吉木薩爾致密油儲(chǔ)層脆性及可壓裂性預(yù)測(cè)

任 巖 曹 宏 姚逢昌 盧明輝 楊志芳 晏信飛(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

1 引言

致密油氣儲(chǔ)層由于具有強(qiáng)非均質(zhì)性、低孔隙度、低滲透率和氣流阻力大等特征，致使其有效開(kāi)采面臨巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，針對(duì)非常規(guī)油氣開(kāi)采的關(guān)鍵是水平井和分段體積壓裂進(jìn)行儲(chǔ)層改造[1-3]。研究表明，巖石脆性是影響地層可壓性的重要因素[4]。在工程領(lǐng)域，脆性研究在鉆探工程、深部巖體工程以及煤田開(kāi)采中發(fā)揮了很大的作用[5-7]。近年來(lái)，脆性已經(jīng)成為指導(dǎo)油田壓裂施工的重要參數(shù)[8-11]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始直接利用脆性表征可壓裂性，并應(yīng)用于非常規(guī)儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)，認(rèn)為具有高脆性指數(shù)的巖石更容易壓裂[8]。但是，這一理論存在不足，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)脆性指數(shù)高的地層不一定具有良好的壓裂效果[12,13]。因此，雖然脆性是表征儲(chǔ)層可壓裂性的非常重要的參數(shù)，但單一地使用脆性評(píng)價(jià)可壓裂性并不完善。

本文針對(duì)吉木薩爾蘆草溝組致密油儲(chǔ)層，分析了現(xiàn)有的利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的多種脆性指數(shù)結(jié)果，提出了適用于該地區(qū)的改進(jìn)的礦物組分脆性指數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，引入斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度參數(shù)，構(gòu)建了三者相結(jié)合的、基于巖石礦物成分、力學(xué)參數(shù)和物性參數(shù)的可壓裂性評(píng)價(jià)模型，使目標(biāo)區(qū)致密油儲(chǔ)層可壓裂性預(yù)測(cè)效果得到改善。

2 改進(jìn)礦物組分法理論

脆性作為重要的巖石力學(xué)參數(shù)，受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注，但是目前還沒(méi)有普適的定義和準(zhǔn)確的脆性指數(shù)計(jì)算方法[14]。脆性在不同領(lǐng)域內(nèi)的定義不同[15-18]，其中，地質(zhì)學(xué)及相關(guān)學(xué)科認(rèn)為材料斷裂或破壞前表現(xiàn)出極少或沒(méi)有塑性形變的特性為脆性[19]。對(duì)于脆性破裂來(lái)說(shuō)，經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為破裂之前沒(méi)有或很少發(fā)生永久變形為脆性破裂[20]，Griggs等[21]規(guī)定永久變形不超過(guò)1%，而Heard[22]規(guī)定巖石破裂前總應(yīng)變不超過(guò)3%即為脆性破裂。與韌性巖石相比，脆性巖石具有易形成天然裂縫、增加油氣儲(chǔ)藏能力和流動(dòng)能力、容易壓裂、低扭曲、低嵌入度、易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)藏接觸體積大等特點(diǎn)，因此脆性大的巖石更有利于壓裂改造[4]。

2.1 現(xiàn)有脆性指數(shù)適用性分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種脆性指數(shù)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有脆性指數(shù)可分為6大類(lèi)、共20余種方法(表1)?？箟嚎估瓘?qiáng)度法(B1～B4)[14,23]分析了衡量巖石在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力條件下的強(qiáng)度極限值，認(rèn)為抗壓和抗拉強(qiáng)度差異越大，脆性越強(qiáng)； 應(yīng)力應(yīng)變曲線法通過(guò)巖石三軸壓縮試驗(yàn)，得到應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線， 并通過(guò)曲線上各階段所代表的物理意義定義不同的脆性指數(shù)，這類(lèi)方法分為曲線形態(tài)法(B5～B8)[24-28]和曲線能量法(B9～B12)[29-33]，分別利用定量化應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)和能量關(guān)系表征巖石脆性；硬度與斷裂韌度法(B13～B19)[14,34,35]給出了巖石脆性指數(shù)與硬度和斷裂韌度的關(guān)系，通過(guò)硬度和斷裂韌度試驗(yàn)、貫入試驗(yàn)和普氏沖擊試驗(yàn)等方法，獲得巖石脆性指數(shù)；礦物組分法(B20～B22)[9,10,12]認(rèn)為巖石中脆性礦物含量越高，巖石的脆性越大，因此定義脆性礦物含量占總礦物含量的百分比為脆性指數(shù)；巖石力學(xué)參數(shù)法(B23)[8]認(rèn)為脆性與楊氏模量和泊松比密切相關(guān)，巖石的楊氏模量越大、泊松比越小，脆性越大，以此定義脆性指數(shù)；內(nèi)摩擦角法(B24、B25)[14,20]引入庫(kù)倫—莫爾破裂準(zhǔn)則，將巖石內(nèi)摩擦角與破裂角聯(lián)系起來(lái)，作為判斷巖石脆性程度的依據(jù)。

