沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖儲層的巖石力學(xué)與脆性評價研究

陸益祥 潘仁芳 唐廉宇 李笑天 武文競 沈祿銀

( 1 中國石化西南油氣分公司廣西采油廠;2 油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué));3 中國石油冀東油田公司井下作業(yè)公司 )

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖儲層的巖石力學(xué)與脆性評價研究

陸益祥1,2潘仁芳2唐廉宇3李笑天2武文競2沈祿銀2

( 1 中國石化西南油氣分公司廣西采油廠;2 油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué));3 中國石油冀東油田公司井下作業(yè)公司 )

頁巖作為一種非常規(guī)儲層,典型特點是低孔低滲,提高產(chǎn)能必須進行大規(guī)模的水力壓裂,而儲層壓裂必須考慮脆性這一重要因素.沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖油氣資源豐富,從礦物組成、地球物理測井和三軸應(yīng)力實驗測試3個方面來研究頁巖的脆性特征.研究結(jié)果表明,從頁巖礦物組成角度來看,頁巖脆性指數(shù)達到了56.3%,壓裂后有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng);從地球物理的角度來看,頁巖整體表現(xiàn)出高楊氏模量、低泊松比的特點,同時頁巖脆性指數(shù)也都超過了40%,同樣證明脆性程度較高;從三軸應(yīng)力實驗測試的角度來看,巖心樣品的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體來說破壞形式都屬于脆性破壞,再次表明頁巖的脆性較好.綜合以上結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論:沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性較好,具有一定的可壓裂性.

沾化凹陷;頁巖脆性;楊氏模量;泊松比;三軸應(yīng)力實驗

頁巖儲層與常規(guī)碎屑巖儲層相比,具有明顯的"兩低"(低孔隙度、低滲透率)特征,必須經(jīng)過大規(guī)模壓裂才能形成經(jīng)濟效益,而儲層壓裂必須考慮脆性問題[1].Chong等國外學(xué)者采用頁巖脆性指數(shù)概念表示頁巖儲層可壓裂性的高低[2].沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖在羅19井、羅20井和羅42井等試采獲得了較高產(chǎn)能;大位移水平井--渤頁平1井(濟陽坳陷第一口專探頁巖油氣井)在沙三下亞段油氣顯示活躍,表明羅家地區(qū)頁巖油氣資源非常豐富[3-4].目前,對沙三下亞段頁巖的研究大多集中在沉積微相、儲層特征和裂縫識別等方面,專門針對頁巖脆性的研究及評價較少.本文擬從礦物組分、地球物理測井和三軸應(yīng)力實驗測試3個方面來研究及評價羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性,并對該區(qū)頁巖儲層壓裂設(shè)計提出建議.

1 地質(zhì)概況

沾化凹陷位于濟陽坳陷東北部,在渤海灣盆地構(gòu)造單元的劃分中,屬于三級構(gòu)造單元.沾化凹陷在平面上是一個軸向呈北東-南西向的箕狀凹陷,先后依次歷經(jīng)了燕山運動和喜馬拉雅運動,凹陷結(jié)構(gòu)具有北斷南超、東西雙斷、凹凸相間的特點.沾化凹陷內(nèi)部可劃分為邵家洼陷、渤南洼陷、孤北洼陷、樁西洼陷、孤島凸起、三合村洼陷、孤南洼陷和富林洼陷8個次級構(gòu)造單元[5](圖1),面積約為2.8X103km2,平面上呈喇叭狀向東北撒開,同時西南端收斂[6].

圖1 沾化凹陷構(gòu)造單元圖

羅家地區(qū)位于沾化凹陷的中西部,鉆探有羅69井和羅67井.沙三下亞段沉積于強烈斷陷期的深湖環(huán)境,其暗色泥頁巖以紋層狀、層狀為主,"南薄北厚"的特征十分明顯,暗色泥頁巖厚度大于300m[7].沙三下亞段是羅家地區(qū)主要的生油層和含油層,屬還原的湖相沉積[8-10].

