一种页岩储层脆性评价方法

肖佳林，李远照，候振坤，郭印同，王磊

（1.中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉 430035；2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

一种页岩储层脆性评价方法

肖佳林1，李远照1，候振坤1，郭印同2，王磊2

（1.中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉 430035；2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

页岩的脆性对于岩石起裂以及压裂复杂裂缝的形成具有重要影响，亦是综合评价储层可压性的关键指标。基于岩石全过程应力-应变曲线，综合室内岩心测试和测井解释数据建立了多元回归函数，建立了新型脆性指数计算方法，实现了储层多因素影响下脆性的定量表征和综合评价，并对涪陵焦石坝区块部分页岩气井储层脆性进行了分析研究。现场应用表明，与传统脆性评价方法相比，该方法计算结果在局部层段反映更为精细、更全面，同时与储层地质力学条件、现场施工情况具有较好的关联性。

页岩；水平井；全应力应变；脆性指数；回归函数；焦石坝

由于页岩本身具有低孔低渗特征，一般都需经过大规模压裂改造才能获得商业产量。研究发现，页岩的脆性能够明显影响井壁的稳定性以及压裂效果，是评价储层可压性的关键指标，对甜点优选、压裂射孔簇选择具有重要意义。

利用弹性模量、软化模量、应力降系数等多参数为基础的综合脆性指标Bd1，结合涪陵焦石坝区块导眼取心井地质、力学参数，以Bd1为目标函数、测井数据中动态弹性模量等多参数为自变量，获得了多元回归函数，以此为基础建立了一种页岩储层脆性评价新方法。应用该方法对本区域部分直井、水平井段储层脆性进行了分析研究，并结合现场施工情况验证了该方法的可行性。

1 脆性评价新方法的建立

不同于常规砂岩储层，页岩储层改造以形成复杂裂缝网络为目标。目前，页岩脆性特征作为可压性评价的关键指标，一般可用于评估压裂缝网能否形成及形成的难易程度。国内部分学者从不同角度、不同研究目的出发，提出了一系列可压性评价方法［1-4］。由于大部分方法在分析页岩脆性特征时，仍主要采用传统的矿物组分或岩石力学参数分析方法，反映页岩的可压性特征存在一定局限。

岩石类材料的全过程应力-应变曲线是研究其强度和变形特性、确定材料参数和研究本构关系的基础，在岩体工程勘查、设计、稳定性评价等方面占有重要地位。其分析过程和数据对于研究不同岩性、不同样品岩石力学特征具有重要指导作用。室内对岩样进行加载测其变形可得到全过程应力-应变曲线，进而分析获取其岩石力学参数。许多学者基于页岩应力-应变曲线，研究岩石脆-塑性转换的变化规律，取得了较为丰富的成果［5-15］。 左建平等［16-17］根据岩石加载及卸载过程定义了脆性跌落系数R。候正坤等［18］基于应力应变曲线，采用与脆性破坏难易程度关联的脆性跌落系数R、反映脆性强弱的应力降系数P以及软化模量M，建立了页岩脆性评价综合指标Bd1，并通过页岩的单三轴试验验证了该指标的适用性。

经归一化处理后定义的脆性评价指标Bd1为

其中 α+β+γ=1

式中：B1为与脆性跌落系数R相关的脆性指标；B2为与应力降系数P相关的脆性指标；B3为与软化模量M相关的脆性指标；α为B1在总脆性指数中所占的权重；β为B2在总脆性指数中所占的权重；γ为B3在总脆性指数中所占的权重。

笔者以Bd1定义的计算方法为基础，结合焦石坝区块代表性导眼取心井的地质、力学参数，对计算模型进行修正，得到适用于本区块的脆性指数计算新方法。

下部含气泥页岩段是涪陵焦石坝地区页岩气开发的目的层段，富有机质泥页岩的厚度较大（80～114 m）、分布稳定。综合岩性、电性、物性、地化、含气性等特征，将五峰—龙马溪组含气页岩段纵向上划分为3段5个亚段9个小层。其中最有利层段龙一段厚80～105 m，为灰黑色碳质硅质页岩，可划分为5个小层。