表1 脆性指數(shù)計(jì)算方法匯總

從以上描述可知，前三類(lèi)方法(B1～B19)均需要對(duì)樣品進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)分析，根據(jù)巖石實(shí)際壓裂后的特征和過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，而在對(duì)致密油氣儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)時(shí)，產(chǎn)層往往較多、較薄，對(duì)每個(gè)薄層的巖心樣品均需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量以計(jì)算脆性指數(shù)，這種做法費(fèi)用昂貴且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，所得結(jié)果不連續(xù)，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大局限；后三類(lèi)脆性指數(shù)(B20～B25)不僅可以通過(guò)試驗(yàn)獲得，還可以通過(guò)礦物成分測(cè)井和常規(guī)測(cè)井方便地求取，雖然這種方式存在一定的誤差和多解性，但由于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)具有連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高的特征，實(shí)際應(yīng)用中可以將誤差和多解性降低到壓裂預(yù)測(cè)可接受的范圍。因此，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行非常規(guī)儲(chǔ)層脆性和可壓裂性評(píng)價(jià)是當(dāng)前較為經(jīng)濟(jì)、有效的方式。

2.2 改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)

近年來(lái)，基于礦物組分的脆性評(píng)價(jià)方法在不斷發(fā)展。起初，Jarvie等[9]針對(duì)北美Barnett頁(yè)巖，認(rèn)為只有石英可定義為脆性礦物，首先建立了利用脆性礦物含量評(píng)價(jià)巖石脆性的方法(B20)；Wang等[10]經(jīng)過(guò)對(duì)北美頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究發(fā)現(xiàn)，白云石含量的增加對(duì)頁(yè)巖的脆性起促進(jìn)作用，因此將石英和白云石定義為脆性礦物(B21)； Jin等[12]認(rèn)為石英、長(zhǎng)石、云母、方解石和白云石均會(huì)增加頁(yè)巖脆性，因此定義了脆性指數(shù)B22。從以上三種方法可以看出，它們針對(duì)的都是頁(yè)巖儲(chǔ)層，對(duì)于致密砂巖或致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層不一定適用，有很強(qiáng)的地域局限性。因此，對(duì)于致密油氣儲(chǔ)層，需要有針對(duì)性地提出合理的礦物組分脆性評(píng)價(jià)方法。

吉木薩爾蘆草溝組致密油地層具有下列特點(diǎn)：巖石種類(lèi)較為復(fù)雜，組成巖石的礦物種類(lèi)多，過(guò)渡類(lèi)巖性多等。以吉174井為例，上甜點(diǎn)以云質(zhì)粉砂巖、粗粒砂屑云巖與云質(zhì)泥巖互層為主要特征，儲(chǔ)集巖以云質(zhì)粉砂巖為主，砂屑云巖次之，儲(chǔ)層單層厚度多小于1m； 下甜點(diǎn)以云質(zhì)粉砂巖和云質(zhì)泥巖互層為主要特征，致密油主要賦存于云質(zhì)粉砂巖中，與上甜點(diǎn)相比，儲(chǔ)集巖單層較厚，可達(dá)到2m； 中間為烴源巖，巖性以云質(zhì)泥巖、泥頁(yè)巖為主[36]。因此，從巖性上看，烴源巖地層的脆性整體上應(yīng)該低于上、下甜點(diǎn)區(qū)。圖1為吉木薩爾J174井全巖礦物分析百分比含量圖，可以看出，巖石組成以石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物為主，其中石英含量在儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層中差異不大。圖2為B20～B22三種礦物組分法脆性指數(shù)的對(duì)比圖，可以看出，這三種方法計(jì)算的結(jié)果均不理想，不能較好地刻畫(huà)不同類(lèi)別巖石的脆性強(qiáng)弱關(guān)系，同樣也不能體現(xiàn)儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層巖石脆性程度的差異，因此這三種礦物組分法脆性指數(shù)均不適用于該研究區(qū)。

