力系數(shù)、成巖作用、斷裂韌性對(duì)可壓性的影響，建立了永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性評(píng)價(jià)模型，以期為有效地保障現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工質(zhì)量和效率提供技術(shù)支撐。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造特征

永川區(qū)塊位于開江—瀘州古隆起的中心部位，處于川東斷褶帶，呈“兩凹夾一隆”的構(gòu)造格局，整體為北東向的長軸背斜，背斜軸部依次出露下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、嘉陵江組，并細(xì)化為北部向斜區(qū)（埋深3 700～4 200 m）、南部向斜區(qū)（埋深3 850～4 150 m）、夾持?jǐn)鄩K區(qū)（埋深3 850～4 050 m）、抬升斷塊區(qū)（埋深3 750～3 950 m）及背斜變形區(qū)5個(gè)次級(jí)構(gòu)造。永川區(qū)塊雖然經(jīng)歷多次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但大型斷裂不發(fā)育，在局部存在較大傾角，受沉積時(shí)古構(gòu)造及后期多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，微斷裂、微幅構(gòu)造發(fā)育［4］。

1.2 沉積相特征

永川區(qū)塊深層頁巖氣以五峰組—龍馬溪組為目的層，整體呈平緩的深水陸棚相，巖性主要為灰黑色硅質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖，橫向頁巖發(fā)育穩(wěn)定［5］。同時(shí)，細(xì)分為含碳泥質(zhì)深水陸棚、含筆石泥質(zhì)深水陸棚、含生屑灰質(zhì)泥質(zhì)深水陸棚以及含放射蟲泥質(zhì)深水陸棚4類微相。其中，優(yōu)勢(shì)微相主要分布于五峰組—龍馬溪組一段中下部，其總有機(jī)碳含量（TOC）介于1.5%～3.0%，平均含氣量為3.61 m3／t，儲(chǔ)層壓力約為70 MPa，地壓系數(shù)介于1.77～1.80，儲(chǔ)層溫度約為130℃，地溫梯度為2.70℃／100 m，屬高壓干氣氣藏，含氣性較好。

1.3 巖性及礦物特征

永川區(qū)塊深層五峰組—龍馬溪組頁巖以龍馬溪組底部的黑色、黑灰色泥頁巖與五峰組頂部的黑色硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖的界限為基準(zhǔn)，夾薄層泥巖、含粉砂泥巖，局部被方解石填充高角度裂縫［6］。同時(shí)，頁巖段表現(xiàn)出高脆性礦物含量的特征，脆性礦物含量介于37%～49%，黏土礦物含量介于38%～48%，黃鐵礦含量介于2%～7%。其中，YY-1井現(xiàn)場(chǎng)獲得頁巖巖心全巖、黏土X射線衍射分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

1.4 巖石力學(xué)特征

根據(jù)電成像和偶極聲波測(cè)井資料分析，獲得永川區(qū)塊深層五峰組—龍馬溪組頁巖總體地應(yīng)力方向?yàn)楸睎|—南西向，且呈水平最大主應(yīng)力σH大于垂向主應(yīng)力σv，垂向主應(yīng)力σv大于水平最小主應(yīng)力σh的趨勢(shì)，地應(yīng)力平均值較高，①～⑤小層地應(yīng)力平均值為101.91 MPa，⑥～⑨小層地應(yīng)力平均值為104.10 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)獲得地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)資料，如表2所示。

表1 YY-1井深層頁巖礦物類型和含量表

2 儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)

目前，對(duì)于頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)已產(chǎn)生諸多的評(píng)價(jià)方法，主要涉及頁巖礦物組成、彈性力學(xué)參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)、壓入硬度以及全應(yīng)力—應(yīng)變等5大類［7-9］。但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征對(duì)影響頁巖可壓性的因素進(jìn)行分類并賦予不同的權(quán)重。

2.1 頁巖儲(chǔ)層可壓性影響因素

1）礦物組成

頁巖礦物組成對(duì)其脆性特征具有決定性作用，包括破裂強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及斷裂韌性等力學(xué)參數(shù)。由表1可知，永川區(qū)塊頁巖礦物組成以石英、黏土礦物、碳酸鹽、黃鐵礦為主。石英、黃鐵礦具有高彈性模量、低泊松比、低韌性的特點(diǎn)，是典型的脆性礦物；黏土礦物則具有顯著的低彈性模量、高泊松比、高韌性的特點(diǎn)，是最典型的塑性礦物；碳酸鹽彈性模量、泊松比均較高，但脆性并不強(qiáng)。因此，按照“高彈性模量、低泊松比”的標(biāo)準(zhǔn)，石英和黃鐵礦是脆性較強(qiáng)的兩種礦物，是對(duì)可壓性影響最大的兩種礦物［10］。

表2永川區(qū)塊深層頁巖地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)表

2）層理結(jié)構(gòu)

