致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法

2018-11-01付晓飞赵万春

石油与天然气地质 2018年6期

王升,柳波,付晓飞,赵万春

(1. 东北石油大学非常规油气研究院,黑龙江大庆 163318; 2. 东北石油大学 “非常规油气成藏与开发”省部共建国家重点实验室培育基地,黑龙江大庆 163318; 3. 东北石油大学电子科学学院,黑龙江大庆 163318)

致密油是继页岩气之后非常规油气藏探勘开发领域的又一新热点。致密油在我国分布广泛且潜力巨大,由于储集层致密、岩性复杂,均需采用压裂改造以获得工业产能[1]。压裂的成功与否与岩体脆性密切相关,脆性程度越高,越有利于产生大量的压裂裂缝且很长一段时间内保持开启。脆性评价是体积压裂设计中首要考虑的重要因素之一,也是测井“七性关系”研究的重要内容之一[2],我国学者将脆性评价列为非常规致密油气选区的五项关键评价技术之一,与优质烃源岩、优质储集层、地应力评价及地震属性综合预测技术同样重要[3]。

不同学科关于岩石脆性的涵义有许多说法[6-12],Morley[6]和Hetenyi[7]将脆性定义为材料塑性的缺失；Ramsey[8]认为,当岩石内的粘聚力丧失时,材料即发生脆性破坏；Obert和Duvall[9]将脆性定义为类似铸铁和多数的岩石材料达到或稍超过屈服强度而破坏的性质；地质学及相关学科学者认为脆性系指材料断裂或破坏前表现出的极小或没有韧性变形的特征[10]。脆性指标影响着岩石破裂及变形过程。根据脆性程度的不同,可以把岩石的变形特征划分为3个过程:脆性、脆-韧性和韧性[4]。Heard[5]依据岩石的应力-应变关系曲线,将岩石分为3种类型:一是脆性岩石,破坏点位于弹性极限附近,破坏前的线应变一般不超过3%；二是脆-韧性岩石,破坏点超过屈服强度,破坏前的线应变一般不超过5%；三是韧性岩石,破坏点距屈服强度很远,破坏前的线应变一般超过5%。但当前还没有标准的、统一的岩石脆性定义及测试方法。Tarasov等[11-12]考虑岩石破裂后的行为,将脆性描述为岩石峰值后破裂的不稳定性程度。为此人们通过从岩石应力应变特征、矿物硬度、破裂强度以及变形过程中能量转化形式等方式来表征岩石的脆性程度(表1),然而夏英杰等[13]通过物理实验数据论述了表1中列出众多种类的脆性表征方法都存在着局限性,为此提出一种基于峰后应力跌落速率及能量比的岩体脆性特征实验评价方法。国内外学者和各石油公司都非常重视岩石脆性评价,但目前为止尚未见到系统、定性和有效的研究成果。主要应用于油田的评价方法有2种。

Jarvie矿物组分法。岩石脆性是岩石力学性质的一种表现,矿物成分是影响力学性质的内部因素,因此岩石矿物成分与脆性之间必然有直接的相关性。Jarvie等[30]根据页岩矿物组分来表征岩石脆性,认为页岩中石英脆性最强,方解石中等,粘土最差,提出矿物组分脆性指标(MBI):

(1)

式中：V石英,为岩样中石英矿物体体积含量，%；V碳酸盐岩矿物,为碳酸盐岩矿物体积含量，%；V粘土,为粘土矿物体积含量，%。

在北美页岩气开发实践中,采用三端元图解[31]分析有利区域页岩的矿物成分,并将结果录入数据库,通过统计方法来评价后续页岩的脆性[25]。有些学者通过测试砂岩孔隙度和泥质含量以及砂岩中石英含量来评价脆性[32]。但这类评价方法仍然缺乏可靠性,一方面岩石矿物组分多种多样,仅靠这两种矿物含量来表征显得精确性不够,且需要大量岩心分析资料进行刻度；另一方面,石英、泥质矿物随着地质条件的改变脆韧性是可以转化的,即使具有相同矿物组成的岩石,由于其力学环境的不同也可能表现出差异极大的脆性破裂特征,因此这种评价方法缺乏岩石物理基础[33]。