圖1 吉木薩爾J174井礦物百分比含量

圖2 B20～B22三種礦物組分法脆性指數(shù)對(duì)比

通過(guò)分析，認(rèn)為吉木薩爾致密油儲(chǔ)層巖石中脆性礦物應(yīng)為石英、白云石、長(zhǎng)石和黃鐵礦，但由于石英含量差異較小，代入計(jì)算不會(huì)引起脆性差異，還會(huì)削弱其他脆性礦物在脆性指數(shù)上的反映，故不將石英含量代入計(jì)算，提出的改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)Bnew公式為

(1)

式中：Wdol為白云石類(lèi)礦物百分含量，包括白云石、鐵白云石、菱鐵礦等；Wfel為長(zhǎng)石類(lèi)礦物百分含量，包括鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方沸石等；Wpyr為黃鐵礦含量。Bnew的取值范圍為[0,1]。

2.3 方法對(duì)比

指數(shù)B20～B25是常用的幾種基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)求取的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)，具有簡(jiǎn)單、高效、成本低、不依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的特點(diǎn)，本文將重點(diǎn)對(duì)比這幾種方法在研究區(qū)致密油儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果。

(2)

(3)

式中：E為實(shí)測(cè)點(diǎn)的楊氏模量；Emin和Emax分別為區(qū)域內(nèi)楊氏模量的最小值和最大值，本文儲(chǔ)層分別取14GPa和51GPa；υ為實(shí)測(cè)點(diǎn)的泊松比；υmin和υmax分別為泊松比的最小值和最大值，本文分別取0.10和0.36。楊氏模量和泊松比可以由兩種方式獲得：一是從巖石力學(xué)試驗(yàn)中測(cè)得，稱(chēng)為靜態(tài)方法；二是通過(guò)聲波和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)方法[37]，較為常用，其表達(dá)式為

(4)

(5)

式中：VP和VS分別為縱、橫波速度；ρ為密度。

脆性指數(shù)B24和B25是基于內(nèi)摩擦角的脆性評(píng)價(jià)方法，內(nèi)摩擦角一般通過(guò)巖石三軸壓縮試驗(yàn)獲得，但這種方式成本較高，局限性較大。經(jīng)過(guò)大量研究[38-42]，提出了內(nèi)摩擦角計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，可以利用常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)方便地求取。通過(guò)自然伽馬曲線計(jì)算地層內(nèi)摩擦角[40]的公式為

(6)

式中： GR為自然伽馬測(cè)井曲線讀數(shù)； GRsand和GRshale分別表示純砂巖和純頁(yè)巖的自然伽馬數(shù)值，一般取60和120API；μsand和μshale分別表示純砂巖和純頁(yè)巖的內(nèi)摩擦系數(shù)，一般分別取0.9和0.5。

脆性指數(shù)B24與B25等價(jià)，這里以B24為例，將式(6)計(jì)算結(jié)果代入式(7)即可得到內(nèi)摩擦角法脆性指數(shù)

B24=sinφ

(7)

將改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)Bnew與B23、B24計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示?？梢钥闯觯?①這三條曲線的計(jì)算過(guò)程相互獨(dú)立，但曲線形態(tài)互有相似(全巖礦物分析采樣間隔較大，但變化趨勢(shì)顯著)，其中Bnew與B23相似度較高，B24與另外兩曲線相似度較低； ②改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)Bnew的變化范圍最大，脆性變化趨勢(shì)明顯，便于劃分巖石脆性強(qiáng)弱，適用性最好，其次為巖石力學(xué)參數(shù)法B23； ③內(nèi)摩擦角法脆性指數(shù)B24變化范圍很小，且曲線受自然伽馬曲線影響，波動(dòng)較大，在上述方法中適用性最低。

圖3 Bnew與B23、B24效果對(duì)比(黃色陰影為甜點(diǎn)區(qū))

3 斷裂韌性對(duì)可壓裂性的影響

應(yīng)力強(qiáng)度因子KI是斷裂力學(xué)中用來(lái)預(yù)測(cè)由于遠(yuǎn)程載荷或殘余應(yīng)力引起的裂紋尖端附近應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)[12]。隨著外加應(yīng)力的增大，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增加，當(dāng)其達(dá)到某一臨界值時(shí)，能使裂紋尖端某一區(qū)域的應(yīng)力大到足以使材料被破壞，從而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生斷裂。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子稱(chēng)為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，也稱(chēng)作材料的斷裂韌性KIC。斷裂韌性KIC是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，但二者意義卻完全不同。KI是裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的度量，它與裂紋形狀、外力大小、加載方式等因素有關(guān)，而斷裂韌性KIC則是描述材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的量，它與外界條件無(wú)關(guān)，是材料的固有屬性，只與材料種類(lèi)有關(guān)[20]。

