頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)技術(shù)研究

據(jù)美國能源情報(bào)局估計(jì)，世界巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量為623.1012m3，儲(chǔ)量為163.1012m3，中國巖氣資源儲(chǔ)量為36.1012m3，具有廣闊的開發(fā)前景。由于頁巖氣儲(chǔ)層致密,屬于低孔-超低滲儲(chǔ)層,為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)必須進(jìn)行壓裂增產(chǎn)作業(yè)。而儲(chǔ)層的可壓裂性評(píng)價(jià)對(duì)于優(yōu)選壓裂井段,預(yù)測經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。Chong等國外學(xué)者通過頁巖脆性指數(shù)表征可壓裂性,為可壓裂性評(píng)價(jià)開辟了思路。然而通過脆性指數(shù)無法真實(shí)反映儲(chǔ)層的壓裂難易程度,部分巖石的彈性模量和泊松比相近,而脆性差別巨大。因此,筆者從脆性指數(shù)、斷裂韌性與巖石力學(xué)參數(shù)3個(gè)方面開展了對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)的研究。1巖石力學(xué)特性和巖性特征根據(jù)國外對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性的評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn),脆性指數(shù)可以表示壓裂的難易程度,反映的是儲(chǔ)層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度。脆性指數(shù)是基于巖石的彈性模量和泊松比定義的,一般彈性模量越大、泊松比越小,脆性指數(shù)越高。脆性指數(shù)較高的儲(chǔ)層一般性質(zhì)硬脆,在漫長的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響天然裂縫發(fā)育,對(duì)壓裂作業(yè)的反應(yīng)敏感,能迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫,脆性指數(shù)低的儲(chǔ)層則容易形成簡單的雙翼型裂縫。脆性指數(shù)的判定主要有定性與定量兩種方法:定性分析是現(xiàn)場取心后,通過XRD方法測定頁巖的全巖礦物組分,建立礦物組分三元圖,定性分析儲(chǔ)層中脆性礦物(一般為石英、長石、石灰石、白云石)與黏土礦物的相對(duì)含量(圖1),四川盆地下古生界兩套頁巖的脆性礦物含量與北美Barnett頁巖相比,脆性礦物(特別是石英-長石類礦物)含量相對(duì)較低,黏土礦物含量相對(duì)較高。此外,還可以通過元素俘獲能譜測井(ECS)和放射性能譜測井(NGS)識(shí)別泥頁巖中黏土、石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等成分的含量,再根據(jù)室內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)校正,建立黏土礦物和脆性礦物的縱向分布規(guī)律。另一種是定量分析,根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)中彈性模量與泊松比的大小,分別取0.5的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)學(xué)者Rickman的研究,北美地區(qū)FortWorth盆地Barnett頁巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)計(jì)算公式如下:式中:EBrit為歸一化的彈性模量,GPa;μBrit為歸一化的泊松比;Brit為脆性指數(shù),無量綱。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。全世界的頁巖儲(chǔ)層均具有自己的特性,以上定量計(jì)算方法是專門針對(duì)北美Barnett頁巖的巖石力學(xué)參數(shù)建立的,具有明顯的地域局限性,在不同的目標(biāo)研究區(qū)塊應(yīng)建立不同的方法。對(duì)于四川盆地,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道四川盆地下志留系龍馬溪組頁巖彈性模量分布范圍為8~56GPa,平均值為32GPa;泊松比范圍為0.1~0.36,平均值為0.18,由此建立適用于龍馬溪組頁巖的脆性指數(shù)計(jì)算方法:根據(jù)以上方法,繪制龍馬溪組頁巖的脆性指數(shù)圖版(圖3)?？梢娫贏點(diǎn)(E,μ)=(56,0.36)與B點(diǎn)(E,μ)=(8,0.1)連線之上的部分,脆性指數(shù)Brit均較大,形成復(fù)雜裂縫。2型斷裂韌性tc的力學(xué)參數(shù)單純利用彈性模量與泊松比不能完全判斷儲(chǔ)層的可壓裂性,例如部分巖石的彈性模量與泊松比相近,但是脆性差別極大,其中的重要區(qū)別就在于斷裂韌性。斷裂韌性是一項(xiàng)表征儲(chǔ)層壓裂難易程度的重要因素,反映的是壓裂過程中,裂縫形成之后維持裂縫向前延伸的能力。在線彈性斷裂力學(xué)中,根據(jù)其位移形態(tài)可將裂縫分為3類,張開型(Ⅰ型)、錯(cuò)開型(Ⅱ型)和撕開型(Ⅲ型)。任何一種裂縫狀態(tài)均可由這3種基本形式疊加得到,疊加的裂紋統(tǒng)稱為復(fù)合型裂紋或混合型裂紋。