頁巖氣儲層脆性評價方法研究現(xiàn)狀

張 宜

(建材成都地質工程勘察院有限公司，四川 成都 610052)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國能源需求量日益增長，能源缺口越來越大。由于環(huán)境污染的壓力，煤炭資源的利用愈益受到限制，煤改氣工作正在我國迅速推行，導致對天然氣的依存度越來越高。美國頁巖氣商業(yè)開發(fā)的成功，引起了我國科技界與工業(yè)界對頁巖氣這種非常規(guī)天然氣的高度關注。我國頁巖氣儲量達23.5×1013m3，與美國的28.3×1013m3大致相當[1]。加快頁巖氣資源的開發(fā)對于我國社會能源結構調(diào)整有著重大的戰(zhàn)略意義。

頁巖本身的低孔低滲特征，決定了只有經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)能。頁巖氣藏由于其特殊的成藏機理、賦存環(huán)境、巖石物理性質，使其壓裂增產(chǎn)過程與常規(guī)砂巖、碳酸鹽巖的壓裂有很多不同。頁巖氣儲層的壓裂最重要的是實現(xiàn)“體積壓裂”，即形成網(wǎng)狀裂縫。為了評估頁巖氣儲層改造的可能性與可行性，國內(nèi)外學者提出“可壓裂性”這一概念來表征頁巖在水力壓裂過程中能夠被有效壓裂的能力[2-4]。

頁巖可壓裂性評價工作對于前期壓裂可行性評估、優(yōu)選壓裂層段、預測壓裂效果有著重要意義。影響頁巖氣儲層可壓裂性的因素很多，如巖石脆性、天然裂縫發(fā)育程度、埋藏深度、水平應力差、成巖程度等。各種影響因素之間互相關聯(lián)、互相作用，形成了復雜作用體系。研究認為，頁巖的脆性不僅能夠顯著影響井壁穩(wěn)定性，同時對壓裂效果也有非常重要的影響[5-6]。

頁巖脆性好壞直接影響頁巖儲層壓裂改造誘導裂縫的形成。脆性越好, 改造中越易形成誘導裂縫。頁巖脆性程度可以用巖石力學參數(shù)表征, 也可以用脆性礦物含量表征。頁巖脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙度、微裂縫發(fā)育和可壓性的重要因素, 石英或長石等脆性礦物含量豐富有利于壓裂改造產(chǎn)生誘導裂縫[7]。

國內(nèi)外的學者在研究巖石脆性時，提出了大量的脆性指數(shù)定義。Jarvie和Rickman等提出了礦物組分法[8-10]；Altindag、Hucka等提出了巖石抗壓抗拉強度法[11-13]；基于周輝、馮濤、Bishop、Hajiabdolmajid等從巖石應力-應變曲線的形態(tài)[14-17]、Tarasov、Aubertin、Munoz、Baron等從巖石應力—應變曲線的能量關系[18-21]的角度，提出了應力—應變曲線法。

本文在文獻調(diào)研的基礎上，對國內(nèi)外有關巖石脆性的研究成果進行了總結與綜述，以供我國從事油氣資源(特別是頁巖氣)勘探開發(fā)的工程技術人員借鑒與引用，促進我國頁巖氣勘探開發(fā)進程。

1 巖石脆性的力學性能表征法

脆性是指當外力達到一定限度時，材料發(fā)生無先兆的突然破壞,且破壞時無明顯塑性變形的性質。1963年Heard提出了根據(jù)材料受力破壞前的總應變大小及全應力-應變曲線上負坡的坡降大小來劃分脆性與塑性的方法：破壞前總應變小、應力-應變曲線上負坡陡的為脆性；反之，破壞前總應變大、應力-應變曲線上負坡緩的為塑性。Heard以3%和5%為界限，將總應變<3%的劃為脆性巖石，總應變在3%～5%的劃為半脆性或者脆-塑性巖石，總應變>5%的劃為塑性巖石。工程上一般以5%為標準進行劃分，總應變>5%者為塑性材料，小于5%者為脆性材料[22]。國內(nèi)外學者在研究材料性能時，采用了許多力學性能參數(shù)來表征材料的脆性。

1967年，Bishop采用應力-應變測試方法，用峰值強度和殘余強度來表征脆性，用兩者的差值與峰值強度的比值作為脆性指數(shù)[15]，其表達式見式(1)：

B=(τp-τr)/τp

(1)