水力壓裂要求施工層段具有較好的造縫能力，使儲(chǔ)層改造體積最大化[43]，其施工過(guò)程與引入斷裂韌性原理的模型非常類(lèi)似，造縫能力的高低在一定程度上與巖石抵抗裂紋擴(kuò)展的能力有關(guān)，KIC數(shù)值越小，越有利于水力壓裂。因此，斷裂韌性KIC可以作為水力壓裂造縫能力的參量，可以對(duì)壓裂施工的難易程度和壓裂效果起指示作用。

斷裂韌性的測(cè)量方法有很多種，巖石力學(xué)試驗(yàn)是最常用、最準(zhǔn)確的方法[44]。但是由于巖石力學(xué)試驗(yàn)程序復(fù)雜、費(fèi)用昂貴、時(shí)間成本高，并且無(wú)法得到地下連續(xù)的斷裂韌性曲線，因此，科學(xué)家研究了巖石斷裂韌性與楊氏模量、泊松比、硬度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及聲波速度等參數(shù)的關(guān)系，得到了不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同種類(lèi)的巖石樣品進(jìn)行了驗(yàn)證[45,46]。

本文使用斷裂韌性與楊氏模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[12]進(jìn)行巖石斷裂韌性的估計(jì)，這一方法可以通過(guò)測(cè)井曲線數(shù)據(jù)得到地下連續(xù)的KIC變化曲線

KIC=0.313+0.107E

(8)

4 抗壓強(qiáng)度對(duì)可壓裂性的影響

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σc是在單向受壓條件下，巖石樣品被破壞時(shí)的極限壓應(yīng)力值，是巖石最重要的物理力學(xué)參數(shù)之一，也是從事巖石力學(xué)工程研究、設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)中不可或缺的力學(xué)參數(shù)[47]。

水力壓裂施工中，除了考慮斷裂韌性所影響的造縫能力，還應(yīng)考慮在非主應(yīng)力方向上能否產(chǎn)生次生裂縫，以溝通不同的人工及天然裂縫，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。垂直于主應(yīng)力裂縫方向上的巖石由于裂縫張開(kāi)，往往處于壓應(yīng)力條件下，因此地下巖石的抗壓強(qiáng)度是決定在壓應(yīng)力條件下能否形成裂縫的重要因素?？箟簭?qiáng)度越大，越不容易壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)[48]，即抗壓強(qiáng)度是巖石可壓裂性的負(fù)向指示因子。

圖4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙度交會(huì)圖

巖石抗壓強(qiáng)度一般通過(guò)單軸或三軸壓縮試驗(yàn)獲得，為了簡(jiǎn)單、高效地求取地下連續(xù)的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，本文總結(jié)了前人已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12,49,50]，發(fā)現(xiàn)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。圖4中紅色、藍(lán)色和綠色的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表文獻(xiàn)中來(lái)自不同地區(qū)的砂巖、頁(yè)巖和碳酸鹽巖樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，由于碳酸鹽巖與砂巖、頁(yè)巖等碎屑巖的成巖作用不同，前者以化學(xué)成巖作用為主，后者以物理壓實(shí)作用為主，因此碳酸鹽巖在較小孔隙度時(shí)的規(guī)律并不明顯，但三種巖性整體來(lái)看趨勢(shì)明顯。進(jìn)一步建立了σc與孔隙度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以通過(guò)常規(guī)測(cè)井解釋的孔隙度數(shù)據(jù)方便地獲得巖石抗壓強(qiáng)度。本文對(duì)吉木薩爾地區(qū)泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度的測(cè)量(圖4中黑色五星)，可以看出，經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)目標(biāo)區(qū)樣品的擬合程度較好，抗壓強(qiáng)度隨孔隙度增大而減小的趨勢(shì)明顯。因此用下式對(duì)本地區(qū)地層的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)

σc=199.211e-10.324p

(9)

式中p為孔隙度。

5 可壓裂性指數(shù)的提出

非常規(guī)儲(chǔ)層的有效開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行大規(guī)模分段水力壓裂，而地層的脆性和可壓裂性評(píng)價(jià)對(duì)確定較好的壓裂位置、壓裂成功與否至關(guān)重要。并且，準(zhǔn)確識(shí)別可壓裂性高的層段，對(duì)合理設(shè)計(jì)壓裂方案、提高作業(yè)效率、節(jié)約開(kāi)發(fā)成本具有重要意義。

