頁巖結(jié)構(gòu)面特征及其對水力壓裂的控制作用

李 曉，赫建明，尹 超，黃北秀，李關(guān)訪，張召彬，李麗慧

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

頁巖是一種典型的沉積巖，具有明顯的層理結(jié)構(gòu)面。層理的基本組成單位是紋層，紋層是肉眼可觀察到的厚度最小的層，其厚度一般為數(shù)毫米至數(shù)厘米[1]。紋層的定義可以擴(kuò)展為“某一尺度下采用相關(guān)觀測手段可識別的最小級別的層”[2]。Li等通過常規(guī)測井、鉆孔電視、巖心觀察、掃描電鏡分析和顆粒(孔隙)及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)(PACS)等不同尺度的觀測手段對頁巖內(nèi)部的紋層進(jìn)行了識別，發(fā)現(xiàn)紋層平均厚度與相應(yīng)尺度之間具有明顯的分形特征，即較大尺度下看似均一的單層放大觀察后可見內(nèi)部發(fā)育有更薄的紋層[3]。已有的研究表明，頁巖氣儲層中粉砂質(zhì)紋層或凝灰質(zhì)紋層較為常見，這些層理和紋層結(jié)構(gòu)能夠直接影響頁巖氣的生成和分布[4-5]，如美國德克薩斯州的Mississippian Barnett頁巖[6]、Haynesvill頁巖[7]。師良等通過研究發(fā)現(xiàn)頁巖儲層中砂質(zhì)紋層的存在對天然氣賦存和滲透性、頁巖氣產(chǎn)量都會產(chǎn)生一定的積極作用[8]。

碎屑沉積型礦床在礦物成分、力學(xué)性質(zhì)等方面具有非均質(zhì)性和各向異性，如頁巖、粘土等[9-10]。在沉積成巖作用的影響下，頁巖的礦物組成也呈現(xiàn)出明顯的定向性，因此頁巖非均質(zhì)性及各向異性特征會對其水力壓裂的結(jié)果造成顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，剪切面處的紋層類型會導(dǎo)致頁巖的直接抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生較大差異[11-12]。對頁巖進(jìn)行沿不同層理角度的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明隨層理角度增大，頁巖單軸抗壓強(qiáng)度曲線呈斜“N”型變化。

由于頁巖氣儲層滲透率低(存在上覆壓力情況下小于0.1×10-3μm2)、孔隙度小(低于10%)的特點(diǎn)，通過壓裂改造技術(shù)改善儲層滲流條件成為頁巖氣開采的必要手段[13-15]，其中，水力壓裂方法是現(xiàn)階段使用最為廣泛的開采手段。通過水力壓裂可以在頁巖氣儲層中形成新生裂縫，溝通原有的天然裂縫，從而形成復(fù)雜縫網(wǎng)，提高儲層滲透率，實(shí)現(xiàn)頁巖氣的有效開采。

頁巖的層理特征、非均質(zhì)性及各向異性特征必然會對其水力壓裂過程中的裂縫發(fā)展及壓裂改造最終形成的縫網(wǎng)形態(tài)造成顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，頁巖水力壓裂過程中沿主裂縫附近會形成大量微裂隙，這些微裂隙聯(lián)通了儲層內(nèi)納米尺度的儲集空間，是縫網(wǎng)的重要組成部分[16-17]。現(xiàn)場壓裂試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，裂縫的擴(kuò)展會受到多個因素的影響，如巖石的成分，節(jié)理，斷層和層理等。Hsu和Nelson提出儲層中復(fù)雜的紋層應(yīng)當(dāng)成為壓裂設(shè)計(jì)的考慮因素之一[18]。Miskimins和Barree通過分析Green River盆地Mesa-verde水庫的現(xiàn)場數(shù)據(jù)提出水力壓裂模型，儲層中紋層的存在會在一定程度上影響裂縫擴(kuò)展形式，且有多種影響機(jī)制[19]。趙海軍等采用真實(shí)破裂過程分析軟件RFPA2D-Flow通過數(shù)值模擬分析了含有不同尺度天然結(jié)構(gòu)面的頁巖水力壓裂過程中裂縫的擴(kuò)展與演化，發(fā)現(xiàn)頁巖層理面是壓裂過程中裂縫擴(kuò)展及壓裂完成后縫網(wǎng)形態(tài)的主要控制因素之一[20]。Mendoza-Torres等研究發(fā)現(xiàn)天然裂縫能夠控制油氣藏的流動性[21]。Gong和Rossen開發(fā)了非連續(xù)裂縫網(wǎng)絡(luò)(DFN)建模方法實(shí)現(xiàn)對裂縫幾何形狀的模擬[22]，在此基礎(chǔ)上，Nejadi等通過對裂縫長度，方向，強(qiáng)度以及透射率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定達(dá)到裂縫發(fā)展演化與實(shí)際壓裂效果的動態(tài)匹配[23]。

