礫巖油藏巖石力學(xué)特征及其對(duì)壓裂改造的影響

張文 ，高陽 ，梁利喜 ，覃建華 ，劉向君 ，張景

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

礫巖油藏是我國重要的一種油藏類型，與常規(guī)砂巖油藏相比，它具有礫石含量高、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)［1-2］。由于儲(chǔ)層物性差，該類致密油藏常利用壓裂改造增強(qiáng)儲(chǔ)層的滲透性，提高單井產(chǎn)能［3-4］。國內(nèi)外學(xué)者從儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特征［5-6］、縫網(wǎng)建造機(jī)理［7-9］，以及壓裂液濾失模型與支撐劑適應(yīng)性［10-12］等方面研究了致密油藏壓裂改造的必要性和有效性。然而，礫石的存在使礫巖力學(xué)性質(zhì)，特別是裂縫的擴(kuò)展延伸特點(diǎn)，與常規(guī)砂巖差異顯著。劉向君等［13］進(jìn)行了礫巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礫石對(duì)礫巖裂縫擴(kuò)展具有屏蔽作用。Mahdevari等［14］發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)[石含量較低時(shí)，礫巖以張性破壞為主；而礫石含量較高時(shí)，礫巖表現(xiàn)出明顯的剪切破壞。此外，考慮到礫巖儲(chǔ)層的壓裂改造效果主要與裂縫擴(kuò)展有關(guān)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也開展了相應(yīng)的研究。李連崇等［15］進(jìn)行了礫巖地層壓裂的二維數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出礫巖地層裂縫擴(kuò)展的3種典型形式。張子麟等［16］在三維的礫巖壓裂數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了裂縫環(huán)繞擴(kuò)展的模式。張安東［17］的研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)貞?yīng)力與礫石和基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)達(dá)到一定配置時(shí)，水力縫總是能穿過礫石。因此，礫巖油藏的改造效果與其儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)具有密切的關(guān)系。研究礫巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特征，對(duì)于提升礫巖儲(chǔ)層的改造效果具有一定的參考價(jià)值。

本文以瑪湖凹陷礫巖油藏為研究對(duì)象，從礫巖的壓入硬度、抗拉強(qiáng)度等巖石特性出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬手段，研究了礫巖儲(chǔ)層壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，并進(jìn)一步結(jié)合比采液指數(shù)，研究了水平應(yīng)力差對(duì)壓裂改造效果的影響。研究結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)礫巖地層裂縫擴(kuò)展機(jī)理、精準(zhǔn)制訂和實(shí)施壓裂改造措施具有重要的意義。

1 礫巖儲(chǔ)層的力學(xué)特征

1.1 礫巖組成

礫巖樣品取自瑪湖凹陷百口泉組礫巖，深度3 159～3 209 m。礫石粒徑主要分布在3～20 mm，為典型的中礫巖。礫石成分以凝灰?guī)r、霏細(xì)巖等巖漿巖為主，少見沉積巖礫石，而基質(zhì)成分混雜。圖1為研究區(qū)塊的礫石粒徑分布及基質(zhì)主要成分。

圖1 研究區(qū)塊的礫石粒徑分布及基質(zhì)主要成分

1.2 礫石與基質(zhì)壓入硬度

由于礫巖的巖性多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其宏觀力學(xué)非均質(zhì)性特征顯著，因此開展了多尺度下的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別從局部和整體認(rèn)識(shí)了礫巖的力學(xué)特性。在全直徑礫巖巖心上進(jìn)行了點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)，表1為礫石與基質(zhì)測(cè)試點(diǎn)的壓入硬度對(duì)比，圖2為點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)前后的礫巖照片。

