基于地層條件下力學試驗的致密砂巖可壓裂性評價

趙寧,司馬立強,劉志遠,耿輝,郭宇豪,馬駿

(1.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,四川成都610500;2.埃因霍芬理工大學機械工程學院,荷蘭埃因霍芬5612AZ;3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中國石油長慶油田分公司隴東天然氣項目部,甘肅慶陽745000)

0 引 言

中國陸上致密砂巖氣分布范圍較廣,其中以鄂爾多斯盆地上古生界地層最為典型,主力層系為二疊系下石盒子組,勘探開發(fā)潛力巨大[1-2]。然而,致密砂巖氣儲集層無自然產(chǎn)能已是業(yè)界共識,需通過壓裂或酸化等工藝技術(shù)才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟價值的天然氣,配套技術(shù)中的儲層可壓裂性評價,是致密油氣等一系列非常規(guī)能源甜點預測及壓裂方案設計的重要技術(shù)支撐。

目前,學者針對鄂爾多斯盆地致密砂巖巖石力學特征及可壓裂性評價,已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作,現(xiàn)有的方法主要分為4類:①開展模擬地層條件下的巖石力學試驗,并借助測井資料完成巖石力學參數(shù)的定量表征,分析巖石力學參數(shù)空間分布的影響因素[3-6];②基于彈性模量、泊松比以及脆性系數(shù)等巖石力學參數(shù),多控制因素結(jié)合進行儲層可壓裂性評價[7-8];③基于巖石力學特性與地質(zhì)因素相結(jié)合的可壓裂性評價,除了考慮常規(guī)巖石力學特性之外,還綜合分析儲層裂縫發(fā)育程度、縫網(wǎng)形成機制等地質(zhì)因素[9-11];④基于支撐劑量、射孔方式、壓裂液類型等工程參數(shù)的儲層可壓裂性評價[12-13]。然而,上述方法多針對三疊系延長組長7、長8或盆地頁巖地層,對以鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組為代表的國內(nèi)陸上致密砂巖氣,尚未進行系統(tǒng)的儲層可壓裂性評價方法研究。

以鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層為研究目標,以模擬地層溫度、壓力條件下三軸力學試驗以及巴西劈裂試驗為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)場實際,實現(xiàn)了巖石力學參數(shù)與地應力的定量評價。同時,綜合考慮巖石脆性、斷裂韌性及水平地應力差指數(shù),建立了適用于下石盒子組致密砂巖開發(fā)的可壓裂性評價及分級方法,為工程甜點預測以及壓裂方案設計提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于中國中西部,占地面積為37×104km2,是一個整體升降、坳陷遷移、構(gòu)造簡單的大型多旋回克拉通盆地,其中杭錦旗地區(qū)位于盆地伊陜斜坡背部,泊爾江海子斷裂以南,構(gòu)造平緩,總體特征為向西南傾斜的單斜構(gòu)造,在此背景上發(fā)育向西南或南傾沒的鼻狀構(gòu)造。下石盒組是以粗碎屑沉積為主的沖積平原-辮狀河、沖積扇沉積體系,與山西組河道砂體疊置;平面展布穩(wěn)定,巖石粒度整體較粗,主要發(fā)育低孔隙度低滲透率-特低孔隙度特低滲透率致密砂巖儲層,構(gòu)成區(qū)域內(nèi)主勘探層系。

2 巖石學特征與試驗方法

2.1 巖石學特征

參考國家標準《巖石薄片鑒定》(SY/T 5368-2000),下石盒子組致密砂巖巖石類型可分為中-細粒巖屑砂巖、粗粒巖屑砂巖以及巨-粗粒巖屑砂巖,肉眼觀察巖心斷面及表觀特征,顆粒粒徑由細至粗,區(qū)分明顯[見圖1(a)、(b)、(c)];巖石礦物組分以石英(73.02%)與黏土(23.86%)為主,碳酸鹽巖礦物含量為3.26%;長石類型主要為鉀長石與斜長石,其中脆性礦物含量(石英+長石+碳酸鹽巖礦物)較高,達71.14%;巖石粒徑變粗,呈現(xiàn)石英含量升高、黏土含量降低的趨勢;分析物性測試數(shù)據(jù),中-細粒巖屑砂巖(孔隙度3.28%,滲透率0.045 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同)、粗粒巖屑砂巖(孔隙度9.68%,滲透率0.175 mD)至巨-粗粒巖屑砂巖(孔隙度12.28%,滲透率0.684 mD),孔隙度與滲透率隨巖石粒徑變粗逐漸增大;巖石結(jié)構(gòu)分析表明:分選中等,磨圓以次棱-次圓為主,接觸關(guān)系多為線接觸,支撐關(guān)系為顆粒支撐;孔隙結(jié)構(gòu)類型以巖屑粒內(nèi)溶孔、高嶺石溶孔等次生溶孔為主,孔隙連通性差,多為孤立狀[見圖1(d)、(e)、(f)]。

