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页岩储集层脆性研究进展

页岩储集层脆性研究进展

由于低孔特低渗的物性特征,页岩气的成功开采依赖于有效的体积压裂改造,因此可压裂性就成为优选有利压裂层段的重要指标,而岩石脆性特征则是影响压裂品质的主要因素,在很大程度上决定着压裂的难易程度和压裂缝的形态。前人研究认识和实践经验表明,页岩脆性越好,造缝能力越强,越易形成复杂的裂缝网络,改造效果越理想;脆性越差,则塑性特征越明显,越易形成简单形态的裂缝,会降低压裂改造的效果。除此之外,脆性还决定着天然裂缝的发育程度和游离气的相对含量,压裂工艺技术的选择和施工参数的设计也要依据页岩的脆性特征。BOWKER K A认为,Barnett页岩获得高产的原因在于页岩的脆性和增产措施的成功应用。因此,脆性是页岩储集层地质评价的重要内容之一,是选择有利区和有利层段的重要参数。

目前,对页岩脆性的研究工作还处于探索阶段,脆性的评价主要基于北美页岩气勘探开发中的经验认识,通过矿物组成或弹性参数表征页岩脆性。一方面,这些经验认识缺乏系统的实验研究作为理论支撑;另一方面,不同页岩气区地质条件差异大,尤其是中国南方海相页岩储集层具有埋深范围大、岩相类型多样、非均质性强等特殊性和复杂性,这些方法在具体地区的适用性仍有待探讨。脆性影响因素的研究,主要是通过岩石力学实验,分析层理和围压等因素与页岩脆性破坏特征和破裂模式的关系。评价方法及影响因素是页岩脆性研究的重点和难点,对于深入认识页岩脆性破坏机制和有效预测储集层压裂品质具有重要的理论和实践意义。

1 页岩脆性评价

脆性是岩石的重要力学属性之一,岩石力学认为,脆性是指物体受力后形变很小就发生破裂的性质,而延性则是指物体能承受较大形变而不丧失其承载力的性质。由于岩石力学中并没有给出具体的评价指标及测量方法,基于不同的评价目的,不同领域的学者提出不同的定义和评价公式。MORLEY A和HETÉNYI M I把脆性定义为塑性的缺失;RAMSAY J G认为,脆性是指岩石内部的粘聚力被破坏;OBERT L等则提出脆性是材料在屈服应力或稍大于屈服应力下断裂的性质。目前,较为普遍的认识是,脆性是岩石在一定的应力作用下不发生明显形变即破裂的性质。

岩石脆性的室内评价方法已有近30种,大致可以分为基于硬度测试、韧性测试、抗压抗拉强度实验、冲击实验和贯入实验,以及基于应力-应变曲线等几类方法。HUCKA V、李庆辉、王宇等都对岩石脆性的室内评价方法进行了系统的总结。

1.1 页岩脆性评价方法

对于页岩储集层脆性的表征,在已有的岩石脆性评价方法的基础之上,结合勘探开发实践经验,相关学者相继提出了很多表征泥页岩压裂造缝品质的脆性评价指数。由于在页岩储集层的地质评价中,脆性评价是为了指导甜点区和甜点层段的优选,其方法不仅要满足合理性,还要考虑实用性,即可以有效实现连续的矿场预测,而不仅仅局限于室内岩心实验。因此,目前主流的方法包括矿物法和弹性参数法2类,这2类方法可以通过X射线衍射全岩分析或测井和地震资料进行连续解释,为页岩储集层脆性的定量评价提供了最为简单实用的手段(表1)。

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JARVIE D M等基于Barnett页岩的矿物组成特征,认为石英是主要的脆性矿物,其含量可以有效反映页岩脆性,提出以石英所占比例表征页岩脆性(B1)。在之后的应用中,诸多学者针对脆性矿物的界定提出不同的改进形式:WANG F P等提出白云石也是脆性矿物组分;李钜源等则指出,在碳酸盐矿物含量较高的页岩气区,应考虑碳酸盐矿物组分对脆性的贡献;JIN X C等综合上述脆性指数公式,将其进一步修正为以石英、长石、云母和白云石作为脆性矿物组分。由此可见,矿物法的关键在于对脆性矿物的准确界定。上述定义公式均是基于经验统计,缺乏理论依据,需要进一步修正和完善。

RICKMAN R等同样基于 Barnett页岩勘探开发的实践经验,经过统计分析,指出高弹性模量和低泊松比的页岩脆性更强,认为泊松比可以反映页岩在应力下破裂的能力,弹性模量可以反映页岩破裂后维持裂缝的能力,提出以弹性模量和泊松比综合表征页岩脆性水平。在之后的应用中,GOODWAY B、GUO Zhiqi、刘致水等提出的改进形式也基本遵循这一思路。

