瑪湖凹陷百口泉組礫巖脆性特征及其影響因素分析

王英偉，梁利喜，鄒正銀，劉向君，張景，張文，曲福治，丁乙

(1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，克拉瑪依 834000；2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；3.中海油田服務股份有限公司鉆井事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300452)

準噶爾盆地瑪湖凹陷油氣資源豐富，隨著近年來地質(zhì)理論取得突破與勘探技術持續(xù)創(chuàng)新，已形成了多個億噸級儲量區(qū)，瑪湖特大型致密礫巖油田儲量規(guī)模更是高達10億t，勘探開發(fā)潛力巨大[1-3]。作為瑪湖礫巖油田主力開發(fā)層系之一的三疊系百口泉組礫巖油層埋深2 500～4 000 m，屬于典型的低孔、低滲透—特低滲透儲集層[4-6]。已有研究及大量工程實踐表明，對于該類低滲、特低滲油氣層，通過體積壓裂技術在井周地層形成大規(guī)模復雜人工縫網(wǎng)是該類油氣藏實現(xiàn)高效開發(fā)的關鍵。而能否通過壓裂在井周地層形成壓裂縫網(wǎng)關鍵取決于儲層的天然裂縫發(fā)育等結(jié)構特征、巖石力學特性以及地應力等地質(zhì)力學特征，其中，地層的脆性特征則是壓裂形成復雜縫網(wǎng)的關鍵力學指標。通常認為巖石的脆性越強，壓裂作用下越容易形成復雜縫網(wǎng)，儲層的壓裂改造效果越好。因此，研究認識礫巖儲層的脆性特征及其影響因素對低滲、特低滲油氣藏地質(zhì)工程一體化高效開發(fā)具有重要意義[7-8]。

近年來，圍繞地層脆性的評價國內(nèi)外學者開展了卓有成效的研究，并基于不同的研究目的建立了大量的脆性指數(shù)評價模型，可歸納為兩大類：一是基于礦物組分的脆性評價方法，該類方法基于礦物組分是決定巖石力學性質(zhì)內(nèi)在因素這一認識，通過計算石英、長石、白云石等脆性礦物含量評價巖石的脆性[9-11]，但該類方法未能有效考慮巖石內(nèi)部結(jié)構、成巖作用以及應力狀態(tài)、溫度等賦存環(huán)境對脆性的影響，同時對于脆性礦物的界定及其對巖石變形破壞的影響尚存在分歧，評價結(jié)果科學性有待進一步完善；二是基于巖石力學特性的脆性評價方法，該類方法主要通過巖石變形、強度等力學特性參數(shù)評價巖石的脆性特征[12-14]?；趲r石力學特性的脆性評價方法又可進一步劃分為：基于彈性參數(shù)的脆性評價方法、基于巖石強度的脆性評價方法、基于應力-應變曲線的脆性評價方法以及基于應變能的脆性評價方法等。

值得注意的是，目前關于巖石脆性特征的相關研究大多圍繞頁巖地層，與頁巖地層不同，百口泉組礫巖儲集層多以塑性較強的玄武質(zhì)凝灰?guī)r為母巖，混有一定含量的砂巖、泥巖，礫巖顆粒分選差、粒徑差異大，呈現(xiàn)現(xiàn)出更為顯著的非均質(zhì)性特征[15-16]。鑒于此，基于百口泉地層井下取心，通過開展巖石力學實驗研究了百口泉組礫巖的脆性特征、評價方法以及圍壓、孔隙度、密度等因素對脆性特征的影響，對壓裂工程甜點評價、壓裂方案優(yōu)化設計具有重要意義。

1 礫巖的脆性特征研究

1.1 試樣篩選及實驗方案

實驗礫巖取自瑪湖凹陷百口泉組礫巖，取樣深度3 200～3 408 m，其中礫石粒徑主要分布在2～21 mm。從井下全直徑取芯首先鉆取直徑25 mm、長度70 mm左右的圓柱體樣品，然后將70 mm圓柱樣品分割為長度為50 mm的標準圓柱試樣。所有試樣端面平整度保持在±0.05 mm。

