松北致密气藏砂砾岩储层脆性特征实验研究

唐鹏飞

（中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163454）

随着中国能源需求的日益增加，砂砾岩油气藏备受关注［1-7］。松北致密气藏资源潜力巨大，水力压裂改造是形成经济产能的有效手段。砂砾岩储层具有岩性变化复杂、砾石含量高、非均质性强等特点，且压裂过程中水力裂缝的扩展规律认识不清，压裂施工难度较大。储层岩石脆性是评估压裂改造效果的关键因素之一。在致密储层中，为形成复杂的裂缝网络，压裂改造选井选层时，通常将高脆性作为优选有利区块或井段的标准之一［8-11］。因此，研究岩石脆性特征对于储层压裂增产改造具有十分重要的意义。

关于脆性的定义，尚没有统一的观点。MORLEY 认为脆性是岩石塑性的丧失［12］。BISHOP 将脆性定义为岩石破坏后承载力的严重丧失［13］，峰值强度和残余强度之间差值越大，岩石脆性越强。JESSE 认为材料的强脆性表现为破坏前无明显的塑性变形［14］。李庆辉等认为脆性是材料的一种综合力学性质［15］。基于不同的研究背景，相继提出一系列的脆性指标，其研究方法大致包括矿物学、力学强度、变形特征和能量演化等［16-20］。张军等提出表征裂纹扩展能力和自我维持断裂能力的脆性指数来综合评价岩石脆性［18］。曾治平等将脆性指数定义为脆性矿物与总矿物含量的比值［21］。HUCKA 等利用抗压强度和抗张强度来评价材料的脆性高低［22］。还有学者将脆性指数定义为峰值应变和残余应变的函数［23］。

松北砂砾岩储层形成于扇三角洲和辫状河三角洲沉积环境，由于近物源沉积，颗粒分选较差，主力层段发育粒径大小不一的砾石。由于砾石基质弱胶结面的存在，导致岩石的力学性质和脆性特征变化较大。目前，关于砂砾岩脆性特征的实验研究相对较少，粒径对于砂砾岩破坏机理和脆性特征的影响规律认识不足。为此，以松北致密气藏砂砾岩储层为例，对含有不同粒径砾石砂砾岩的2 组岩样进行三轴压缩实验和声发射监测。结合岩样的偏应力-应变曲线特征、破坏形态以及声发射定位与震源解释结果，分析不同粒径砾石对砂砾岩力学性质和破裂形态的影响，以期为砂砾岩储层岩石脆性评价提供依据。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验装置主要包括TAW-1000深水孔隙压力伺服实验系统和PAC公司生产的Nano探头。其中，深水孔隙压力伺服实验系统最大加载载荷为1 000 kN，最大围压为60 MPa，并通过2 组位移传感器分别对轴向和径向的变形过程进行监测；Nano 探头数量为8 个，均匀布置在岩样的表面，带宽为50～750 kHz，主频为150 kHz。

实验岩样共有24块，取自松北致密气藏砂砾岩储层岩心，取样深度约为3 700 m。砾石岩性以凝灰岩砾、硅质岩砾为主，泥砾次之，少量石英砾，砂质胶结，较致密，分选较差，次圆状磨圆；孔隙度为3.5%～6.4%，渗透率为0.03～1.48 mD。由全直径岩心照片（图1）可以看出，岩心上部为小粒径的粉砂质砾岩，下部为含有大粒径砾石的砂砾岩。

图1 全直径岩心照片Fig.1 Images of full-diameter core sample

岩样为标准圆柱体，尺寸为25.4 mm×50 mm，且两侧端面具有较高的平行度。根据粒径的分布特征将岩样分为A 和B 组。A 组岩样的砾石粒径较小，主体砾石粒径小于1 mm，且分选较好；B 组岩样的砾石粒径较大，主体砾石粒径为2～6 mm，最大粒径可达10 mm以上。

1.2 实验方法

在三轴压缩及岩石的声发射实验中，将每组岩样的围压分别设定为0，10，20 和40 MPa，位移加载速率为0.06 mm/min，整个实验系统均由计算机控制。实验时，首先将围压设置为设定值。随后，采用恒定的位移加载速率施加轴向应力，应力施加过程中软件将自动记录2 组位移传感器的应力-应变数据。在应力-应变过程中，声发射定位解释系统将对岩样整个破裂过程中的声发射响应特征进行监测。其中，声发射信号的采集由声发射检测系统完成，该系统由声发射软件控制，并能够实时显示数据，如声发射事件数、剪切事件占比等［24-26］。