2 頁巖礦物組分及儲層巖石力學(xué)特性

2.1 頁巖礦物組分

羅家地區(qū)沙三下亞段(2909.5～3129.5m)巖心樣品X射線衍射全巖分析結(jié)果(表1、圖2)表明,巖石礦物主要由方解石、黏土礦物和石英組成,含有少量的白云石、斜長石、鉀長石、黃鐵礦及菱鐵礦.其中,方解石的平均含量為52.41%,黏土礦物的平均含量為19.12%,石英的平均含量為17.95%.黏土礦物主要為伊/蒙混層(I/S),平均含量為61.99%;其次為伊利石(I),平均含量為29.46%;少量為高嶺石(K)和綠泥石(C).陸源碎屑礦物總量平均為25.45%,碳酸鹽礦物總量平均為55.43%.從圖2可知,沙三下亞段頁巖層位由新到老,碳酸鹽礦物含量呈增加趨勢,黏土礦物和陸源碎屑含量則呈降低趨勢.

根據(jù)北美頁巖氣成功開發(fā)的經(jīng)驗,Woodford頁巖與Barnett頁巖的脆性礦物含量一般大于40%,黏土礦物含量少于30%,才具有工業(yè)開發(fā)價值[11-12].由巖心樣品X射線衍射全巖分析結(jié)果可知,羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性礦物含量遠大于40%,黏土礦物含量遠小于30%,可以初步認為該地區(qū)沙三下亞段頁巖達到工業(yè)開發(fā)的最低值,具有一定的可壓裂性.

2.2 巖石力學(xué)特性

巖石力學(xué)性質(zhì)對巖石物理構(gòu)造以及壓裂效果有很重要的影響.工程上通常用楊氏模量和泊松比表示巖石在外界應(yīng)力作用下的反應(yīng),楊氏模量的大小標(biāo)志著巖石的剛性,楊氏模量越大,說明巖石越不容易發(fā)生形變;泊松比的大小標(biāo)志著巖石的橫向變形系數(shù),泊松比越大,說明巖石在壓力下越容易膨脹.不同的楊氏模量和泊松比的組合表示巖石具有不同的脆性.

表1 羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖X射線衍射全巖分析

圖2 羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖全巖礦物組成

楊氏模量是張應(yīng)力與張應(yīng)變的比值.設(shè)長為L、截面積為A的巖石,在縱向上受力F(張力或壓力)作用時伸長(或壓縮)ΔL,楊氏模量E為:

式中 Δσz--軸向應(yīng)力的增量;

Δεz--軸向應(yīng)變的增量.泊松比與介質(zhì)的楊氏模量密切相關(guān).泊松比的定義是,當(dāng)彈性桿受到拉伸應(yīng)力,而側(cè)面不受力時,縱橫向的線性應(yīng)變分別為eyy和exx,則定義縱向縮短eyy和橫向伸長exx的比值為泊松比σ,即:

式中負號表示當(dāng)exx伸長時,eyy縮短,T1為法向應(yīng)力,λ為拉梅系數(shù),μ為剪切模量.同時,可根據(jù)泊松比與巖石物性參數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)出泊松比和縱橫波速度比之間的關(guān)系:

由公式(3)可以推導(dǎo)出泊松比與縱橫波時差之間的關(guān)系:

式中 ΔTp--縱波時差;

ΔTs--橫波時差.

由公式(4)可知,(ΔTp/ΔTs)2越高,泊松比越低.

Rickman等[13]提出的基于巖石力學(xué)表示脆性的方法,認為巖石的脆性與巖石力學(xué)參數(shù)兩者之間存在一定的相關(guān)性.如圖3所示,綠色數(shù)據(jù)點表示巖石脆性較差,紅色數(shù)據(jù)點表示巖石脆性較好,從綠色到紅色楊氏模量越來越大,泊松比越來越小,脆性越來越好,即巖石的脆性指數(shù)越來越大.

圖3 Rickman脆性指數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)相關(guān)關(guān)系

3 頁巖脆性綜合評價方法

頁巖的脆性是儲層改造過程中必須要考慮的重要因素.現(xiàn)今,頁巖脆性參數(shù)的研究方法主要有以下3種:①基于礦物組成的脆性評價方法,直接測出頁巖礦物成分含量,利用脆性公式計算頁巖脆性指數(shù);②利用地球物理及測井方法求取巖石彈性力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比);③采用巖石力學(xué)實驗的方法,利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征進行評價,如三軸應(yīng)力實驗[14-15].