式中：B——脆性指數(shù)；τp——峰值強度；τr——殘余強度。

1974年，Hucka和Das總結對比不同巖石的應力-應變曲線，通過大量的試驗研究，提出了5種不同的脆性指數(shù)表征方法與計算方法[12]。

(1)用可恢復應變與總應變的比值表征脆性指數(shù)：

B=εr/εt

(2)

式中：εr——可恢復應變；εt——總應變。

(2)用可恢復應變能與總應變能的比值表征脆性指數(shù)：

B=Wr/Wt

(3)

式中：Wr——可恢復應變能；Wt——總應變能。

(3)用抗壓強度和抗拉強度的比值表征脆性指數(shù)：

B=σc/σt

(4)

式中：σc——抗壓強度；σt——抗拉強度。

(4)用抗壓強度與抗拉強度之差和抗壓強度與抗拉強度之和的比值表征脆性指數(shù)：

B=(σc-σt)/(σc+σt)

(5)

式中：σc——抗壓強度；σt——抗拉強度。

(5)過莫爾應力圓計算巖石內(nèi)摩擦角，用內(nèi)摩擦角的正弦值表征脆性指數(shù)：

B=sinφ

(6)

式中：φ——內(nèi)摩擦角。

1979年，Lawn和Marshall在研究巖石的硬度、韌性與脆性關系時，提出基于硬度和韌性的脆性測試方法，用硬度和斷裂韌度的比值表征脆性指數(shù)[23]：

B=H/KIC

(7)

式中：B——脆性指數(shù)；H——硬度；KIC——斷裂韌度。

1997年Quinn和Quinn通過對陶制材料的實驗測試，引入彈性模量這一參數(shù)來表征脆性，認為裂縫的形成能力與彈性模量在一定程度成正比，與斷裂韌度成反比，并給出了脆性指數(shù)的具體計算方法[24]：

B=HE/KIC2

(8)

式中：H——硬度；E——彈性模量；KIC——斷裂韌度。

1999年，Ingram和Urai以土力學為基礎，引入超固結率的概念，即歷史最大垂向有效應力與現(xiàn)今最大垂向有效應力的比值，用固結率來表征脆性指數(shù)[25]:

B=(σvmax/σv)b

(9)

式中：σvmax——歷史最大垂向有效應力；σv——現(xiàn)今最大垂向有效應力；b——指數(shù)常數(shù)。

2003年，Hajiabdolmajid和Kaiser在莫爾-庫侖準則的基礎上，采用CWFS模型解釋巖石的脆性破壞過程，并用應變值作為脆性表征參數(shù)。該模型很好地反映了巖石破壞過程中粘聚力的弱化和內(nèi)摩擦力的強化機理[17]：

B=(εfp-εcp)/εcp

(10)

式中：εfp——破壞時塑性切應變；εcp——破壞后殘余塑性切應變。

Copur在通過貫入實驗研究巖石的切削性質和巖性之間關系時，提出用荷載增量與荷載減量作為脆性表征參數(shù)，用二者的比值作為脆性指數(shù)[26]：

B=Pinc/Pdec

(11)

式中：Pinc——荷載增量；Pdec——荷載減量。

2 巖石脆性的礦物含量表征法

國內(nèi)外一些學者認為，巖石的脆性是巖石力學性質的表現(xiàn)，而礦物成分又是影響力學性質的最主要因素，因此在礦物成分與脆性之間必然存在直接的相關性。在其他條件相似的情況下，石英、方解石、菱鐵礦等脆性礦物含量的增大會使巖石的抗壓強度和彈性模量呈上升趨勢，而泊松比則呈下降趨勢；隨粘土礦物含量增加，巖樣的抗壓強度和彈性模量會明顯降低，泊松比則呈上升趨勢[27]。

2012年，才博等通過全巖分析實驗分析頁巖巖石中的各種礦物成分，認為一般儲層中礦物組分主要有粘土礦物(高嶺石、伊利石和蒙脫石等)，石英、方解石、長石、白云石等礦物。當巖石中石英、碳酸巖等礦物含量較高時，表明脆性礦物質量分數(shù)較高，巖石的脆性特征強；當粘土礦物質量百分數(shù)較高時，巖石表現(xiàn)出塑性特征強。他提出用石英質量含量與石英、粘土、碳酸鹽巖三者質量之和的比值作為脆性指數(shù)[28](見式12):

