頁巖氣儲層可壓裂性評價

羅新輝蘇 杭

1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

2.中鐵十六局第三工程有限公司

頁巖氣儲層可壓裂性評價

羅新輝1蘇 杭2

1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

2.中鐵十六局第三工程有限公司

為了探索湘西牛蹄塘組頁巖氣儲層的可壓力性，選取了湖南常德牛蹄塘組頁巖進行了室內(nèi)基本力學(xué)和基本物理試驗，測定了頁巖的基本力學(xué)參數(shù)。選取影響頁巖可壓裂性的部分影響因素包括正向影響因素脆性系數(shù)和脆性礦物含量，負向影響因素包括黏土礦物含量和粘聚力作為評價指標來具體評價頁巖的可壓裂性。采用層次分析法計算頁巖的可壓裂性影響因素的權(quán)重系數(shù)，最后量化湘西頁巖的可壓裂性的具體值。結(jié)果表明，湘西頁巖氣儲層的可壓裂性處于中等水平，頁巖的脆性處于較高水平，商業(yè)開采的潛力較大。

頁巖；可壓裂性；湘西牛蹄塘組；層次分析法

1 引言

水裂壓裂作為頁巖氣開采的手段，其效果主要取決于頁巖在高壓情況下產(chǎn)生裂縫的能力，即可壓裂性[1-2]。學(xué)者為了定量分析頁巖可壓裂性提出了利用脆性系數(shù)來評價頁巖可壓裂性，李慶輝等[3]進行了頁巖儲層脆性特征的綜合評價，為了評價可壓裂性做鋪墊，顯然，量化以后的脆性特征來評價可壓裂性考慮的因素過于單一，不能全面反映頁巖可壓裂性的綜合特征。自此，國內(nèi)很多學(xué)者主要綜合考慮了各種評價指標，并進行量化來具體評價頁巖的可壓裂性。唐穎等[13]提出了利用巖石脆性、石英含量、天然裂縫和成巖作用等指標定量評價可壓裂性，但是沒有考慮內(nèi)摩擦角和粘聚力等因素對可壓裂性的負向影響，評價因素不夠客觀?；诖耍P者針對湘西牛蹄塘組黑色炭質(zhì)頁巖開展研究，基于巖石力學(xué)和物理實驗，測量和分析了影響頁巖可壓裂性的物理力學(xué)參數(shù)，并且探討了這種參數(shù)之間的聯(lián)系。

2 頁巖可壓裂性物理力學(xué)參數(shù)測量和分析

2.1 脆性系數(shù)

脆性系數(shù)是影響頁巖可壓裂性非常重要的指標，在很長一段時間內(nèi)，脆性系數(shù)被作為評價頁巖可壓裂性的唯一指標。目前，對于脆性的定義在巖石力學(xué)這一塊并沒有統(tǒng)一的標準，泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力，楊氏模量反映了當頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，頁巖的泊松比越小，楊氏模量越大，頁巖的脆性越大。為了定量描述頁巖的脆性特征，引入了脆性系數(shù)這個概念，主要是測量和計算出泊松比和楊氏模量兩個力學(xué)參數(shù)。

2.2 頁巖的內(nèi)摩擦角和粘聚力

由摩爾庫倫定律可知，粘聚力越大，頁巖是抗剪強度越大，巖石越堅硬，可壓裂性越差。巖頁不同巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角是頁巖可壓裂性評價里的兩個負向指標，一般情況下高脆性巖石內(nèi)摩擦角很大，對地區(qū)頁巖抗剪強度值影響的變化不大，所以本文中不單獨區(qū)分摩擦強度對可壓裂性的評價，只將粘聚力作為影響可壓裂性的一個負向指標。

測定頁巖的內(nèi)摩擦角和粘聚力和分析其對頁巖強度的影響，采用RMT-150C試驗機進行三軸壓縮試驗，試驗分成三組，每一組分別在圍壓10，25，40MPa的圍壓下破壞，第一組試驗為SZ-01，02，03、第二組試件為SZ-11，12，13、第三組試件為SZ-21，22，23。在加壓的過程中測定了不同荷載下的應(yīng)變值，利用摩爾-庫倫強度理論分析和計算了每一組頁巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。