對試樣進行不高于60 ℃條件下進行烘干，然后依次開展如下實驗：①測試試樣的孔隙度、密度、聲波波速等物理參數(shù)，依據(jù)所測物理參數(shù)將長度 50 mm 標準圓柱試樣分為兩組；②根據(jù)取樣地層的上覆壓力、地層壓力確定有效圍壓為35 MPa；對兩組長度為50 mm的標準圓柱試樣，分別進行單軸壓縮測試以及有效圍壓35 MPa下的三軸壓縮測試，分析獲取各個試樣的應力-應變曲線以及單軸抗壓強度、三軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、峰值強度應力對應的總應變；所開展實驗滿足《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)要求。

1.2 礫巖的脆性特征

依據(jù)巖石力學理論可知，脆性是指應力作用下巖石發(fā)生很小變形即發(fā)生破裂的性質(zhì)；脆性較強的巖石在壓縮變形破壞過程中通常表現(xiàn)出如下特征：①破壞前，巖石的總應變較小；而當應力達到峰值強度、試樣發(fā)生破壞，表現(xiàn)為應力的迅疾跌落、應力-應變曲線斜率大；②試樣破壞后，出現(xiàn)多個復雜的破裂面，試樣破裂程度高、甚至完全碎裂。基于上述脆性定義及內(nèi)涵特征，對實驗樣品在應力作用下的變形破壞進行脆性特征分析。

通過對單軸壓縮、三軸壓縮后礫巖試樣的代表性應力-應變曲線(圖1)及試樣破裂特征(圖2)進行分析，可得出如下結(jié)論。

(1)在單軸壓縮條件下，應力達到峰值發(fā)生破壞時，實驗礫巖樣品軸向產(chǎn)生的總應變約為5%[圖1(a)中的εa]；應力達到峰值強度后，應力降落快、應力-應變曲線呈現(xiàn)出相對較大斜率。實驗后的巖樣表面[圖2(a)～圖2(c)]呈現(xiàn)不同程度的破壞，出現(xiàn)了多個明顯的破裂面。整體來看，實驗所分析試樣的變形破壞符合脆性特征，即在無側(cè)向約束的單軸壓縮條件下礫巖試樣呈現(xiàn)出一定的脆性特征。

εa為軸向應變；εr為徑向應變；εv為體應變圖1 礫巖應力-應變曲線Fig.1 Stress and strain curves of conglomerate

圖2 單軸和三軸(35 MPa圍壓)實驗后的礫巖巖樣Fig.2 Conglomerate samples after uniaxial test and triaxial test(35 MPa confining pressure)

(2)在圍壓35 MPa的三軸壓縮條件下，由應力-應變曲線可知，隨應力增大、試樣經(jīng)歷了彈性變形、塑性屈服變形、破壞后應力降落如下階段；其中，軸向應變約為12%時，隨應變增大，應力增大幅度較小，呈現(xiàn)顯著的塑性變形特征；應變應力達到峰值強度時，軸向總應變超過2%[圖1(b)中的εa]；應力達到峰值強度后，隨應變增大，應力降低速率較慢，各個試樣均未出現(xiàn)破壞應力快速跌落的現(xiàn)象。實驗后的巖樣顯示[圖2(d)～圖2(f)]，試樣以斜向剪切破裂為主，肉眼僅可見一條剪切破裂面，未見復雜破裂形態(tài)；個別巖樣呈現(xiàn)出顯著的剪切擴容膨脹特征[圖2(e)、圖2(f)]。整體來看，在圍壓 35 MPa 條件下，測試巖樣變形以塑性變形為主，脆性破裂特征不顯著。

綜上，實驗研究表明，所分析的百口泉礫巖在單軸條件下的變形破壞表現(xiàn)為一定的脆性特征；但在實驗圍壓條件下，脆性較差，其變形破壞則表現(xiàn)出低脆性-塑性的變形破壞特征。