针对焦石坝导眼井A井不同开发小层，结合岩石力学试验、测井数据计算不同深度脆性指数，并与室内岩矿组分分析结果进行对比。图1给出了该井不同小层脆性评价的结果。对比不同曲线认为，根据脆性指标Bd1的计算结果与室内实验测试分析相关性较好，不同小层间的变化趋势基本保持一致。同时，新方法分析结果在局部层段与矿物组分分布存在一定差异，亦反映出该新方法能更为精细地反映岩石脆性变化，进而指导射孔段簇位置优选。

图1 A井不同小层不同方法脆性指数分析结果对比

对于页岩气井，其测井解释数据间接反映了储层岩性、电性、裂缝及深度等多重因素影响。笔者将室内试验结果与测井解释数据相关联建立回归函数，以此来分析本区域直井、水平井段储层综合脆性。以修正后的脆性指标Bd1为目标函数，以测井数据中页岩动态弹性模量、动态泊松比、自然伽马、断裂韧性为自变量，进行函数回归得出Bd1的多元回归函数Y：

式中：E为弹性模量，GPa；μ为泊松比；GR为自然伽马测井值，API；KⅡ为断裂韧性。

综上所述，基于新型脆性指标分析评价页岩储层脆性的具体方法为：首先根据室内岩心力学实验数据修正脆性评价指标计算模型和回归函数，再利用获取的单井（直井、水平井）测井解释数据，将上述几个参数代入该回归函数计算公式，可求得直井及水平井段储层脆性指数，进而综合评价储层可压性。

2 新型脆性评价方法的应用

焦石坝页岩气田位于重庆涪陵，属川东高陡褶皱带万县复向斜焦石坝构造带，一期产能建设阶段对压裂工艺及参数进行不断优化完善，截至目前，共计完成240口井4 600余段的压裂施工，形成了 “复杂缝/网缝+主缝”的压裂改造思路以及“混合压裂、组合加砂”的压裂模式，现场应用取得了显著效果。伴随勘探开发由主体区域逐渐南移，相比构造平缓、埋深适中的主体区域，地质条件发生明显变化，外扩区域构造更为复杂，埋深显著增加，目的层垂深由2 400 m增至3 800 m，穿行层位跨度明显增大。由于地质力学条件发生变化，现场反映施工压力高、压力窗口小、加砂难度大、复杂缝网形成难度增大等问题。

在不同区域、不同小层储层脆性评价过程中，一般仍采用传统的岩土矿物质量分数或者Rickman脆性指数等方法对储层脆性进行评价。矿物脆性指数法主要分析岩土矿物成分中石英、方解石的质量分数大小，以此评价储层脆性高低。传统Rickman方法［19］主要根据弹性模量、泊松比等参数，参照相关公式进行推算。

然而，由于传统的静态参数评价方法未考虑不同围压条件对岩石脆塑性影响，主要从宏观上定性比较脆性的相对强弱，对相同储层地质条件的页岩较为适用，而对于不同埋深、构造应力环境下的岩石脆性则存在较大的局限性。

2.1 不同地质条件页岩储层脆性评价

涪陵页岩气田焦石坝区块由北向南地质条件呈现复杂性及多样性，具体反映为构造相对破碎、断裂更为发育、地层倾角更大、埋深增大等特点。选取本区块不同埋深、不同区域及不同构造位置的S2，S3，S4，S6，S8，S7-3等6口井导眼井主力层段（第①—⑨小层）相关数据进行对比分析（见表1）。

表1 不同区域单井构造、埋深情况

图2、图3分别给出了不同单井采用传统方法和新型评价方法获得的脆性指数。从图中可以看出，传统Rickman方法计算得到的各小层脆性未见明显变化，而新型脆性指数法计算结果反映出随构造部位、深度的变化，储层脆性特征整体有逐步降低的趋势，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明显。因此，考虑埋深等多因素综合影响，相同矿物组成的岩石经历不同的成岩过程，不同区域页岩的综合脆性可能存在较大差异，进而会对水平井分段压裂参数设计及现场施工造成不利影响。

