吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层脆性特征

石善志，邹雨时，王俊超，张士诚，李建民，张啸寰

（1.中国石油 新疆油田分公司 工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组为陆相沉积，气候、物源供给强度以及湖平面的周期性升降控制了其沉积演化过程和层序发育特征，沉积时期湖盆处于深水和浅水不断变换的环境，烃源岩以泥质岩类为主，储集层主要为白云质类粉细砂岩，纵向上烃源岩与储集层交互叠置，层理发育[1-10]。岩性变化与层理的发育，导致其脆性特征变化较大，而岩石脆性影响储集层压裂改造的效果[11-12]，故研究储集层脆性特征对于压裂增产改造的选层选段具有重要意义。

岩石脆性与岩石的矿物组成、微观结构、力学性质等密切相关，脆性较高的岩石通常具有如下特征：石英等脆性矿物含量高、内摩擦角大或剪切破裂面倾角小、具有清晰的破裂面等[13-19]。现有的脆性评价方法可分为：矿物学方法、力学参数方法、变形特征方法、能量演化方法等。

由于吉木萨尔凹陷芦草沟组岩石矿物成分与组织结构变化较大，导致岩石力学性质和脆性特征变化较大。本文针对芦草沟组储集层不同岩性的岩样进行了矿物学、力学参数及能量演化特征研究，结合其矿物成分特征、应力—应变曲线特征、岩石破坏特征以及脆性评价结果，提出了适合研究区芦草沟组储集层的脆性指数评价方法。

1 储集层矿物成分

1.1 全岩相分析

为明确吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层矿物成分，对岩心样品进行了全岩分析。常规岩石矿物分类方法可将井下岩心矿物成分分为4 类：石英类（石英、长石等）、碳酸盐类（方解石、白云石等）、黏土类（高岭石、绿泥石、伊利石等）和硫酸盐类（菱铁矿、菱镁矿等）。由于该区硫酸盐类矿物含量很少，故绘制矿物为黏土类、石英类和碳酸盐类的成分三角相图。结果显示，吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层主要矿物为石英类与碳酸盐类，含量分别主要为30%～80%、20%～70%，黏土类和硫酸盐类含量较少，低于10%（图1）。

1.2 矿物学脆性特征评价

通常石英类与碳酸盐类矿物含量高时，岩石脆性较大[20]，因此，将石英、长石和碳酸盐矿物（白云石）作为岩石矿物学脆性特征评价的主要矿物类别，计算吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层矿物成分脆性指数：

结果表明，储集层多数岩样的矿物成分脆性指数高于0.60（图2），这是由于该区矿物主要为石英类与碳酸盐类矿物，黏土矿物含量较少。

2 储集层岩石力学特征

2.1 力学参数脆性特征评价

为明确吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层的岩石力学特征，采用岩石力学综合测试系统，对标准岩心样品（长50 mm、直径25 mm）开展三轴压缩实验。实验过程采用变形控制，加载速度为1 mm/min，为模拟地层条件，设定围压为35 MPa（平均地层压力），测定储集层岩石杨氏模量、泊松比、抗压强度及应力—应变曲线，并根据Rickman 的方法[21]计算芦草沟组岩石力学参数脆性指数：

结果表明，不同深度不同岩性的储集层力学性质差异较大，杨氏模量为10～35 GPa，抗压强度为160～410 MPa，泊松比变化相对较小，多数为0.2～0.3（图3）。

2.2 能量演化脆性特征评价

在轴向载荷的加载过程中，岩样的轴向应变先线性增加，输入能量以弹性应变能的形式存储在岩石中；应力在达到峰值前出现明显的非线性阶段，表明岩样内部微裂纹的产生和扩展；峰后阶段岩样承载能力逐渐降低，储存的能量逐渐释放[22]。通过应力—应变曲线峰后的斜率，可以确定岩石的软化模量，用以表征峰后岩石承载能力丧失的快慢。软化模量的绝对值越大，即发生较小的轴向应变时岩石的承载能力降低越快，岩石的脆性越大。

相同岩性的不同岩心，力学特征不同（图4）。白云质粉砂岩2 表现出明显塑性特征，峰后随应变增加应力变化平缓，承载能力丧失较慢。然而矿物成分脆性评价未能体现出这种差异，主要是由于岩石的破坏是复杂的力学过程，矿物往往难以准确表征其特征，且研究区不同成分的脆性矿物含量相近。Rickman方法考虑采用归一化杨氏模量和泊松比表征岩石脆性较矿物成分表征更准确，但其仅考虑应力—应变曲线的峰前阶段，不能完整表征岩石在受力全过程中发生的破坏。脆性较大的岩石，通常具有以下特征：应力达到峰值前，岩石以弹性应变能形式储存能量，驱动岩石破坏的能量主要为释放的弹性应变能；应力达到峰值后，弹性应变能的消耗更为彻底。能量演化方法考虑岩石应力—应变全过程，即峰前阶段、峰后阶段和残余阶段，能全面表征岩石在受力过程中发生的破坏。因此，采用文献［23］提出的能量演化脆性指数B3（由B31、B32和B33组成）评价芦草沟组储集层岩石脆性特征。