你回去吧，我不要你護(hù)理，宇文明年高考，回去照顧宇文。他不想和何美寧爭，知道何美寧是為他好，也知道何美寧是不可能理解他的，于是，他轉(zhuǎn)換了話題。

頁巖的層理結(jié)構(gòu)引起力學(xué)性質(zhì)顯著的各向異性特征［11-13］。為此，采用永川區(qū)塊某井深部頁巖儲(chǔ)層巖心沿不同層理角度取心，再進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1和圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①平行于頁巖層理面的單軸抗壓強(qiáng)度值最大，為126.91 MPa；垂直于頁巖層理面的單軸抗壓強(qiáng)度值略小于平行于頁巖層理面的單軸抗壓強(qiáng)度值，為124.16 MPa；與頁巖層理面呈30°夾角方向上的單軸抗壓強(qiáng)度值最低，為65.70 MPa。②垂直于頁巖層理面的彈性模量值最大，為27.23 GPa；平行于頁巖層理面的彈性模量值略小于垂直于頁巖層理面的彈性模量值，為22.69 GPa；與頁巖層理面呈35°夾角方向上的彈性模量值最小，約為7.65 GPa。③平行于頁巖層理面的泊松比值最大，為0.37；垂直于頁巖層理面的泊松比值最小，為0.27。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，層理面在巖樣破壞過程中表現(xiàn)為弱面結(jié)構(gòu)，尤其是與層理面呈15°～35°夾角方向上頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量顯著降低。泊松比與層理面角度具有一定的線性相關(guān)性，隨著與層理面夾角的增大，泊松比逐漸降低，頁巖塑性特征逐漸降低。

圖1不同層理夾角方向抗壓強(qiáng)度圖

圖2不同層理夾角方向彈性模量和泊松比圖

3）埋藏深度

隨著地層埋深增加，深層頁巖所受的圍壓增加。因此，在一定程度上圍壓的變化可以表征埋深的變化，尤其是水平主應(yīng)力差異對(duì)頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響［14］。為此，采用永川區(qū)塊某井深部頁巖儲(chǔ)層段巖心開展不同圍壓條件下的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3和圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頁巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比值均隨著圍壓增加而增大。圍壓的存在使頁巖內(nèi)部的微裂隙趨于閉合，從而提高巖石的極限承載能力和塑性，且在圍壓較低時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量的增加速率較明顯，當(dāng)圍壓增加到一定程度之后，微裂隙的閉合達(dá)到極限，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量的增加速率逐漸減小。同時(shí)，圍壓也會(huì)抑制頁巖破壞過程中微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，巖石的脆性降低、塑性增強(qiáng)，泊松比隨圍壓增大而增大。

圖3不同圍壓下抗壓強(qiáng)度圖

圖4不同圍壓下彈性模量和泊松比圖

2.2 頁巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)以上分析可知，決定頁巖儲(chǔ)集層可壓裂性的因素包括巖石脆性、水平主應(yīng)力差異、成巖作用以及埋深。以巖石脆性指數(shù)、水平差應(yīng)力系數(shù)、成巖指數(shù)以及與深度有關(guān)的斷裂韌性為主要參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性評(píng)價(jià)模型。

式中，a、b、c、d、e分別為各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)；Brit為礦物脆性指數(shù)；Kh為水平差應(yīng)力系數(shù)；KIC、KIIC分別為Ⅰ型（張開型）和Ⅱ型（錯(cuò)開型）斷裂韌性歸一化系數(shù)；Ro為熱成熟度歸一化系數(shù)。

1）脆性指數(shù)

根據(jù)以上分析可知，石英和黃鐵礦的相對(duì)含量越高，頁巖的脆性越強(qiáng)，表現(xiàn)為脆性破裂越容易、破壞越充分［15-16］。因此，提出基于石英和黃鐵礦兩種礦物的脆性指數(shù)計(jì)算模型。

式中，Wquartz為石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Wpyrite為黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；W為各礦物總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2）水平差應(yīng)力系數(shù)

研究成果表明，縫內(nèi)凈壓力除了克服巖石本體的抗張強(qiáng)度外，還需要克服水平應(yīng)力差，裂縫才可能開啟和延伸形成復(fù)雜縫網(wǎng)。水平差應(yīng)力系數(shù)Kh表示如下［17］：