3.1 基于礦物組成的脆性評價方法

Jarvie等認為礦物成分中石英含量是影響巖石儲集體被有效打碎的關(guān)鍵因素,因此提出了采用石英含量表征脆性的方法[16].但此種方法無法解決泊松比和楊氏模量在脆性評價中的權(quán)重問題.Jarvie脆性指數(shù)計算公式:

根據(jù)公式(5),利用表1中巖心樣品X射線衍射全巖分析結(jié)果,可以計算出沙三下亞段巖石的脆性指數(shù).這種計算方法的優(yōu)點是簡單且容易操作,但缺點也十分明顯,即未考慮實際情況下頁巖的礦物成分是多種多樣的,從精確性的角度來看,單從礦物組分含量來評價顯得不夠.所以本文采用文獻[17-18]中加入礦物的楊氏模量和泊松比以后的公式,來計算巖石的脆性指數(shù):

式中 BRIT--巖石脆性指數(shù);

V--礦物含量;

YM--楊氏模量;

PR--泊松比.

羅家地區(qū)巖石礦物分析表明,方解石是碳酸鹽礦物的主要成分,伊利石是黏土礦物的主要成分.3種礦物的楊氏模量和泊松比如表2所示.根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù),利用公式(6)可以計算出沙三下亞段巖石的脆性指數(shù)為56.3%.國外有關(guān)學(xué)者研究表明,若脆性指數(shù)介于40%～60%之間,則儲層壓裂以后較容易形成復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)[19].所以可以認為羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性處于一個較高水平.根據(jù)公式(5)計算結(jié)果,沙三下亞段頁巖脆性中等;但從公式(6)得到的結(jié)果來看,沙三下亞段頁巖脆性良好,具有一定的可壓裂性.可見兩種公式評價的頁巖脆性情況有差別,本文傾向于采用公式(6),因為該公式更加符合地下頁巖儲層實際情況,精確性更高.相比常規(guī)的礦物組分法,研究區(qū)采用新公式得到的頁巖脆性指數(shù)較高,但這部分差別能否對壓裂施工造成影響,還需要進一步的驗證.

表2 礦物彈性參數(shù)

3.2 地球物理測井的方法

根據(jù)北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗,通過有效方法獲得的頁巖楊氏模量和泊松比可以作為主要依據(jù)來評價頁巖脆性[20-21].Rickman等對美國福特沃斯盆地Barnet頁巖的楊氏模量和泊松比進行了統(tǒng)計,結(jié)果表明高楊氏模量、低泊松比的頁巖脆性更強[13].Baker Hughes和Halliburton Company利用測井?dāng)?shù)據(jù)的縱橫波時差來計算巖石的泊松比和楊氏模量,并以此結(jié)果作為評價頁巖脆性程度的依據(jù)[13,22].

3.2.1 Rickman等人的方法

羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖樣品楊氏模量和泊松比分布見圖4.楊氏模量主要分布在10.1～53.2GPa,平均為31.4GPa;泊松比主要分布在0.201～0.372,平均為0.25.Rickman等[13]提出用巖石的楊氏模量和泊松比來計算脆性指數(shù)的方法,并認為脆性指數(shù)大于40%時,可以認定巖石是脆性的.相關(guān)脆性指數(shù)定量計算公式如下:

式中 YMSC--綜合測定的楊氏模量,104MPa;

PRC--綜合測定的泊松比;

YMBRIT--均一化后的楊氏模量;

PRBRIT--均一化后的泊松比;

BI--脆性指數(shù).

利用公式(7)計算出羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)為22.08%～60.03%,平均為45.3%,表明研究區(qū)頁巖脆性較高.該方法確定了楊氏模量和泊松比在脆性評價中的權(quán)重,使得頁巖的脆性指數(shù)定量化.但是該公式中巖石物理參數(shù)的權(quán)重是針對Barnnet頁巖壓裂改造過程中獲得的統(tǒng)計規(guī)律,北美Barnnet頁巖為海相沉積,沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖是陸相沉積,兩者的頁巖成分有一定的差別,必定使得楊氏模量和泊松比的權(quán)重有所不同.

圖4 羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖力學(xué)參數(shù)及脆性指數(shù)分布圖

3.2.2 Baker Hughes和Halliburton公司的方法

利用羅家地區(qū)沙三下亞段的測井?dāng)?shù)據(jù)(圖5)得到的縱波時差和橫波時差,結(jié)合相關(guān)公式計算頁巖的楊氏模量和泊松比,用來評價頁巖的脆性.利用參考文獻[23]中的公式:

式中 ρb--體積密度.

