吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層脆性特征

石善志，鄒雨時，王俊超，張士誠，李建民，張嘯寰

（1.中國石油 新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組為陸相沉積，氣候、物源供給強度以及湖平面的周期性升降控制了其沉積演化過程和層序發(fā)育特征，沉積時期湖盆處于深水和淺水不斷變換的環(huán)境，烴源巖以泥質(zhì)巖類為主，儲集層主要為白云質(zhì)類粉細砂巖，縱向上烴源巖與儲集層交互疊置，層理發(fā)育[1-10]。巖性變化與層理的發(fā)育，導(dǎo)致其脆性特征變化較大，而巖石脆性影響儲集層壓裂改造的效果[11-12]，故研究儲集層脆性特征對于壓裂增產(chǎn)改造的選層選段具有重要意義。

巖石脆性與巖石的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)，脆性較高的巖石通常具有如下特征：石英等脆性礦物含量高、內(nèi)摩擦角大或剪切破裂面傾角小、具有清晰的破裂面等[13-19]。現(xiàn)有的脆性評價方法可分為：礦物學(xué)方法、力學(xué)參數(shù)方法、變形特征方法、能量演化方法等。

由于吉木薩爾凹陷蘆草溝組巖石礦物成分與組織結(jié)構(gòu)變化較大，導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)和脆性特征變化較大。本文針對蘆草溝組儲集層不同巖性的巖樣進行了礦物學(xué)、力學(xué)參數(shù)及能量演化特征研究，結(jié)合其礦物成分特征、應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征、巖石破壞特征以及脆性評價結(jié)果，提出了適合研究區(qū)蘆草溝組儲集層的脆性指數(shù)評價方法。

1 儲集層礦物成分

1.1 全巖相分析

為明確吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層礦物成分，對巖心樣品進行了全巖分析。常規(guī)巖石礦物分類方法可將井下巖心礦物成分分為4 類：石英類（石英、長石等）、碳酸鹽類（方解石、白云石等）、黏土類（高嶺石、綠泥石、伊利石等）和硫酸鹽類（菱鐵礦、菱鎂礦等）。由于該區(qū)硫酸鹽類礦物含量很少，故繪制礦物為黏土類、石英類和碳酸鹽類的成分三角相圖。結(jié)果顯示，吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層主要礦物為石英類與碳酸鹽類，含量分別主要為30%～80%、20%～70%，黏土類和硫酸鹽類含量較少，低于10%（圖1）。

1.2 礦物學(xué)脆性特征評價

通常石英類與碳酸鹽類礦物含量高時，巖石脆性較大[20]，因此，將石英、長石和碳酸鹽礦物（白云石）作為巖石礦物學(xué)脆性特征評價的主要礦物類別，計算吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層礦物成分脆性指數(shù)：

結(jié)果表明，儲集層多數(shù)巖樣的礦物成分脆性指數(shù)高于0.60（圖2），這是由于該區(qū)礦物主要為石英類與碳酸鹽類礦物，黏土礦物含量較少。

2 儲集層巖石力學(xué)特征

2.1 力學(xué)參數(shù)脆性特征評價

為明確吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層的巖石力學(xué)特征，采用巖石力學(xué)綜合測試系統(tǒng)，對標準巖心樣品（長50 mm、直徑25 mm）開展三軸壓縮實驗。實驗過程采用變形控制，加載速度為1 mm/min，為模擬地層條件，設(shè)定圍壓為35 MPa（平均地層壓力），測定儲集層巖石楊氏模量、泊松比、抗壓強度及應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并根據(jù)Rickman 的方法[21]計算蘆草溝組巖石力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)：

結(jié)果表明，不同深度不同巖性的儲集層力學(xué)性質(zhì)差異較大，楊氏模量為10～35 GPa，抗壓強度為160～410 MPa，泊松比變化相對較小，多數(shù)為0.2～0.3（圖3）。