圖1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)下石盒子組一段巖性與孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.2 試驗方法

巖樣切割示意圖與試驗測試系統(tǒng)見圖2。按照試驗規(guī)定尺寸,將鉆取的巖樣加工為主體Ⅱ部分,采用平行巖樣的方式開展試驗,以保證試驗結(jié)果間的可對比性。柱塞樣Ⅰ(長度5.00 cm,直徑2.52 cm)用于高溫高壓三軸力學試驗,柱塞樣Ⅱ(長度2.52 cm,直徑2.52 cm)用于巴西劈裂法抗張強度試驗;切割過程中,保證柱塞樣端面平整且與圓柱體軸線相垂直,避免巖心存在不可修復的缺角[見圖2(a)]。

巖石抗張強度試驗采用巴西劈裂法,參考國家標準《巖石物理力學性質(zhì)試驗規(guī)程第21部分:巖石抗拉強度試驗》(DZ/T 0276.21-2015)。試驗設備采用RTR-1000型巖石力學測試系統(tǒng),探頭加荷速率為0.01 mm/s,沿圓柱體徑向施加相對線性載荷,使巖樣內(nèi)部沿徑向產(chǎn)生拉應力而受到破壞,由最大承載力求得巖石抗拉強度。同時,為保證巖心破壞特征的自然合理性,而不是加荷探頭下壓過度所致,操作過程與實時軟件聯(lián)動,當法向力-時間曲線出現(xiàn)斷崖式下降時,即刻停止加荷探頭加載,反向提升探頭高度[見圖2(b)]。

圖2 巖樣切割示意圖與試驗測試系統(tǒng)

巖石三軸力學試驗參考國家標準《巖石物理力學性質(zhì)試驗規(guī)程第20部分:巖石三軸壓縮強度試驗》(DZ/T 0276.20-2015)。試驗設備采用RTR-1000型巖石力學測試系統(tǒng),測試環(huán)境為模擬原始地層高溫高壓狀態(tài),首先將加持器內(nèi)的溫度升至與地層溫度一致,再以0.05 MPa/s的加載速率將圍壓加至地層有效應力值,保持溫度和圍壓在后續(xù)的測試中恒定(100 ℃,40 MPa),軸向位移加載速率為0.06 mm/min[見圖2(c)]。

3 巖石力學參數(shù)及地應力預測

表征地層巖石力學特性的關(guān)鍵參數(shù)包括彈性模量、抗壓強度、泊松比以及地應力分布等,上述參數(shù)對于解決如井壁失穩(wěn)、水力壓裂起縫以及擴展規(guī)律等工程問題有著重要意義。因此,對井剖面地層巖石力學參數(shù)進行科學合理的連續(xù)預測是非常重要的基礎(chǔ)工作,一般獲取方法分為室內(nèi)取心試驗(靜態(tài)參數(shù))與測井預測(動態(tài)參數(shù))。巖石力學試驗是最直接的方法,但鉆井取心的不連續(xù)性及高成本,決定了僅靠室內(nèi)試驗掌握每一深度的巖石力學參數(shù)是不切實際的。針對這一問題,可通過反映地層信息的聲波、密度等測井資料來獲取,測井資料作為一種原位測試資料,能夠更好地反映地下高溫高壓環(huán)境以及自身復雜結(jié)構(gòu)對巖石力學特性的影響。該研究將室內(nèi)試驗與測井資料相結(jié)合,建立適用的巖石力學參數(shù)預測模型。

開展巖石力學試驗為保證測試狀態(tài)接近實際地層,三軸實驗裝置模擬原地狀態(tài)下的溫度和壓力,同時兼測巖樣聲波特征參數(shù)。聲波測試中發(fā)射探頭頻率與現(xiàn)場測井儀器頻率接近,測試結(jié)果:巖心縱波時差范圍在220.16～271.56 μs/m,平均值為243.98 μs/m;巖心深度歸位后對應聲波測井曲線的縱波時差范圍在208.12～264.10 μs/m,平均值為247.08 μs/m,這2種方式數(shù)值匹配度高,表明構(gòu)建的模型適用性與可靠性較好。分析彈性模量、泊松比、抗壓強度以及抗張強度與同步測得的聲波、密度值之間的關(guān)系,并通過統(tǒng)計、擬合以及實測數(shù)據(jù)校驗,構(gòu)建巖石力學參數(shù)測井預測模型(見圖3),模型見式(1)～式(4)。