2 实验结果与分析

2.1 岩样破坏特征

从2 组岩样中分别选取4 块岩样，编号依次为A-1—A-4，B-1—B-4。在三轴压缩条件下，A-1 岩样表现为明显的贯穿式拉张破坏。当围压为10 MPa时，A-2岩样仍为拉张破坏，但裂缝未贯穿整个岩样且裂缝开度较小。当围压分别增加至20 和40 MPa 时，A-3 和A-4 岩样表现为破裂面与岩样轴线斜交的剪切破坏，且岩样表面的裂缝迹线较为平滑。破裂面与岩样轴线的夹角约为30°。B 组岩样的破坏形态与A 组明显不同。三轴压缩条件下，B-1 岩样表面可观察到多条裂缝迹线。通常而言，砾石界面的强度低于砾石本体，因此裂缝主要发生绕砾扩展，导致裂缝破裂面弯曲。当遇到强度较低的砾石时，发生穿砾扩展或砾内裂隙的偏转。当围压为10 MPa 时，B-2 岩样呈现明显的剪切破坏，破裂面与岩样轴线夹角约为30°。随围压的进一步增加，剪切破裂面与岩样轴线的夹角略有增加。当围压分别增加至20 和40 MPa 时，破裂面与轴线夹角分别为36°和40°。此外，岩样破坏过程中裂缝发生绕砾扩展，裂缝迹线呈锯齿状（图2）。

图2 不同粒径的2组岩样在三轴压缩实验中的破坏形态Fig.2 Broken pattern of two core sample groups with different gravel sizes in tri-axial compression test

2.2 偏应力-应变曲线特征

在轴向载荷加载过程中，岩样的轴向应变曲线首先呈线性增加，输入能量以弹性能的形式存储在岩石中，在达到峰值应力前出现明显的非线性阶段，说明岩样内部产生微裂纹和扩展成核；峰后承载力逐渐降低，储存的能量逐渐释放［27］。A 组岩样峰后的偏应力-应变曲线较为陡峭（图3a），说明岩样破坏过程中承载力迅速降低，主要依赖内部弹性能的释放；而B组岩样的峰后偏应力-应变曲线较为平缓（图3b），说明岩样破坏过程中需要外部能量的持续输入。尤其是在三轴压缩条件下，B-1 岩样的偏应力-应变曲线具有明显的残余阶段（图3b），且残余偏应力与峰值偏应力差别不大。因此，偏应力-应变曲线特征说明B 组岩样的塑性高于A 组岩样。

图3 不同围压下2组岩样在三轴压缩实验中偏应力-应变曲线关系Fig.3 Deviator stress-strain curves of two core sample groups in typical tri-axial compression tests at different confining pressures

软化模量用来表征峰后岩石承载力丧失的快慢，可以通过峰后应力-应变曲线斜率的绝对值确定。该绝对值越大，岩石脆性越强。由不同围压下2组岩样的岩石力学参数（表1）可知，随围压增加，2组岩样的抗压强度和弹性模量整体呈上升趋势，软化模量整体呈下降趋势。且相同围压条件下，A 组岩样的力学强度普遍低于B组岩样。这主要是因为大量胶结较弱的砾石界面的发育降低了B组岩样的最大承载力，但相同围压条件下，A组岩样的软化模量绝对值明显高于B组岩样。大粒径砾石的存在加剧了破裂面的粗糙程度，从而在一定程度上抵抗峰后岩石承载力的丧失。因此，需要更多的能量输入来维持B组岩样的破坏过程。

2.3 脆性特征

为定量表征不同粒径砾石对于岩石脆性特征的影响，分别采用基于岩石力学参数和基于能量演化的脆性指数计算方法，分析不同粒径砾石砂砾岩岩样的脆性特征。

表1 不同围压下2组岩样的岩石力学参数Table1 Rock mechanical parameters of two core sample groups at different confining pressures

2.3.1 基于岩石力学参数的脆性指数计算

RICKMAN 提出用杨氏模量和泊松比来计算脆性指数的方法。利用无因次的弹性模量和泊松比的平均值来定量表征其脆性强弱。其计算公式［21］为:

2.3.2 基于能量演化的脆性指数计算

岩石脆性越强，越能够依靠自身弹性应变能的释放来维持峰后的破坏过程［28-29］。因此，可以通过计算峰后破坏过程中的能量来源，定量分析岩石的脆性特征。图4为岩石变形和破坏过程中能量演化分析的示意图。根据能量演化理论，岩石峰后释放的弹性应变能为B点处峰值弹性应变能（图4 中△ABF的面积）和C点处残余弹性应变能（图4 中△CEG的面积）的差值，即:

岩样峰后破坏过程中输入的外部能量（图4 中梯形BFGC的面积）可以表示为:

图4 岩石变形破坏过程中的能量演化示意图Fig.4 Schematic of energy evolution during rock deformation and broken processes

2.3.3 脆性指数对比

由不同围压2 组岩样的脆性指数计算结果（图5）可知，相同围压下，BI1和BI2的计算结果均说明B组岩样的脆性指数普遍低于A组岩样。但基于岩石力学参数的BI1不能反映岩石脆性随围压升高而降低的趋势（图5a）。这主要是因为岩石弹性模量随着围压的升高而升高，但弹性模量更多的是反映岩石变形过程中的特征，无法反映岩石的破坏过程。因此，在脆性评价过程中可能得到相反的结论。