表1 礫石與基質(zhì)測(cè)試點(diǎn)的壓入硬度對(duì)比

圖2 點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)前后的礫巖照片

結(jié)合表1與圖2可知：礫石壓入硬度與巖性有關(guān)，總體分布在409～1 268 MPa，不同礫石之間的壓入硬度差異可達(dá)3倍，石英類白色礫石的壓入硬度最高，灰色礫石次之，黑色礫石最低；而基質(zhì)的壓入硬度顯著低于礫石，分布范圍為117～296 MPa。此外，部分礫巖基質(zhì)為砂質(zhì)膠結(jié)，當(dāng)以0.2 kN的載荷靠近測(cè)試點(diǎn)時(shí)，基質(zhì)立刻破壞，說明礫巖基質(zhì)的壓入硬度低于28 MPa。因此，實(shí)際情況下，礫石與基質(zhì)間的壓入硬度相差高達(dá)數(shù)十倍。

1.3 礫巖抗拉強(qiáng)度及張性裂縫特征

巖石的抗拉強(qiáng)度常通過巴西劈裂實(shí)驗(yàn)獲取。根據(jù)前面研究可知，礫石粒徑的分布范圍大，而常規(guī)的小尺寸（φ25 mm）礫巖樣品無法研究較大尺寸礫石對(duì)礫巖抗拉強(qiáng)度的影響。因此，采用小尺寸礫巖樣品和全直徑（φ100 mm）礫巖樣品相結(jié)合的方式，研究工區(qū)礫巖的抗拉強(qiáng)度特征。

表2為礫巖巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。與巖石的斷裂韌性一樣，礫巖抗拉強(qiáng)度既能表征礫巖中裂縫的起裂能力，又是計(jì)算地層起裂壓力的關(guān)鍵參數(shù)。由表2可知，礫巖抗拉強(qiáng)度的差異性顯著，它與礫石尺寸有關(guān)。由于礫石對(duì)裂縫的屏蔽作用，礫巖難以在拉張應(yīng)力作用下劈裂破壞，較大尺寸礫石的存在強(qiáng)化了礫巖整體的抗拉強(qiáng)度。此外，礫巖的抗拉強(qiáng)度具有尺度效應(yīng)，全直徑礫巖的抗拉強(qiáng)度明顯低于小尺寸礫巖。圖3為巴西劈裂實(shí)驗(yàn)后全直徑礫巖照片。由圖3可知，張性裂縫在礫巖中的延伸也與礫石尺寸有關(guān)。A7樣品的張性裂縫經(jīng)歷了2次穿礫行為（區(qū)域A和區(qū)域B）和1次繞礫行為（區(qū)域C）；而A9樣品的張性裂縫全程都是繞礫，主要是拉張應(yīng)力不足以破壞較大尺寸的礫石，張性裂縫沿著能量最小的方向延伸。在同樣的壓裂規(guī)模下，要避免礫石較大的層段。

表2 礫巖巴西劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 巴西劈裂實(shí)驗(yàn)后全直徑礫巖照片

2 基于真實(shí)礫巖結(jié)構(gòu)的壓裂模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

真實(shí)破裂過程分析（RFPA）軟件是基于連續(xù)介質(zhì)和統(tǒng)計(jì)損傷原理，考慮巖石材料的非均勻性、缺陷分布的隨機(jī)性，并把這種特性耦合在有限元中，對(duì)滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則的單元進(jìn)行破壞分析的數(shù)值模擬軟件。其中，該軟件的滲流分析采用損傷、應(yīng)力及滲透性相互作用的耦合控制方法。

該軟件假定離散后的細(xì)觀基元的力學(xué)性質(zhì)服從Weibull分布（見式（1）），由此建立細(xì)觀與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系。

式中：α為細(xì)觀基元的力學(xué)參數(shù)（彈性模量、抗拉強(qiáng)度等）；φ（α）為 α 的統(tǒng)計(jì)分布密度；m為均質(zhì)度系數(shù)（均質(zhì)度系數(shù)越大，細(xì)觀基元的力學(xué)參數(shù)分布越集中，反之越分散）；α0為細(xì)觀基元力學(xué)參數(shù)的平均值（反映巖石的宏觀力學(xué)參數(shù)）。

2.2 數(shù)值模型及參數(shù)

