吉木萨尔致密油储层脆性及可压裂性预测

任 岩 曹 宏 姚逢昌 卢明辉 杨志芳 晏信飞(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

1 引言

致密油气储层由于具有强非均质性、低孔隙度、低渗透率和气流阻力大等特征，致使其有效开采面临巨大挑战。当前，针对非常规油气开采的关键是水平井和分段体积压裂进行储层改造[1-3]。研究表明，岩石脆性是影响地层可压性的重要因素[4]。在工程领域，脆性研究在钻探工程、深部岩体工程以及煤田开采中发挥了很大的作用[5-7]。近年来，脆性已经成为指导油田压裂施工的重要参数[8-11]，国内外学者开始直接利用脆性表征可压裂性，并应用于非常规储层可压裂性评价，认为具有高脆性指数的岩石更容易压裂[8]。但是，这一理论存在不足，在实际应用中经常发现脆性指数高的地层不一定具有良好的压裂效果[12,13]。因此，虽然脆性是表征储层可压裂性的非常重要的参数，但单一地使用脆性评价可压裂性并不完善。

本文针对吉木萨尔芦草沟组致密油储层，分析了现有的利用测井数据计算的多种脆性指数结果，提出了适用于该地区的改进的矿物组分脆性指数，并在此基础上，引入断裂韧性和抗压强度参数，构建了三者相结合的、基于岩石矿物成分、力学参数和物性参数的可压裂性评价模型，使目标区致密油储层可压裂性预测效果得到改善。

2 改进矿物组分法理论

脆性作为重要的岩石力学参数，受到科学家的广泛关注，但是目前还没有普适的定义和准确的脆性指数计算方法[14]。脆性在不同领域内的定义不同[15-18]，其中，地质学及相关学科认为材料断裂或破坏前表现出极少或没有塑性形变的特性为脆性[19]。对于脆性破裂来说，经典观点认为破裂之前没有或很少发生永久变形为脆性破裂[20]，Griggs等[21]规定永久变形不超过1%，而Heard[22]规定岩石破裂前总应变不超过3%即为脆性破裂。与韧性岩石相比，脆性岩石具有易形成天然裂缝、增加油气储藏能力和流动能力、容易压裂、低扭曲、低嵌入度、易形成裂缝网络、储藏接触体积大等特点，因此脆性大的岩石更有利于压裂改造[4]。

2.1 现有脆性指数适用性分析

近年来，国内外学者提出了多种脆性指数。经过统计，现有脆性指数可分为6大类、共20余种方法(表1)。抗压抗拉强度法(B1～B4)[14,23]分析了衡量岩石在压应力和拉应力条件下的强度极限值，认为抗压和抗拉强度差异越大，脆性越强； 应力应变曲线法通过岩石三轴压缩试验，得到应力—应变全过程曲线， 并通过曲线上各阶段所代表的物理意义定义不同的脆性指数，这类方法分为曲线形态法(B5～B8)[24-28]和曲线能量法(B9～B12)[29-33]，分别利用定量化应力—应变曲线形态和能量关系表征岩石脆性；硬度与断裂韧度法(B13～B19)[14,34,35]给出了岩石脆性指数与硬度和断裂韧度的关系，通过硬度和断裂韧度试验、贯入试验和普氏冲击试验等方法，获得岩石脆性指数；矿物组分法(B20～B22)[9,10,12]认为岩石中脆性矿物含量越高，岩石的脆性越大，因此定义脆性矿物含量占总矿物含量的百分比为脆性指数；岩石力学参数法(B23)[8]认为脆性与杨氏模量和泊松比密切相关，岩石的杨氏模量越大、泊松比越小，脆性越大，以此定义脆性指数；内摩擦角法(B24、B25)[14,20]引入库伦—莫尔破裂准则，将岩石内摩擦角与破裂角联系起来，作为判断岩石脆性程度的依据。

