頁巖破壞特征及脆性評(píng)價(jià)方法

頁巖破壞特征及脆性評(píng)價(jià)方法

作者利用深水孔壓力服務(wù)試行系統(tǒng)，研究了在不同加載條件下破壞北美板巖氣儲(chǔ)層和中國(guó)南方龍馬溪組黑巖的力學(xué)行為，分析了板巖樣品的脆弱性。本文考慮到脆性斷裂的力學(xué)機(jī)制和微觀特性，探討了脆性表現(xiàn)的力學(xué)內(nèi)涵。在對(duì)已有現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法分析的基礎(chǔ)上,得到了基于頁巖彈性特征和礦物組成雙重因子的綜合脆性評(píng)價(jià)方法,介紹了單井的計(jì)算流程,并通過實(shí)例予以驗(yàn)證。1巖漿巖的力學(xué)特性1.1巖心、巖心材料采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)組建的深水孔隙壓力伺服試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頁巖試樣進(jìn)行單軸及不同圍壓下的全應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。測(cè)試巖樣被加工成長(zhǎng)50mm,直徑25mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。利用磨平機(jī)磨平兩端,盡量保證試樣端面光滑、平行,且與中軸垂直。巖心主要來自北美Barnett、Haynesville、EagleFord和中國(guó)南方下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖,取樣深度2133.6~4164.0m,取心角度分水平0°、45°、90°和垂向4類,測(cè)試圍壓10~90MPa。通過不同圍壓下的力學(xué)破壞實(shí)驗(yàn),研究標(biāo)準(zhǔn)試樣力學(xué)破壞特征,得到全應(yīng)力應(yīng)變曲線。1.2圍壓對(duì)巖石力學(xué)特性的影響測(cè)試結(jié)果分析表明,頁巖的力學(xué)破壞整體上具有顯著的脆性斷裂特征,其力學(xué)表現(xiàn)受到多種因素的共同影響,這些因素使頁巖氣儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,分析認(rèn)為頁巖具有以下力學(xué)性質(zhì)。1)頁巖種類、取心深度、取心方位和加載條件均影響其力學(xué)表現(xiàn)。在相似測(cè)試條件下,不同種類頁巖的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)有較大差異(見圖1);不同深度垂向取心測(cè)試的力學(xué)參數(shù)也有差異(見圖2,試樣均來自Haynesville頁巖);取心方位不同,測(cè)試表明力學(xué)參數(shù)差異性顯著(見圖3,試樣均來自EagleFord頁巖,且在相同深度4164m取心);從同一口井相同深度、相同方向取心的Haynesville頁巖巖樣,加載圍壓不同,測(cè)試后力學(xué)參數(shù)也有顯著差異(見圖4)。2)總體而言,測(cè)試圍壓越高,試樣產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越少,破壞以剪切式破壞為主;圍壓越低,巖石的碎裂特征越顯著,劈裂式破壞成為主導(dǎo)。主要原因在于,圍壓的升高對(duì)微裂紋的縱向擴(kuò)展起到了抑制作用。3)同種頁巖的趨同性隨圍壓升高而增強(qiáng),超過50MPa同種頁巖的力學(xué)特性表現(xiàn)變得非常相似。這是因?yàn)轫搸r本身層理、節(jié)理發(fā)育,低圍壓下大量隨機(jī)裂紋導(dǎo)致其強(qiáng)度表現(xiàn)隨機(jī)性顯著;高圍壓下側(cè)向壓力對(duì)裂紋離散擴(kuò)展的限制作用增強(qiáng),降低了微細(xì)裂紋的能耗,使更多能量集中在主裂縫擴(kuò)展上,試樣表現(xiàn)出更為相似的破壞形態(tài)。4)頁巖的各向異性主要與其形成過程中造巖礦物類型、沉積取向性、沉積環(huán)境的力學(xué)特性和構(gòu)造歷史有關(guān)。這種力學(xué)上表現(xiàn)出的差異影響著頁巖的鉆井、完井工作,例如鉆井時(shí)可能存在優(yōu)勢(shì)鉆進(jìn)方向、最佳鉆入角,這些參數(shù)將影響頁巖氣井的井筒完整性,也影響壓裂設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。