Rickman弹性参数法。一般认为杨氏模量越高,泊松比越低的岩石脆性更强[34]。Rickman[25]专门针对北美Barnett页岩的岩石力学参数,计算归一化杨氏模量和泊松比平均值作为脆性指数(EBI)来评价岩石相对脆性程度。

(2)

式中：E为岩石杨氏模量，Gpa;ν为岩石泊松比，无量纲；Emax,Emin分别为岩样中最大和最小泊松比值。

Moshe等[35]通过原子力显微镜测量出岩石内部每种矿物的杨氏模量和泊松比,从微观上精细地评价了脆性。但我国部分油田采用这种方法评价脆性时,出现脆性指数相近,而压裂裂缝走向、微地震事件密度、改造储层体积等差异大的问题[36]。为此,Guo等[37]考虑围压对张裂缝影响,对Rickman弹性参数法进行修正,而有的学者提出弹性参数与矿物成分组合法评价岩石脆性[38]。

表1 脆性指数的定义及分类Table 1 Definition and classification of brittleness index

1 致密储层脆性破裂特征

针对辽河盆地沙河街组致密碎屑岩储层,选取不同埋深岩样6组,通过钻、切、磨,获取标准圆柱形试样8件,主要岩性为粉砂岩及泥岩。采用长春朝阳试验机有限公司生产的 TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机,在室温下开展不同围压三下轴压缩应力试验,围压采取应力加载,其速率为0.05 MPa/s,轴压采取位移加载,其速率为0.005 m/s。获取岩石全应力-应变曲线、岩样的宏观破裂特征,对于压裂后样品,沿垂直断裂面方向制备薄片,在光学偏光显微镜下观察微裂缝的发育类型。

1.1 不同岩性的脆性破裂特征差异

在单轴应力压缩下,岩石破裂模式主要发育近劈裂缝,但在光学偏光显微镜下微裂缝却有显著的差异(表2)。粉砂岩主要发育穿粒张裂缝,开度大,且延伸长度较长；而泥岩主要发育穿粒张剪切裂缝或穿粒剪切裂缝,裂缝形态为椭圆型裂缝与线型裂缝交替出现,或单纯发育开口较小的线型裂缝。需要注意的是,s-4粉砂岩泥质含量较高,局部可见泥质纹层及储层沥青,镜下观察很难发现微裂缝。因此从岩石的微裂缝发育特征,可以判断出各岩性的脆性由大到小的排列顺序为粉砂岩(发育穿粒张裂缝)、泥岩(发育穿粒张剪裂缝或发育穿粒剪裂缝)、以及含储层沥青碎屑岩(发育泥质纹层、储层沥青,裂缝不发育)。表明岩石中的泥质成分极大的抑制着微裂缝的扩展,其含量越小,岩石越显脆性。

表2不同岩性的宏观破裂模式与微观显微裂缝的差异
Table2Differencesbetweenmacroscopicfracturingpatternsandmicroscopicmicrocracksfordifferentlithologies

1.2 围压对致密储层脆性破裂的影响

为了研究围压对致密储层脆性破裂的影响,针对粉砂岩s-1样品在室温下开展了不同围压的三轴压缩试验,获取岩石破裂模式和应力-应变曲线(图1所示)以及岩石力学参数(表3)。

从破裂模式上,随着围压的增大,破裂剪切角增大,剪切缝长度减小,因此围压效应抑制岩石脆性破裂。同时从表3中可以看出,围压越大,岩石杨氏模量越大。在偏光显微镜下也可以明显看出,当围压为零时,发育穿晶张裂缝(图2a),当围压增加为15.24 MPa时,局部发育多条晶内裂缝(图2b),但当围压增加为35.9 MPa的时,在薄片上很难发现裂缝,或只发育单一晶内剪裂缝(图2c)。因此对于致密储层,围压变化,极大地影响了岩石的脆性破裂模式。

