页岩储层可压性分析研究

黄宇飞

（长江大学 地球科学学院， 湖北 武汉 430100）

中国存在页岩气发育的良好地质条件，根据地质类比法研究和资源量初步估算，中国拥有与美国大致相同的页岩气资源量[1]。因此，作为一个石油对外依存度超过50%的国家，我国应该从美国页岩气革命成功的经验中获得启示，即重视页岩气工业的发展，建立一套成熟完整的开发体系。与美国相比，我国的页岩气工业发展还处于早期阶段，目前存在的主要问题之一就是基础理论和实验研究的环节比较薄弱。侯冰等[2]认为可压裂性（Fracability）是页岩气藏储层具有的能够被有效压裂从而增加产能的性质，是表征压裂难度和能否达到预期的压裂效果的参数。赵金洲等将页岩气藏储层可压性描述为在相同的压裂技术工艺下，储层中形成复杂缝网并且获得足够大的储层改造体积（SRV）的可能性，以及产生较高经济效益的能力。两者的描述虽然略有不同，但有两个主要共同点：1）可压性好的页岩气储层易于形成复杂的裂缝网络，压裂难度低；2）可压性好的页岩易于实现大范围的改造体积，压裂影响空间大，压裂效果好，产能高，带来巨大的经济效益。

1 地质可压性

可压性反映了储层地层在水力压裂中的综合特征，地质可压性主要包含以下几个影响因素：埋深、有效页岩厚度、有效烃源岩面积、渗透率和孔隙度、总有机碳含量（TOC）、吸附气含量、含水饱和度、游离气含量等、水平应力差异系数。

有效页岩厚度是指页岩气储层厚度需要达到一定的值，进行水力压裂才可能产生具有足够经济效益的产能。通常情况下，总有机碳含量高的储层所需的有效厚度较小，大于15 m 为宜；总有机碳含量较低的储层则以大于30 m 为准。有效烃源岩面积是判断页岩气储层烃源岩分布范围和储集空间大小的重要指标。页岩气储层的孔隙度和渗透率都极低，表现出“低孔特低渗”的特点。总有机碳含量（TOC）是页岩气成藏的重要条件之一，有机质不仅是天然气的物质来源，还可以为天然气的储层提供空间。侯冰等认为，在一般情况下，总有机碳质量分数（TOC）需要＞2%；熊伟等[3]认为总有机碳质量分数（TOC）超过0.5%的页岩是具有潜力的烃源岩。

吸附气含量、含水饱和度、游离气含量可由室内吸附气测试结合测井数据得出。并以此为基础，可以得出页岩气藏的地质储量。此外，页岩气藏的含水饱和度直接影响含气量，一般情况下，随着有机质成熟度的增加，含水饱和度下降，含气量上升。高含水也会影响到天然气的采出，引发堵塞孔喉、水淹气井等问题。关于页岩气开发含水饱和度下限，斯伦贝谢公司选取值为45%[4]。通常认为在高水平应力差的条件下，地层会更易于产生较为平直的水力主裂缝。水平应力差异系数可以表征水平应力差对于裂缝形态的影响，其计算方法见下式。

式中：Kh—水平应力差异系数，无因次；H

σ—最大水平主应力，MPa；h

σ—最小水平主应力，MPa。

水平应力差异系数是评价页岩气藏储层地质可压性的主要指标之一。水平应力差异系数越大，产生网状裂缝的可能性也就越小；反之，水力压裂则越容易随机沟通天然裂缝，形成复杂的裂缝网络。水平应力差异系数的大小对裂缝的几何形态、尺寸等参数都具有明显的影响。

2 体积压裂可压性

2.1 脆性指数

脆性指数就是用来表征页岩脆性特征的参数，其他条件不变的情况下，脆性指数越高，页岩的可压性越好。金晓春等[5]提出了页岩气储层可压性评价方法及相关结论，在可压性评价体系里，脆性指数一直是重要的衡量指标。起初脆性指数定义为石英占总矿物物量的质量百分数，在此之后，人们又发现白云石也会增强页岩的脆性，因此将白云石与石英归为一类，统称脆性矿物。陆续地，人们发现在页岩储层中，硅酸盐矿物如长石、云母比黏土具有更强的脆性。除了白云石，其他的碳酸盐矿物如方解石，也比黏土的脆性要强。因此，人们提出了一个用矿物含量来计算页岩储层脆性指数的方法。

另一种主流的脆性指数计算方法是岩石力学参数法，岩石力学参数法主要通过杨氏模量和泊松比这两个参数来表征岩石的脆性指数。杨氏模量（Young’s modulus）是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，是沿纵向的弹性模量；泊松比（Poisson ratio），又称横向变形系数，是在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。