陳尚斌等人對中國四川盆地南緣長寧興文地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由于其不同組成成分物理力學(xué)性質(zhì)的差異，在水力壓裂過程中會引起局部區(qū)域應(yīng)力集中，形成密集裂紋[24]。Renard等采用同步加速器CT掃描進(jìn)行了石灰?guī)r水力壓裂三維成像研究，結(jié)果表明流體會優(yōu)先沿著巖體中已有的缺陷滲透形成裂縫，由此得出巖體非均質(zhì)性特征對水力裂紋的形成與擴(kuò)展有一定的控制作用[25]。Kyoung等利用虛擬多維內(nèi)連結(jié)鍵模型(VMIB)方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對比了均質(zhì)巖石與非均質(zhì)巖石水力壓裂試驗(yàn)的結(jié)果，證明了巖石非均質(zhì)性特征對水力壓裂的控制作用[26]。

本文在鄂爾多斯盆地南部延長組頁巖紋層觀察的基礎(chǔ)上，綜合統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)頁巖多尺度紋層厚度規(guī)律，得到其沉積結(jié)構(gòu)特征。然后進(jìn)行不同層理傾角條件下的頁巖水力壓裂試驗(yàn)，通過不同層理傾角下裂縫形態(tài)的對比，得到壓裂裂縫隨層理傾角的變化規(guī)律。最后，結(jié)合上述兩方面的結(jié)果，分析得出頁巖結(jié)構(gòu)對水力壓裂的控制作用。

1 頁巖沉積結(jié)構(gòu)特征

頁巖在沉積中形成的層理和紋層結(jié)構(gòu)是分析其力學(xué)特性時不可忽略的因素之一，對頁巖水力壓裂的結(jié)果也具有重要影響。在進(jìn)行頁巖水力壓裂研究時，其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性對研究結(jié)果具有顯著影響，通過分析頁巖多尺度紋層厚度規(guī)律可以為物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬提供可靠的參考依據(jù)，對頁巖水力壓裂研究具有重要意義。

利用常規(guī)測井和鉆孔電視(宏觀尺度)、巖心觀察和掃描電子顯微鏡(細(xì)觀尺度)以及顆粒(孔隙)及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)(微觀尺度)這些不同尺度的觀測手段觀察頁巖中礦物成分、有機(jī)質(zhì)豐度、粒度分布、層面等特征可以識別出當(dāng)前尺度下最小級別的層，獲得由米級至十微米級的多尺度紋層，如圖3所示。本文的研究對象為鄂爾多斯盆地南部延長組7段2亞段(長72亞段)(圖1，圖2)。