1.2 页岩脆性评价方法的缺陷分析

虽然矿物法和弹性参数法能较好地定量表征和评价页岩储集层脆性,具有较强的实用性,但是这2种方法存在的问题和缺陷也不容忽略。二者都是北美页岩气勘探中总结的经验认识,在中国页岩储集层沉积环境多样、岩相类型复杂和埋深范围大等特殊地质条件下,这些方法的合理性和适用性有待探讨。

1.2.1 脆性矿物界定模糊

应用矿物法进行脆性解释的可靠性,依赖于对脆性矿物的准确界定和对具体地区页岩岩石学特征的详细分析。

如前所述,脆性矿物的界定还没有统一的认识。RICKMAN R等基于对美国福特沃斯盆地 Barnett页岩的统计数据,指出随着石英含量增加,脆性增加,随着黏土矿物含量增加,脆性降低,而富碳酸盐矿物的页岩为中等脆性水平。MATTHEWS H L等对北美典型页岩开发区块进行了总结评价,认为相对黏土矿物和石英来说,碳酸盐矿物更脆,应属于脆性矿物。NELSON R A认为长石和白云石也是脆性矿物。刁海燕利用Voigt和Reuss模型模拟岩石的弹性模量和泊松比随矿物成分的变化规律,得到随方解石含量增加,弹性模量减小、泊松比增大的结论,表明方解石不应该作为脆性矿物。

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不同地区页岩的矿物组成特征差异也较大。例如,中国四川焦石坝地区五峰—龙马溪组海相页岩的矿物组分以硅质矿物为主,与 Barnett 页岩具有较大相似性;而长宁和威远地区五峰—龙马溪组页岩的钙质矿物含量则明显较高,普遍发育钙质页岩相和钙质硅质页岩相,与 Barnett页岩具有显著差异(图1)。以威远地区 W201井五峰—龙马溪组页岩为例,应用常用的2种矿物脆性指数(B1和B3)进行脆性解释(图2)。结果显示,二者解释的脆性水平差异较大,甚至局部脆性变化趋势相反。若仅以石英为脆性矿物,则W201井主要产层段的脆性水平普遍低于40%,而由于威远地区页岩的矿物组成中方解石和白云石的平均含量超过25%,所以仅考虑石英含量不足以反映其真实的脆性水平;若以石英和碳酸盐矿物作为脆性矿物,则五峰—龙马溪组页岩的脆性水平普遍高于50%,且脆性最高值位于五峰组观音桥段的泥灰岩层。而实践证明,灰岩破裂强度高,往往成为裂缝遮挡层,与“脆性越高,越容易压裂,岩石造缝能力越强”的认识相违背,所以笼统地将碳酸盐矿物均作为脆性矿物,也可能会造成错误的解释结果。除了石英和碳酸盐矿物之外,威远地区页岩的矿物组成中,黄铁矿在部分层段也有较高含量,例如在五峰组中上部最高可达17%。

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因此,应首先区分不同矿物的脆性水平,准确界定脆性矿物种类,并根据研究区具体矿物组成特征确定矿物脆性指数公式。

1.2.2 弹性参数法的理论缺陷

根据岩石力学中岩石变形破坏的规律,近地表的岩石多数具有脆性或半脆性特征,而在高温高压条件下会发生脆性向塑性转变。但是弹性参数法在进行脆性解释时,脆性会呈现随围压增加而逐渐增加的特征(图3),这不符合岩石力学基本规律。

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弹性参数法依据高弹性模量和低泊松比的标准,可以有效区分高硅质矿物含量的脆性岩石(如硅质页岩、钙质硅质页岩等)和高黏土矿物含量的塑性岩石(如黏土质页岩等)。然而,中国南方海相页岩埋深范围大,为1500~4500m,弹性参数法无法反映同一类型岩相的脆性特征随深度的变化,难以为准确评估深部页岩由于脆性变化所造成的压裂难度的增加提供依据。

因此,针对深层页岩的脆性评价,应增加可以反映围压影响的埋深指示因子,以反映深层和浅层页岩脆性差异。

2 页岩脆性的影响因素

脆性作为描述岩石形变与破坏特征的力学参数,是岩石力学性质的综合表现。科学的脆性评价方法应该建立在对脆性影响因素的深入认识之上。岩石力学基本理论和页岩岩石力学性质的实验研究表明,矿物成分及其含量、结构特征、孔隙流体、所处温度和压力环境,以及应力加载方式等,均会对岩石脆性产生影响。其中,矿物组成、层理和围压是最主要的影响因素。

