砾岩油藏岩石力学特征及其对压裂改造的影响

张文 ，高阳 ，梁利喜 ，覃建华 ，刘向君 ，张景

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

砾岩油藏是我国重要的一种油藏类型，与常规砂岩油藏相比，它具有砾石含量高、储层非均质性强的特点［1-2］。由于储层物性差，该类致密油藏常利用压裂改造增强储层的渗透性，提高单井产能［3-4］。国内外学者从储层地质力学特征［5-6］、缝网建造机理［7-9］，以及压裂液滤失模型与支撑剂适应性［10-12］等方面研究了致密油藏压裂改造的必要性和有效性。然而，砾石的存在使砾岩力学性质，特别是裂缝的扩展延伸特点，与常规砂岩差异显著。刘向君等［13］进行了砾岩力学实验，发现砾石对砾岩裂缝扩展具有屏蔽作用。Mahdevari等［14］发现当砾石含量较低时，砾岩以张性破坏为主；而砾石含量较高时，砾岩表现出明显的剪切破坏。此外，考虑到砾岩储层的压裂改造效果主要与裂缝扩展有关，国内外学者对此也开展了相应的研究。李连崇等［15］进行了砾岩地层压裂的二维数值模拟实验，总结出砾岩地层裂缝扩展的3种典型形式。张子麟等［16］在三维的砾岩压裂数值模拟实验中，发现了裂缝环绕扩展的模式。张安东［17］的研究结果表明,当地应力与砾石和基质的力学参数达到一定配置时，水力缝总是能穿过砾石。因此，砾岩油藏的改造效果与其储层岩石力学性质具有密切的关系。研究砾岩储层的岩石力学特征，对于提升砾岩储层的改造效果具有一定的参考价值。

本文以玛湖凹陷砾岩油藏为研究对象，从砾岩的压入硬度、抗拉强度等岩石特性出发，结合数值模拟手段，研究了砾岩储层压裂裂缝的扩展形态，并进一步结合比采液指数，研究了水平应力差对压裂改造效果的影响。研究结果对于认识砾岩地层裂缝扩展机理、精准制订和实施压裂改造措施具有重要的意义。

1 砾岩储层的力学特征

1.1 砾岩组成

砾岩样品取自玛湖凹陷百口泉组砾岩，深度3 159～3 209 m。砾石粒径主要分布在3～20 mm，为典型的中砾岩。砾石成分以凝灰岩、霏细岩等岩浆岩为主，少见沉积岩砾石，而基质成分混杂。图1为研究区块的砾石粒径分布及基质主要成分。

图1 研究区块的砾石粒径分布及基质主要成分

1.2 砾石与基质压入硬度

由于砾岩的岩性多变、结构复杂，其宏观力学非均质性特征显著，因此开展了多尺度下的岩石力学实验，分别从局部和整体认识了砾岩的力学特性。在全直径砾岩岩心上进行了点载荷实验，表1为砾石与基质测试点的压入硬度对比，图2为点载荷实验前后的砾岩照片。

表1 砾石与基质测试点的压入硬度对比

图2 点载荷实验前后的砾岩照片

结合表1与图2可知：砾石压入硬度与岩性有关，总体分布在409～1 268 MPa，不同砾石之间的压入硬度差异可达3倍，石英类白色砾石的压入硬度最高，灰色砾石次之，黑色砾石最低；而基质的压入硬度显著低于砾石，分布范围为117～296 MPa。此外，部分砾岩基质为砂质胶结，当以0.2 kN的载荷靠近测试点时，基质立刻破坏，说明砾岩基质的压入硬度低于28 MPa。因此，实际情况下，砾石与基质间的压入硬度相差高达数十倍。

1.3 砾岩抗拉强度及张性裂缝特征

岩石的抗拉强度常通过巴西劈裂实验获取。根据前面研究可知，砾石粒径的分布范围大，而常规的小尺寸（φ25 mm）砾岩样品无法研究较大尺寸砾石对砾岩抗拉强度的影响。因此，采用小尺寸砾岩样品和全直径（φ100 mm）砾岩样品相结合的方式，研究工区砾岩的抗拉强度特征。

