頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性分析研究

黃宇飛

（長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

中國(guó)存在頁(yè)巖氣發(fā)育的良好地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)類比法研究和資源量初步估算，中國(guó)擁有與美國(guó)大致相同的頁(yè)巖氣資源量[1]。因此，作為一個(gè)石油對(duì)外依存度超過(guò)50%的國(guó)家，我國(guó)應(yīng)該從美國(guó)頁(yè)巖氣革命成功的經(jīng)驗(yàn)中獲得啟示，即重視頁(yè)巖氣工業(yè)的發(fā)展，建立一套成熟完整的開(kāi)發(fā)體系。與美國(guó)相比，我國(guó)的頁(yè)巖氣工業(yè)發(fā)展還處于早期階段，目前存在的主要問(wèn)題之一就是基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究的環(huán)節(jié)比較薄弱。侯冰等[2]認(rèn)為可壓裂性（Fracability）是頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層具有的能夠被有效壓裂從而增加產(chǎn)能的性質(zhì)，是表征壓裂難度和能否達(dá)到預(yù)期的壓裂效果的參數(shù)。趙金洲等將頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層可壓性描述為在相同的壓裂技術(shù)工藝下，儲(chǔ)層中形成復(fù)雜縫網(wǎng)并且獲得足夠大的儲(chǔ)層改造體積（SRV）的可能性，以及產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)效益的能力。兩者的描述雖然略有不同，但有兩個(gè)主要共同點(diǎn)：1）可壓性好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層易于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂難度低；2）可壓性好的頁(yè)巖易于實(shí)現(xiàn)大范圍的改造體積，壓裂影響空間大，壓裂效果好，產(chǎn)能高，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 地質(zhì)可壓性

可壓性反映了儲(chǔ)層地層在水力壓裂中的綜合特征，地質(zhì)可壓性主要包含以下幾個(gè)影響因素：埋深、有效頁(yè)巖厚度、有效烴源巖面積、滲透率和孔隙度、總有機(jī)碳含量（TOC）、吸附氣含量、含水飽和度、游離氣含量等、水平應(yīng)力差異系數(shù)。

有效頁(yè)巖厚度是指頁(yè)巖氣儲(chǔ)層厚度需要達(dá)到一定的值，進(jìn)行水力壓裂才可能產(chǎn)生具有足夠經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)能。通常情況下，總有機(jī)碳含量高的儲(chǔ)層所需的有效厚度較小，大于15 m 為宜；總有機(jī)碳含量較低的儲(chǔ)層則以大于30 m 為準(zhǔn)。有效烴源巖面積是判斷頁(yè)巖氣儲(chǔ)層烴源巖分布范圍和儲(chǔ)集空間大小的重要指標(biāo)。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率都極低，表現(xiàn)出“低孔特低滲”的特點(diǎn)?？傆袡C(jī)碳含量（TOC）是頁(yè)巖氣成藏的重要條件之一，有機(jī)質(zhì)不僅是天然氣的物質(zhì)來(lái)源，還可以為天然氣的儲(chǔ)層提供空間。侯冰等認(rèn)為，在一般情況下，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）需要＞2%；熊偉等[3]認(rèn)為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）超過(guò)0.5%的頁(yè)巖是具有潛力的烴源巖。

吸附氣含量、含水飽和度、游離氣含量可由室內(nèi)吸附氣測(cè)試結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得出。并以此為基礎(chǔ)，可以得出頁(yè)巖氣藏的地質(zhì)儲(chǔ)量。此外，頁(yè)巖氣藏的含水飽和度直接影響含氣量，一般情況下，隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，含水飽和度下降，含氣量上升。高含水也會(huì)影響到天然氣的采出，引發(fā)堵塞孔喉、水淹氣井等問(wèn)題。關(guān)于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)含水飽和度下限，斯倫貝謝公司選取值為45%[4]。通常認(rèn)為在高水平應(yīng)力差的條件下，地層會(huì)更易于產(chǎn)生較為平直的水力主裂縫。水平應(yīng)力差異系數(shù)可以表征水平應(yīng)力差對(duì)于裂縫形態(tài)的影響，其計(jì)算方法見(jiàn)下式。

