頁巖儲層水平最小主應力實測與分布規(guī)律

孫東生， 禚喜準， 淡 永， 李阿偉， 楊躍輝， 陳群策

(1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081； 2.中國地質調查局地應力測量與監(jiān)測重點實驗室，北京 100081; 3.遼寧工程技術大學地質系，遼寧阜新 123000； 4.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西桂林 541004)

地應力是非常規(guī)油氣壓裂開發(fā)中壓裂設計、壓裂段優(yōu)選和合理利用地應力控制壓裂縫高度的重要依據(jù)[1-7]。金之鈞等[8]提出高地應力是中國頁巖氣勘探開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，因此通過原位實測，獲取泥頁巖儲層精細地應力分布規(guī)律，對非常規(guī)油氣壓裂改造中的壓裂設計、壓裂縫高控制和壓裂效果評價具有重要意義[9]。水壓致裂(也稱小型或微型壓裂)法是獲取最小水平主應力的最有效方法[10-18]。Warpinski等[12]利用小流量水壓致裂地應力測試技術，獲取了不同巖性地層(射孔段)的水平最小主應力，結果表明地應力明顯受巖性控制，泥頁巖層的水平最小主應力比相鄰砂巖層高6.9 MPa以上[19]。 Sone等[20-21]基于泥頁巖蠕變試驗，建立了基于黏性松弛的水平主應力差預測模型，地應力預測結果較好地解釋了壓裂縫擴展至灰?guī)r地層造成水竄的原因。Ma等[22]通過瞬時關閉壓力，確定水平最小主應力隨黏土礦物和有機質含量的增加而增大。大量研究結果表明，可靠地應力數(shù)據(jù)是指導壓裂設計與施工的重要基礎參數(shù)[23-25]。受測試技術和勘探成本等因素影響，截至目前，中國關于頁巖儲層的分層原位地應力實測資料非常有限。筆者利用黔東南地區(qū)頁巖氣調查井，開展寒武系牛蹄塘組頁巖儲層原位地應力實測，獲取泥質粉砂巖和相鄰灰?guī)r地層的水平最小主應力變化，結合礦物含量和顯微結構分析，探討地應力發(fā)生變化的影響因素，以期為泥頁巖儲層地應力剖面評價提供定量參考數(shù)據(jù)。

1 泥頁巖儲層地應力測試

1.1 地質背景

測試鉆孔貴都地1井位于貴州省都勻市勻東鎮(zhèn)，由中國地質調查局巖溶地質研究所部署實施，終孔深度為1 350 m，終孔直徑為96 mm。鉆孔構造位置上屬于黔南坳陷麻江—獨山凸起中部，屬于南北向侏羅山(隔槽)式褶皺帶宣威—壩固—王司北—北東向背斜北部傾末端，主要鉆遇寒武系和震旦系地層。在寒武系牛蹄塘組有很好油氣顯示，氣測最高全烴值可達6.2%，現(xiàn)場解析含氣量最大為0.71～0.81 m3/t(不含損失氣和殘余氣)，水侵試驗起泡劇烈，巖心解析氣體可燃，氣體組分中甲烷質量分數(shù)約為50%。

1.2 水壓致裂地應力測量技術

水壓致裂原地應力測量技術也稱裸眼分層原位地應力測試技術，由中國地質科學院地質力學研究所自主設計研發(fā)，目前直井最大測試深度約為3 000 m[26]，與小型壓裂或DFIT等廣義地應力評價方法不同，水壓致裂法的技術優(yōu)勢包括：①跨接式水力膨脹封隔器(上下封隔器之間的壓裂段長度約2 m)，可實現(xiàn)裸眼段分層連續(xù)測量；②小流量微壓裂(不超過100 L/min)，目的是盡量降低孔隙彈性作用對測量結果的影響，不會形成復雜縫網(wǎng)，且關泵后裂縫內壓力可以快速達到平衡，實現(xiàn)壓裂縫破裂、重張和閉合過程的精細控制，獲取可靠的地層破裂壓力、重張壓力和閉合壓力等參數(shù)，進而獲取可靠的地應力信息；③裸眼段測試避免了套管、射孔和固井等因素的影響；④壓裂測試段和封隔器內安裝有存儲式井下壓力計，可實時記錄測試過程中壓裂段和封隔器內的壓力變化，同時井下工具可實現(xiàn)測試段與管柱內壓裂液的分隔，即井下關閉，以保證測試結果的可靠性；⑤井下工具集成了鉆井液循環(huán)和緊急解封等功能，以應對突發(fā)井涌或井漏時建立鉆井液循環(huán)和封隔器井下遇阻時的緊急解封等情況。