2.2 能量演化脆性特征評價

在軸向載荷的加載過程中，巖樣的軸向應(yīng)變先線性增加，輸入能量以彈性應(yīng)變能的形式存儲在巖石中；應(yīng)力在達到峰值前出現(xiàn)明顯的非線性階段，表明巖樣內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展；峰后階段巖樣承載能力逐漸降低，儲存的能量逐漸釋放[22]。通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后的斜率，可以確定巖石的軟化模量，用以表征峰后巖石承載能力喪失的快慢。軟化模量的絕對值越大，即發(fā)生較小的軸向應(yīng)變時巖石的承載能力降低越快，巖石的脆性越大。

相同巖性的不同巖心，力學(xué)特征不同（圖4）。白云質(zhì)粉砂巖2 表現(xiàn)出明顯塑性特征，峰后隨應(yīng)變增加應(yīng)力變化平緩，承載能力喪失較慢。然而礦物成分脆性評價未能體現(xiàn)出這種差異，主要是由于巖石的破壞是復(fù)雜的力學(xué)過程，礦物往往難以準確表征其特征，且研究區(qū)不同成分的脆性礦物含量相近。Rickman方法考慮采用歸一化楊氏模量和泊松比表征巖石脆性較礦物成分表征更準確，但其僅考慮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰前階段，不能完整表征巖石在受力全過程中發(fā)生的破壞。脆性較大的巖石，通常具有以下特征：應(yīng)力達到峰值前，巖石以彈性應(yīng)變能形式儲存能量，驅(qū)動巖石破壞的能量主要為釋放的彈性應(yīng)變能；應(yīng)力達到峰值后，彈性應(yīng)變能的消耗更為徹底。能量演化方法考慮巖石應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程，即峰前階段、峰后階段和殘余階段，能全面表征巖石在受力過程中發(fā)生的破壞。因此，采用文獻［23］提出的能量演化脆性指數(shù)B3（由B31、B32和B33組成）評價蘆草溝組儲集層巖石脆性特征。

在峰前階段，輸入的能量以彈性應(yīng)變能的形式存儲的比例越高，脆性越大，峰前脆性指數(shù)為：

在峰后階段，釋放的彈性應(yīng)變能在驅(qū)動巖石破裂的過程中所占的比例越高，脆性越大。當(dāng)額外能量為正時，巖石為脆性—塑性；當(dāng)額外能量為負值時，即峰后階段巖石釋放能量，巖石為超脆性。峰后脆性指數(shù)為：

在殘余階段，彈性應(yīng)變能釋放得越徹底，脆性越大，殘余脆性指數(shù)為：

經(jīng)對比，采用不同計算方法得出的以上3 種脆性指數(shù)差異較大，其中，礦物成分脆性指數(shù)較大，力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)較小，能量演化脆性指數(shù)介于上述兩者之間（圖3）。

3 脆性指數(shù)評價新方法

目前評價巖石脆性主要采用基于脆性礦物成分的評價方法，或基于力學(xué)參數(shù)（主要為楊氏模量和泊松比）的脆性評價方法[24-27]。

由于吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層巖心黏土礦物含量相對較少，主要礦物為石英類與碳酸鹽類礦物，礦物組成的變化對礦物成分脆性指數(shù)影響不大；而力學(xué)參數(shù)涉及的影響因素較少，準確性較低。因此，本文基于吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層礦物學(xué)特征、巖石力學(xué)參數(shù)和能量演化特征，提出適合蘆草溝組復(fù)雜巖性儲集層的脆性指數(shù)評價新方法，分析不同巖性的脆性特征。

3.1 應(yīng)用層次分析法的綜合脆性指數(shù)

采用不同方法評價同種巖性得出的脆性指數(shù)差異明顯：礦物成分脆性指數(shù)較大，力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)較小，能量演化脆性指數(shù)中等（圖5）。