2 礫巖脆性定量評價及影響因素

2.1 礫巖脆性的評價方法

依據(jù)脆性的定義及內(nèi)涵，基于全過程應力-應變曲線，綜合峰值前應變、峰值強度、峰值后應力-應變以及破壞殘余應變等參數(shù)的定量模型能夠較好地反映、表征巖石的脆性特征。但目前已有的該類方法通常需要由全過程應力-應變曲線來獲取殘余應變等參數(shù)，受巖石實際破裂及實驗過程的制約，部分巖石峰值強度后的應力-應變曲線獲取困難，從而限制了該類方法的應用。

針對礫巖結(jié)構復雜、非均質(zhì)性強的特征，同時考慮由于各個脆性評價關系模型建立的目的、理論依據(jù)的不同，導致同一地層巖石，利用不同評價方法的評價結(jié)果存在差異性[17]。分別采用基于彈性參數(shù)的Rickman模型、壓拉比以及峰值強度的割線模量3個模型進行礫巖脆性的定量評價，并分析各模型計算結(jié)果的合理性。

Rickman模型基于彈性參數(shù)進行脆性評價，具體采用歸一化后的彈性模量、泊松比兩個參數(shù)。由于模型計算簡單、參數(shù)獲取相對便捷，該評價方法被研究人員廣泛應用[18]。

(1)

式(1)中：B1為基于Rickman模型的脆性指數(shù)，無量綱；En、υn可分別表示為

(2)

(3)

式中，En為歸一化的彈性模量；υn為歸一化的泊松比，無量綱；E為彈性模量，MPa；υ為泊松比，無量綱；Emax、Emin分別為研究地層的最大彈性模量和最小彈性模量，MPa；υmax、υmin分別為研究地層的最大泊松比和最小泊松比，無量綱。

壓拉比通過巖石的單軸抗壓強度與抗張強度的比值進行脆性評價[19]。

(4)

式(4)中：σc為單軸抗壓強度，MPa；σt為抗拉強度，MPa；B2為基于壓拉比的脆性指數(shù)，無量綱。

峰值強度的割線模量評價脆性綜合考慮了巖石破裂時的最大應力即峰值強度，以及破壞時所發(fā)生的應變大小。

(5)

式(5)中：σp為峰值強度，MPa；εp為峰值應變，%；α為模型系數(shù)，取值0.1；B3為基于割線模量的脆性指數(shù)，無量綱。

考慮礫巖多級顆粒支撐結(jié)構導致的復雜力學特性，結(jié)合Rickman等[18]的脆性分級研究成果，建立研究地層礫巖脆性等級分類，如表1所示。

基于所研究單軸壓縮、三軸壓縮以及抗張強度實驗結(jié)果，由式(1)～式(5)計算得到基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1、基于壓拉比的脆性指數(shù)B2、基于割線模量的脆性指數(shù)B3如圖3所示。

圖3 基于不同模型的各巖樣脆性指數(shù)Fig.3 Brittleness index of samples based on different models

基于3個脆性評價模型得到的脆性指數(shù)B1、B2、B3大小差異顯著。除了其中個別巖樣的脆性指數(shù)B3大于B1外，所測試巖樣脆性指數(shù)B1結(jié)果普遍大于脆性指數(shù)B2、B3，且各個巖樣的脆性指數(shù)B3都小于B1、B2。脆性指數(shù)B2居中、脆性指數(shù)B3居中。對照表1所示脆性等級劃分，25個測試樣品中，依據(jù)脆性指數(shù)B2結(jié)果巖樣普遍呈現(xiàn)塑性，僅2個巖樣呈現(xiàn)低脆性；脆性指數(shù)B1顯示大部分巖樣均為脆性-高脆性，僅7個巖樣為低脆性，且有3個巖樣為高脆性；脆性指數(shù)B3顯示15個樣品為低脆性-塑性，其他樣品呈現(xiàn)脆性。因此，結(jié)合對巖樣的應力-應變曲線及破壞特征分析可知，脆性指數(shù)B1計算結(jié)果普遍偏大，相對而言，脆性指數(shù)B3的計算結(jié)果能夠更好表征百口泉組礫巖的脆性特征。