1.3 貴都地1井牛蹄塘組原地應力實測

已有資料表明地應力受巖性、構造運動和沉積環(huán)境等因素影響[13]。為研究頁巖儲層內地應力變化規(guī)律，以貴都地1井牛蹄塘組(1 131.5～1 245 m)頁巖儲層為例，利用水壓致裂地應力測試技術，通過跨接式封隔器分隔裸眼井段(封隔器長度1.2 m，壓裂段長度1 m)，獲取了3個深度段有效測試曲線(圖1)。圖1中壓力數(shù)據(jù)來自井下壓裂段內的存儲式壓力計，采樣頻率為20點/s。流量由地面流量計記錄。從圖1可以看出，所獲取的3個測段的測試曲線形態(tài)標準規(guī)范，每個測段的壓力-時間曲線均具有明顯的破裂壓力，且第2～5回次的重張曲線重復性好，各壓力參數(shù)點明確，且一致性較好，為地應力測量結果的可靠性提供了重要保障。

圖1 水壓致裂地應力測量井下壓力和地面流量曲線Fig.1 Curves of down-hole pressure gauge and surface flow rate gauge during hydraulic fracturing in-situ stress measurement period

根據(jù)水壓致裂地應力測量原理，利用井下壓力-時間曲線，可獲取可靠的裂縫閉合壓力，即最小水平主應力[10-17]。閉合壓力采用dt/dp方法、dp/dt方法、馬斯卡特非線性回歸和單切線法分別進行計算[14-15]，并取其平均值為最小水平主應力。各測段的閉合壓力參數(shù)如表1所示。結果表明，1 179～1 180和1 187～1 188 m泥頁巖段的水平最小主應力分別為24.9和25.3 MPa，對應的水平最小主應力梯度為0.021 MPa/m。1 207～1 208 m灰?guī)r層段的水平最小主應力為21.4 MPa，對應的水平最小主應力梯度分為0.018 MPa/m，牛蹄塘組頁巖儲層的水平最小主應力梯度低于垂向應力梯度。由于地層巖性及礦物成分不同，相鄰深度段的地應力發(fā)生了較大變化，1 179～1 188 m測段(泥頁巖)水平最小主應力比1 207～1 208 m測段(灰?guī)r)高約4 MPa。

表1 牛蹄塘組泥頁巖儲層水平最小主應力實測結果

2 巖石的礦物成分及結構特征

2.1 礦物成分與含量

針對上述3個測段水平最小主應力在垂向差異明顯，對每個地應力測段內分別采集了3個樣品，進行礦物種類和含量分析(表2)。其中第1個測段3個樣品的礦物種類和質量分數(shù)基本一致，主要礦物為石英和長石，約為55%～60%，塑性礦物為23%～27%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦約為11.8%～17.7%。此外，泥巖中含有少量的云母礦物，低于2.1%。第2個測段3個樣品的礦物種類和質量分數(shù)基本一致，主要礦物為石英和長石，約為53%～57.9%，塑性礦物為22%～27.6%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦約為15.1%～17.7%。此外，泥質粉砂巖中仍含有少量的云母礦物，質量分數(shù)低于1.8%。

第3個測段中前兩個樣品的主要礦物成分為石英和長石，約為49.4%～58.0%，黏土礦物質量分數(shù)為20.3%～23.4%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦質量分數(shù)約為18.0%～27.1%，泥質粉砂巖中仍含有少量的云母礦物，低于3.7%。1 207.25 m處的樣品為細晶灰?guī)r，主要礦物成分為方解石和鐵白云石，質量分數(shù)為66.0%。灰?guī)r中含有少量的石英和長石碎屑顆粒，約為21.6%，塑性礦物質量分數(shù)為8.5%，表明1 207.30 m處巖性發(fā)生了明顯的變化，黏土礦物含量明顯減少，以碳酸鹽礦物為主。