非常規(guī)儲(chǔ)層水力壓裂的目的是：①形成復(fù)雜、可連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)；②最大化改造體積和油氣采收率。因此，高脆性、低斷裂韌性、低抗壓強(qiáng)度地層具有理想的水力壓裂施工條件。鑒于此，本文建立了巖石脆性指數(shù)、力學(xué)參數(shù)、物性參數(shù)相結(jié)合的地層可壓裂性指數(shù)

(10)

式中B為巖石脆性指數(shù)。

圖5 地層可壓裂性與地層脆性、斷裂韌性

應(yīng)用式(10)計(jì)算研究區(qū)的地層可壓裂性指數(shù)，并得到地層可壓裂性與地層脆性、斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度的三維關(guān)系圖(圖5)。由圖可見(jiàn)：①地層可壓裂性指數(shù)高值對(duì)應(yīng)高脆性指數(shù)、低斷裂韌性、低抗壓強(qiáng)度；②地層具有較高的脆性指數(shù)、較低的斷裂韌性時(shí)，可壓裂性指數(shù)不一定高，因?yàn)榭箟簭?qiáng)度也可能較高，使得復(fù)雜縫網(wǎng)難以形成，地層可壓裂性降低；③地層具有較高的脆性指數(shù)、較低的抗壓強(qiáng)度時(shí)，可壓裂性指數(shù)不一定高，因?yàn)閿嗔秧g性可能較高，可造成地下裂縫難以延伸擴(kuò)展，改造體積小，同樣造成可壓裂性降低；④地層斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度均較低時(shí)，如果地層脆性較低，也會(huì)造成地層可壓裂性降低。

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 可壓裂性預(yù)測(cè)流程

以吉木薩爾蘆草溝組致密油儲(chǔ)層J174井為例，說(shuō)明本文提出的地層脆性及可壓裂性預(yù)測(cè)方法及流程。如圖6所示，自然伽馬測(cè)井曲線數(shù)值在全井段上震蕩幅度較大，趨勢(shì)變化不明顯，巖性識(shí)別較困難，也證實(shí)了該地區(qū)地層巖性復(fù)雜，砂巖、碳酸鹽巖和泥巖互層的特點(diǎn)。可壓裂性預(yù)測(cè)流程如下：

(1)綜合自然伽馬、密度、中子、聲波時(shí)差等常規(guī)測(cè)井曲線信息，計(jì)算孔隙度和含水飽和度等物性參數(shù)，結(jié)合鉆井試油結(jié)果，確定甜點(diǎn)區(qū)或儲(chǔ)集層位置(圖6中黃色陰影)；

(2)利用錄井或礦物分析測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)；

(3)利用密度、聲波時(shí)差測(cè)井資料，計(jì)算地層連續(xù)的動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比；

(4)通過(guò)斷裂韌性與楊氏模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(式(8))，計(jì)算地層連續(xù)的斷裂韌性曲線；

(5)通過(guò)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(式(9))，計(jì)算地層連續(xù)的抗壓強(qiáng)度曲線；

(6)綜合上述計(jì)算得到的脆性指數(shù)、斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度，利用本文提出的地層可壓裂性預(yù)測(cè)公式(式(10))，計(jì)算地層可壓裂性指數(shù)，并進(jìn)行地層可壓裂性?xún)?yōu)選(圖6中可壓裂性指數(shù)紫色填充部分)；

(7)結(jié)合地層可壓裂性?xún)?yōu)選結(jié)果和測(cè)井識(shí)別的儲(chǔ)集層位置信息，確定可壓裂層段(圖6中最后一欄的粉色陰影段)。

6.2 預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

地面微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)可以獲得地下壓裂縫空間展布情況，同時(shí)可對(duì)可壓裂性預(yù)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