E=1.08×vP×DEN+1.614

(1)

ν=1.483×E-0.806

(2)

P=31×vP×DEN-149.42

(3)

S=0.755×vP×DEN-5.52

(4)

式中,E為彈性模量,GPa;ν為泊松比,無量綱;P為抗壓強度,MPa;S為抗張強度,MPa;vp為縱波速度,km/s;DEN為密度,g/cm3。

圖3 鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖巖石力學參數(shù)預測模型

地應力測井預測以巖心實測資料為基礎(chǔ),建立地應力預測模型,利用相關(guān)的地球物理測井數(shù)據(jù)進行地應力計算分析,該研究采用最為經(jīng)典的斯倫貝謝組合彈簧模型(1988),綜合考慮地層巖石力學特征、孔隙壓力及構(gòu)造作用對地應力的影響,在實際工程中應用廣泛,公式為

(5)

(6)

(7)

式中,SHmax為水平向最大主應力,MPa;SHmin為水平向最小主應力,MPa;SHV為垂向最大主應力,MPa;α為有效應力系數(shù);εH為最大主應力方向構(gòu)造應變系數(shù),無量綱;εh為最小主應力方向構(gòu)造應變系數(shù),無量綱;pp為地層孔隙壓力,MPa;H0為測井起始點深度,m;ρ0(h)為未測井段深度為h點的密度值,g/cm3;ρ(h)為深度為h點的測井密度值;g為重力加速度,m/s2。

4 可壓裂性主控因素

針對研究區(qū)致密砂巖儲層,增產(chǎn)改造前難以通過自然產(chǎn)能獲取有效的經(jīng)濟價值,以及研究區(qū)具有縱向上見高強度隔層發(fā)育的特點,儲層可壓裂性評價作為壓裂層段優(yōu)選的基礎(chǔ)就顯得尤為關(guān)鍵。在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,充分考慮研究區(qū)的地質(zhì)條件,該研究將脆性指數(shù)、斷裂韌性以及水平地應力差指數(shù)作為儲層可壓裂性主控因素。

4.1 脆性指數(shù)

在石油工程范疇內(nèi),巖石脆性指在外力作用下發(fā)生破裂的性質(zhì)[14-16],脆性指數(shù)是影響致密砂巖壓裂效果的主要因素,即脆性指數(shù)越高,壓裂后越易發(fā)育裂縫,工業(yè)開采價值越大。定量表征脆性指數(shù)的方法較多,較為常用的是基于礦物組分法,但是下石盒子組致密砂巖礦物成分單一,主要以石英為主,該方法并不適用。因此,本次研究基于三軸力學實驗實現(xiàn)脆性指數(shù)的表征。

彈性模量的定義為正向應力與正向應變的比值,它的大小標志材料的剛性。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時,橫向正應變與軸向正應變絕對值的比值,反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。彈性模量反映巖石被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映巖石受力后抵抗破裂的能力,彈性模量越大,泊松比越低,則巖石脆性越強,研究區(qū)配套有模擬原地溫壓條件下的三軸力學試驗,并且可利用測井曲線實現(xiàn)彈性模量與泊松比的連續(xù)定量表征。因此,采用彈性模量-泊松比法評價研究區(qū)儲層脆性指數(shù)適用性較強,公式為

(8)

(9)

(10)

式中,EBrit為歸一化彈性模量,無量綱;νBrit為歸一化泊松比,無量綱;Emax、Emin為儲層巖石彈性模量的最大值與最小值,GPa;νmax、νmin為儲層巖石泊松比的最大值與最小值,無量綱;Brit為彈性模量-泊松比法確定的巖石脆性指數(shù)。

4.2 斷裂韌性

當巖石受力超過一定數(shù)值后,巖石會趨于斷裂,巖石強度是其本身的固有屬性,斷裂韌性KC這一臨界參數(shù)能夠有效表征巖石抵抗斷裂的能力,KC值越大,其阻止裂紋擴展的能力越強,即KC是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的度量。然而,斷裂韌性試驗繁瑣且受取心條件限制,采用常規(guī)試驗方法大量測定斷裂韌性較為困難,從破裂機理的角度分析,巖石在外應力下發(fā)生斷裂,可以把巖石抵抗拉張破壞的能力等同于巖石斷裂強度,在研究區(qū)能夠?qū)箯垙姸冗B續(xù)定量表征的基礎(chǔ)上,結(jié)合少量斷裂韌性試驗,可構(gòu)建研究區(qū)儲層斷裂韌性定量表征模型。