随围压增加，2 组岩样的BI2值均减小。说明基于能量演化的脆性评价方法能够反映随围压增加，岩石由脆性向塑性转变的特征。整体来看，低围压条件下，A 组岩样脆性变化较小。围压由0 MPa 增加到20 MPa 时，BI2值仅由0.89 下降至0.80，仍表现为强脆性特征。当围压增加至40 MPa 时，BI2值降低至0.64，属于中等脆性。而B 组岩样的脆性在低围压条件下明显降低。当围压由0 MPa 增加至20 MPa时，BI2值由0.87线性下降至0.27。当围压高于20 MPa后，岩样的脆性变化不大（图5b）。脆性指数的计算结果与岩样的破坏特征和偏应力-应变曲线特征一致。这主要是因为大粒径砾石界面在B组岩样的整个破坏过程中起主导作用。因此，采用基于能量演化的BI2能够更加准确地反映砂砾岩的力学特性。

图5 不同围压下2组岩样脆性指数计算结果Fig.5 Brittleness index calculation results of two core sample groups at different confining pressures

尽管脆性评价的结果表明大粒径砾石会降低砂砾岩的脆性，但从岩样破坏形态来看，大粒径砾石为主的岩样在三轴条件下破坏更彻底，裂缝形态更加复杂。这主要是因为砾石界面的存在使裂缝在扩展过程中发生偏转和（或）分叉，从而显著增加裂缝的复杂程度。MA 等在砂砾岩室内压裂物理模拟实验中也发现，大粒径砾石为主的岩样压裂时易形成复杂缝网；而小粒径砾石为主的岩样易形成单一主裂缝。这说明在砂砾岩储层中，砾石界面对于岩石可压性的影响要更加显著［30］。

2.4 声发射响应特征

岩石破坏过程中，由于弹性能的释放，会产生大量的声发射事件［25-26］。分析不同围压条件下，2组岩样在三轴压缩实验中声发射事件的定位结果（图6）与岩样破裂形态发现，声发射事件的分布能够很好地反映岩石的破坏特征。A 组岩样在0 和10 MPa 的围压下，产生纵向拉张破坏，破裂面相对较多，声发射事件的空间分布较为离散；围压增加至20 和40 MPa 时，产生单斜面剪切破坏，声发射事件主要沿倾斜的破裂面集中分布。B 组岩样仅在三轴条件下产生拉张破坏，大量声发射事件分布于整个岩样范围内，离散程度更大；三轴压缩条件下，声发射沿单斜破坏面分布密集。三轴压缩条件下，由于岩样脆性较高、破裂面较多，2 组岩样破坏过程中诱发的声发射事件数量也相对较多；施加围压后，破裂面数量减少，声发射事件的数量也明显减少（图7a）。低围压条件下，剪切事件占比相对较少；高围压条件下，剪切事件占比显著增加。同时，由于大粒径砾石的存在，相同围压条件下，B 组岩样中剪切事件占比明显高于A组岩样。这说明大粒径砾石砂砾岩中，剪切破坏占主导（图7b）。

图6 不同围压下2组岩样声发射定位结果Fig.6 Acoustic emission location results of two core sample groups at different confining pressures

4 结论

图7 不同围压下2组岩样声发射事件统计结果Fig.7 Statistical results of acoustic emission events of two core sample groups at different confining pressures

针对松北致密气藏砂砾岩储层开展三轴压缩实验，研究不同粒径砾石对砂砾岩力学性质和脆性特征的影响。实验结果表明，不同粒径砾石对砂砾岩岩样的破坏特征、脆性特征及声发射响应特征具有不同程度的影响。大粒径砾石为主的岩样由于存在大量弱胶结的砾石界面，比小粒径砾石为主的岩样力学强度更低，峰后偏应力-应变曲线更平缓，峰后软化模量的绝对值更小。基于能量演化的脆性指数计算结果表明，大粒径砾石为主的岩样脆性指数低于小粒径砾石为主的岩样。但从破坏形态和声发射响应特征来看，由于砾石界面的存在，岩样在破裂过程中容易发生裂缝的偏转和（或）分叉，形成的裂缝形态更复杂，声发射事件以剪切事件为主且呈离散分布，大粒径砾石有利于提高裂缝的复杂程度。因此，在砂砾岩压裂改造的选井选层过程中，应当综合考虑岩石脆性和砾石粒径特征的影响。

符号解释

ED——无因次弹性模量；E——弹性模量，GPa；μD——无因次泊松比；μ——泊松比；BI1——基于岩石力学参数的脆性指数；ΔUe——岩石峰后释放弹性应变能，J/m3；——峰值弹性应变能，J/m3——残余弹性应变能，J/m3；σp——峰值偏应力，MPa；σr——残余偏应力或残余抗压强度，MPa；W——峰后破坏过程中的外部输入能量，J/m3；εar——残余点C处的轴向应变；εap——峰值点B处的峰值轴向应变；M——软化模量，MPa；BI2——基于能量演化的脆性指数。