表2为砾岩巴西劈裂实验的结果。与岩石的断裂韧性一样，砾岩抗拉强度既能表征砾岩中裂缝的起裂能力，又是计算地层起裂压力的关键参数。由表2可知，砾岩抗拉强度的差异性显著，它与砾石尺寸有关。由于砾石对裂缝的屏蔽作用，砾岩难以在拉张应力作用下劈裂破坏，较大尺寸砾石的存在强化了砾岩整体的抗拉强度。此外，砾岩的抗拉强度具有尺度效应，全直径砾岩的抗拉强度明显低于小尺寸砾岩。图3为巴西劈裂实验后全直径砾岩照片。由图3可知，张性裂缝在砾岩中的延伸也与砾石尺寸有关。A7样品的张性裂缝经历了2次穿砾行为（区域A和区域B）和1次绕砾行为（区域C）；而A9样品的张性裂缝全程都是绕砾，主要是拉张应力不足以破坏较大尺寸的砾石，张性裂缝沿着能量最小的方向延伸。在同样的压裂规模下，要避免砾石较大的层段。

表2 砾岩巴西劈裂实验结果

图3 巴西劈裂实验后全直径砾岩照片

2 基于真实砾岩结构的压裂模拟

2.1 数值模拟方法

真实破裂过程分析（RFPA）软件是基于连续介质和统计损伤原理，考虑岩石材料的非均匀性、缺陷分布的随机性，并把这种特性耦合在有限元中，对满足强度准则的单元进行破坏分析的数值模拟软件。其中，该软件的渗流分析采用损伤、应力及渗透性相互作用的耦合控制方法。

该软件假定离散后的细观基元的力学性质服从Weibull分布（见式（1）），由此建立细观与宏观力学参数之间的联系。

式中：α为细观基元的力学参数（弹性模量、抗拉强度等）；φ（α）为 α 的统计分布密度；m为均质度系数（均质度系数越大，细观基元的力学参数分布越集中，反之越分散）；α0为细观基元力学参数的平均值（反映岩石的宏观力学参数）。

2.2 数值模型及参数

根据真实砾岩岩心的砾石分布情况，在全直径砾岩样品端面划分400 mm×400 mm的区域，利用数字图像处理方法，建立反映真实砾岩储层断面的非均质几何模型。根据砾石的色差，建立了白色、灰色和黑色等3种特性的砾石数值模型（见图4，其中：σH，σh分别为水平最大、最小主应力，强度指弹性模量、抗拉强度等）。砾岩储层的地层孔隙压力为40 MPa，σH，σh分别为65，59 MPa。砾石与基质相应的力学参数见表3。为了研究在不同地质、工程条件下砾岩压裂裂缝的扩展形态，在模型中间设计1个注入点，每步向该点注入1 MPa的液柱压力，从而模拟直井压裂过程中压裂裂缝在砾岩地层的横向延伸规律。

图4 基于真实砾岩结构的压裂模型

表3 砾石与基质力学参数

2.3 砾石强度对压裂裂缝扩展形态的影响

为了研究砾石强度对压裂裂缝扩展形态的影响，在表3的基础上，固定基质力学参数，等比例变化砾石强度。为便于对比分析，均采用70步时的弹性模量为分析对象。图5为不同砾石强度下砾岩中压裂裂缝的扩展形态。

图5 不同砾石强度下砾岩中压裂裂缝的扩展形态

由图5可知：在该地应力条件下，砾岩地层形成沿水平最大主应力方向扩展的双翼缝，其中左翼缝向前延伸过程中，遇到较大的黑色砾石，裂缝穿砾而过，但右翼缝向前延伸过程中，前方以尺寸较小却强度高的灰色和白色砾石群为主，裂缝以绕砾为主。随着砾石强度的增加，黑色砾石强度超过基质强度，左翼缝遇到黑色砾石，由穿砾转变为绕砾；而右翼缝延伸路径逐渐固定，即仅沿着砾石与砾石之间的基质区域延伸，裂缝变得细而迂曲。因此，从砾岩储层缝网形成来看，对于低基质强度、高砾石强度的储层，压裂有利于裂缝在基质区域延伸，并可依靠砾石复杂的结构形态，构建复杂的缝网结构；但由于大量的水力能被消耗在复杂缝网结构的构建中，压裂规模将受到限制。