KC=0.0945S+0.0245

(11)

式中,KC為巖石斷裂韌性,MPa·m1/2;S為巖石抗張強度,MPa。

4.3 水平地應力差指數(shù)

地應力在壓裂中決定了人工裂縫的方位與形態(tài)特征[17]。當水平主應力差值較小時,人工縫容易沿多方向擴展,有利于形成充分的壓裂縫網(wǎng)絡,水平主應力差值較大時,地應力對壓裂縫的控制作用逐漸增強,壓裂縫則主要沿最大水平主應力方向擴展,形成的裂縫形態(tài)較為單一[18]。該研究針對地應力測試配套有針對性的Kaiser聲發(fā)射實驗,基于組合彈簧模型能夠?qū)崿F(xiàn)全井段地應力預測,參考前人的研究成果并結(jié)合本研究區(qū)現(xiàn)場實際,采用水平地應力差指數(shù)來表征2個水平主應力之間差值的大小。

(12)

式中,KH為水平地應力差指數(shù)。

前人研究認為,當水平地應力差指數(shù)小于0.3時,能夠充分形成裂縫網(wǎng)絡,表明地層可壓裂性好;當水平地應力差指數(shù)在0.3～0.5時,壓裂能夠形成較為充分的裂縫網(wǎng)絡;當?shù)貙佣嗡降貞Σ钪笖?shù)大于0.5時,難以形成裂縫網(wǎng)絡且裂縫形態(tài)單一,表明地層可壓裂性差[19]。

5 可壓裂性綜合評價方法

結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)場實際,多因素對比分析儲層巖石類型、力學特征以及地應力分布,明確了研究區(qū)儲層可壓裂性主要受控于脆性指數(shù)、斷裂韌性以及水平地應力差指數(shù),可采用上述三參數(shù)作為特征指標,定量評價研究區(qū)儲層可壓裂性。

5.1 參數(shù)歸一化處理

脆性指數(shù)、斷裂韌性及水平應力差指數(shù)的單位、量綱以及所指代物理意義各不相同,并且各參數(shù)有效值范圍也存在差異,因此,要對各參數(shù)進行歸一化處理。儲層脆性指數(shù)為正向參數(shù),即脆性指數(shù)數(shù)值越大對壓裂改造越有利,正向參數(shù)歸一化計算公式為

(13)

儲層斷裂韌性與水平地應力差指數(shù)為負向參數(shù),即上述兩參數(shù)數(shù)值越大則壓裂改造效果越差,負向參數(shù)歸一化計算公式為

(14)

式中,M為歸一化后的控制參數(shù);Amax、Amin分別為研究區(qū)內(nèi)控制參數(shù)的最大值和最小值;A為研究層段的控制參數(shù)。

5.2 權(quán)重系數(shù)確定

中國部分學者針對可壓裂性控制因素進行了相關(guān)研究,認為儲層的脆性對可壓裂性影響最大,其次為斷裂韌性與地應力環(huán)境[20-21],這3個參數(shù)表現(xiàn)出明顯的層次分布。可利用層次分析法將決策有關(guān)參數(shù)分解成目標層、準則層、方案層,在層次化的基礎(chǔ)之上,確定問題的控制因素,并通過兩兩之間因素的相互比較建立判斷矩陣,最終得到各個控制因素的權(quán)重系數(shù)[22]。主要分為4個步驟:①針對儲層可壓裂性評價進行層次化結(jié)構(gòu)分析(見圖4);②對脆性指數(shù)、斷裂韌性及水平地應力差指數(shù)進行歸一化處理;③對上述3個控制因素兩兩進行比較,設定1、3、5及其倒數(shù)作為衡量標度建立判別矩陣(見表1);④以判別矩陣為依據(jù)分別確定3個主要控制參數(shù)的權(quán)重系數(shù),建立研究區(qū)儲層可壓裂性定量評價模型。

圖4 鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖可壓裂性評價層次結(jié)構(gòu)圖

表1 鄂爾多斯盆地下石盒子組可壓裂性權(quán)重判別矩陣

結(jié)果顯示,脆性系數(shù)、斷裂韌性以及水平地應力差指數(shù)3個參數(shù)的權(quán)重分別為0.65、0.21、0.14,利用上述參數(shù)擬合研究區(qū)儲層可壓裂性指數(shù)FI,定量表征致密砂巖壓裂改造的難易程度,公式為

FI=0.65Brit+0.21KC+0.14KH

(15)