2.1 矿物组成和有机质

矿物组成在很大程度上决定着岩石的脆性特征,认识不同矿物组分脆性特征的差异,有助于准确界定脆性矿物种类。

不同岩性的泥页岩具有不同的破裂强度、弹性模量和泊松比等力学性质。例如,钙质页岩、粉砂质页岩、普通页岩的破裂强度依次减小。不同岩性的泥页岩力学性质的差异源于各矿物组分力学特征的差异,包括强度、弹性和韧性等(表2)。石英具有高弹性模量、低泊松比和低韧性的特点,是最典型的脆性矿物;黏土矿物则具有显著的低弹性模量、高泊松比和高韧性的特点,是最典型的塑性矿物;长石和方解石虽然弹性模量较高,但是泊松比也很高,脆性并不强。若按照“高弹性模量和低泊松比”的标准,石英、白云石和黄铁矿是脆性较强的3种矿物。

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结合前文对威远地区五峰—龙马溪组海相页岩矿物组成特征的分析结果(高钙质含量、局部高黄铁矿含量),认为以石英、白云石和黄铁矿作为脆性矿物进行脆性指数的计算更为准确和合理。将此公式应用于四川盆地五峰—龙马溪组海相页岩的脆性评价中,应用效果较好。

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除了矿物组成以外,相关学者对富有机质页岩中有机碳含量和岩石弹性参数的统计数据表明,有机质也会通过降低弹性参数而影响其脆性(图4)。然而,四川盆地五峰—龙马溪组海相页岩中生物成因硅质成分决定了有机质与硅质矿物的共生关系,因此难以评估有机碳含量对页岩脆性的直接影响。对于有机质的影响还缺乏深入的实验研究和可靠认识。

2.2 层理

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页岩的层理结构所引起的力学性质的各向异性特征显著,沿不同层理角度取心的岩样呈现出不同的脆性特征。抗压强度在平行于层理面的方向上最高,与垂直层理面方向的抗压强度大致相当,在与层理面呈 30°夹角的方向上抗压强度最低。弹性模量在平行层理面的方向上最大,随层理角度的增加而减小;泊松比与层理面角度没有显著的相关性(图5)。层理面在岩样破坏过程中表现为弱面结构,会显著降低岩石的力学强度,层理发育较好的页岩更容易沿层理面发生脆性破坏。深入认识页岩力学性质的各向异性特征,对于压裂施工设计和优化具有重要意义。

除层理之外,天然裂缝和微裂缝也是造成页岩力学性质各向异性和影响页岩脆性的重要结构因素。一方面,裂缝的发育会使页岩的力学参数呈现不同的变化规律;另一方面,裂缝的存在也会作为结构弱面降低岩石强度,使其容易沿裂缝面发生脆性破坏,有助于裂缝网络的形成。

2.3 围压

围压是影响岩石力学性质的重要外因。围压的存在会使页岩内部的微裂隙趋于闭合,从而提高岩石的极限承载力,因此其抗压强度随围压的增加而增加,且在围压较低时,抗压强度增加速率较明显,当压增加到一定程度之后,微裂隙的闭合达到极限,抗压强度的增加速率逐渐减小。同时,围压也会抑制页岩破坏过程中微裂纹的产生和扩展,降低岩石的脆性。从弹性参数的变化规律来看,弹性模量随围压的增加而增加;泊松比则在围压较低时随围压的增加而增加,在围压较大时有减小的趋势,总体来看,规律性并不显著(图6)。

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正是由于围压对弹性模量和泊松比影响,弹性参数法确定的脆性指数呈现出随围压增加而增加的矛盾。如前文所述,需要在弹性参数的基础上,增加可以反映围压影响的埋深指示因子,以适应深层页岩脆性评价的需要。

围压对脆性的真实影响是通过抑制微裂纹的产生和扩展,从而削弱脆性。依据抗压强度随围压的变化规律可看出,抗压强度随围压增加而增加,这恰好反映了破裂难度随围压的增加而增加,正是破裂难度的增加使得发生脆性破坏的难度增加。因此,抗压强度就可以作为埋深指示因子来表征围压对脆性的削弱作用,抗压强度越高,脆性越弱。研究表明,断裂韧性也存在随围压增加而增加的规律,同样可以作为埋深指示因子。引入埋深指示因子之后,可以将新的公式定义为力学脆性指数,此公式则可以在优选脆性岩相的基础上进一步反映脆性随深度的变化规律。需要说明的是,此公式的具体形式还需要基于更加深入的理论和实验分析。

目前,页岩气深层开发技术尚不成熟,国内外主要页岩气区产层深度多数局限于3500m以内。普遍认为深层的高地层压力和复杂的地应力条件使得储集层压裂施工难度大,因而增产改造效果不理想。关于围压对脆性的影响,还需要在上述理论分析的基础上,结合深层的实际地应力条件,进一步开展高围压和真三轴力学实验,深入探究页岩脆性特征在高围压条件下的变化规律,以及地应力差异系数对脆性的影响,为深层页岩气开发提供理论指导。