2.3 脆性礦物和黏土礦物含量

石英是頁巖中主要的脆性礦物，石英的含量越高，頁巖的脆性越強，更加容易下外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫。除了石英以外，長石和白云石也是頁巖儲層中的脆性礦物。脆性礦物越多，頁巖可壓裂改造的性能越好，所以脆性礦物的含量作為評價頁巖可壓裂性的一個正向指標。但是頁巖中除了脆性礦物以外，黏土礦物比如高嶺石、伊利石、蒙脫石等也是構(gòu)成頁巖氣儲層的主要礦物。黏土礦物是儲層改造中的不穩(wěn)定因素，水敏性的黏土礦物含量較高時，在水力壓裂的過程中容易溶解導(dǎo)致頁巖氣產(chǎn)出通道的堵塞，影響頁巖氣產(chǎn)出的效率，從這個角度出發(fā)，黏土礦物的存在對頁巖氣儲層改造產(chǎn)生了負面的影響。并且頁巖氣的的黏土礦物含量越高，頁巖的塑性越強，在壓裂改造的過程中吸收的能量越多，越難壓裂。綜合以上兩點以及其他不可預(yù)見的影響，黏土礦物的影響頁巖可壓裂性的一個負向指標。筆者通過XRD(X-Ray Diffraction，XRD)實驗測試了頁巖中脆性礦物和黏土礦物的含量礦物成分。

3 頁巖可壓裂性評價模型的建立和計算

3.1 評價模型的建立

按照權(quán)重分析法的具體思想和步驟具體確定頁巖可壓裂性的影響因素的權(quán)重分配，首先構(gòu)造頁巖可壓裂性的遞階層次結(jié)構(gòu)圖，再構(gòu)造權(quán)重的判斷矩陣，檢驗矩陣的一致性，調(diào)整合理化檢驗合格以后再進行計算。具體計算步驟如下：

（1）影響因素標準化評價頁巖可壓裂性的指標包括脆性系數(shù)、脆性礦物含量、黏土礦物含量、粘聚力等指標，這些評價指標具有不同的單位和量綱，并且各個指標數(shù)值的大小和有效范圍不一樣，為了進行評價，必須把所有的指標進行歸一化的處理，本文采用的極差變換的方法將各個參數(shù)標準化。極差變換中參數(shù)分為正向指標—脆性系數(shù)、脆性礦物含量和負向指標—黏土礦物含量、粘聚力，以及其他未考慮或許不需要考慮的中性指標和非定量指標四種。正向指標的值越大，負向指標的值越小，可壓裂性越大。

正向指標：

（2）影響因素權(quán)重分析計算。初步確定了頁巖可壓裂性影響的四個評價元素判斷矩陣的元素矩陣取值。

（3）層次總排序的選擇，層次總排序的選擇就是矩陣通過檢驗以后計算具體的權(quán)重，層次分析法權(quán)重計算的方法有幾種，本文具體采用幾何平均法來計算各因素的權(quán)重分配，計算的具體方法如公式（3）計算出來的權(quán)重和檢驗的結(jié)果.

負向指標：

3.2 評價模型的計算

根據(jù)公式（1）和（2）將各個參數(shù)進行歸一化后，考慮到實驗的準確性，再將歸一化以后的數(shù)值取其平均數(shù)，其中脆性系數(shù)，脆性礦物含量，黏土礦物含量其數(shù)值本身在0～1之間，直接取其平均值，粘聚力歸一化以后取其平均值。歸一化以后的取值結(jié)果和權(quán)重結(jié)果如表1。

表1 影響因素歸一化的結(jié)果和權(quán)重計算值

定義可壓裂系為R=A*W=0.5208。從計算的結(jié)果可以看出來湘西頁巖的可壓裂處于平均水平，一般情況看運用此種方法計算出來的可壓裂性在0～0.3之間，可壓裂性較差；在0.3～0.6之間可壓裂性處于平均水平；在0.6～0.8之間可壓裂性好。頁巖的可壓裂性的研究是一個非常復(fù)雜的從定性走向定量的一個評價機制，不同的數(shù)學(xué)模型計算出來的可壓裂性系數(shù)的大小不一樣，為了進一步確定湘西頁巖的可壓裂性的好壞程度，需要進一步對比不同地區(qū)的頁巖進行試驗分析，對此，作者在進一步的研究中。

4 結(jié)論

（1）從試驗測試和計算的單一結(jié)果看，湘西頁巖的脆性系數(shù)為0.56，脆性處于較高的水平，湘西頁巖的一種在同類水平中脆性很高的巖石，同時脆性礦物含量平均為0.542，脆性礦物含量在中等水平。

（2）從頁巖可壓裂性的計算結(jié)果可以看出來湘西頁巖的可壓裂性處于中等偏上的水平，這與實驗過程中的現(xiàn)象和實驗的結(jié)果是相符合了，需要進一步深入研究其商業(yè)開采的可行性。

（3）采用層次分析法評價頁巖的可壓裂性，是將抽象的概念可壓裂性進行具體化，這種評價方法具有概念清晰、計算方便的優(yōu)點，但是評價參數(shù)的權(quán)重的取值如何取得最優(yōu)的數(shù)值需要進一步研究。

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湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2015B493）