非常规储层体积改造中岩石脆性特征的判别方法

才 博 丁云宏 卢拥军 王晓冬 杨振周 孙 豪 吴国涛

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊 065007；3.中油华北油田钻采院，任丘 062552）

非常规储层体积改造中岩石脆性特征的判别方法

才 博1，2丁云宏2卢拥军2王晓冬1杨振周2孙 豪3吴国涛2

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊 065007；3.中油华北油田钻采院，任丘 062552）

水平井钻井+体积改造技术是非常规领域实现突破的关键。研究储层的脆弹性特征是储层是否适合体积改造的核心问题，通过岩石力学分析、全岩分析及核磁扫描等方法，建立岩心剪切破坏观察、脆性指数计算、断裂韧性计算和岩心CT与岩石力学结合的一套用于评价储层脆性特征的综合研究方法。

体积改造；脆性指数；岩石力学；致密气；断裂韧性

随着勘探程度的不断深化，储层物性越来越差，储层改造在勘探与开发中的作用更加显著。近几年，随着页岩气和致密气等非常规领域改造技术和理念的进步与革新，体积压裂技术成为这类储层的主流改造技术［1-4］。体积压裂是低渗、特低渗透储层经济开发的关键，然而是否所有的储层都能通过大规模的压裂施工实现大范围的体积改造是目前所有学者急需解决的问题，并非所有储层都能实现大液量下所期望的大范围体积改造的目的。因为以往的研究表明非常规低渗透气藏基质普遍具有低孔、特低渗等特征，比表面大，微观孔喉结构复杂多变，储集空间类型与渗流机理更加复杂、孔喉细小，各种物理吸附作用强，储层对外来液体的伤害更加敏感，远高于常规储层，因此大的规模改造如果设计不当，储层改造可能与设计实现目标相违背，造成大量的伤害和浪费，因此必须对储层进行体积改造的适应性分析。Sonderseld C H［5］等人研究页岩气储层的可压性时，根据页岩矿物组分等提出了评价的脆性指数方法。该方法主要通过全岩分析计算脆性矿物的比例，在许多时候由于岩心资料不齐或者全岩分析误差的存在，会使评价的指标过于单一。本文在以上评价基础上，通过岩心实验与理论研究，提出几种用于评价岩心脆性特征的综合评估方法，丰富了脆性识别原则，对于判断储层是否适合体积改造具有重要的指导意义，提高了体积改造的适应性和科学性。

1 岩石脆性特征判别方法研究

1.1 岩心剪切破坏事件

岩心在钻样过程中受到取样器剪切作用的结果，由于岩石内矿物成分不同导致钻样时的结果不同，可以反映出储层岩石的脆弹性特征。脆的岩样在钻置过程中往往容易碎裂且不规则。因此通过岩心在钻样过程中的剪切破坏事件，可以初步判断岩石的大致脆性特征，进而进行下一步的脆性特征的相关分析。图1为某一岩心在钻样过程中由于脆性特征较强，在剪切作用下岩心成多处破裂特征。

图1 脆性岩心剪切破坏事件图

1.2 脆性指数计算

首先通过全岩分析实验分析岩石中的各种矿物成分，一般储层中矿物组分主要有黏土矿物 (高岭石、伊利石和蒙脱石等)，石英、方解石、长石、白云石等矿物。利用式（1）进行脆性指数计算：

式中：β—脆性指数，%；Cquartz—页岩石英质量分数，%；Cclay—页岩黏土矿物质量分数，%；Ccarbonate—页岩碳酸盐岩矿物质量分数，%。

当黏土矿物质量百分数较高时，岩石表现为塑性特征，不利于产生复杂缝网体积，因此不适合采用体积改造。当岩石中石英、碳酸岩等矿物含量较高时，表明脆性矿物质量分数较高，岩石的脆性特征强，有利于形成裂缝网络体积，适合于体积改造技术的利用。如美国Barnett页岩中富含石英和碳酸盐矿物，脆性指数高达50%以上［6］，适合于低黏度液体的体积改造。因此1997年以来，美国Mitchell公司成功将滑溜水等工艺应用到该页岩的体积改造中，不但使压裂费用较以往减少65%，而且最终采收率提高了20%。

1.3 断裂韧性分析

断裂韧性是材料抵抗脆性破坏的韧性参数［7］。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。断裂韧性是应力强度因子的临界值［8］。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

先将测试试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值Kc：

式中：Kc—断裂韧性值，MPa·m1/2；E—杨氏模量，MPa；P—加载载荷，kg；C—裂纹长度，mm； Hv—显微硬度，GPa。

1.4 岩石力学及CT扫描实验

计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)是通过测定多组X射线束透射过物体某一选定截面的衰减信息计算出该截面各单位容积吸收系数［9］,进而得到该截面的密度分布图像［10］。本研究将这一技术应用到三维裂缝的描述上，建立了脆性特征识别的实验方法，研究天然裂缝的分布和岩石在三轴应力条件下受压后裂缝的变化情况，为压裂设计脆性指数识别提供科学有效指导。