表1 巖石脆性等級分類Table 1 Classification of rockbrittleness

2.2 礫巖脆性的影響因素分析

研究表明，巖石的脆性特征受自身巖性、礦物組成、巖石結(jié)構、非均質(zhì)度以及所賦存的應力環(huán)境、溫度環(huán)境、流體環(huán)境、應力加載路徑及應力加載方式等因素的影響與控制。

針對頁巖的相關研究顯示[20-21]：巖石中石英等脆性礦物含量高，則巖石的脆性特征顯著；裂縫、層理等軟弱結(jié)構面的發(fā)育，有利于增強巖石的脆性；隨圍壓增大、應力水平增高、溫度升高，巖石的脆性減弱、塑性增強；隨巖石孔隙流體壓力的增大，巖石的脆性則呈增強趨勢。

脆性指數(shù)計算結(jié)果(圖4)也表明：單軸條件下表現(xiàn)為脆性的礫巖，在圍壓35 MPa條件下則呈現(xiàn)為低脆性-塑性，即隨圍壓增大，礫巖的變形破壞模式發(fā)生了由脆性向塑性的轉(zhuǎn)變。

圖4 不同圍壓下礫巖脆性指數(shù)B3Fig.4 Brittleness index B3 with different confining pressure

結(jié)合本實驗研究獲得孔隙度結(jié)果，對相同圍壓下的脆性指數(shù)B2、B3與孔隙度的統(tǒng)計關系顯示隨孔隙度增大，所分析礫巖的脆性指數(shù)呈降低趨勢(圖5)。百口泉組礫巖儲層礫巖膠結(jié)類型為孔隙-壓嵌型，儲集空間類型主要為剩余粒間孔和長石溶孔，儲集層孔隙結(jié)構及孔喉組合類型多樣，在應力作用孔隙空間首先發(fā)生大幅壓實變形，隨著應力進一步增大，孔隙發(fā)生破裂，產(chǎn)生不可恢復的塑性變形。且孔隙度越大，孔隙壓實變形-破裂效應越顯著，巖樣塑性變形越大。隨孔隙度增大，塑性變形越大。

圖5 礫巖脆性指數(shù)與孔隙度的關系Fig.5 Relation between brittleness index and porosity of conglomerate

相同圍壓條件，隨巖樣密度增大，脆性指數(shù)B2、B3呈現(xiàn)增大趨勢(圖6)。進一步分析可知，百口泉組礫巖中礫石以玄武質(zhì)凝灰?guī)r、霏細巖為主；隨礫石含量增高、膠結(jié)物含量降低、填隙物減少，密度增大，應力作用下，礫石更易沿著礫石顆粒間接觸面產(chǎn)生錯動、滑移，導致礫巖整體塑性變形加劇。

圖6 礫巖脆性指數(shù)與密度的關系Fig.6 Relation between brittleness index and density of conglomerate

3 結(jié)論

(1)不同圍壓下巖石力學實驗研究表明，瑪湖凹陷百口泉礫巖在無側(cè)向圍壓的單軸條件下表現(xiàn)出脆性特征，但在地層圍壓條件下，呈現(xiàn)為低脆性-塑性的特征。

(2)對于相同巖樣，不同脆性評價方法得到的脆性指標存在顯著差異。針對百口泉組礫巖，基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1、基于壓拉比的脆性指數(shù)B2、基于割線模量的脆性指數(shù)B33個模型計算結(jié)果中，基于Rickman模型的脆性指數(shù)B1相對最大，基于壓拉比的脆性指數(shù)B2相對最小。結(jié)合實驗呈現(xiàn)的脆性特征，基于割線模量的脆性指數(shù)B3能夠較好地表征百口泉組礫巖的脆性特征。

(3)實驗結(jié)果統(tǒng)計分析表明，瑪湖凹陷百口泉組礫巖的脆性與圍壓以及自身的孔隙度、密度關系密切。具體表現(xiàn)為：隨圍壓、孔隙度增大，礫巖的脆性降低、塑性增強；隨密度增大，礫巖的脆性增強、塑性降低。