根據(jù)真實(shí)礫巖巖心的礫石分布情況，在全直徑礫巖樣品端面劃分400 mm×400 mm的區(qū)域，利用數(shù)字圖像處理方法，建立反映真實(shí)礫巖儲(chǔ)層斷面的非均質(zhì)幾何模型。根據(jù)礫石的色差，建立了白色、灰色和黑色等3種特性的礫石數(shù)值模型（見圖4，其中：σH，σh分別為水平最大、最小主應(yīng)力，強(qiáng)度指彈性模量、抗拉強(qiáng)度等）。礫巖儲(chǔ)層的地層孔隙壓力為40 MPa，σH，σh分別為65，59 MPa。礫石與基質(zhì)相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)見表3。為了研究在不同地質(zhì)、工程條件下礫巖壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，在模型中間設(shè)計(jì)1個(gè)注入點(diǎn)，每步向該點(diǎn)注入1 MPa的液柱壓力，從而模擬直井壓裂過程中壓裂裂縫在礫巖地層的橫向延伸規(guī)律。

圖4 基于真實(shí)礫巖結(jié)構(gòu)的壓裂模型

表3 礫石與基質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.3 礫石強(qiáng)度對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響

為了研究礫石強(qiáng)度對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響，在表3的基礎(chǔ)上，固定基質(zhì)力學(xué)參數(shù)，等比例變化礫石強(qiáng)度。為便于對(duì)比分析，均采用70步時(shí)的彈性模量為分析對(duì)象。圖5為不同礫石強(qiáng)度下礫巖中壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)。

圖5 不同礫石強(qiáng)度下礫巖中壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)

由圖5可知：在該地應(yīng)力條件下，礫巖地層形成沿水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的雙翼縫，其中左翼縫向前延伸過程中，遇到較大的黑色礫石，裂縫穿礫而過，但右翼縫向前延伸過程中，前方以尺寸較小卻強(qiáng)度高的灰色和白色礫石群為主，裂縫以繞礫為主。隨著礫石強(qiáng)度的增加，黑色礫石強(qiáng)度超過基質(zhì)強(qiáng)度，左翼縫遇到黑色礫石，由穿礫轉(zhuǎn)變?yōu)槔@礫；而右翼縫延伸路徑逐漸固定，即僅沿著礫石與礫石之間的基質(zhì)區(qū)域延伸，裂縫變得細(xì)而迂曲。因此，從礫巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)形成來看，對(duì)于低基質(zhì)強(qiáng)度、高礫石強(qiáng)度的儲(chǔ)層，壓裂有利于裂縫在基質(zhì)區(qū)域延伸，并可依靠礫石復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，構(gòu)建復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)；但由于大量的水力能被消耗在復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中，壓裂規(guī)模將受到限制。

2.4 水平應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響

為了研究水平應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響，固定水平最大主應(yīng)力（65 MPa），變化水平最小主應(yīng)力（63，59，55，50 MPa）。圖 6 為不同水平應(yīng)力差下礫巖中壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)。

圖6 不同水平應(yīng)力差下礫巖中壓裂裂縫的擴(kuò)展形態(tài)

由圖6可知：當(dāng)水平應(yīng)力差為2 MPa時(shí)，在不同力學(xué)參數(shù)的礫石組合下，注入點(diǎn)周圍的應(yīng)力分布改變，導(dǎo)致裂縫定向性不強(qiáng)，形成多支壓裂裂縫，裂縫在基質(zhì)區(qū)域延伸，并以繞礫為主；隨著水平最小主應(yīng)力降低，水平應(yīng)力差增大，壓裂裂縫逐漸定向，并在水平最大主應(yīng)力方向形成左翼和右翼2條壓裂主縫。在水平最小主應(yīng)力降低過程中，不僅伴隨水平應(yīng)力差的增加，地應(yīng)力水平也在降低，因此，左右兩翼裂縫長(zhǎng)度逐漸增加。當(dāng)水平應(yīng)力差由6 MPa增加至10 MPa時(shí)，左翼縫延伸受阻，主要是因?yàn)橛龅捷^大尺寸的黑色礫石，大尺寸的礫石對(duì)裂縫產(chǎn)生較強(qiáng)的屏蔽作用。