圖3展示了采用多尺度觀測手段進(jìn)行紋層厚度識別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過金科1井的測井曲線(圖3b)可以實(shí)現(xiàn)米級尺度下的紋層識別；通過鉆孔攝像圖(圖3c)可區(qū)分不同的地層，并根據(jù)地層特征(如顏色、亮度、層理和粒度)的梯度變化來識別分界面，從而實(shí)現(xiàn)分米級尺度下的紋層識別；通過對巖心進(jìn)行肉眼觀察(圖3d)可以識別不同類型的紋層，實(shí)現(xiàn)厘米級尺度下的紋層識別；通過薄片顯微照片(圖3e)可根據(jù)亮度和飽和度準(zhǔn)確地分辨出不同的紋層，實(shí)現(xiàn)毫米級尺度下的紋層識別；通過顆粒(孔隙)及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)(PACS)可對薄片顯微照片進(jìn)行礦物顆粒、裂隙、孔隙等的定量識別和結(jié)構(gòu)分析(圖4)，實(shí)現(xiàn)十微米級尺度下的紋層識別。

圖2 鄂爾多斯盆地南部延長組7段2亞段巖心照片F(xiàn)ig.2 Core photos of Chang 72 (Yanchang Formation),southern Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地延長組7段頁巖氣藏的多尺度紋層Fig.3 Multi-scale laminae of the shale gas reservoir in Chang 7,Ordos Basin a.延長組地層柱狀圖(據(jù)Guo等,2014修改),b.金科1井長7段的測井曲線,c.金科1井長72亞段的鉆孔攝像圖,d.瑤科1井長72亞段的巖心照片,e.瑤科1井長72亞段的頁巖巖心顯微照片.

圖4 鄂爾多斯盆地瑤科1井埋深240 m處延長組7段2亞段頁巖顯微照片(a)及PCAS處理后的圖像(b)Fig.4 A potomicrograph showing the Chang 72 shales at a depth of 240 m in Well Yaoke1 (a) and its corresponding color image processed by PCAS (b),Ordos Basin

由觀測手段得到研究對象對應(yīng)于十微米級、毫米級、厘米級、分米級和米級各個尺度的紋層平均厚度分別為11.70 μm,1 479.97 μm,16 986.89 μm,208 977.78 μm和2 260 000.00 μm。繪制不同尺度下的紋層厚度分布圖和紋層厚度與對應(yīng)測量尺度的雙對數(shù)曲線圖(圖5)，可看出紋層厚度與測量尺度兩者呈線性關(guān)系，也即頁巖紋層厚度具有分形特征，且分形維數(shù)D=1.06。根據(jù)自相似的分形理論模型可以得到紋層厚度的分形規(guī)律：

D=lg(H)/lg(S)=1.06

(1)

H=S1.06

(2)

式中：D是分形維數(shù)，無因數(shù)；H是紋層厚度，μm；S是尺度大小，μm。

頁巖以層理結(jié)構(gòu)發(fā)育為顯著特征，紋層作為層理的基本組成單位，其厚度特征一定程度上反映了頁巖沉積結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。通過對頁巖多尺度紋層厚度的研究，總結(jié)紋層厚度的分形規(guī)律，基于所得到的規(guī)律進(jìn)行頁巖各個尺度下的數(shù)值模型或試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，可使得數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)的結(jié)果更加準(zhǔn)確，更具有實(shí)際參考意義。

2 水力壓裂試驗(yàn)及結(jié)果

基于頁巖的層理和紋層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各向異性特征，設(shè)計(jì)不同層理傾角條件下的頁巖水力壓裂試驗(yàn)探討頁巖結(jié)構(gòu)面對水力壓裂的控制作用。本次試驗(yàn)采用100 mm×200 mm的較大尺寸試樣，在試樣中心鉆孔并泵入清水實(shí)施壓裂試驗(yàn)，鉆孔孔徑和孔深分別為10 mm和100 mm。本次水力壓裂試驗(yàn)采用的較大尺寸試樣更能夠反映頁巖的層理結(jié)構(gòu)，一定程度上減小了尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，與大型模型試驗(yàn)相比，更加節(jié)省時間與經(jīng)濟(jì)成本；試驗(yàn)在非貫通性鉆孔的條件下進(jìn)行，能夠反映裂縫的起裂以及擴(kuò)展前進(jìn)過程，更加符合儲層壓裂的實(shí)際情況。