(12)

式中：v石英——泥頁巖中的石英含量；v碳酸鹽巖——泥頁巖中的碳酸鹽巖含量；v粘土——泥頁巖中的粘土含量。

2013年，陳吉等在研究南方古生界下寒武統(tǒng)、上奧陶-下志留統(tǒng)、上二疊統(tǒng)三套頁巖時指出，南方古生界頁巖礦物組成較為復雜，在計算脆性指數(shù)時采用(石英+長石+方解石+白云石)/(石英+長石+方解石+白云石+粘土礦物)的方法[29]。李鉅源在研究東營凹陷泥頁巖礦物組分時，將石英/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為石英脆性指數(shù)，將碳酸鹽/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為碳酸鹽脆性指數(shù)，將(石英+碳酸鹽)/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為總脆性指數(shù)。通過對比碳酸鹽脆性指數(shù)、石英脆性指數(shù)與總脆性指數(shù)的相關性，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽脆性指數(shù)與總脆性指數(shù)相關性明顯高于石英，說明碳酸鹽巖是決定此地區(qū)頁巖脆性的主要因素[30]。因此，頁巖儲層的脆性不僅與所含礦物類型有關，還與礦物含量多少有關。張新華等在分析研究鄂西渝東三口頁巖井的頁巖時，采用X熒光元素錄井技術對巖屑粉末進行元素檢測，考慮到元素檢測成本，選擇與所要解釋的物質含量呈正相關的元素來計算該物質的含量，即用Si元素含量代表砂質含量，用K+Al+Fe元素含量代表泥質含量，用Ca元素代表灰質含量。除去具有特殊巖性(煤、石膏、火成巖等)的井段，其他頁巖段默認為泥質含量+砂質含量+灰質含量=100%。通過對比分析X熒光元素檢測結果與ECS測井、X衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)三者具有較好的相關性[27]，這為利用礦物組成進行脆性評價提供了另一種方法。

2013年，刁海燕對比巖石力學脆性評價方法和礦物成分脆性評價方法，結合實驗結果，發(fā)現(xiàn)巖石破裂時體積變形量隨楊氏模量的增加而減小、隨泊松比的增加而增大，即巖石脆性隨楊氏模量的增加而增加、隨泊松比的增加而減小。為了更加突出脆性強的巖石，提出了彈性參數(shù)與礦物成分組合法的脆性指數(shù)計算方法[31]：

(13)

式中：v*——各種礦物的體積含量；YM*——各種礦物的楊氏模量；PR*——各種礦物的泊松比。

用該計算方法處理得到的脆性指數(shù)比礦物組分法的結果偏大。

3 礦物成分對脆性影響研究現(xiàn)狀

不同礦物的物理力學性質有很大差異，而礦物組成是巖石力學表現(xiàn)的內(nèi)在成因。以石英、方解石和伊利石為例，石英的泊松比明顯低于方解石和伊利石，但楊氏模量卻明顯高于方解石和伊利石(參見表1)。

表1 3種礦物的彈性參數(shù)Table 1 Elastic parameters of three minerals

2008年，Rickman等通過對Barnett頁巖礦物組分進行XRD/LIBS分析，將礦物組分分為3類[10]：石英礦物、碳酸鹽礦物和粘土礦物，其中石英礦物包括石英、長石和黃鐵礦，碳酸鹽礦物包括方解石、白云石和菱鐵礦，粘土礦物包括所有的粘土。圖1是4口Barnett頁巖井礦物組成的三元圖。圖中1號井頁巖礦物組成中不含碳酸鹽礦物，以石英和粘土礦物為主。2號井頁巖礦物組成中以碳酸鹽礦物為主，含少量石英和粘土礦物。3號井頁巖礦物組成中以石英為主，含少量碳酸鹽礦物和粘土礦物。4號井頁巖礦物組成中以石英和粘土礦物為主，碳酸鹽礦物含量變化范圍比較大。

圖1 Barnett頁巖礦物成分三元圖(據(jù)Rickman,2008)Fig.1 Ternary diagram of mineral constituent of Barnett shale(after Rickman, 2008)