結(jié)合圖3可知：在礫石尺寸較小時(shí)，即使含有高強(qiáng)度礫石，水力能依然能夠?qū)Φ[石進(jìn)行有效穿透；而對(duì)于較大尺寸的礫石，即使強(qiáng)度不高，它也能夠?qū)毫阎骺p產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的屏蔽作用，甚至提高水力能都無法實(shí)現(xiàn)有效穿透。因此，在礫巖油藏勘探開發(fā)時(shí)，應(yīng)該在研究?jī)?chǔ)層地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇中礫巖儲(chǔ)層和細(xì)礫巖儲(chǔ)層，盡量規(guī)避粗礫巖儲(chǔ)層，而且選擇有一定水平應(yīng)力差的儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造。這樣既保證了壓裂主縫的橫向延伸，又確保了礫巖儲(chǔ)層復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

3 礫巖儲(chǔ)層壓裂改造效果評(píng)價(jià)

比采液指數(shù)既表征了單井控制的儲(chǔ)層物性，又表征了壓裂對(duì)儲(chǔ)層物性的改造效果。研究區(qū)塊壓裂井的比采液指數(shù)與水平應(yīng)力差的統(tǒng)計(jì)關(guān)系表明：在比采液指數(shù)小于 0.2 m3/（d·MPa·m），即儲(chǔ)層物性本身較差時(shí)，隨著水平應(yīng)力差增加，比采液指數(shù)降低（見圖7藍(lán)色區(qū)域）；但比采液指數(shù)較高時(shí)，隨著水平應(yīng)力差增加，比采液指數(shù)增加（見圖7紅色區(qū)域）。結(jié)合壓裂裂縫在不同水平應(yīng)力差下的擴(kuò)展形態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)層比采液指數(shù)較低時(shí)，壓裂形成井周復(fù)雜裂縫，有利于產(chǎn)能的提高；當(dāng)儲(chǔ)層比采液指數(shù)較高時(shí)，壓裂形成長(zhǎng)距離延伸的單一裂縫，更有利于產(chǎn)能提高。因此，在進(jìn)行開發(fā)井網(wǎng)部署時(shí)，應(yīng)考慮礫巖儲(chǔ)層綜合甜點(diǎn)所處的構(gòu)造位置及地應(yīng)力特征。在井眼軌道設(shè)計(jì)、壓裂方案制定等方面對(duì)地應(yīng)力水平予以充分重視，在復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)與壓裂規(guī)模之間權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益，制定有利于油氣田長(zhǎng)期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的開發(fā)措施。

圖7 水平應(yīng)力差對(duì)比采液指數(shù)的影響

4 結(jié)論

1）礫石巖性差異導(dǎo)致其壓入硬度差異，不同礫石之間的壓入硬度差異可達(dá)3倍；而礫石與基質(zhì)的壓入硬度差異顯著，兩者相差甚至高達(dá)數(shù)十倍。礫巖抗拉強(qiáng)度體現(xiàn)了強(qiáng)的力學(xué)非均質(zhì)性特征。

2）高強(qiáng)度的礫石能有效抑制裂縫穿透礫石，強(qiáng)化礫巖整體的抗拉強(qiáng)度。而礫石尺寸較大，對(duì)裂縫的屏蔽作用就更強(qiáng)，甚至提高水力能都無法使壓裂裂縫穿過礫石，因此，在壓裂方案設(shè)計(jì)時(shí)，礫石尺寸對(duì)壓裂改造效果的影響應(yīng)給予高度重視。

3）儲(chǔ)層強(qiáng)水平應(yīng)力差是實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫橫向延伸的助力因素。對(duì)于物性較好的儲(chǔ)層，應(yīng)以擴(kuò)大改造規(guī)模、實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫橫向延伸為目的；而對(duì)于物性較差的儲(chǔ)層，應(yīng)以形成復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)為目的，選擇弱水平應(yīng)力差的礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造。