北美和中國(guó)主要頁巖氣儲(chǔ)層的巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,頁巖的強(qiáng)度和彈性參數(shù)范圍較大,抗壓強(qiáng)度14.8~391.3MPa,彈性模量4.9~70.4MPa,泊松比0.19~0.95。相同圍壓下的抗壓強(qiáng)度平均值由高到低為Barnett頁巖、龍馬溪組頁巖、Haynesville頁巖、EagleFord頁巖,彈性模量由高到低為Barnett頁巖、龍馬溪組頁巖、Haynesville頁巖、EagleFord頁巖,泊松比由高到低為Barnett頁巖、Haynesville頁巖、EagleFord頁巖、龍馬溪組頁巖。由此可見,龍馬溪組頁巖在抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比方面均與Haynesville頁巖較為相似,但均質(zhì)性方面強(qiáng)于Haynesville頁巖,主要表現(xiàn)為測(cè)試結(jié)果的離散程度更低。整體觀察發(fā)現(xiàn),Haynesville頁巖的層理發(fā)育更好,長(zhǎng)期存放后應(yīng)力釋放導(dǎo)致的巖性餅化現(xiàn)象更突出,平均餅化厚度2.3cm。1.3圍壓過程中含氣頁巖破壞模式的變化圍壓下含氣頁巖的破壞模式主要有單剪切面破壞(B1、B2)、雙剪切面破壞(E3)和劈裂式破壞(H4、H5、H6、H7、E8、E9、H10、H11、H12)等3類(見圖5,巖心編號(hào)中的字母表示頁巖種類,如B表示Barnett頁巖,H表示Haynesville頁巖、E表示EagleFord頁巖,括號(hào)內(nèi)為測(cè)試圍壓)。圍壓低于30MPa時(shí),含氣頁巖的破壞模式以劈裂式為主,雙剪切式和單剪切式較少,這主要與頁巖自身特點(diǎn)和加載條件有關(guān)。頁巖本身為層理面和微裂隙發(fā)育,這些天然的薄弱面在測(cè)試時(shí)影響破壞結(jié)果,使裂紋面沿其萌發(fā)和表現(xiàn),形成多重劈裂式破壞。低圍壓加載時(shí)含氣頁巖的劈裂式破壞較高圍壓時(shí)更顯著,這主要與圍壓抑制豎向裂縫張開有關(guān)。從裂紋數(shù)量看,劈裂式破壞和雙剪切面破壞比單剪切面破壞能夠產(chǎn)生更多的裂紋,脆性特征也更明顯。從體積應(yīng)變看,劈裂式破壞和雙剪切面破壞均出現(xiàn)較為顯著的體積擴(kuò)容現(xiàn)象,這與裂紋密集發(fā)育和多破裂面廣泛分布密切相關(guān)。從應(yīng)力應(yīng)變曲線看,單剪切面破壞模式下試樣的強(qiáng)度最大,高于其他2種破壞模式。從破壞效果看,劈裂式和雙剪切面破壞模式下試樣的碎裂更加完全。要產(chǎn)生更多的破壞結(jié)構(gòu)面巖石需具有一定強(qiáng)度,且均質(zhì)性應(yīng)較差。這是因?yàn)樵谕獠亢奢d作用下,試樣內(nèi)部非協(xié)調(diào)變形增大,局部區(qū)域產(chǎn)生的微裂紋增多,微裂紋導(dǎo)致局部卸載,使試樣整體強(qiáng)度降低。反之,均質(zhì)程度越高,試樣抵抗變形能力越強(qiáng),微裂隙發(fā)育越少,能量耗散越少,強(qiáng)度更高,塑性更強(qiáng)。2單井綜合脆性參數(shù)的計(jì)算流程如何利用頁巖物理力學(xué)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系預(yù)測(cè)脆性特征,是目前許多石油公司、科研機(jī)構(gòu)試圖解決的問題。目前多采用彈性模量和泊松比計(jì)算頁巖脆性,認(rèn)為彈性模量和泊松比可以較好地反映頁巖在應(yīng)力作用和微裂縫形成時(shí)的破壞能力。頁巖產(chǎn)生裂縫后,泊松比可以反映應(yīng)力的變化,彈性模量反映維持裂縫擴(kuò)展的能力。Rickman等人在2007年針對(duì)Barnett頁巖進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié),認(rèn)為低泊松比、高彈性模量的頁巖其脆性更好。圖6采用Barnett頁巖的數(shù)據(jù)描述了這一理念,箭頭表示脆性逐漸增強(qiáng)的方向,并將北美Haynesville頁巖、EagleFord頁巖和中國(guó)南方部分地區(qū)的頁巖測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了投影。結(jié)果顯示,南方黑色頁巖的脆性屬于中等程度,造縫能力一般,且露頭試樣的脆性特征好于井下巖心。在脆性分析的基礎(chǔ)上,建議采用彈性模量、泊松比、礦物組成特征3項(xiàng)指標(biāo)作為參數(shù)綜合計(jì)算脆性指數(shù)。