油田對(duì)該致密油儲(chǔ)層上甜點(diǎn)段(對(duì)應(yīng)于圖6中“工程解釋”里最上面兩塊紅色陰影位置)進(jìn)行水平井水力壓裂施工，該井水平段長(zhǎng)度為1233m，15段分段壓裂，所用壓裂液總量為16030.7m3，加砂量為1798m3。圖7所示為該水平井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)致密油儲(chǔ)層被有效改造，單段壓裂縫長(zhǎng)度達(dá)200～250m，壓裂區(qū)域的寬度可達(dá)20～50m。經(jīng)過(guò)260天試開(kāi)采，該井累計(jì)總產(chǎn)量達(dá)7864t，日均產(chǎn)量達(dá)30.25t[51]。實(shí)際施工結(jié)果表明，該水平井儲(chǔ)層改造效果明顯，致密油產(chǎn)量得到顯著提升，說(shuō)明本文提出的可壓裂性指數(shù)適用于致密油儲(chǔ)層，具有一定的可靠性。

圖6 J174井致密油儲(chǔ)層脆性及可壓裂性預(yù)測(cè)結(jié)果

圖7 上甜點(diǎn)段水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果[51]

7 結(jié)論

(1)致密油氣儲(chǔ)層的巖性、巖石礦物組成較為復(fù)雜，物性參數(shù)等特征與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有較大差異，常規(guī)基于頁(yè)巖儲(chǔ)層所提出的礦物組分法脆性指數(shù)不適用于致密油氣儲(chǔ)層，本文提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)的礦物組分法脆性指數(shù)可以有效地反映地層脆性程度，脆性計(jì)算結(jié)果適用于儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)。

(2)巖石的斷裂韌性與地層可壓裂性關(guān)系密切，斷裂韌性較低的地層具有較好的造縫能力，更有利于改造體積最大化，本文通過(guò)其與楊氏模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系求得地下連續(xù)的斷裂韌性數(shù)據(jù)，很好地解決了斷裂韌性實(shí)驗(yàn)測(cè)量成本高、數(shù)據(jù)量小的問(wèn)題。

(3)巖石較低的抗壓強(qiáng)度對(duì)壓裂施工中溝通主裂縫、形成復(fù)雜縫網(wǎng)具有促進(jìn)作用，因此抗壓強(qiáng)度是指示地層可壓裂性的主要因素之一，本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同種類(lèi)巖石的孔隙度與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，得出二者的關(guān)系曲線，可方便求取地層巖石抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，也從儲(chǔ)層物性的角度判斷地層的可壓裂性。

(4)對(duì)于致密油氣儲(chǔ)層，單一的脆性指數(shù)不能很好地指示地層的可壓裂性，脆性指數(shù)高的地層不一定是優(yōu)良的可壓裂層段，本文提出了基于礦物脆性指數(shù)、斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度的地層可壓裂性指數(shù)，認(rèn)為地層脆性指數(shù)較高、斷裂韌性較低、抗壓強(qiáng)度較低的儲(chǔ)層更有利于壓裂改造，利用該方法對(duì)吉木薩爾致密油儲(chǔ)層可壓裂性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到了壓裂有利層段，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際壓裂施工效果相吻合，說(shuō)明可壓裂性指數(shù)的可靠性，可用于指導(dǎo)壓裂施工。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫龍德,撒利明,董世泰.中國(guó)未來(lái)油氣新領(lǐng)域與物探技術(shù)對(duì)策.石油地球物理勘探,2013,48(2):317-324.

Sun Longde,Sa Liming,Dong Shitai.New challenges for the future hydrocarbon in China and geophysical technology strategy.OGP,2013,48(2):317-324.

[2] 周守為.頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù).北京:石油工業(yè)出版社,2013,111-133.

[3] 董寧,許杰,孫贊東等.泥頁(yè)巖脆性地球物理預(yù)測(cè)技術(shù).石油地球物理勘探,2013,48(增刊1):69-74.

Dong Ning,Xu Jie,Sun Zandong et al.Shale brittleness prediction by geophysical methods.OGP,2013,48(S1):69-74.

[4] 傅成玉.非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā).北京:中國(guó)石化出版社,2015,1-8.

[5] Yarali O,Kahraman S.The drillability assessment of rocks using the different brittleness values.Tunneling and Underground Space Technology,2011,26(2):406-414.

[6] Gunaydin O,Kahraman S and Fener M.Sawability prediction of carbonate rocks from brittleness indexes.The Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy,2004,104(4):239-243.

[7] Singh S P.Brittleness and mechanical winning of coal.Mining Science and Technology,1986,3(3):173-180.

[8] Rickman R,Mullen M J,Petre J E et al.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization:all shale plays are not clones of the Barnett Shale//SPE Technical Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2008,SPE115258.

[9] Jarvie D M,Hill R J,Ruble T E et al.Unconventional shale-gas systems:The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment.AAPG Bulletin,2007,91(4):475-499.