式中：Kh—水平應(yīng)力差異系數(shù)，無(wú)因次；H

σ—最大水平主應(yīng)力，MPa；h

σ—最小水平主應(yīng)力，MPa。

水平應(yīng)力差異系數(shù)是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層地質(zhì)可壓性的主要指標(biāo)之一。水平應(yīng)力差異系數(shù)越大，產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫的可能性也就越??；反之，水力壓裂則越容易隨機(jī)溝通天然裂縫，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。水平應(yīng)力差異系數(shù)的大小對(duì)裂縫的幾何形態(tài)、尺寸等參數(shù)都具有明顯的影響。

2 體積壓裂可壓性

2.1 脆性指數(shù)

脆性指數(shù)就是用來(lái)表征頁(yè)巖脆性特征的參數(shù)，其他條件不變的情況下，脆性指數(shù)越高，頁(yè)巖的可壓性越好。金曉春等[5]提出了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)方法及相關(guān)結(jié)論，在可壓性評(píng)價(jià)體系里，脆性指數(shù)一直是重要的衡量指標(biāo)。起初脆性指數(shù)定義為石英占總礦物物量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，在此之后，人們又發(fā)現(xiàn)白云石也會(huì)增強(qiáng)頁(yè)巖的脆性，因此將白云石與石英歸為一類，統(tǒng)稱脆性礦物。陸續(xù)地，人們發(fā)現(xiàn)在頁(yè)巖儲(chǔ)層中，硅酸鹽礦物如長(zhǎng)石、云母比黏土具有更強(qiáng)的脆性。除了白云石，其他的碳酸鹽礦物如方解石，也比黏土的脆性要強(qiáng)。因此，人們提出了一個(gè)用礦物含量來(lái)計(jì)算頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)的方法。

另一種主流的脆性指數(shù)計(jì)算方法是巖石力學(xué)參數(shù)法，巖石力學(xué)參數(shù)法主要通過(guò)楊氏模量和泊松比這兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征巖石的脆性指數(shù)。楊氏模量（Young’s modulus）是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量，是沿縱向的彈性模量；泊松比（Poisson ratio），又稱橫向變形系數(shù)，是在材料的比例極限內(nèi)，由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。

2.2 斷裂韌性和應(yīng)變能釋放速率

在斷裂力學(xué)中，人們使用應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）這一參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)由遠(yuǎn)端載荷或剩余應(yīng)力產(chǎn)生的裂隙尖端附近處的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其臨界值時(shí)，巖石將會(huì)產(chǎn)生裂縫，人們將這個(gè)臨界值定義為了巖石的斷裂韌性。斷裂韌性反映了巖石抵抗原先存在的裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的能力。目前已經(jīng)證實(shí)，巖石斷裂韌性越大，其破裂壓力越大[5]。

應(yīng)變能釋放速率指新裂縫產(chǎn)生的過(guò)程中單位表面積所損耗的能量。在目前的研究中，應(yīng)變能釋放速率臨界值不會(huì)由于裂縫的破裂形式不同而改變。

裂縫延伸所需的能量并不總是隨著巖石楊氏模量的增大而增大。然而，通常情況下，沉積巖的楊氏模量都大于11 GPa。因此，我們可以認(rèn)為儲(chǔ)層巖石楊氏模量越大則越難壓裂產(chǎn)生裂縫。由于斷裂韌性與楊氏模量具有線性正相關(guān)的關(guān)系，巖石的斷裂韌性越大，那么形成新裂縫或延伸舊裂縫所需的能量也就越多。

2.3 壓裂障礙層

水力壓裂想要取得理想的效果，其關(guān)鍵步驟之一就是在壓裂施工前判斷壓裂障礙層（Fracture Barrier）。壓裂障礙層指不易壓裂產(chǎn)生裂縫或壓裂產(chǎn)生裂縫后將對(duì)生產(chǎn)或經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)負(fù)面影響的地層。