2.2 断裂韧性和应变能释放速率

在断裂力学中，人们使用应力强度因子（SIF）这一参数来预测由远端载荷或剩余应力产生的裂隙尖端附近处的应力状态。当应力强度因子达到其临界值时，岩石将会产生裂缝，人们将这个临界值定义为了岩石的断裂韧性。断裂韧性反映了岩石抵抗原先存在的裂缝继续扩展的能力。目前已经证实，岩石断裂韧性越大，其破裂压力越大[5]。

应变能释放速率指新裂缝产生的过程中单位表面积所损耗的能量。在目前的研究中，应变能释放速率临界值不会由于裂缝的破裂形式不同而改变。

裂缝延伸所需的能量并不总是随着岩石杨氏模量的增大而增大。然而，通常情况下，沉积岩的杨氏模量都大于11 GPa。因此，我们可以认为储层岩石杨氏模量越大则越难压裂产生裂缝。由于断裂韧性与杨氏模量具有线性正相关的关系，岩石的断裂韧性越大，那么形成新裂缝或延伸旧裂缝所需的能量也就越多。

2.3 压裂障碍层

水力压裂想要取得理想的效果，其关键步骤之一就是在压裂施工前判断压裂障碍层（Fracture Barrier）。压裂障碍层指不易压裂产生裂缝或压裂产生裂缝后将对生产或经济效益带来负面影响的地层。

水力压裂所产生的裂缝应该集中于产油气层，而不是意外地沟通淡水层或断层带，那样的错误将不利于未来油气的生产，或是对环境造成污染。例如，美国Barnett 页岩下伏的Ellenburger 组由多孔的白云石和石灰岩组成，这些岩石中含有一定量的水，水力压裂的裂缝若是突破到了该层段将降低气体的相对渗透率，最终将减少开发过程的净现值（NPV），影响开发经济效益[6]。基于目前对压裂障碍层对裂缝在垂直方向延伸的影响机理的理解，压裂障碍层的埋深是预测裂缝高度的重要依据之一。

3 页岩气藏可压性实例计算

现场X 井取心进行地质矿物分析可知： 1）龙马溪组主要是纹层状含粉砂炭质黏土岩，其中放射虫残片较多，含少量硅质，石英砂分布不均，最大粉砂直径为0.06 mm； 2）五峰组大量炭质有机物与黏土相混合，有少量粉砂石英颗粒零星分布，白云石聚集分布，偶见细小方解石。基于X 射线矿物分析实验，可得目的层矿物分析数据，基于单轴力学实验可得岩石力学数据，计算目的层脆性指数，计算结果见表1 及图1。

表1 目的层脆性指数

可以看到，两种方法的偏差还是很大的，这里笔者将矿物成分法计算的结果作为较准确的脆性指数，因为，大多数文献都认为，矿物成分对脆性指数的影响较大，即对形成复杂缝网的影响大；而杨氏模量和泊松比更多地影响的是裂缝的起裂，扩展难易程度，以及裂缝开度等等，即对储层改造体积（SRV）的影响更大。虽然两种方法在X 井现场数据的处理中表现得有些不一致，但我们仍然可以发现，两种方法计算出的该井目的层的脆性指数几乎都大于50%，这与目前认为良好目的层脆性指数应该大于40%的观点是一致的。

图1 脆性指数计算结果对比图

利用公式计算处理，可得X 井目的层可压性指数。三种方法计算的可压性指数对比情况见图2。

图2 可压性指数对比图

通过对比可以发现，FI1和FI2与实际的压裂效果符合较好，FI3则是部分岩心符合良好。笔者认为，FI3的计算方法在力学方面仅仅考虑杨氏模量虽然比较简单，便于现场使用，但缝网压裂毕竟是一个影响因素复杂的过程，影响因素考虑的不充分必然导致与现实情况产生明显偏差；FI1和FI2中关于力学因素的考虑相对全面一些，FI1考虑了泊松比，FI2中的断裂韧性公式虽然只包含杨氏模量，但该公式为相关性拟合公式，实际上考虑了除杨氏模量之外的力学参数。

4 结论

1）在查阅大量国内外文献，并对其进行筛选总结的基础上，借鉴并总结了一套页岩气储层可压性评价方法，应用该方法评价X 井目的层可压性。

2）对页岩气储层进行可压性综合评价时，脆性指数应该使用矿物成分进行计算，或者将矿物成分法所得结果与岩石力学法所得结果进行加权平均，并且将矿物成分法的权重设定得大一些。

3）可压性综合评价实际上考虑了两个主要因素，一个是裂缝复杂性，另一个是储层改造体积大小。如果脆性指数也采用力学参数进行计算，难免会使得可压性综合评价失去全面性，因此应该使用矿物成分计算脆性指数。