應(yīng)用層次分析法[28]確定上述3 種脆性指數(shù)的權(quán)重，提出綜合脆性指數(shù)。判斷矩陣可表示某層元素相對于上層元素的重要程度，用整數(shù)1—9 標度不同程度。1 表明兩者同等重要，3 表明此元素比上層元素略重要，5 表明此元素比上層元素明顯重要，7 表明此元素比上層元素重要得多，9 表明此元素與上層元素相比極為重要，標度為2、4、6和8時，重要程度為其相鄰2 個判斷的中間值。將綜合脆性指數(shù)各參數(shù)進行對比后，用不同標度值構(gòu)成判斷矩陣，由于該區(qū)塊巖石脆性礦物成分相近，礦物成分脆性指數(shù)對綜合脆性指數(shù)影響最小；力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)僅考慮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰前階段，不能表征巖石在受力全過程中發(fā)生的破壞特征，故對綜合脆性指數(shù)的影響中等；能量演化脆性指數(shù)考慮巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線的整體，對綜合脆性指數(shù)影響最大。因此，將能量演化脆性指數(shù)標度為1，力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)標度為3，礦物成分脆性指數(shù)標度為5（表1）。

表1 脆性指數(shù)評價新方法判斷矩陣取值Table 1.Values of judegement matrix for the new method of evaluating brittleness indexes

利用和積法計算判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，從而確定可壓性各影響因素的權(quán)重。

計算可得，能量演化脆性指數(shù)、力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)和礦物成分脆性指數(shù)所對應(yīng)的權(quán)重分別為0.65、0.22和0.13，因此，綜合脆性指數(shù)為：

經(jīng)計算可知，吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層不同巖性脆性差異較大，非均質(zhì)性較強（圖6）。其中，三角洲前緣砂壩沉積、混合坪沉積和半深湖沉積的泥質(zhì)粉砂巖、砂屑白云巖和泥頁巖，綜合脆性指數(shù)較大，分別為0.68、0.65 和0.60，均大于0.60；淺湖—半深湖沉積和白云坪沉積的白云質(zhì)粉砂巖和泥晶白云巖，綜合脆性指數(shù)中等，分別為0.54 和0.55；白云質(zhì)泥巖作為白云坪與混合坪沉積的過渡性巖石，綜合脆性指數(shù)較低，僅為0.49。

3.2 脆性評價新方法驗證

通常脆性越大的巖石受載后的破裂形態(tài)越復(fù)雜，為驗證綜合脆性指數(shù)評價方法的準確性，對比不同巖性巖石經(jīng)三軸壓縮實驗后的破壞特征。在圍壓為35 MPa 條件下，泥晶白云巖的體積應(yīng)變絕對值為1.27×10-2，綜合脆性指數(shù)為0.90，表現(xiàn)為明顯的貫穿式拉張破壞，形成3條主裂縫；泥頁巖1的體積應(yīng)變絕對值為1.01×10-2，綜合脆性指數(shù)為0.73，形成2條貫穿巖石的主裂縫和3 條層理縫，形成復(fù)雜交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)；白云質(zhì)粉砂巖與泥頁巖2 的體積應(yīng)變絕對值分別為1.15×10-2和2.83×10-2，綜合脆性指數(shù)均小于0.25，巖樣表面未出現(xiàn)宏觀裂縫，巖樣膨脹，直徑明顯擴大，體積應(yīng)變絕對值較大，塑性特征明顯（圖7）。

而塑性特征明顯的白云質(zhì)粉砂巖的礦物成分脆性指數(shù)高達0.87，力學(xué)參數(shù)脆性指數(shù)也高于0.25。因此，從巖樣實際破壞特征可以看出，與考慮單一因素的脆性評價方法相比，本文所提出的考慮礦物組成、力學(xué)參數(shù)與能量演化的綜合脆性指數(shù)更符合實際，更能準確表征巖石脆性特征。

3.3 層理對脆性的影響

層理的發(fā)育對巖石脆性具有一定影響，綜合脆性指數(shù)略低于泥晶白云巖的泥頁巖1 裂縫更為復(fù)雜，這是由于泥頁巖1 的層理更加發(fā)育且膠結(jié)程度較低（圖7a、圖7b）。

對同一塊全直徑巖心從平行和垂直層理方向分別鉆取標準巖心，開展三軸壓縮實驗。由應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，垂直層理方向的泥晶白云巖1V 呈現(xiàn)明顯的塑性特征，達到峰值應(yīng)力130 MPa 后，隨應(yīng)變增加沒有明顯的損傷行為，受載沒有突降；平行層理方向的泥晶白云巖1P呈現(xiàn)明顯的脆性特征，達到峰值應(yīng)力228 MPa 后，出現(xiàn)明顯的破裂，受載能力大幅下降，峰后應(yīng)力下降快，殘余應(yīng)力在150 MPa左右（圖8）。