[10] Wang F P,Gale J F.Screening criteria for shale-gas systems.Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions,2009,59:779-793.

[11] Chong K K,Grieser W V,Jaripatke O A et al.A completions roadmap to shale-play development:a review of successful approaches toward shale-play stimulation in the last two decades//CPS/SPE International Oil and Gas Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2010,SPE130369.

[12] Jin X,Shah S N,Roegiers J C et al.Fracability evaluation in shale reservoirs—an integrated petrophysics and geomechanics approach.SPE Journal,2015,20(3):518-526.

[13] Bruner K R and Smosna R.A comparative study of the Mississippian Barnett Shale,Fort Worth basin,and Devonian Marcellus Shale,Appalachian basin:U.S.Department Energy,National Energy Technology Laboratory,2011,106,DOE/NERL/2011/1478.

[14] Hucka V,Das B.Brittleness determination of rocks by different methods.International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1974,11(10):389-392.

[15] Heteny M.Handbook of Experimental Stress Analysis.John Wiley,New York，1966，23-25.

[16] Morley A.Strength of Materials.Longman Green,London，1944，35.

[17] Ramsay J G.Folding and Fracturing of Rocks.McGraw-Hill,London,1967,44-47.

[18] Obert L,Duvall W I.Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock.John Wiley,New York,1967,78-82.

[19] Howell J V.Book Reviews:Glossary of Geology and Related Sciences.Science,1957,126.

[20] 陳顒,黃庭芳,劉恩儒.巖石物理學(xué).安徽合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009，121-131.

[21] Griggs D L,Handin J.Rock Deformation (A Sympo-sium).The Geological Society of America,1960.

[22] Heard H C.Transition from brittle fracture to ductile flow in Solnhofen limestone as a function of temperature,confining pressure and interstitial fluid pressure.Geological Society of America Memoirs,1960,79:193-226.

[23] Altindag R.Correlation of specific energy with rock brittleness concepts on rock cutting.Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy,2003,103(3):163-171.

[24] Bishop A W.Progressive failure with special reference to the mechanism causing it//Proceeding of The Geotechnical Conference on Shear Strength Properties of Natural Soils and Rocks.Norwegian Geotechnical Institute,1967,142-150.

[25] Hajiabdolmajid V,Kaiser P K,Martin C D.Modelling brittle failure of rock.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002,39(6):731-741.

[26] Hajiabolmajid V,Kaiser P K.Brittleness of rock and stability assessment in hard rock tunneling.Tunneling and Underground Space Technology,2003,18(1):35-48.

[27] 李慶輝,陳勉,金衍等.頁(yè)巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法及改進(jìn).巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(8):1680-1685.

Li Qinghui,Chen Mian,Jin Yan et al.Indoor evaluation method for shale brittleness and improvement.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(8):1680-1685.

[28] 周輝,孟凡震,張傳慶等.基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的巖石脆性特征定量評(píng)價(jià)方法.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(6):1114-1122.

Zhou Hui,Meng Fanzhen,Zhang Chuanqing et al.Quantitative evaluation of rock brittleness based on stress-strain curve.Chinese Journal of Rock Mecha-nics and Engineering,2014,33(6):1114-1122.

[29] Baron L I.Determination of Properties of Rocks.Gozgotekhizdat,Moscow,1992,784-795.

[30] Aubertin M,Gill D E,Simon R.On the use of the brittleness index modified (BIM) to estimate the post-peak behavior of rocks.Aqua Fennica,1994(23):24-25.

[31] Tarasov B,Potvin Y.Universal criteria for rock brittleness estimation under triaxial compression.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2013,59:57-69.

[32] Munoz H,Taheri A,Chanda E K.Rock drilling performance evaluation by an energy dissipation based rock brittleness index.Rock Mechanics and Rock Engineering,2016,49(8):3343-3355.

[33] 夏英杰,李連崇,唐春安等.基于峰后應(yīng)力跌落速率及能量比的巖體脆性特征評(píng)價(jià)方法.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,35(6):1141-1154.

Xia Yingjie,Li Lianchong,Tang Chun’an et al.Rock brittleness evaluation based on stress dropping rate after peak stress and energy ratio.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(6):1141-1154.

[34] Lawn B R,Marshall D B.Hardness,toughness and brittleness:an indentation analysis.Journal of American Ceramic Society,1979,62(7/8):347-350.

[35] Quinn J B,Quinn G D.Indentation brittleness of ceramics:a fresh approach.Journal of Materials Science,1997,32(16):4331-4346.