在頁巖氣體積壓裂中形成的裂縫最常見的是Ⅰ型與Ⅱ型,在地應(yīng)力場或者巖性劇變的地層有可能出現(xiàn)混合裂縫。對(duì)于Ⅰ型裂縫,基于Irwin的斷裂力學(xué)理論,當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI達(dá)到某一臨界值KIC時(shí),裂縫發(fā)生擴(kuò)展。KI反映了裂尖應(yīng)力奇異性的強(qiáng)度,與巖石本身性質(zhì)、裂縫尺寸以及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān);而KIC即為Ⅰ型斷裂韌性,是巖石阻止裂縫擴(kuò)展的能力,屬于巖石本身的性質(zhì)。斷裂韌性的大小關(guān)系到裂縫延伸的難易,其值越小,裂縫越容易延伸,越有利于水力壓裂。測試巖石Ⅰ型斷裂韌性的方法為:(1)將巖心切成長為25~45mm的巖心段,巖心外徑為100mm,兩端車平,圓周面車圓;(2)在巖樣圓心處鉆取直徑為10mm左右的圓孔,然后利用半徑小于0.5mm的鋼絲鋸在內(nèi)孔壁沿徑向預(yù)制與中心軸線平行的裂紋,限定深度約為3~4mm,以保證初始裂紋長度處于穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū);(3)將外徑為9mm的橡膠軟管置于巖心孔中,并將巖心置入高壓釜中,上、下兩端面施加0.5MPa預(yù)緊力;(4)通過TAW-1000深水孔隙壓力伺服系統(tǒng)在巖心孔中施加液壓,并通過聲發(fā)射探測傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào),直至裂縫貫穿巖樣。根據(jù)陳治喜的研究,在無圍壓下頁巖的Ⅰ型斷裂韌性K0IC與單軸抗拉強(qiáng)度St存在如下關(guān)系:式中:St為單軸抗拉強(qiáng)度,MPa;K0IC為斷裂韌性,頁巖氣儲(chǔ)層埋深一般數(shù)千米,壓裂裂縫所處環(huán)境必定會(huì)承受巨大的圍壓,在有圍壓條件下頁巖的Ⅰ型斷裂韌性(KIC)與圍壓σn的關(guān)系式為式中:σn為裂縫面上的圍壓,MPa。對(duì)于Ⅱ型裂縫,金衍等建立了Ⅱ型斷裂韌性KIIC與圍壓σn和單軸抗拉強(qiáng)度St的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,表達(dá)式為式中:σn為圍壓,MPa;St為單軸抗拉強(qiáng)度,MPa。以上Ⅰ型-Ⅱ型斷裂韌性計(jì)算方法中涉及的巖石力學(xué)參數(shù),如單軸抗拉強(qiáng)度與圍壓,可通過以下方法獲取,此方法在石油工程中的應(yīng)用已較為成熟:式中:Vcl為泥質(zhì)含量;γmin與γmax分別為純砂巖與純泥巖層的伽馬值;Gcur為Hilchie指數(shù),與地質(zhì)年代有關(guān),一般對(duì)于第三系取3.7,對(duì)老地層取2;Iγ為泥質(zhì)含量指數(shù);Ed為動(dòng)態(tài)彈性模量,GPa;ρ為巖石密度,g/cm3,vp為縱波波速,m/s;vs為橫波波速,m/s;μd為動(dòng)態(tài)泊松比;K為常數(shù),K=12.26。對(duì)于圍壓的確定,趙海峰根據(jù)斷裂動(dòng)力學(xué)理論,得出了對(duì)于頁巖氣壓裂的第n級(jí)分支裂縫作用在裂縫面上的圍壓可表示為式中:n=[cosβsinθ,cosβcosθ,sinβ];β為裂縫傾角;θ為裂縫走向與井軸的夾角;σv為上覆巖層壓力,MPa;σH為水平最大地應(yīng)力,MPa;σh為水平最小地應(yīng)力,MPa。3不同地質(zhì)參數(shù)下的壓裂行為根據(jù)上述研究,頁巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性顯然與脆性指數(shù)呈正相關(guān),與斷裂韌性呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于受多重因素影響的指標(biāo),可以用乘積的方法綜合各種因素的影響。在此定義可壓裂指數(shù)(Frac)來表示儲(chǔ)層壓裂的難易程度,形式如下:其中,斷裂韌性?、裥团cⅡ型的平均值;脆性指數(shù)Brit的計(jì)算按照式(6)計(jì)算,無量綱。以某頁巖氣為例,其儲(chǔ)層埋深為2000m,通過地漏實(shí)驗(yàn)得到水平最小地應(yīng)力為32MPa,儲(chǔ)層巖石彈性模量E變化范圍為8~56GPa,泊松比μ范圍為0.1~0.36,單軸抗拉強(qiáng)度St范圍為0~8MPa。對(duì)于沿最小地應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井,壓裂后人工裂縫沿最大地應(yīng)力方向延伸。為簡化問題,一般認(rèn)為裂縫面上的圍壓即水平最小地應(yīng)力σh。將以上自變量代入式(16)中,計(jì)算可壓裂指數(shù)隨彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。如圖4所示,根據(jù)給定的巖石力學(xué)參數(shù)可以確定儲(chǔ)層可壓裂指數(shù),評(píng)價(jià)相對(duì)的壓裂可行性。顏色越紅,可壓裂指數(shù)越高,表明壓裂可行性越大,形成的裂縫形態(tài)復(fù)雜,裂縫更容易延伸;顏色越藍(lán),可壓裂指數(shù)越低,表明壓裂可行性越小,形成的裂縫形態(tài)單一,裂縫不容易延伸。再結(jié)合油藏信息,確定頁巖儲(chǔ)層在地下的三維立體圖,根據(jù)地震資料反演儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù),即可獲得頁巖儲(chǔ)層可壓裂指數(shù)三維分布圖。4脆性指數(shù)預(yù)測(1)中國頁巖氣藏具有獨(dú)特的巖石力學(xué)特征,四川盆地下志留系頁巖彈性模