表1 脆性指数计算方法汇总

从以上描述可知，前三类方法(B1～B19)均需要对样品进行岩石力学试验分析，根据岩石实际压裂后的特征和过程中的测量数据进行脆性评价，结果会更加准确，而在对致密油气储层脆性评价时，产层往往较多、较薄，对每个薄层的岩心样品均需进行实验测量以计算脆性指数，这种做法费用昂贵且实验周期长，所得结果不连续，在实际应用中存在较大局限；后三类脆性指数(B20～B25)不仅可以通过试验获得，还可以通过矿物成分测井和常规测井方便地求取，虽然这种方式存在一定的误差和多解性，但由于测井数据具有连续性强、分辨率高的特征，实际应用中可以将误差和多解性降低到压裂预测可接受的范围。因此，利用测井数据进行非常规储层脆性和可压裂性评价是当前较为经济、有效的方式。

2.2 改进的矿物组分法脆性指数

近年来，基于矿物组分的脆性评价方法在不断发展。起初，Jarvie等[9]针对北美Barnett页岩，认为只有石英可定义为脆性矿物，首先建立了利用脆性矿物含量评价岩石脆性的方法(B20)；Wang等[10]经过对北美页岩气储层研究发现，白云石含量的增加对页岩的脆性起促进作用，因此将石英和白云石定义为脆性矿物(B21)； Jin等[12]认为石英、长石、云母、方解石和白云石均会增加页岩脆性，因此定义了脆性指数B22。从以上三种方法可以看出，它们针对的都是页岩储层，对于致密砂岩或致密碳酸盐岩储层不一定适用，有很强的地域局限性。因此，对于致密油气储层，需要有针对性地提出合理的矿物组分脆性评价方法。

吉木萨尔芦草沟组致密油地层具有下列特点：岩石种类较为复杂，组成岩石的矿物种类多，过渡类岩性多等。以吉174井为例，上甜点以云质粉砂岩、粗粒砂屑云岩与云质泥岩互层为主要特征，储集岩以云质粉砂岩为主，砂屑云岩次之，储层单层厚度多小于1m； 下甜点以云质粉砂岩和云质泥岩互层为主要特征，致密油主要赋存于云质粉砂岩中，与上甜点相比，储集岩单层较厚，可达到2m； 中间为烃源岩，岩性以云质泥岩、泥页岩为主[36]。因此，从岩性上看，烃源岩地层的脆性整体上应该低于上、下甜点区。图1为吉木萨尔J174井全岩矿物分析百分比含量图，可以看出，岩石组成以石英、长石、碳酸盐矿物为主，其中石英含量在储层与非储层中差异不大。图2为B20～B22三种矿物组分法脆性指数的对比图，可以看出，这三种方法计算的结果均不理想，不能较好地刻画不同类别岩石的脆性强弱关系，同样也不能体现储层与非储层岩石脆性程度的差异，因此这三种矿物组分法脆性指数均不适用于该研究区。

图1 吉木萨尔J174井矿物百分比含量

图2 B20～B22三种矿物组分法脆性指数对比

通过分析，认为吉木萨尔致密油储层岩石中脆性矿物应为石英、白云石、长石和黄铁矿，但由于石英含量差异较小，代入计算不会引起脆性差异，还会削弱其他脆性矿物在脆性指数上的反映，故不将石英含量代入计算，提出的改进的矿物组分法脆性指数Bnew公式为

(1)

式中：Wdol为白云石类矿物百分含量，包括白云石、铁白云石、菱铁矿等；Wfel为长石类矿物百分含量，包括钾长石、斜长石、方沸石等；Wpyr为黄铁矿含量。Bnew的取值范围为[0,1]。

2.3 方法对比

指数B20～B25是常用的几种基于测井数据求取的脆性评价指标，具有简单、高效、成本低、不依赖于实验测量的特点，本文将重点对比这几种方法在研究区致密油储层脆性评价中的应用效果。