從圖5可以看出,羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖的楊氏模量介于24.12～48.95GPa之間,平均值為34.19GPa;泊松比介于0.21～0.268之間,平均值為0.244.應(yīng)用公式(7)計算得到的脆性指數(shù)為48.5%.蔣裕強等[24]研究表明,頁巖儲層壓裂力學(xué)標(biāo)準(zhǔn):楊氏模量應(yīng)大于20GPa,泊松比應(yīng)該小于0.25.羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖的楊氏模量和泊松比都分別符合頁巖儲層壓裂的標(biāo)準(zhǔn),頁巖脆性程度較高,具有一定的可壓裂性.該方法結(jié)合室內(nèi)實驗校正測井解釋結(jié)果,可獲得全井段的巖石力學(xué)參數(shù),由此獲得脆性指數(shù)剖面,現(xiàn)場實用性強,且測井?dāng)?shù)據(jù)實時從原狀地層中獲得,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高.

圖5 沙三下亞段頁巖測井?dāng)?shù)據(jù)計算出的泊松比和楊氏模量剖面圖

3.3 三軸應(yīng)力實驗測試

模擬巖心在地下未取出來時所處的溫度、壓力環(huán)境,對研究區(qū)沙三下亞段頁巖樣品進行三軸應(yīng)力實驗測試.測得地層壓力條件下的楊氏模量和泊松比等參數(shù),同時獲得三軸應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直接判斷巖石脆性的好壞程度.圖6表示編號分別為Sh1和Sh2的兩塊巖心三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.Sh1巖心軸向應(yīng)力達到巖樣峰值強度后,巖心斷面發(fā)展迅速形成宏觀斷面,巖心迅速發(fā)生脆性破壞,破壞后巖心不存在承載能力,殘余強度下降迅速,這種形式為脆性破壞;Sh2巖心軸向應(yīng)力達到巖心峰值強度前,軸向應(yīng)力隨軸向應(yīng)變呈直線增加,巖樣達到峰值強度后出現(xiàn)短暫的下凹現(xiàn)象,表現(xiàn)出一些塑性特征,隨后破裂面以張性斷裂為主,整體來說屬于脆性破壞[25-26].該方法得到的脆性指數(shù)與頁巖破裂具有較好的對應(yīng)關(guān)系,但忽略了頁巖地層取心以及后期實驗巖樣制備過程中形成的大量的微裂縫及破裂面對破裂程度的影響,后期通過實驗發(fā)現(xiàn)巖樣的破裂程度與試樣實驗前存在的裂隙有很大的關(guān)系,且基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評價方法不能獲取整個地層的脆性剖面.

圖6 羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

實驗結(jié)果表明,研究區(qū)頁巖的楊氏模量為28.47～37.54GPa,平均值為32.64GPa;泊松比為0.251～0.294,平均值為0.257.應(yīng)用公式(7)得到的脆性指數(shù)為45.9%.圖7為不同地區(qū)頁巖儲層楊氏模量和泊松比對比,Sondergeld等[11]研究認為,楊氏模量大于24GPa(藍色實線)、泊松比小于0.25(紅色實線)的頁巖適合體積壓裂.羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖的楊氏模量和泊松比基本符合上述標(biāo)準(zhǔn),再次說明研究區(qū)頁巖脆性程度較高,具有一定的可壓裂性.

圖7 不同地區(qū)頁巖楊氏模量和泊松比對比圖

3.4 綜合分析

通過礦物組成、地球物理測井和三軸應(yīng)力實驗測試3種方法,最終得到羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖楊氏模量介于10.1～53.2GPa之間,平均值為33.64GPa;泊松比介于0.201～0.372之間,平均值為0.247;脆性指數(shù)介于45.3%～56.3%之間,平均值為49%.無論是從楊氏模量和泊松比間接判斷頁巖的脆性[24],還是從脆性指數(shù)來直接判斷頁巖的脆性[19],都證明羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性較高,儲層具有一定的可壓裂性.