式中，σH和σh分別為水平最大和最小主應(yīng)力，MPa。

3）成巖作用

在不同的成巖作用階段，頁巖的礦物組成、形態(tài)以及孔隙類型都有較大的差異，進(jìn)而影響頁巖儲(chǔ)層的可壓裂性［18-19］。其中，有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率值（Ro）是熱成熟度的指標(biāo)，是反映頁巖地層成巖作用階段的重要參數(shù)［20］。川南地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)Ro對(duì)比見表3，從表3可知，永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖有機(jī)質(zhì)平均Ro為2.35%。比較而言，永川頁巖氣藏Ro整體較大，均值略低于礁石壩，有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于過成熟演化階段，以生成干氣為主。當(dāng)Ro大于2.0%且小于4.0%時(shí)，頁巖處于晚成巖階段，頁巖孔隙以裂縫為主，不穩(wěn)定的長石向穩(wěn)定的正長石、斜長石和石英轉(zhuǎn)化，蒙皂石、高嶺石等塑性黏土礦物向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化，巖石礦物向脆而穩(wěn)定的組分轉(zhuǎn)化，脆性增強(qiáng)，有利于壓裂［21］。

表3川南地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)Ro對(duì)比表

4）斷裂韌性

在頁巖體積壓裂過程中形成的裂縫最常見的是Ⅰ型（張開型）和Ⅱ型（錯(cuò)開型）。基于巴西劈裂試驗(yàn)法、測(cè)井參數(shù)計(jì)算以及巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)等獲取永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖斷裂韌性，如表4所示。從表4對(duì)比可知，斷裂韌性Ⅱ型大于Ⅰ型，橫向小于縱向，反映裂縫延伸剪切破裂阻力大于張開破裂阻力，受層理影響水平縫的擴(kuò)展阻力小于垂直縫

表4永川區(qū)塊五峰—龍馬溪組深層頁巖斷裂韌性表

的擴(kuò)展阻力。

由于永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性受多個(gè)因素的影響，且數(shù)值分布范圍各不相同，因此采用歸一化方法進(jìn)行處理。同時(shí)，其深層頁巖可壓性受多個(gè)因素影響的程度不同，采用層次分析法求取不同影響因素的權(quán)重系數(shù)，如表5所示。其中，水平差應(yīng)力系數(shù)反映了地層形成網(wǎng)狀裂縫的能力，是影響可壓裂性的主控因素；斷裂韌性反映了地層維持裂縫延展的能力，脆性指數(shù)反映了地層巖石力學(xué)特性，二者對(duì)于可壓性的影響大致相當(dāng)；成巖作用對(duì)可壓裂性的影響最小。即獲得永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性評(píng)價(jià)模型如下：

3 儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用公式（4）對(duì)永川區(qū)塊5口井五峰組—龍馬溪組深層頁巖的可壓性進(jìn)行計(jì)算，利用現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工停泵壓力對(duì)該可壓性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可壓性指數(shù)與停泵壓力具有較好的負(fù)相關(guān)性，且相關(guān)性為83.13%，即可壓性指數(shù)越低、停泵壓力越高，壓裂難度越大，越不容易獲得較大的改造體積。通過數(shù)據(jù)擬合分析將地層可壓性劃分為兩種類型，即當(dāng)可壓性指數(shù)小于0.47時(shí)，地層為可壓性較差；當(dāng)可壓性指數(shù)大于0.47時(shí)，地層為可壓性較好。針對(duì)可壓性較差的地層，需要提前謀劃可能的工程措施，如儲(chǔ)備足量的鹽酸、增加膠液比例和前置液比例等。2020年1月10日至3月4日，在YY5-2井壓裂施工前計(jì)算獲得該井深層頁巖儲(chǔ)層段（4 244.0～6 000.6 m）可壓性指數(shù)為0.35，屬于可壓性較差的地層。因此，提前儲(chǔ)備了酸液、稠化劑、降阻劑等相關(guān)材料。在實(shí)際24段壓裂施工過程中，排量介于9.5～16.0 m3／min，施工壓力介于80.2～89.5 MPa；使用鹽酸170 m3，較設(shè)計(jì)量增加17.24%；使用膠液9 737 m3，較設(shè)計(jì)量增加31.58%；使用高黏降阻水55 335 m3，較設(shè)計(jì)量增加17.16%。由于施工前對(duì)儲(chǔ)層可壓性的準(zhǔn)確判斷，提前儲(chǔ)備了相關(guān)材料，從而有利地保障了現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的質(zhì)量和效率。

表5永川區(qū)塊深層頁巖可壓性權(quán)重系數(shù)表

表6永川區(qū)塊深層頁巖可壓性指數(shù)與停泵壓力值表

4 結(jié)論

1）基于脆性指數(shù)、水平差應(yīng)力系數(shù)、成巖作用、斷裂韌性建立的永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性模型能夠較好地反映該地區(qū)頁巖儲(chǔ)層的可壓性，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工具有較好的指導(dǎo)作用。

2）基于脆性指數(shù)、水平差應(yīng)力系數(shù)、成巖作用、斷裂韌性建立的可壓性評(píng)價(jià)模型與停泵壓力的相關(guān)性僅為83.13%，為提高永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖可壓性模型的預(yù)測(cè)精度，還需要進(jìn)一步考慮其他因素對(duì)于可壓性的影響。