在峰前阶段，输入的能量以弹性应变能的形式存储的比例越高，脆性越大，峰前脆性指数为：

在峰后阶段，释放的弹性应变能在驱动岩石破裂的过程中所占的比例越高，脆性越大。当额外能量为正时，岩石为脆性—塑性；当额外能量为负值时，即峰后阶段岩石释放能量，岩石为超脆性。峰后脆性指数为：

在残余阶段，弹性应变能释放得越彻底，脆性越大，残余脆性指数为：

经对比，采用不同计算方法得出的以上3 种脆性指数差异较大，其中，矿物成分脆性指数较大，力学参数脆性指数较小，能量演化脆性指数介于上述两者之间（图3）。

3 脆性指数评价新方法

目前评价岩石脆性主要采用基于脆性矿物成分的评价方法，或基于力学参数（主要为杨氏模量和泊松比）的脆性评价方法[24-27]。

由于吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层岩心黏土矿物含量相对较少，主要矿物为石英类与碳酸盐类矿物，矿物组成的变化对矿物成分脆性指数影响不大；而力学参数涉及的影响因素较少，准确性较低。因此，本文基于吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层矿物学特征、岩石力学参数和能量演化特征，提出适合芦草沟组复杂岩性储集层的脆性指数评价新方法，分析不同岩性的脆性特征。

3.1 应用层次分析法的综合脆性指数

采用不同方法评价同种岩性得出的脆性指数差异明显：矿物成分脆性指数较大，力学参数脆性指数较小，能量演化脆性指数中等（图5）。

应用层次分析法[28]确定上述3 种脆性指数的权重，提出综合脆性指数。判断矩阵可表示某层元素相对于上层元素的重要程度，用整数1—9 标度不同程度。1 表明两者同等重要，3 表明此元素比上层元素略重要，5 表明此元素比上层元素明显重要，7 表明此元素比上层元素重要得多，9 表明此元素与上层元素相比极为重要，标度为2、4、6和8时，重要程度为其相邻2 个判断的中间值。将综合脆性指数各参数进行对比后，用不同标度值构成判断矩阵，由于该区块岩石脆性矿物成分相近，矿物成分脆性指数对综合脆性指数影响最小；力学参数脆性指数仅考虑应力—应变曲线的峰前阶段，不能表征岩石在受力全过程中发生的破坏特征，故对综合脆性指数的影响中等；能量演化脆性指数考虑岩石应力—应变曲线的整体，对综合脆性指数影响最大。因此，将能量演化脆性指数标度为1，力学参数脆性指数标度为3，矿物成分脆性指数标度为5（表1）。

表1 脆性指数评价新方法判断矩阵取值Table 1.Values of judegement matrix for the new method of evaluating brittleness indexes

利用和积法计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，从而确定可压性各影响因素的权重。

计算可得，能量演化脆性指数、力学参数脆性指数和矿物成分脆性指数所对应的权重分别为0.65、0.22和0.13，因此，综合脆性指数为：

经计算可知，吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层不同岩性脆性差异较大，非均质性较强（图6）。其中，三角洲前缘砂坝沉积、混合坪沉积和半深湖沉积的泥质粉砂岩、砂屑白云岩和泥页岩，综合脆性指数较大，分别为0.68、0.65 和0.60，均大于0.60；浅湖—半深湖沉积和白云坪沉积的白云质粉砂岩和泥晶白云岩，综合脆性指数中等，分别为0.54 和0.55；白云质泥岩作为白云坪与混合坪沉积的过渡性岩石，综合脆性指数较低，仅为0.49。

3.2 脆性评价新方法验证

通常脆性越大的岩石受载后的破裂形态越复杂，为验证综合脆性指数评价方法的准确性，对比不同岩性岩石经三轴压缩实验后的破坏特征。在围压为35 MPa 条件下，泥晶白云岩的体积应变绝对值为1.27×10-2，综合脆性指数为0.90，表现为明显的贯穿式拉张破坏，形成3条主裂缝；泥页岩1的体积应变绝对值为1.01×10-2，综合脆性指数为0.73，形成2条贯穿岩石的主裂缝和3 条层理缝，形成复杂交错的裂缝网络；白云质粉砂岩与泥页岩2 的体积应变绝对值分别为1.15×10-2和2.83×10-2，综合脆性指数均小于0.25，岩样表面未出现宏观裂缝，岩样膨胀，直径明显扩大，体积应变绝对值较大，塑性特征明显（图7）。