因?yàn)轫搸r脆性的表現(xiàn)與所含礦物類型相關(guān)性非常明顯,脆性礦物含量高的頁巖其造縫能力和脆性更好,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已形成共識(shí),并認(rèn)為其重要性不可忽視[1,2,3,9,10,11,12,13,14]。此外,礦物組成作為巖性識(shí)別標(biāo)準(zhǔn),提高了計(jì)算結(jié)果的細(xì)分性和可靠性。實(shí)際計(jì)算過程中,采用靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比和脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為基礎(chǔ)參量,針對(duì)不同地區(qū)特征參數(shù)歸一化后,計(jì)算綜合脆性指數(shù)。單井綜合脆性參數(shù)的計(jì)算流程為:1)利用常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比,依據(jù)動(dòng)、靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)化方程計(jì)算靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比;2)采用元素俘獲譜測(cè)井(ECS)或放射性能譜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),分析脆性礦物占礦物總質(zhì)量的百分比,用巖心分析數(shù)據(jù)校正,得到脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù);3)對(duì)靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比和脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別針對(duì)地區(qū)特征進(jìn)行歸一化處理,得到無量綱參數(shù)B1、B2和B3,并求算數(shù)平均值,得到綜合脆性指數(shù)IB;4)計(jì)算單井脆性參數(shù)剖面,從而預(yù)測(cè)一定深度范圍內(nèi)目的層的脆性程度。該方法在力學(xué)特性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上加上礦物組成這一因素,對(duì)具有相近彈性參數(shù)的巖石進(jìn)行了區(qū)分。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可依據(jù)壓裂設(shè)計(jì)的裂縫半長(zhǎng)、縫高和產(chǎn)能需求計(jì)算臨界裂縫寬度,獲得臨界脆性指數(shù),并結(jié)合測(cè)井資料解釋結(jié)果、錄井顯示和巖心含氣量測(cè)試結(jié)果,綜合優(yōu)選壓裂層段。3井-震對(duì)比及壓裂測(cè)試對(duì)中國(guó)南方某頁巖氣井W井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,獲得礦物組成、基本巖石力學(xué)參數(shù),并依據(jù)上述脆性計(jì)算方法,計(jì)算下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖的綜合脆性指數(shù),優(yōu)選目的層段。從測(cè)井解釋結(jié)果(見圖7)看,埋深1480~1540m龍馬溪組黑色頁巖的脆性特征差異較大,預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)造縫效果和難易程度有較大影響。根據(jù)前人研究成果,脆性越高,越傾向于形成裂縫網(wǎng)絡(luò),頁巖氣產(chǎn)能也越高;而脆性越差,巖石的塑性特征越明顯,破壞時(shí)吸收的能量越多,巖石易形成簡(jiǎn)單形態(tài)的裂縫,在一定程度上降低了壓裂改造的效果。脆性對(duì)頁巖層段壓裂效果的影響在實(shí)踐中也得到裂縫示蹤和微地震監(jiān)測(cè)的證實(shí),脆性層段水力裂縫穿透和擴(kuò)展充分,遇天然裂縫后分叉更多,轉(zhuǎn)向角度更大,改造效果較塑性層段更加顯著。依據(jù)脆性參數(shù)剖面,可將W井的目的層劃分為A、B、C、D、E、F、G等7個(gè)特征段,這些層段的綜合脆性指數(shù)均在50以上,顯示具有相對(duì)較好造縫能力。