統(tǒng)計結果顯示[10]：隨著石英礦物含量的增多，脆性指數(shù)增大；隨著粘土礦物含量的增多，脆性指數(shù)減?。浑S著碳酸鹽礦物的增多，脆性指數(shù)在一個適中的范圍內(nèi)變化。也即碳酸鹽礦物對脆性指數(shù)的影響小于石英礦物。

刁海燕在研究大慶油田齊家-古龍地區(qū)青山口組泥頁巖儲層巖石力學性質和脆性評價時，采用數(shù)值模擬的方法模擬了楊氏模量和泊松比隨石英和方解石含量變化的規(guī)律[31](參見圖2)。結果顯示隨石英含量增加，楊氏模量增加，泊松比減小，意味著脆性越來越強；隨方解石含量增加，楊氏模量減小，泊松比增加，意味著脆性越來越弱。因此，頁巖的脆性主要由石英含量來體現(xiàn)。

4 問題與建議

(1)從理論上講，應力-應變曲線反映了巖石在外力作用下從開始變形到破壞的全過程，每段曲線的物理意義明確?？梢酝ㄟ^曲線形態(tài)來描述巖石受力特性，利用能量關系對巖石脆性破裂過程進行衡量。但是曲線形態(tài)不能完備地對巖石脆性進行描述；應力-應變曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義還存在爭議。因此，應用應力-應變曲線來表征巖石脆性時可能會得出與實際情況相矛盾的結論。建議通過更深入的研究建立完備的簡化模型描述復雜的實際曲線，統(tǒng)一應力-應變曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義。

(2)采用抗壓強度和抗拉強度表征脆性指數(shù)的方法，計算方法簡單。但由于巖石的抗壓與抗拉強度之間呈正相關關系，即抗壓強度大的巖石，抗拉強度也大。因此計算數(shù)值差異小、定量計算不敏感。因此，建議采用特殊的數(shù)學處理方法來擴大計算數(shù)值差異，提高定量計算的敏感度。

(3)利用彈性模量表征巖石脆性的方法，數(shù)據(jù)獲取比較容易，可分別通過壓縮實驗測得、或利用聲波測井數(shù)據(jù)或超聲波測量計算得到楊氏模量。但由于楊氏模量的最大值、最小值具有明顯的地域局限性，因此建議在采用這種方法時，需區(qū)分地域進行大量樣本實驗和參數(shù)的歸納與分析。

(4)巖石脆性的礦物含量表征法計算方法簡單已經(jīng)在國內(nèi)外一些地區(qū)取得了一定程度的應用效果，但是這種方法忽略了成巖作用的影響。在不同的地區(qū)，即使礦物成分完全相同，由于成巖壓力、孔隙結構等的不同，脆性指數(shù)也可能存在較大差異。因此建議研究不同成巖作用下相同礦物含量巖石的脆性差異，完善礦物含量表征法。

圖2彈性參數(shù)隨石英、方解石含量的變化(據(jù)刁海燕，2013)
Fig.2Elastic parameters versus quartz & calcite content (after DIAO Haiyan,2013)

(5)裂縫發(fā)育程度對脆性評價影響的相關研究比較少。裂縫往往構成巖體的結構弱面，能大幅降低巖體的強度，降低幅度甚至可以達到50%。同時在壓裂過程中，通過控制合理的施工工藝可以有效利用天然裂縫誘導產(chǎn)生次生裂縫，形成體積壓裂。裂縫的發(fā)育程度不僅影響巖體力學強度，也影響壓裂過程裂縫網(wǎng)絡的形成。

(6)地應力環(huán)境(埋深)對頁巖抗壓強度、彈性模量、泊松比等物理性質的影響作用缺乏系統(tǒng)研究。頁巖儲層埋深通常在數(shù)百米至數(shù)千米范圍內(nèi)，上覆巖石產(chǎn)生的巨大壓力和高地應力環(huán)境、以及大埋深產(chǎn)生的高溫環(huán)境對巖石的物理力學性質會產(chǎn)生很大影響。目前國內(nèi)相關研究尚不多見，而國外相關方面研究系統(tǒng)成果也鮮見報道。就我國的頁巖氣儲層地質條件來說，其埋深比北美地區(qū)更深，不僅給勘探開發(fā)增加了難度，另一方面也對儲層脆性的科學評價提出了挑戰(zhàn)。