而塑性特征明显的白云质粉砂岩的矿物成分脆性指数高达0.87，力学参数脆性指数也高于0.25。因此，从岩样实际破坏特征可以看出，与考虑单一因素的脆性评价方法相比，本文所提出的考虑矿物组成、力学参数与能量演化的综合脆性指数更符合实际，更能准确表征岩石脆性特征。

3.3 层理对脆性的影响

层理的发育对岩石脆性具有一定影响，综合脆性指数略低于泥晶白云岩的泥页岩1 裂缝更为复杂，这是由于泥页岩1 的层理更加发育且胶结程度较低（图7a、图7b）。

对同一块全直径岩心从平行和垂直层理方向分别钻取标准岩心，开展三轴压缩实验。由应力—应变曲线可以看出，垂直层理方向的泥晶白云岩1V 呈现明显的塑性特征，达到峰值应力130 MPa 后，随应变增加没有明显的损伤行为，受载没有突降；平行层理方向的泥晶白云岩1P呈现明显的脆性特征，达到峰值应力228 MPa 后，出现明显的破裂，受载能力大幅下降，峰后应力下降快，残余应力在150 MPa左右（图8）。

泥晶白云岩1V 和1P 的体积应变绝对值分别为4.19×10-3和5.06×10-4，表明岩心在垂直层理方向发生了塑性变形和体积压缩，在平行层理方向产生宏观断裂且体积膨胀。经脆性指数评价新方法计算，岩心在平行和垂直层理方向的综合脆性指数分别为0.68 和0.23，前者为后者的2.96 倍。综上可知，层理对岩石的力学性质和脆性特征影响较大，取自同一块岩心的样品，平行层理方向的脆性远大于垂直层理方向。

应用综合脆性指数分析吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层岩石脆性特征，可为甜点选择提供依据，优选脆性较高层段进行体积压裂改造，脆性较低层段实施密切割、暂堵转向等压裂技术，从而增大储集层整体改造体积。泥质粉砂岩、砂屑白云岩和泥页岩脆性较大，易形成复杂裂缝，压裂改造效果较好；白云质泥岩脆性较小，难以形成复杂裂缝。

4 结论

（1）吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层黏土矿物含量较低，脆性矿物含量相近，整体矿物成分脆性指数在0.60 以上，矿物成分脆性指数难以准确评价其脆性特征。

（2）泥质粉砂岩、砂屑白云岩和泥页岩综合脆性指数较高；白云质粉砂岩和泥晶白云岩综合脆性指数中等；白云质泥岩综合脆性指数较低。

（3）层理对岩石的力学性质和脆性特征具有一定影响，取自同一块岩心的平行层理方向岩样的脆性大于垂直层理方向。

（4）应用综合脆性指数评价方法分析吉木萨尔凹陷芦草沟组储集层，可优选高脆性层段岩石进行体积压裂改造，提升储集层整体改造体积。

符号注释

aij——判断矩阵第i行第j列数据；

akj——判断矩阵第k行第j列数据；

B1——矿物成分脆性指数；

B2——基于岩石力学参数的脆性指数；

B3——能量演化脆性指数；

B31——峰前脆性指数；

B32——峰后脆性指数；

B33——残余脆性指数；

BT——综合脆性指数；

E——杨氏模量，GPa；

ED——归一化杨氏模量；

i——判断矩阵第i行；

科技处下设科技开发科，现有1名专职管理人员，各二级学院、重点实验室有专门的科研分管领导及科研信息员，负责本单位本部门的科研管理工作，技术经纪人1人。学校二级单位现有专职科研管理工作人员共44人，学历均为硕士研究生及以上。

j——判断矩阵第j列；

k——判断矩阵第k行；

Ma——轴向软化模量，GPa；

Mr——径向软化模量，GPa；

n——判断矩阵第n行；

Ue——弹性释放能，J；

Up——吸收能量，J；

Ut——弹性应变能，J；

W——额外能量，J；

Wd——白云石含量，%；

Wf——长石含量，%；

Wq——石英含量，%；

Wt——矿物总量，%；

εa——轴向应变；

εf——峰值轴向应变；

εt——体积应变；

ν——泊松比；

νD——归一化泊松比；

σa——轴向应力，MPa；

σc——围压，MPa；

σp——峰值应力，MPa；

σr——残余应力，MPa；

ω——特征向量；

ωi——特征向量第i行数据；

ωn——特征向量第n行数据。