表2 礦物X-射線衍射分析

2.2 結構特征

除礦物成分和含量外，巖石的結構特征也影響其力學特性，進而影響地應力分布。顯微薄片分析表明，1 179.0 和1 187.05 m樣品為黑色泥質粉砂巖，具有明顯的泥質-碎屑結構，碎屑顆粒多為離散狀，粒徑一般小于0.032 5 mm，為細粉砂粒級(圖2(a)和(b))。1 207.0 m樣品為灰色泥質粉砂巖，碎屑顆粒粒徑為0.032 5～0.08 mm的粗粉砂—細砂，粒度明顯增大，總體呈現(xiàn)紋層狀排列(圖2(c))。1 207.25 m處樣品為細晶灰?guī)r，為砂糖狀的結晶結構，晶體粒徑為0.03～0.1 mm(圖2(d))。1 179.0 m測段的3個樣品成分接近，以陸源碎屑礦物和黏土礦物為主，碳酸鹽組分含量最低，為泥質膠結的碎巖屑結構。1 187.0 m測段的3個樣本成分也很接近，以陸源碎屑礦物和黏土礦物為主，碳酸鹽組分含量比1 179.0 m附近稍高，為泥質—灰質膠結的碎屑結構。1 207.0 和1 207.05 m處陸源碎屑礦物含量與1 179.0和1 187.0 m附近含量基本一致，碳酸鹽含量稍有增多，而1 207.25 m處樣品的主要成分為碳酸鹽礦物，石英和長石等陸源碎屑變?yōu)榇我M分，說明脆性礦物含量明顯升高，逐漸過渡為碳酸鹽為主的結晶連結結構。

3 討 論

泥頁巖儲層地應力賦存規(guī)律是非常規(guī)油氣，特別是深層頁巖氣開發(fā)中研究的重點和難點，通過原位實測及已有資料，定量評價泥頁巖儲層與脆性夾層之間的水平最小主應力差范圍，并針對深層頁巖氣開發(fā)，從地應力分布規(guī)律的角度，提出深層頁巖氣儲層改造建議。

3.1 泥頁巖儲層地應力分布

Warpinski等[13]通過射孔段小流量壓裂測試，獲取了2 400～2 450 m深度內的砂巖及上下相鄰泥頁巖地層的水平最小主應力，結果表明泥頁巖地層的水平最小主應力比相鄰砂巖地層高9～13.8 MPa。Ma等[22]通過水平井壓裂時的瞬時閉合壓力(ISIP)，粗略估算了Woodford泥頁巖儲層(埋深約1 770 m)的水平最小主應力變化規(guī)律，結果表明水平最小主應力隨著黏土和有機質含量的增加而增大，由于礦物含量的變化，同一深度水平最小主應力可變化10～15 MPa。上述測量結果均是在下入套管和固井后，通過射孔段進行壓裂測試，獲取的瞬時關閉壓力，即水平最小主應力。由于測試管路摩阻、射孔深度和壓裂縫轉向等因素的影響，上述水平最小主應力測試結果可能偏高，可認為是脆性巖石地層與泥頁巖儲層之間水平最小主應力差的上限。本文中地應力測試是在裸眼井段進行的，符合國際巖石力學學會推薦的經(jīng)典水壓致裂地應力測試方法，獲取了深度1 179～1 188 m泥質粉砂巖(塑性礦物質量分數(shù)為23%～27%)層段的水平最小主應力比深度1 207～1 208 m灰?guī)r層段(塑性礦物質量分數(shù)為8.5%)的水平最小主應力高約4 MPa。已有測試數(shù)據(jù)表明在統(tǒng)一構造應力場作用下，泥頁巖層的水平最小主應力比砂巖或灰?guī)r等脆性夾層高4～15 MPa。在此需要說明的是水平最小主應力受區(qū)域構造應力場控制，且隨著儲層深度的增加和塑性礦物含量的變化而變化[27]，上述結論僅是粗略的范圍，具體區(qū)塊需開展深入研究，以獲取可靠地應力數(shù)據(jù)。

圖2 貴都地1井牛蹄塘組巖石的微觀結構特征Fig.2 Microstructure characteristics of rock Niutitang Formation, well Guidu 1

3.2 泥頁巖儲層地應力實測與深層頁巖氣開發(fā)