(2)

(3)

式中：E为实测点的杨氏模量；Emin和Emax分别为区域内杨氏模量的最小值和最大值，本文储层分别取14GPa和51GPa；υ为实测点的泊松比；υmin和υmax分别为泊松比的最小值和最大值，本文分别取0.10和0.36。杨氏模量和泊松比可以由两种方式获得：一是从岩石力学试验中测得，称为静态方法；二是通过声波和密度测井数据计算得到，称为动态方法[37]，较为常用，其表达式为

(4)

(5)

式中：VP和VS分别为纵、横波速度；ρ为密度。

脆性指数B24和B25是基于内摩擦角的脆性评价方法，内摩擦角一般通过岩石三轴压缩试验获得，但这种方式成本较高，局限性较大。经过大量研究[38-42]，提出了内摩擦角计算的经验公式，可以利用常规测井数据方便地求取。通过自然伽马曲线计算地层内摩擦角[40]的公式为

(6)

式中： GR为自然伽马测井曲线读数； GRsand和GRshale分别表示纯砂岩和纯页岩的自然伽马数值，一般取60和120API；μsand和μshale分别表示纯砂岩和纯页岩的内摩擦系数，一般分别取0.9和0.5。

脆性指数B24与B25等价，这里以B24为例，将式(6)计算结果代入式(7)即可得到内摩擦角法脆性指数

B24=sinφ

(7)

将改进的矿物组分法脆性指数Bnew与B23、B24计算结果进行对比，如图3所示。可以看出： ①这三条曲线的计算过程相互独立，但曲线形态互有相似(全岩矿物分析采样间隔较大，但变化趋势显著)，其中Bnew与B23相似度较高，B24与另外两曲线相似度较低； ②改进的矿物组分法脆性指数Bnew的变化范围最大，脆性变化趋势明显，便于划分岩石脆性强弱，适用性最好，其次为岩石力学参数法B23； ③内摩擦角法脆性指数B24变化范围很小，且曲线受自然伽马曲线影响，波动较大，在上述方法中适用性最低。

图3 Bnew与B23、B24效果对比(黄色阴影为甜点区)

3 断裂韧性对可压裂性的影响

应力强度因子KI是断裂力学中用来预测由于远程载荷或残余应力引起的裂纹尖端附近应力状态的一个重要参数[12]。随着外加应力的增大，裂纹尖端应力强度因子不断增加，当其达到某一临界值时，能使裂纹尖端某一区域的应力大到足以使材料被破坏，从而导致裂纹失稳扩展，发生断裂。裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力强度因子称为临界应力强度因子，也称作材料的断裂韧性KIC。断裂韧性KIC是应力强度因子的临界值，但二者意义却完全不同。KI是裂纹尖端应力场强度的度量，它与裂纹形状、外力大小、加载方式等因素有关，而断裂韧性KIC则是描述材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的量，它与外界条件无关，是材料的固有属性，只与材料种类有关[20]。

水力压裂要求施工层段具有较好的造缝能力，使储层改造体积最大化[43]，其施工过程与引入断裂韧性原理的模型非常类似，造缝能力的高低在一定程度上与岩石抵抗裂纹扩展的能力有关，KIC数值越小，越有利于水力压裂。因此，断裂韧性KIC可以作为水力压裂造缝能力的参量，可以对压裂施工的难易程度和压裂效果起指示作用。

断裂韧性的测量方法有很多种，岩石力学试验是最常用、最准确的方法[44]。但是由于岩石力学试验程序复杂、费用昂贵、时间成本高，并且无法得到地下连续的断裂韧性曲线，因此，科学家研究了岩石断裂韧性与杨氏模量、泊松比、硬度、抗拉强度、抗压强度以及声波速度等参数的关系，得到了不同的经验关系式，并通过实验对不同种类的岩石样品进行了验证[45,46]。