[36] 匡立春,胡文瑄,王緒龍等.吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲(chǔ)層初步研究：巖性與孔隙特征分析.高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,19(3):529-535.

Kuang Lichun,Hu Wenxuan,Wang Xulong et al.Research of the tight oil reservoir in the Lucaogou Formation in Jimusar Sag:analysis of lithology and porosity characteristics.Geological Journal of China Universities,2013,19(3):529-535.

[37] 徐天吉,程冰潔,閆麗麗等.龍門(mén)山金馬—鴨子河推覆構(gòu)造帶雷四段儲(chǔ)層脆性與裂縫預(yù)測(cè).石油地球物理勘探,2017,52(3):562-572.

Xu Tianji,Cheng Bingjie,Yan Lili et al.Reservoir brittleness and fracture prediction of Member 4,Lei-koupo Formation in Jinma-Yazihe nappe tectonic belt,Longmen Mountain.OGP,2017,52(3):562-572.

[38] Weingarten J S,Perkins T K.Prediction of sand production in gas wells:methods and gulf of Mexico case studies.Journal of Petroleum Technology,1995,47(7):596-600.

[39] Lai M.Shale stability:drilling fluid interaction and shale strength//SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference.Society of Petroleum Engineers,1999.

[40] Chang C D,Zoback M D,Khaksar A.Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks.Journal of Petroleum Science and Engineering,2006,51(3):223-237.

[41] Ameen M S,Smart B G D,Somerville J M et al.Predicting rock mechanical properties of carbonates from wireline logs (A case study:Arab-D reservoir,Ghawar field,Saudi Arabia).Marine and Petroleum Geo-logy,2009,26(4):430-444.

[42] Ning F L,Wu N Y,Li S et al.Estimation of in-situ mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments from well logging.Petroleum Exploration and Development,2013,40(4):542-547.

[43] 張?jiān)沏y,劉海寧,李紅梅等.應(yīng)用微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)估算儲(chǔ)層壓裂改造體積.石油地球物理勘探,2017,52(2):309-314.

Zhang Yunyin,Liu Haining,Li Hongmei et al.Reservoir fracturing volume estimation with micro-seismic monitoring data.OGP,2017,52(2):309-314.

[44] 陳建國(guó),鄧金根,袁俊亮等.頁(yè)巖儲(chǔ)層I型和II型斷裂韌性評(píng)價(jià)方法研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(6):1101-1105.

Chen Jianguo,Deng Jingen,Yuan Junliang et al.Determination of fracture toughness of modes I and II of shale formation.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(6):1101-1105.

[45] Whittaker B N,Singh R N,Sun G.Rock Fracture Mechanics Principles,Design and Applications.Elsevier,1992.

[46] Sierra R,Tran M H,Abousleiman Y N et al.Woodford shale mechanical properties and the impacts of lithofacies//Us Rock Mechanics Symposium and US-Canada Rock Mechanics Symposium.American Rock Mechanics Association,2010,2033-2035.

[47] 尹帥,丁文龍,孫雅雄等.泥頁(yè)巖單軸抗壓破裂特征及UCS影響因素.地學(xué)前緣,2016,23(2):75-95.

Yin Shuai,Ding Wenlong,Sun Yaxiong et al.Shale uniaxial compressive failure property and the affecting factors of UCS.Earth Science Frontiers,2016,23(2):75-95.

[48] 劉建偉,張?jiān)沏y,曾聯(lián)波等.非常規(guī)油藏地應(yīng)力和應(yīng)力甜點(diǎn)地球物理預(yù)測(cè)——渤南地區(qū)沙三下亞段頁(yè)巖油藏勘探實(shí)例.石油地球物理勘探,2016,51(4):792-800.

Liu Jianwei,Zhang Yunyin,Zeng Lianbo et al.Geophysical prediction of stress and stress desserts in unconventional reservoirs:an example in Bonan area.OGP,2016,51(4):792-800.

[49] Wong T F,David C,Zhu W.The transition from brittle faulting to cataclastic flow in porous sandstones:mechanical deformation.Journal of Geophysical Research：Solid Earth,1997,102(B2):3009-3025.

[50] Per H.Estimating mechanical properties of shale from empirical correlations.SPE Drilling and Completion,2001,16(2):68-73.

[51] Guo X G,Lei D W,Wang X T et al.Research of seismic prediction method on the brittleness of rocks in Jimusar depression//CPS/SEG Beijing International Geophysical Conference，SEG,2014.