2.1 試樣準(zhǔn)備

在野外頁巖露頭開采得到大型頁巖塊體，之后在層理面與水平方向的夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° 7種情況下進(jìn)行取心，如圖6所示。取心后的試樣按照巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加工成直徑為φ100 mm，高度為200 mm的標(biāo)準(zhǔn)頁巖試樣。試件兩端面不平行度誤差控制在小于0.05 mm。采用中心鉆孔并注入清水來完成頁巖水力壓裂試驗(yàn)。在頁巖試樣一端中心位置沿軸向鉆孔至一半長度，鉆孔直徑為10 mm，用于注入壓裂液，如圖7所示。

2.2 試驗(yàn)方法及步驟

將三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)與壓裂液注入系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，該系統(tǒng)允許在注入壓裂液的同時對巖石試樣進(jìn)行三軸加載。為防止壓裂過程中壓裂液的泄漏，將中心鉆孔巖樣的端部用環(huán)氧樹脂固定在金屬加載塊上。通過向中央鉆孔注入加壓壓裂液進(jìn)行壓裂。根據(jù)實(shí)際地應(yīng)力條件，試驗(yàn)過程中圍壓設(shè)置為20 MPa，軸向應(yīng)力設(shè)置為30 MPa。具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 以0.1 MPa/s的速度將圍壓增至20 MPa；

2) 以0.2 MPa/s的速度將軸向應(yīng)力增至30 MPa；

3) 將當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)分鐘后，以0.1 ml/s的恒定入射速率進(jìn)行壓裂試驗(yàn)；

4) 頁巖樣品中形成縫網(wǎng)，達(dá)到破壞狀態(tài)后，待水壓、圍壓穩(wěn)定，卸壓并取出試件。

在整個壓裂試驗(yàn)過程中，每隔0.1 s記錄一次軸向應(yīng)力、圍壓、水壓及徑向位移。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組7段2亞段頁巖的多尺度紋層厚度與分形特征 Fig.5 Multi-scale laminae thickness and fractal features in Chang 72 shale,Ordos Basina.米級尺度下的紋層厚度分布；b.分米級尺度下的紋層厚度分布；c.厘米級尺度下的紋層厚度分布；d.毫米級尺度下的紋層厚度分布；e.十微米級尺度下的紋層厚度分布；f.紋層厚度與測量尺度的雙對數(shù)曲線圖

圖7 帶中心鉆孔的頁巖試樣Fig.7 Shale core specimen with a borehole in the center

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

在水力壓裂條件下，頁巖試樣試驗(yàn)前后的裂縫形態(tài)對比受層理傾角影響顯著。圖8為試驗(yàn)前后頁巖裂縫形態(tài)對比圖，其中，白色畫線部分為頁巖試樣表面的裂縫。在層理傾角小于30°時，頁巖壓裂前后的裂縫分布對比較為明顯，水力壓裂導(dǎo)致的新生裂縫較多，而在層理傾角大于45°時水力壓裂后的試樣變化不大，表明頁巖結(jié)構(gòu)面對水力壓裂結(jié)果具有比較明顯的控制作用，頁巖呈現(xiàn)出鮮明的各向異性特征。

3 結(jié)構(gòu)對水力壓裂的控制作用

頁巖作為一種典型的橫觀各向同性材料，具有極其發(fā)育的層理結(jié)構(gòu)。大量研究表明層理結(jié)構(gòu)對頁巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響是不可忽略的。通過對不同層理傾角的頁巖水力壓裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究頁巖結(jié)構(gòu)對水力壓裂的控制作用。