本文使用断裂韧性与杨氏模量的经验关系[12]进行岩石断裂韧性的估计，这一方法可以通过测井曲线数据得到地下连续的KIC变化曲线

KIC=0.313+0.107E

(8)

4 抗压强度对可压裂性的影响

岩石的单轴抗压强度σc是在单向受压条件下，岩石样品被破坏时的极限压应力值，是岩石最重要的物理力学参数之一，也是从事岩石力学工程研究、设计、施工和生产中不可或缺的力学参数[47]。

水力压裂施工中，除了考虑断裂韧性所影响的造缝能力，还应考虑在非主应力方向上能否产生次生裂缝，以沟通不同的人工及天然裂缝，形成复杂缝网。垂直于主应力裂缝方向上的岩石由于裂缝张开，往往处于压应力条件下，因此地下岩石的抗压强度是决定在压应力条件下能否形成裂缝的重要因素。抗压强度越大，越不容易压裂形成复杂缝网[48]，即抗压强度是岩石可压裂性的负向指示因子。

图4 岩石单轴抗压强度与孔隙度交会图

岩石抗压强度一般通过单轴或三轴压缩试验获得，为了简单、高效地求取地下连续的抗压强度数据，本文总结了前人已发表的实验数据[12,49,50]，发现岩石单轴抗压强度与孔隙度存在负相关关系，如图4所示。图4中红色、蓝色和绿色的数据点分别代表文献中来自不同地区的砂岩、页岩和碳酸盐岩样品的实验测量数据，其中，由于碳酸盐岩与砂岩、页岩等碎屑岩的成岩作用不同，前者以化学成岩作用为主，后者以物理压实作用为主，因此碳酸盐岩在较小孔隙度时的规律并不明显，但三种岩性整体来看趋势明显。进一步建立了σc与孔隙度的经验关系，以通过常规测井解释的孔隙度数据方便地获得岩石抗压强度。本文对吉木萨尔地区泥页岩样品进行了抗压强度的测量(图4中黑色五星)，可以看出，经验关系对目标区样品的拟合程度较好，抗压强度随孔隙度增大而减小的趋势明显。因此用下式对本地区地层的抗压强度进行估计

σc=199.211e-10.324p

(9)

式中p为孔隙度。

5 可压裂性指数的提出

非常规储层的有效开发需要进行大规模分段水力压裂，而地层的脆性和可压裂性评价对确定较好的压裂位置、压裂成功与否至关重要。并且，准确识别可压裂性高的层段，对合理设计压裂方案、提高作业效率、节约开发成本具有重要意义。

非常规储层水力压裂的目的是：①形成复杂、可连通的裂缝网络；②最大化改造体积和油气采收率。因此，高脆性、低断裂韧性、低抗压强度地层具有理想的水力压裂施工条件。鉴于此，本文建立了岩石脆性指数、力学参数、物性参数相结合的地层可压裂性指数

(10)

式中B为岩石脆性指数。

图5 地层可压裂性与地层脆性、断裂韧性

应用式(10)计算研究区的地层可压裂性指数，并得到地层可压裂性与地层脆性、断裂韧性和抗压强度的三维关系图(图5)。由图可见：①地层可压裂性指数高值对应高脆性指数、低断裂韧性、低抗压强度；②地层具有较高的脆性指数、较低的断裂韧性时，可压裂性指数不一定高，因为抗压强度也可能较高，使得复杂缝网难以形成，地层可压裂性降低；③地层具有较高的脆性指数、较低的抗压强度时，可压裂性指数不一定高，因为断裂韧性可能较高，可造成地下裂缝难以延伸扩展，改造体积小，同样造成可压裂性降低；④地层断裂韧性和抗压强度均较低时，如果地层脆性较低，也会造成地层可压裂性降低。