水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫應(yīng)該集中于產(chǎn)油氣層，而不是意外地溝通淡水層或斷層帶，那樣的錯(cuò)誤將不利于未來(lái)油氣的生產(chǎn)，或是對(duì)環(huán)境造成污染。例如，美國(guó)Barnett 頁(yè)巖下伏的Ellenburger 組由多孔的白云石和石灰?guī)r組成，這些巖石中含有一定量的水，水力壓裂的裂縫若是突破到了該層段將降低氣體的相對(duì)滲透率，最終將減少開(kāi)發(fā)過(guò)程的凈現(xiàn)值（NPV），影響開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益[6]?；谀壳皩?duì)壓裂障礙層對(duì)裂縫在垂直方向延伸的影響機(jī)理的理解，壓裂障礙層的埋深是預(yù)測(cè)裂縫高度的重要依據(jù)之一。

3 頁(yè)巖氣藏可壓性實(shí)例計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)X 井取心進(jìn)行地質(zhì)礦物分析可知： 1）龍馬溪組主要是紋層狀含粉砂炭質(zhì)黏土巖，其中放射蟲(chóng)殘片較多，含少量硅質(zhì)，石英砂分布不均，最大粉砂直徑為0.06 mm； 2）五峰組大量炭質(zhì)有機(jī)物與黏土相混合，有少量粉砂石英顆粒零星分布，白云石聚集分布，偶見(jiàn)細(xì)小方解石。基于X 射線礦物分析實(shí)驗(yàn)，可得目的層礦物分析數(shù)據(jù)，基于單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)可得巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，計(jì)算目的層脆性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 及圖1。

表1 目的層脆性指數(shù)

可以看到，兩種方法的偏差還是很大的，這里筆者將礦物成分法計(jì)算的結(jié)果作為較準(zhǔn)確的脆性指數(shù)，因?yàn)?，大多?shù)文獻(xiàn)都認(rèn)為，礦物成分對(duì)脆性指數(shù)的影響較大，即對(duì)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的影響大；而楊氏模量和泊松比更多地影響的是裂縫的起裂，擴(kuò)展難易程度，以及裂縫開(kāi)度等等，即對(duì)儲(chǔ)層改造體積（SRV）的影響更大。雖然兩種方法在X 井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理中表現(xiàn)得有些不一致，但我們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)，兩種方法計(jì)算出的該井目的層的脆性指數(shù)幾乎都大于50%，這與目前認(rèn)為良好目的層脆性指數(shù)應(yīng)該大于40%的觀點(diǎn)是一致的。

圖1 脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

利用公式計(jì)算處理，可得X 井目的層可壓性指數(shù)。三種方法計(jì)算的可壓性指數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)圖2。

圖2 可壓性指數(shù)對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)I1和FI2與實(shí)際的壓裂效果符合較好，F(xiàn)I3則是部分巖心符合良好。筆者認(rèn)為，F(xiàn)I3的計(jì)算方法在力學(xué)方面僅僅考慮楊氏模量雖然比較簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)使用，但縫網(wǎng)壓裂畢竟是一個(gè)影響因素復(fù)雜的過(guò)程，影響因素考慮的不充分必然導(dǎo)致與現(xiàn)實(shí)情況產(chǎn)生明顯偏差；FI1和FI2中關(guān)于力學(xué)因素的考慮相對(duì)全面一些，F(xiàn)I1考慮了泊松比，F(xiàn)I2中的斷裂韌性公式雖然只包含楊氏模量，但該公式為相關(guān)性擬合公式，實(shí)際上考慮了除楊氏模量之外的力學(xué)參數(shù)。

4 結(jié)論

1）在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行篩選總結(jié)的基礎(chǔ)上，借鑒并總結(jié)了一套頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用該方法評(píng)價(jià)X 井目的層可壓性。

2）對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行可壓性綜合評(píng)價(jià)時(shí)，脆性指數(shù)應(yīng)該使用礦物成分進(jìn)行計(jì)算，或者將礦物成分法所得結(jié)果與巖石力學(xué)法所得結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，并且將礦物成分法的權(quán)重設(shè)定得大一些。

3）可壓性綜合評(píng)價(jià)實(shí)際上考慮了兩個(gè)主要因素，一個(gè)是裂縫復(fù)雜性，另一個(gè)是儲(chǔ)層改造體積大小。如果脆性指數(shù)也采用力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，難免會(huì)使得可壓性綜合評(píng)價(jià)失去全面性，因此應(yīng)該使用礦物成分計(jì)算脆性指數(shù)。