3.1 水壓曲線分析

由圖9可知，各向異性頁巖試樣水力壓裂試驗(yàn)的水壓曲線可以分為4個階段。第一階段為壓裂液充滿鉆孔的過程，此過程中水壓基本為零；第二階段為試樣在壓裂液的作用下產(chǎn)生裂縫的過程，此過程中水壓逐漸上升，直至到達(dá)頂點(diǎn)；第三階段為試樣壓裂縫網(wǎng)形成，發(fā)生破壞的過程，此過程中水壓超過頁巖的破裂壓力，迅速降低；第四階段為試樣破裂后持續(xù)注入壓裂液的過程，此過程中水壓保持恒定且與圍壓保持平衡。在層理傾角小于75°時，第一階段持續(xù)時間較短，壓裂開始后迅速進(jìn)入第二階段，但在層理傾角為30°時，曲線也可見明顯的第一階段；在層理傾角大于等于75°的條件下，第一階段持續(xù)時間較長，曲線特征明顯。

圖8 不同層理傾角下頁巖水力壓裂前后的裂縫形態(tài)Fig.8 Fracture geometry comparison before and after hydraulic fracturing under different dip angles of the beddinga.層理傾角0°下的壓裂裂縫形態(tài);b.層理傾角15°下的壓裂裂縫形態(tài);c.層理傾角30°下的壓裂裂縫形態(tài)比;d.層理傾角45°下的壓裂裂縫形態(tài);e.層理傾角60°下的壓裂裂縫形態(tài);f.層理傾角75°下的壓裂裂縫形態(tài);g.層理傾角90°下的壓裂裂縫形態(tài)

3.2 不同層理傾角下頁巖破裂壓力變化規(guī)律

圖10展示了頁巖破裂壓力隨不同層理傾角的變化情況。0°時頁巖試樣的破裂壓力最大，45°時頁巖試樣的破裂壓力最小，層理傾角大于30°后頁巖破裂壓力變化不大，曲線整體上呈現(xiàn)斜“S”型變化，表明頁巖水力壓裂試驗(yàn)的破裂壓力會受到層理傾角的影響，頁巖水力壓裂的結(jié)果與其各向異性特征顯著相關(guān)。在層理傾角小于30°時，隨著層理傾角的改變，頁巖破裂壓力變化劇烈，但在層理傾角大于30°時，層理傾角改變，頁巖破裂壓力變化趨于平緩。同時，破裂壓力的結(jié)果與上述壓裂前后頁巖試樣裂縫形態(tài)對比情況吻合良好。

圖9 不同層理面傾角下頁巖水壓曲線Fig.9 The hydraulic pressure curve for shale under different dip angles of the bedding

圖10 頁巖破裂壓力隨層理傾角變化規(guī)律Fig.10 The variation of shale fracturing pressure with the bedding dip angle

4 結(jié)論

1) 利用常規(guī)測井、鉆孔電視、巖心觀察及掃描電子顯微鏡等手段分別觀察和測量了由十微米級至米級的頁巖多尺度紋層，測得的紋層平均厚度分別為11.70 μm,1 479.97 μm,16 986.89 μm,208 977.78 μm和2 260 000.00 μm，具有分形規(guī)律，反映了頁巖沉積結(jié)構(gòu)特征。

2) 各向異性頁巖試樣水力壓裂試驗(yàn)的水壓曲線可以分為基本為零-逐漸上升-超過頁巖破裂壓力后迅速降低-與圍壓保持平衡的4個階段，分別對應(yīng)于壓裂液充滿鉆孔、裂縫產(chǎn)生、壓裂縫網(wǎng)形成并產(chǎn)生破壞和壓裂液持續(xù)注入4個過程。

3) 頁巖水力壓裂的破裂壓力與其層理結(jié)構(gòu)傾角顯著相關(guān)：0°時頁巖試樣的破裂壓力最大，45°時頁巖試樣的破裂壓力最小，層理傾角大于30°后頁巖破裂壓力變化不大，破裂壓力曲線整體上呈現(xiàn)斜“S”型變化。