2.4 脆性破裂模式

不同应力加载方向和围压下页岩的脆性破裂模式也呈现出极大的差异性。通常可以将页岩宏观破裂的基本模式分为拉张式(劈裂式)、剪切式和滑移式。在单轴压缩或围压较低时,岩样多发生纵向劈裂式破坏,破坏后产生较多裂缝;随围压增加,岩石的破坏模式由纵向劈裂式破坏逐渐演变为剪切式和剪切滑移式破坏,裂缝数量减少。平行于层理面的应力加载过程中,主要发生沿层理面的劈裂式破坏,岩石碎裂充分;应力加载方向与层理面呈30°和45°夹角时,以沿层理面方向的剪切式或剪切滑移式破坏为主;与层理面夹角为60°时,多发生与层理面呈较大夹角的剪切式破坏;垂直层理面方向上以贯穿层理的劈裂式和剪切式破坏为主(表3)。

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页岩的破坏模式是层理面和围压的综合作用结果。低围压下,层理面对破坏模式起主要控制作用,而高围压下层理面的影响减弱,岩石的破裂不再受结构的控制,围压对破坏模式和破坏特征的影响增强。页岩层理越发育,应力加载方向与层理面的夹角越小,围压越低,则脆性破坏越容易,破碎也越充分,破坏模式以劈裂式破坏为主,越有利于形成复杂的缝网。

目前,对页岩脆性破坏特征、破裂机理及脆性影响因素的研究还局限于宏观的岩心尺度,而岩石的宏观破裂与其内部的微裂隙、孔隙和纹层等微观结构特征紧密相关。JOSH M等在对富有机质页岩的系统表征中就探索使用CT扫描对交错层理、纹层等沉积构造进行描述,研究微观结构特征对页岩力学性质的影响。钟建华、GAO Quan等也在页岩宏观破裂模式的基础上,进一步研究了页岩发生宏观破裂的微观机理,分析了微观结构特征对页岩脆性破坏的控制作用。在微观尺度上开展页岩力学性质的实验研究,建立微观结构特征与宏观力学性质之间的关系,对于深入认识页岩的脆性破裂机理及其影响因素具有重要意义。

3 脆性与可压裂性

可压裂性是随着压裂增产措施在页岩气资源开发中的普遍应用而出现的新概念,是为了评价储集层压裂品质而建立的新的评价指标。CHONG K K等将可压裂性定义为页岩储集层能够被有效压裂从而提高增产能力的性质,认为具有不同可压裂性的页岩,在水力压裂过程中会形成不同的裂缝网络。压裂效果主要受控于储集层地质条件和工程技术条件,储集层地质条件即储集层的可压裂性,工程技术条件包括施工参数和工艺技术。决定储集层可压裂性的地质条件包括岩石脆性、地应力场和天然裂缝系统,而决定岩石脆性的内在因素则包括矿物组成和岩石结构等,当然,地应力场和天然裂缝也是影响岩石脆性的重要因素,但是脆性指数难以完全反映地应力条件和天然裂缝系统对压裂缝的产生和扩展的影响,因此还必须在岩石脆性的基础上,进一步结合地应力场和天然裂缝发育情况综合表征储集层可压裂性。理想的压裂效果要求各项因素的良好匹配,脆性越高,地应力差异系数越小,天然裂缝系统越发育,则储集层可压裂性越好,越有利于裂缝的起裂和扩展,越容易形成复杂的裂缝网络。在这样的储集层条件下,若选择适当的压裂技术,优化施工参数,则可以获得较大的储集层改造体积,达到理想的压裂效果。

4 结论

(1)页岩脆性评价的常用方法主要包括矿物法和弹性参数法。矿物法有更强的实用性,但是脆性矿物的界定尚不明确;弹性参数法可以有效实现测井和地震预测,但是无法反映围压的影响,难以表征深层和浅层页岩脆性差异。

(2)基于不同矿物组分的力学性质,结合中国南方海相页岩的岩相特征,提出以石英、白云石和黄铁矿作为脆性矿物。基于围压对脆性的影响,结合中国南方海相页岩较大的埋深范围,提出在弹性参数的基础上增加强度或断裂韧性作为围压指示因子,从而表征脆性随埋深的变化,适应深层页岩的脆性评价。

(3)石英、白云石和黄铁矿的相对含量越高,层理越发育,应力加载方向与层理面的夹角越小,围压越低,页岩脆性越强,表现为脆性破裂越容易,破坏越充分,破坏模式以劈裂式为主。页岩脆性、地应力场和天然裂缝共同决定储集层的可压裂性,脆性越高,地应力差异系数越小,天然裂缝越发育,则储集层可压裂性越好,越有利于裂缝的起裂和扩展,越容易形成复杂的裂缝网络。

版权声明|来源:《新疆石油地质》;作者:张晨晨等;版权归原作者所有。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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