2.4 水平应力差对压裂裂缝扩展形态的影响

为了研究水平应力差对压裂裂缝扩展形态的影响，固定水平最大主应力（65 MPa），变化水平最小主应力（63，59，55，50 MPa）。图 6 为不同水平应力差下砾岩中压裂裂缝的扩展形态。

图6 不同水平应力差下砾岩中压裂裂缝的扩展形态

由图6可知：当水平应力差为2 MPa时，在不同力学参数的砾石组合下，注入点周围的应力分布改变，导致裂缝定向性不强，形成多支压裂裂缝，裂缝在基质区域延伸，并以绕砾为主；随着水平最小主应力降低，水平应力差增大，压裂裂缝逐渐定向，并在水平最大主应力方向形成左翼和右翼2条压裂主缝。在水平最小主应力降低过程中，不仅伴随水平应力差的增加，地应力水平也在降低，因此，左右两翼裂缝长度逐渐增加。当水平应力差由6 MPa增加至10 MPa时，左翼缝延伸受阻，主要是因为遇到较大尺寸的黑色砾石，大尺寸的砾石对裂缝产生较强的屏蔽作用。

结合图3可知：在砾石尺寸较小时，即使含有高强度砾石，水力能依然能够对砾石进行有效穿透；而对于较大尺寸的砾石，即使强度不高，它也能够对压裂主缝产生十分强烈的屏蔽作用，甚至提高水力能都无法实现有效穿透。因此，在砾岩油藏勘探开发时，应该在研究储层地质特征的基础上，优先选择中砾岩储层和细砾岩储层，尽量规避粗砾岩储层，而且选择有一定水平应力差的储层进行压裂改造。这样既保证了压裂主缝的横向延伸，又确保了砾岩储层复杂缝网结构的构建。

3 砾岩储层压裂改造效果评价

比采液指数既表征了单井控制的储层物性，又表征了压裂对储层物性的改造效果。研究区块压裂井的比采液指数与水平应力差的统计关系表明：在比采液指数小于 0.2 m3/（d·MPa·m），即储层物性本身较差时，随着水平应力差增加，比采液指数降低（见图7蓝色区域）；但比采液指数较高时，随着水平应力差增加，比采液指数增加（见图7红色区域）。结合压裂裂缝在不同水平应力差下的扩展形态，当储层比采液指数较低时，压裂形成井周复杂裂缝，有利于产能的提高；当储层比采液指数较高时，压裂形成长距离延伸的单一裂缝，更有利于产能提高。因此，在进行开发井网部署时，应考虑砾岩储层综合甜点所处的构造位置及地应力特征。在井眼轨道设计、压裂方案制定等方面对地应力水平予以充分重视，在复杂的缝网结构与压裂规模之间权衡经济效益，制定有利于油气田长期高产、稳产的开发措施。

图7 水平应力差对比采液指数的影响

4 结论

1）砾石岩性差异导致其压入硬度差异，不同砾石之间的压入硬度差异可达3倍；而砾石与基质的压入硬度差异显著，两者相差甚至高达数十倍。砾岩抗拉强度体现了强的力学非均质性特征。

2）高强度的砾石能有效抑制裂缝穿透砾石，强化砾岩整体的抗拉强度。而砾石尺寸较大，对裂缝的屏蔽作用就更强，甚至提高水力能都无法使压裂裂缝穿过砾石，因此，在压裂方案设计时，砾石尺寸对压裂改造效果的影响应给予高度重视。

3）储层强水平应力差是实现压裂裂缝横向延伸的助力因素。对于物性较好的储层，应以扩大改造规模、实现压裂裂缝横向延伸为目的；而对于物性较差的储层，应以形成复杂的缝网结构为目的，选择弱水平应力差的砾岩储层进行压裂改造。