眾所周知，地應力是頁巖油氣經(jīng)濟高效開發(fā)的重要基礎參數(shù)。已有研究結果表明，水平應力差異系數(shù)越小，壓裂時易形成復雜縫網(wǎng)，實現(xiàn)體積壓裂[28]，但隨著頁巖氣開發(fā)深度的增加，地應力同步增大，低水平主應力差等因素導致的破裂壓力升高，又給壓裂施工帶來了困難[7-8]。工程實踐證明水平最小主應力的減小會造成起裂壓力大幅度地降低[29]，且水平最小主應力與加砂量成反比[22]，因此對于淺層(埋深小于3 500 m)泥頁巖儲層而言，水平應力差異系數(shù)低值區(qū)，可作為壓裂改造上的優(yōu)質儲層段，但對于深層(埋深大于等于3 500 m)，需要利用儲層內的脆性(砂巖或灰?guī)r)夾層水平最小主應力小的特點，以降低壓裂施工中的起裂壓力，實現(xiàn)深層頁巖油氣的有效開發(fā)。同時，可利用脆性夾層與泥頁巖層之間水平最小主應力之間的差異，實現(xiàn)壓裂縫高的控制。

受測試技術和施工成本等因素制約，目前泥頁巖儲層地應力評價主要以壓裂施工前的射孔段小型壓裂測試、室內巖心測試和測井資料解譯為主，其中小型壓裂測試無法獲取儲層內精細地應力分布規(guī)律，同時射孔方向、套管和水泥環(huán)等對破裂壓力和裂縫閉合壓力的影響不容忽視[30]；室內巖心測試受測試理論及巖心風化等因素影響，測量結果可靠性較低；測井資料解譯法評價結果的可靠性受計算模型限制，對于泥頁巖儲層而言，需考慮其流變力學特性的影響，同時需要可靠的實測數(shù)據(jù)作為地應力剖面的參考點，才能獲取相對可靠的地應力剖面[31-32]。原位水壓致裂地應力測試方法是獲取水平最小主應力的最可靠方法[17]，該方法可在裸眼中進行分層精細測試，測試過程中產(chǎn)生的裂縫在巖體完整的情況下，均為沿著鉆孔軸向的豎直縫，裂縫形態(tài)可通過測試前后的成像測井驗證，本文中測試前后未進行成像測井，但測試結果表明水平最小主應力明顯低于垂向應力，故可推斷產(chǎn)生的裂縫是近垂直的。

綜上所述，對于深層頁巖氣，應選擇脆性礦物含量高的水平最小主應力低值區(qū)作為水平井穿行層段，不僅有利于壓裂縫的起裂和擴展，且裂縫的閉合壓力低，可有效避免支撐劑的破碎和嵌入，保持壓裂縫的導流能力[33]，因此通過地應力分層原位實測，獲取泥頁巖儲層可靠地應力分布規(guī)律，對深層頁巖油氣儲層壓裂改造和實現(xiàn)效益開發(fā)具有指導意義。

4 結 論

(1)利用水壓致裂原地應力測試技術，對黔東南地區(qū)寒武系牛蹄塘組泥頁巖儲層進行了原位地應力實測，獲取裸眼鉆孔深度1 179～1 188 m泥質粉砂巖層段水平最小主應力為24.9～25.3 MPa，1 207～1 208 m灰?guī)r層段的水平最小主應力為21.4 MPa。

(2)泥頁巖儲層內地應力明顯受巖石的礦物含量控制，隨著黏土等塑性礦物含量的增加，水平最小主應力明顯增大，在區(qū)域構造應力場作用下，泥頁巖層的水平最小主應力比砂巖或灰?guī)r等脆性夾層高4～15 MPa。

(3)研究結果對于定量評價頁巖儲層內地應力差異具有一定參考價值，尤其對于深層頁巖氣而言，應選擇脆性礦物含量高的水平最小主應力低值區(qū)作為水平井穿行層段，不僅有利于壓裂縫的起裂和擴展，且裂縫的閉合壓力低，可有效避免支撐劑的破碎和嵌入，保持壓裂縫的導流能力，才能最大限度提升頁巖氣的采收率，實現(xiàn)深層頁巖氣規(guī)模性有效開發(fā)。