6 应用实例

6.1 可压裂性预测流程

以吉木萨尔芦草沟组致密油储层J174井为例，说明本文提出的地层脆性及可压裂性预测方法及流程。如图6所示，自然伽马测井曲线数值在全井段上震荡幅度较大，趋势变化不明显，岩性识别较困难，也证实了该地区地层岩性复杂，砂岩、碳酸盐岩和泥岩互层的特点。可压裂性预测流程如下：

(1)综合自然伽马、密度、中子、声波时差等常规测井曲线信息，计算孔隙度和含水饱和度等物性参数，结合钻井试油结果，确定甜点区或储集层位置(图6中黄色阴影)；

(2)利用录井或矿物分析测井数据，计算改进的矿物组分法脆性指数；

(3)利用密度、声波时差测井资料，计算地层连续的动态杨氏模量和泊松比；

(4)通过断裂韧性与杨氏模量的经验关系(式(8))，计算地层连续的断裂韧性曲线；

(5)通过岩石单轴抗压强度与孔隙度的经验关系(式(9))，计算地层连续的抗压强度曲线；

(6)综合上述计算得到的脆性指数、断裂韧性和抗压强度，利用本文提出的地层可压裂性预测公式(式(10))，计算地层可压裂性指数，并进行地层可压裂性优选(图6中可压裂性指数紫色填充部分)；

(7)结合地层可压裂性优选结果和测井识别的储集层位置信息，确定可压裂层段(图6中最后一栏的粉色阴影段)。

6.2 预测结果验证

地面微地震裂缝监测技术可以获得地下压裂缝空间展布情况，同时可对可压裂性预测效果进行检验。

油田对该致密油储层上甜点段(对应于图6中“工程解释”里最上面两块红色阴影位置)进行水平井水力压裂施工，该井水平段长度为1233m，15段分段压裂，所用压裂液总量为16030.7m3，加砂量为1798m3。图7所示为该水平井微地震监测结果，可见致密油储层被有效改造，单段压裂缝长度达200～250m，压裂区域的宽度可达20～50m。经过260天试开采，该井累计总产量达7864t，日均产量达30.25t[51]。实际施工结果表明，该水平井储层改造效果明显，致密油产量得到显著提升，说明本文提出的可压裂性指数适用于致密油储层，具有一定的可靠性。

图6 J174井致密油储层脆性及可压裂性预测结果

图7 上甜点段水力压裂微地震监测结果[51]

7 结论

(1)致密油气储层的岩性、岩石矿物组成较为复杂，物性参数等特征与页岩气储层有较大差异，常规基于页岩储层所提出的矿物组分法脆性指数不适用于致密油气储层，本文提出的基于数据驱动的改进的矿物组分法脆性指数可以有效地反映地层脆性程度，脆性计算结果适用于储层可压裂性评价。

(2)岩石的断裂韧性与地层可压裂性关系密切，断裂韧性较低的地层具有较好的造缝能力，更有利于改造体积最大化，本文通过其与杨氏模量的经验关系求得地下连续的断裂韧性数据，很好地解决了断裂韧性实验测量成本高、数据量小的问题。

(3)岩石较低的抗压强度对压裂施工中沟通主裂缝、形成复杂缝网具有促进作用，因此抗压强度是指示地层可压裂性的主要因素之一，本文通过统计不同种类岩石的孔隙度与单轴抗压强度的关系，得出二者的关系曲线，可方便求取地层岩石抗压强度数据，也从储层物性的角度判断地层的可压裂性。

(4)对于致密油气储层，单一的脆性指数不能很好地指示地层的可压裂性，脆性指数高的地层不一定是优良的可压裂层段，本文提出了基于矿物脆性指数、断裂韧性和抗压强度的地层可压裂性指数，认为地层脆性指数较高、断裂韧性较低、抗压强度较低的储层更有利于压裂改造，利用该方法对吉木萨尔致密油储层可压裂性进行了预测，得到了压裂有利层段，预测结果与实际压裂施工效果相吻合，说明可压裂性指数的可靠性，可用于指导压裂施工。

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