泥晶白云巖1V 和1P 的體積應(yīng)變絕對值分別為4.19×10-3和5.06×10-4，表明巖心在垂直層理方向發(fā)生了塑性變形和體積壓縮，在平行層理方向產(chǎn)生宏觀斷裂且體積膨脹。經(jīng)脆性指數(shù)評價新方法計算，巖心在平行和垂直層理方向的綜合脆性指數(shù)分別為0.68 和0.23，前者為后者的2.96 倍。綜上可知，層理對巖石的力學(xué)性質(zhì)和脆性特征影響較大，取自同一塊巖心的樣品，平行層理方向的脆性遠大于垂直層理方向。

應(yīng)用綜合脆性指數(shù)分析吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層巖石脆性特征，可為甜點選擇提供依據(jù)，優(yōu)選脆性較高層段進行體積壓裂改造，脆性較低層段實施密切割、暫堵轉(zhuǎn)向等壓裂技術(shù)，從而增大儲集層整體改造體積。泥質(zhì)粉砂巖、砂屑白云巖和泥頁巖脆性較大，易形成復(fù)雜裂縫，壓裂改造效果較好；白云質(zhì)泥巖脆性較小，難以形成復(fù)雜裂縫。

4 結(jié)論

（1）吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層黏土礦物含量較低，脆性礦物含量相近，整體礦物成分脆性指數(shù)在0.60 以上，礦物成分脆性指數(shù)難以準確評價其脆性特征。

（2）泥質(zhì)粉砂巖、砂屑白云巖和泥頁巖綜合脆性指數(shù)較高；白云質(zhì)粉砂巖和泥晶白云巖綜合脆性指數(shù)中等；白云質(zhì)泥巖綜合脆性指數(shù)較低。

（3）層理對巖石的力學(xué)性質(zhì)和脆性特征具有一定影響，取自同一塊巖心的平行層理方向巖樣的脆性大于垂直層理方向。

（4）應(yīng)用綜合脆性指數(shù)評價方法分析吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層，可優(yōu)選高脆性層段巖石進行體積壓裂改造，提升儲集層整體改造體積。

符號注釋

aij——判斷矩陣第i行第j列數(shù)據(jù)；

akj——判斷矩陣第k行第j列數(shù)據(jù)；

B1——礦物成分脆性指數(shù)；

B2——基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)；

B3——能量演化脆性指數(shù)；

B31——峰前脆性指數(shù)；

B32——峰后脆性指數(shù)；

B33——殘余脆性指數(shù)；

BT——綜合脆性指數(shù)；

E——楊氏模量，GPa；

ED——歸一化楊氏模量；

i——判斷矩陣第i行；

科技處下設(shè)科技開發(fā)科，現(xiàn)有1名專職管理人員，各二級學(xué)院、重點實驗室有專門的科研分管領(lǐng)導(dǎo)及科研信息員，負責(zé)本單位本部門的科研管理工作，技術(shù)經(jīng)紀人1人。學(xué)校二級單位現(xiàn)有專職科研管理工作人員共44人，學(xué)歷均為碩士研究生及以上。

j——判斷矩陣第j列；

k——判斷矩陣第k行；

Ma——軸向軟化模量，GPa；

Mr——徑向軟化模量，GPa；

n——判斷矩陣第n行；

Ue——彈性釋放能，J；

Up——吸收能量，J；

Ut——彈性應(yīng)變能，J；

W——額外能量，J；

Wd——白云石含量，%；

Wf——長石含量，%；

Wq——石英含量，%；

Wt——礦物總量，%；

εa——軸向應(yīng)變；

εf——峰值軸向應(yīng)變；

εt——體積應(yīng)變；

ν——泊松比；

νD——歸一化泊松比；

σa——軸向應(yīng)力，MPa；

σc——圍壓，MPa；

σp——峰值應(yīng)力，MPa；

σr——殘余應(yīng)力，MPa；

ω——特征向量；

ωi——特征向量第i行數(shù)據(jù)；

ωn——特征向量第n行數(shù)據(jù)。