式中,FI為可壓裂性指數(shù)。

經(jīng)與現(xiàn)場壓裂實際反復比對,將下石盒子組儲層的可壓裂級別劃分為2級。當FI大于0.25時,壓裂級別為Ⅰ級,可壓裂性較好;當FI小于0.25,代表儲層可壓裂性一般。針對上述儲層可壓裂性評價及分級方法,須通過現(xiàn)場實際井資料驗證該方法的適用性。

6 應用效果

基于上述評價模型,利用測井資料計算得到下石盒子組致密砂巖巖石力學參數(shù)及地應力縱向分布特征。如圖5所示,儲層段的彈性模量為11.29～12.77 GPa,隔夾層的彈性模量為13.39～14.96 GPa;儲層段泊松比為0.19～0.25,隔夾層的泊松比為0.166～0.186;儲層段抗壓強度為129.71～172.48 MPa,隔夾層的抗壓強度為190.16～235.48 MPa;儲層段抗張強度為1.27～2.32 MPa,隔夾層抗張強度為2.75～3.85 MPa。分析可知,相比較于儲層段,隔夾層不僅具有較大的彈性與強度參數(shù),同時具有較高的地應力與較低的地應力差。周文等[23]針對川西新場氣田沙二段致密砂巖儲層巖石力學性質(zhì)進行研究,得到的認識與本文類似,即彈性模量、抗壓及抗張強度與巖石的致密程度密切相關(guān)。地層在縱向上的巖石力學特性與地應力分布差異明顯,在后續(xù)的壓裂改造中,壓裂縫的縱向延伸與擴展極有可能受到高強度、高應力隔夾層的阻擋,降低壓裂縫的縱向溝通能力,使最終的壓裂施工難以達到預期效果。因此,儲層可壓裂性評價與縱向壓裂層段的優(yōu)選尤為重要。

圖5為鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)J110井下盒子組一段(3 012～3 052 m)可壓裂性評價縱向剖面。該段巖性特征為上下泥巖隔夾層而中部為砂巖層,砂體上部和下部均為較厚的泥巖遮擋層。深度分界點分別為3 015 m和3 043 m,可壓裂性指數(shù)大于0.25的層段全部集中于中部砂巖層段,其中3 015.0～3 019.0 m具有較強的代表性,除去3 016.2～3 016.4 m及3 018.0～3 018.2 m自然伽馬值較高的泥巖隔層,該層段可壓裂性控制因素整體表現(xiàn)為脆性指數(shù)高、斷裂韌性低、水平地應力差指數(shù)低的特征。綜合可壓裂性指數(shù)FI為0.36,大于劃分的下石盒子組可壓裂性級別(0.25)。因此,將3 015.0～3 019.0 m可壓裂級別定為Ⅰ級,現(xiàn)場實際壓裂層段為3 015.0～3 022.0 m,施工方式為常規(guī)水力加砂、液氮伴注壓裂工藝,排量為2.5 m3/min,入地凈液量247.4 m3,入井總砂量41.5 m3,整體施工順利。壓裂后穩(wěn)定產(chǎn)氣量4.036×104m3/d,產(chǎn)液量低,無阻流量6.819 6×104m3/d。在為期100 d的生產(chǎn)時間內(nèi),平均氣產(chǎn)量1.391 6×104m3/d,累積產(chǎn)氣量130.82×104m3。整體而言,致密砂巖可壓裂性評價結(jié)果與試氣壓裂結(jié)果相吻合,判定目標層段下部同樣存在可壓裂性較好的地層,但其厚度薄且層間隔夾層厚度較大,認為改造風險大不宜壓裂。

圖5 鄂爾多斯盆地J110井下石盒子組地層可壓裂性綜合評價

7 結(jié) 論

(1)下石盒子組地層巖石的巖石力學參數(shù)以及地應力分布特征差異明顯,儲層間存在高應力與高強度的隔擋夾層,在壓裂作業(yè)中應重點考慮地層的可壓裂性及可壓層段的優(yōu)選,避免受隔擋夾層的影響造成壓裂縫縱向溝通能力不足。

(2)綜合分析研究區(qū)巖石力學試驗特性、破裂特征以及地層力學參數(shù)縱向剖面,確定儲層可壓裂性受控于脆性指數(shù)、斷裂韌性以及水平地應力差指數(shù),權(quán)重系數(shù)依次降低。

(3)根據(jù)層次分析法建立的致密砂巖可壓裂性評價方法,得到的可壓裂性結(jié)果與試氣壓裂結(jié)果相吻合,表明所建立的可壓裂性評價方法在鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖地層中有較好的適用性。