实验步骤如下：

（1）制备标准的岩心柱体（2.5cm×5cm）；

（2）标记岩样后进行岩石三维CT扫描；

（3）对三维CT扫描进行切片分析；

（4）计算岩心三轴应力条件下岩石力学参数，进行三轴实验；

（5）按照第二步的标记位置再次进行岩石三维CT扫描；

（6）处理扫描结果，进行定位对比分析岩石受压后的裂缝变化情况。

图2（a）为三轴应力岩石力学实验前CT裂缝受压前的照片，图2（b）为岩石裂缝在受压后的三维CT照片。可见在三轴应力受压后岩石裂缝出现多处展开，呈现网络裂缝特征，说明地层的脆性特征较强，为体积改造的优选提供了依据。

图2 岩石受压前、后三维CT裂缝扫描图

2 现场应用实例

以某非常规页岩气储层为例，储层厚度5～15m，孔隙度 3%～8%，渗透率 0.01×10-3μm2，因此需进行体积改造的适应性研究。从岩心在钻样过程中受到取样器材剪切作用的结果看，岩心存在一定的脆性特征，岩石全岩分析表明：石英占30.7%～40.5%，碳酸盐岩占30.0%～32%，总泥质含量占15.5%～20%，计算的脆性指数为40%～3%，岩心三轴的杨氏模量为4.5×104MPa，泊松比为0.19,利用三维CT扫描后岩石受压后见到明显的多条张开裂缝的特征，以上研究表明地层的脆性特征十分明显，适合采用体积改造的方式。

3 结 论

体积改造技术是压裂理念的一次革命，但研究储层是否适合体积改造是研究特低渗透及非常规油气储层的重要任务。大量的液体如不能实现大范围体积改造目标只能造成对储层的伤害和经济上的浪费。

岩石的脆性特征判别是体积改造设计方案优选的重要论据，本文通过岩石力学分析、岩心矿物分析及核磁扫描等方法，建立了岩心剪切破坏事件、脆性指数计算、断裂韧性计算和岩心CT与岩石力学结合的扫描方法等用于评价储层脆性特征的综合研究方法，为体积改造技术的优选提供重要的参数依据。

现场应用表明，综合应用上述方法提高了对储层脆性的识别，具有广泛的应用前景。

[1]Mayerhofer M J,Lolon E P,Warpinski N R,et al.What is Stimulated Rck Volume?[G].SPE 119890,2008.

[2]Warpinski N R,Mayerhofer M J,Vincent M C,et al.Stimulating Unconventional Reservoirs:Maximizing Network Growth while Optimizing Fracture Conductivity[G].SPE 114173,2008.

[3]陈作,薛承瑾,蒋廷学.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议[J].天然气工业,2010,30(10):30-32.

[4]孙海成，汤达祯，蒋廷学，等.页岩气储层压裂改造技术[J].油气地质与采收率，2011,18（4）：90-93,97.

[5]Sonderseld C H，Newsham K E，Comisky J T，et al.Petrophysical Considerations in Evaluating and Producing Shale Gas Resources[G].SPE131768，2010.

[6]Mayerhofer.Integration of Microseismic Fracture Mapping Resultswith NumericalFracture Network Production Modeling in the Barnett Shale[G].SPE 102103.

[7]满轲，周宏伟.不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(8):1657-1662.

[8]谢和平，陈忠辉.岩石力学[M].北京:科学出版社，2003.

[9]李玉彬,李向良,李李祥.利用计算机层析CT确定岩心的基本物理参数[J].石油勘探与开发，1999,26(6):86-91.

[10]黄钢，王晓冬，惠钢，等.压裂直井井网流线模拟研究[J].油气地质与采收率，2011,18（5）：100-103，107.

Study of Rock Brittleness for Stimulated Reservoir Volume Fracturing Technology

CAI Bo1，2 DING Yunhong2LU Yongjun2 WANG Xiaodong1YANG Zhenzhou2SUN Hao3 WU Guotao2
（1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083；2.Langfang Branch of Exploration&Development Research Institute,PetroChina,Langfang 065007；3.North China Oilfield Drilling and Extraction Institute,PetroChina,Renqiu 062552）

Study of reservoir brittle characteristics is the core problem of stimulated reservoir volume fracturing technology.Through rock mechanics analysis,rock mineral analysis and magnetic scanning method,this article establishes a core shear failure observation,brittle fracture toughness index calculation,core CT used in the evaluation of reservoir brittle characteristics comprehensive research methods.As the volume of this technology are preferably provided important basis for the parameters.The study has very important significance

stimulated reservoir；volume brittleness；rock mechanics；tight gas fracture；toughness

TE357.1

A

1673-1980(2012)05-0086-03

2012-05-08

国家科技重大专项（2011ZX05013）

才博(1979-)，男，吉林四平人，博士，工程师，研究方向为水力压裂工艺技术。