針對以上3種方法的利弊分析,最終選擇地球物理測井的方法來計算研究區(qū)頁巖的脆性指數(shù).如圖8所示,羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)整體介于28%～58%之間,大部分處于40%～50%之間,深度處于2920～2945m的頁巖脆性指數(shù)相對較好,更有利于壓裂.為確保頁巖儲層壓裂的最佳效果,必須根據(jù)巖石脆性情況選用不同的壓裂劑和支撐劑.表3為國外相關(guān)學(xué)者給出的巖石脆性對壓裂設(shè)計指導(dǎo)表[27].根據(jù)美國頁巖儲層壓裂開發(fā)成功的實踐經(jīng)驗,建議羅家地區(qū)考慮頁巖脆性特征,在儲層壓裂過程中選用中等量支撐劑、較低支撐劑濃度、較多液體的壓裂液體系.

4 結(jié)論

(1)利用頁巖樣品X射線衍射全巖分析數(shù)據(jù),結(jié)合加入礦物的楊氏模量和泊松比后的新公式,得出結(jié)果:羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)較高,為56.3%,具有一定的可壓裂性.

(2)利用地球物理測井的方法:采用Rickman等人的方法,測得羅家地區(qū)沙三下亞段楊氏模量平均值為31.4GPa,泊松比平均值為0.25,脆性指數(shù)為45.3%,說明沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)較高,具有一定的可壓裂性;采用Baker Hughes和Halliburton公司的方法,根據(jù)測井曲線計算出沙三下亞段頁巖的楊氏模量平均值為34.19GPa,泊松比平均值為0.244,脆性指數(shù)為48.5%,也具有一定的可壓裂性.

圖8 羅家地區(qū)頁巖脆性指數(shù)剖面圖

表3 巖石脆性對壓裂設(shè)計指導(dǎo)表

(3)通過三軸應(yīng)力實驗測試分析,觀察Sh1、Sh2兩塊巖心的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,整體來說破壞形式均屬于脆性破壞.測得頁巖的楊氏模量平均值為32.64GPa,泊松比平均值為0.257.脆性指數(shù)為45.9%,再次表明沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)較高,具有一定的可壓裂性.

(4)羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖脆性指數(shù)介于28%～58%之間,大部分處于40%～50%之間,深度處于2920～2945m之間的頁巖脆性指數(shù)相對較好,更有利于壓裂.

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Rock mechanics and brittleness of shale reservoirs in the lower Sha 3 Member in Luojia area, Zhanhua sag

Lu Yixiang1,2, Pan Renfang2, Tang Lianyu3, Li Xiaotian2, Wu Wenjing2, Shen Luyin2

( 1 Guangxi Oil Production Plant of Southwest Oil and Gas Company, Sinopec; 2 Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology, Ministry of Education (Yangtze University); 3 Downhole Service Company of PetroChina Jidong Oilfield Company )

Shale, as one type of unconventional reservoir, is characterized by low porosity and low permeability. To improve its deliverability,large-scale hydraulic fracturing is required. Brittleness of the rock must be taken into consideration during the reservoir fracturing. The shale of the lower third Member of Shahejie Formation (lower Sha 3 Member or lower Es3) in the Luojia area of the Zhanhua sag is abundant with oil and gas resources. Its brittleness was investigated in respect of mineral composition, geophysical logging and triaxial stress test. The results show that, in respect of mineral composition, the brittleness index of the lower Es3shale is 56.3%, suggesting that complex fracture system may easily form after fracturing; in respect of geophysical logging, the lower Es3shale exhibits high Young's modulus and low Poisson's ratio,and its brittleness index is over 40%, which also prove that the shale is very brittle; in respect of triaxial stress test, the triaxial compressive stress-strain curves of the core samples present all brittle failure, which once again shows high brittleness of the shale. Accordingly, it can be concluded that the brittleness of the lower Es3shale in the Luojia area is good, revealing certain fracturability.

Zhanhua sag, shale brittleness, Young's modulus, Poisson ratio, triaxial stress test

TE132

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.06.008

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目"陸相頁巖油富集要素與有利區(qū)預(yù)測"(2014CB239104).

陸益祥(1990-),男,湖北鐘祥人,碩士,2017年畢業(yè)于長江大學(xué),現(xiàn)主要從事石油地質(zhì)綜合研究及油氣勘探方面的工作.地址:四川省中江縣二環(huán)路北三段錦上花山莊,郵政編碼:618100.E-mail:1069363009@qq.com

2016-08-10;修改日期:2017-09-28