2.2 页岩气水平井不同层段脆性评价及分析

受水平井钻井过程中钻遇层位影响，该区域页岩气水平井轨迹具有穿行层位跨度大、深度范围广等特点，需结合具体穿行小层地质特征选择针对性压裂工艺及参数。C井为本区块西南区域的一口开发井，水平井段长2 000 m，分28段进行压裂试气，目的层段斜深3 600～5 500 m，垂深 3 000～3 400 m。

图2 传统Rickman方法计算脆性指数

图3 新型脆性评价方法计算脆性指数

图4给出了分别采用传统Rickman方法和新型脆性评价方法计算得到的水平井段脆性指数，由于穿行层位特征及非均质性影响，各井段脆性存在明显差异。可以看到，新型脆性评价方法得到的脆性指数整体趋势与传统方法较为一致，但局部层段存在一定差异。

图4 C井水平段不同深度、不同井段脆性指数计算结果

结合现场施工情况分析，以第5，19段为例（见图5，6），各段施工曲线特征与新型脆性指标计算结果具有较好的关联性，其中脆性较高的第19段可压性较好，加砂较为顺畅，施工压力波动较小，而脆性较差的第5段反映可压性较差、施工压力波动大、加砂困难等特征。综合对比分析，由于考虑了多参数、多因素影响，新型脆性指标与传统计算方法相比，表征更为精细，与施工关联性也较强，为储层脆性综合评价和压裂效果评估提供了一种新途径。

图5 C井第5段施工曲线

图6 C井第19段施工曲线

3 结论

1）结合页岩气井岩心力学测试及测井解释数据，基于拟合回归函数建立了适用于焦石坝区块的新型脆性评价方法。现场应用表明，该方法对于水平井局部层段脆性变化表征更为精细，同时与现场压裂施工具有较好的关联性。

2）提出的页岩储层脆性评价新方法考虑了围压影响，随着围压增加，脆性指数明显降低。焦石坝区块开发由主体区向外围区域扩展，由于埋深、构造位置等发生变化，储层综合脆性有逐步降低的趋势，尤其在埋深3 400～3 600 m脆性降低明显，需针对性优化工艺参数以提升改造效果。

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（编辑 赵旭亚）

Evaluation method for shale reservoir brittleness

XIAO Jialin1,LI Yuanzhao1,HOU Zhenkun1,GUO Yintong2,WANG Lei2
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,Jianghan Oilfield Company,SINOPEC,Wuhan 430035,China;2.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

The brittleness index of shale plays an important role in the process of crack in rock and complex fracture in hydraulic fracturing,which is also a key indicator to evaluate the reservoir characteristics.Based on the whole strain-stress curves，a new brittle index was established through both the state parameter and the process evolution.The quantitative characterization and comprehensive evaluation for the brittleness were studied by the influence of multi-factors for the reservoir.Multiple regression function was established from the indoor core experimental data and logging interpretation data and the analysis were obtained for some gas wells in Jiaoshiba blocks,Fuling.Comparing with the traditional evaluation method for brittleness index,the calculation results of this method in the local section are more precise and more comprehensive,which show good relevance with reservoir geological mechanics condition and field operations.

shale;horizontal well;whole stress-strain;brittleness index;regression function;Jiaoshiba

TE122

A

国家自然科学基金项目“页岩储层压裂复杂裂缝网络形成机理与扩展模型研究”（51574218）;中国石化集团公司科技项目“涪陵区块页岩气层改造技术研究”（P14092）、“涪陵地区深井高压页岩气压裂方式研究”（P15138）

10.6056/dkyqt201704011

2016-12-01；改回日期：2017-05-09。

肖佳林，男，1984年生，工程师，硕士，2011年毕业于长江大学油气田开发工程专业，现主要从事油气地质勘探工作。E-mail：799071660@qq.com。

肖佳林，李远照，候振坤，等.一种页岩储层脆性评价方法［J］.断块油气田，2017，24（4）：486-489.

XIAO Jialin，LI Yuanzhao，HOU Zhenkun，et al.Evaluation method for shale reservoir brittleness［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：486-489.