根據(jù)是否有氣體顯示可進(jìn)一步分為以下3類:1)A、B層段的共同特征是較薄(1~2m),脆性程度中等(50~53),有機(jī)質(zhì)含量較低,測(cè)、錄井過程中未發(fā)現(xiàn)氣體顯示。這類儲(chǔ)層雖具有較好的脆性,但是生、采氣體潛力不足,加之厚度較小,水力裂縫極易穿透儲(chǔ)層進(jìn)入鄰近地層。因此,經(jīng)濟(jì)價(jià)值尚待進(jìn)一步評(píng)估,壓裂時(shí)應(yīng)慎重選擇。2)C、D、E段均具有較高的有機(jī)質(zhì)和脆性礦物含量,氣體顯示良好,脆性程度高。這其中E段又明顯優(yōu)于C、D段,除有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度更高、脆性更好外,厚度還更大(13m左右),可保證裂縫在產(chǎn)層內(nèi)擴(kuò)展,同時(shí),測(cè)、錄井氣體異常表明可能具備經(jīng)濟(jì)開發(fā)潛能。值得注意的是,E段與下伏的F、G段相隔不足2m,且F、G段脆性也較好,預(yù)計(jì)水力壓裂時(shí)裂縫易穿透進(jìn)入下部,施工時(shí)應(yīng)采取措施予以控制。3)F、G段脆性較好,兩層厚度均在4~5m,有機(jī)質(zhì)含量也較穩(wěn)定,測(cè)井解釋為氣層,但實(shí)鉆過程中未見錄井異常,選層壓裂時(shí)也應(yīng)慎重考慮。該井龍馬溪組地層含氣頁巖的壓裂測(cè)試分3段進(jìn)行,射孔厚度9.0m。在測(cè)試壓裂基礎(chǔ)上進(jìn)行主壓裂,泵壓36.1~40.0MPa,排量10.1~10.2L/min。測(cè)試壓裂和主壓裂分別注入壓裂液175.0m3和1978.0m3,注入支撐劑163.4t(102.1m3)。壓裂測(cè)試結(jié)果顯示,用封隔器封閉筇竹寺組地層后,龍馬溪組地層初期產(chǎn)量不穩(wěn)定,產(chǎn)氣量2000~2500m3/d頁巖氣,與預(yù)測(cè)結(jié)果大致相同。壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示井深1523.0m處壓力異常,從壓裂液和支撐劑注入量看,該層壓裂改造的體積和支撐效果較好,產(chǎn)生的裂縫更多,較其他層段改造效果更佳。這也同時(shí)驗(yàn)證了相對(duì)脆性較好的層段在進(jìn)行壓裂后具有更好的改造效果。上述測(cè)試和生產(chǎn)結(jié)果表明,綜合脆性評(píng)價(jià)方法有效性高,預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況吻合良好,具有很好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。4頁巖脆性綜合評(píng)價(jià)1)頁巖的脆性特征與其種類、取心深度、取心方位和加載條件相關(guān)。實(shí)際評(píng)價(jià)其力學(xué)性質(zhì)時(shí),建議針對(duì)具體地區(qū)進(jìn)行研究,且應(yīng)模擬地下力學(xué)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn),這樣才能得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。2)頁巖的脆性破壞特征顯著,標(biāo)準(zhǔn)試樣以劈裂式破壞為主,破壞后產(chǎn)生較多裂縫,全應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試顯示塑性屈服過程很短即進(jìn)入破壞階段。3)提出了一種采用彈性參數(shù)和礦物組成綜合評(píng)價(jià)頁巖脆性的方法,并通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)單井脆性評(píng)價(jià)。壓裂測(cè)試結(jié)果顯示該方法能夠較好地表征頁巖的脆性破裂和造縫能力,對(duì)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性質(zhì)和壓裂選層均具有重要參考價(jià)值。4)儲(chǔ)層的力學(xué)特性對(duì)頁巖氣的開發(fā)影響重大,鉆井、壓裂時(shí)需要根據(jù)巖石的力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。深入了解頁巖的破壞機(jī)理和力學(xué)特性,既是基礎(chǔ)工作又是必不可少的技術(shù)支撐,在今后研究中應(yīng)給予足夠重視。頁巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特征,需大規(guī)模壓裂才