2 致密储层脆性评价方法

2.1 常规方法表征致密储层脆性

基于岩石力学参数的测试和全岩分析,利用各大油田常用的弹性参数法[式(1)]和矿物组分法[式(2)],分别评价上述6组样品在单轴压缩下的脆性指标(表3)。对于弹性参数脆性指标(EBI),只能描述表3中6组样品的相对脆性。表3中,碎屑岩(s-1,s-2,s-3)脆性指标小于含储层沥青碎屑岩(s-4),该结果与上述宏观破裂模式和微观显微裂缝分析结果相反,因此利用弹性参数法不能准确表征该区域致密储层的脆性,可能原因是该岩石样品中粘土体积含量Vclay<15%,颗粒支撑岩石,粘土矿物对岩石弹性参数无贡献[39],但粘土矿物的存在极大抑制了岩石裂缝扩展；对于矿物组分脆性指标(MBI),粉砂岩的脆性指标大于含储层沥青碎屑岩和泥页岩,与实验描述相符合,但含储层沥青碎屑岩的脆性指标大于泥页岩,与实验描述不吻合。各矿物在不同成岩作用下或地应力下,可能表现出差异极大的脆性破裂特征[33],正如上述实验表明随围压的增加,岩石脆性破裂受到明显的限制(图2)。

图1 样品s-1三压缩下的应力-应变曲线和宏观破裂模式Fig.1 Stress-strain curves and macroscopic fracturing modes of sample s-1 under triaxial compressiona.应力-应变曲线；b. σ3=0 MPa时的宏观破裂模式；c. σ3=15.24 MPa时的宏观破裂模式；d. σ3=35.9 MPa时的宏观破裂模式

编号岩性弹性模量/GPa泊松比全岩组分含量/%石英钾长石斜长石方解石铁白云母白云石菱铁矿粘土矿物脆性指数EBI脆性指数MBIs-1粉砂岩29.40.1236.018.434.91.21.18.444.620.77s-2粉砂岩240.139.018.927.33.41.49.943.020.73s-3粉砂岩27.80.0438.413.230.91.12.252.760.72s-4碎屑岩63.20.1634.515.027.69.11.912.064.530.62l-93泥页岩69.70.1033.214.26.719.926.193.020.50l-97泥页岩80.60.4722.626.38.76.87.827.846.150.40

图2 光学显微镜下的压裂后样品s-1内显微裂缝发育Fig.2 Microscopic observation of micro-cracks in samples s-1 after fracturinga. σ3=0 MPa；b. σ3=15.24 MPa；c. σ3=35.9 MPa

2.2 基于峰值后能量守恒原理评价岩石脆性

2.2.1 新脆性指标的提出

脆性是岩石一种重要的力学变形属性,反应岩石在应力作用下的破裂作用和断裂程度。岩石宏观断裂行为直接反应了岩石脆性程度,而这种断裂行为在三轴压缩实验中主要体现为峰值后的力学变形特征,其变形机理实质上是能量转化的过程。

在三轴压缩实验中,完整岩石在加载过程中首先发生弹性变形,到达屈服强度后,岩石将经历不可恢复的非弹性变形,直到峰值破裂强度(即破裂临界点),岩石开始破裂,这个过程中岩石始终在积累弹性势能,其弹性形变性质用弹性模量E=dσ/dε来表征。达到峰值强度后岩石破裂,并向外界释放能量。能量释放形式与峰值后破裂行为有关,其力学特征体现在峰值后应力-应变行为的变化,岩石达到峰值强度后,应力随应变开始减小,直到岩石完全破裂(剩余应力为残余应力),并形成断裂面开始滑动岩,在这个过程中(图3中BC段),岩石破裂越明显,峰值后应力减小程度越显著(应力释放)。为此,本中把峰值后单位应变内应力降强度变化(dσ/dε),定义为峰值后软化模量M,该值越大,表征破裂过程中,形成断裂裂缝的开度越大,或数量越多,向外释放能量越多,岩石越显脆性。例如当M为负无穷,那就意味岩石破裂后应力立即降为零,并向外界释放大量能量,把这种变形称为理想的脆性变形。

峰值后软化模量(M= dσ/dε)形式有两种(见图3),第一种破裂行为M<0,表示岩石在破裂过程中,不断向外界吸收能量,即应力对岩石做正功；第二种破裂行为M>0,表示岩石在破裂过程中,不断向外界释放能量,即岩石向外界做功,应力对岩石做负功。根据峰值后破裂过程中能量守恒原理[12],岩石破裂过程中所需的破裂能ΔWr为消耗的弹性能ΔWe与岩石向外界吸收能ΔWa之和:

ΔWr=ΔWa+ΔWe

(3)

式中：ΔWr为峰值后岩石完全破裂所需的破裂能，J;ΔWa为峰值后岩石完全破裂外界向系统提供的吸收能，J;ΔWe为峰值后岩石完全破裂所消耗的弹性能，J。

图3 岩石加载过程中的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve during rock loadinga.第一种破裂行为(M<0);b.第二种破裂行为(M>0)

公式(3)中,对于第一种破裂行为ΔWa>0,表示岩石在应力作用下从外界吸收能量；第二种破裂行为ΔWa<0 表示岩石以热能或碎片的动力学形式向外界释放能量。

图3中A为岩石屈服点；B为岩石峰值破裂临界点,岩石积累最大弹性势能；C点为岩石完全破裂对应的临界点,岩石存在残余弹性能。假设B、C点的杨氏模量相等,都等于未加载时完整岩石的弹性模量,即加载到B点或C点时,然后卸载,卸载的应力路径的曲线斜率认为与OA段加载的路径斜率相等。红色点线围成的三角形的面积为B或C点的弹性能,B-C过程中消耗的弹性能ΔWe为两三角形面积差；B-C过程中岩石吸收能ΔWa为BC曲线与应变轴围成的面积(第一种破裂特征为黄色点线围成梯形框的面积；第二种破裂特征为黄色区域的面积)；B-C过程中岩石完全破裂所需的能量ΔWr为灰色区域的面积。因此可以通过应力应变曲线,计算相应面积来表示岩石B-C破裂过程中所涉及的能量。

消耗的弹性能ΔWe:

(4)

吸收能ΔWa:

(5)

破裂能ΔWr:

(6)

式中：E为岩石的杨氏模量(OA曲线段斜率),GPa;M为峰值后平均软化模量(BC曲线段斜率),GPa;σB和σC分别为峰值应力和残余应力,GPa。

值得注意的是如果吸收能为负(ΔWa<0),那意味着岩石破裂前积累的弹性能大于岩石的破裂能,即ΔWe>ΔWr。表明ΔWe中一部分能量导致形成大量裂缝,同时一部分能量从裂缝中以热能或运动学形式释放出去,其值为|ΔWa|(释放能)。释放能|ΔWa|能协助岩石破裂,有独自维持破裂的能力,一旦岩石开始破裂,其破裂行为不可控制,因此此能量越大,岩石脆性越强。如果吸收能为正(ΔWa>0),那意味着岩石破裂前积累的弹性能小于岩石破裂能,即ΔWe<ΔWr,此时岩石储存的弹性能不能促使岩石形成裂缝而完全破裂,因此需要应力对岩石做功,从外界吸收能量ΔWa,降低破裂能,最终使岩石发生宏观破裂。因此在破裂过程中,消耗的弹性能在破裂能中所占比例越大,岩石越显脆性。当ΔWe=ΔWr,表示理想脆性,ΔWe>ΔWr(ΔWa<0)为超脆性[12]。为此提出评价岩石脆韧指标(BDI)为:

(7)

把式(5)和(6)代入式(7)

(8)

由式(8)可知,岩石脆韧性即依赖于完整岩石的弹性模量E,也依赖于峰值后的岩石破裂行为,即软化模量M。弹性模量是表征岩石固有属性的物理量,由岩石内在因素决定,与岩石的矿物成分、粒径、孔隙度与岩石结构等有关；软化模量不仅与岩石的内在结构有关,还对外界因素(例如围压、温度与孔隙流体压力)很敏感[40]。因此一般认为岩石的脆韧性受控于岩石内部结构和外在因素。

根据能量与脆韧性之间的内在关系,构建新的脆性指标BDI厘定岩石从超脆性到应变硬化韧性变形的演变过程。可将岩石变形特征定量地划分为4个阶段(图4)。超脆性阶段(BDI>1)，M>0,(ΔWe>ΔWr,ΔWa<0),岩石破裂过程向外释放能量,具有独立维持破裂的能力,破裂过程不可控制；M=∞,(ΔWe=ΔWr,ΔWa=0)时,BDI=1,表征理想脆性。脆性变形阶段(0.5

2.2.2 新方法评价致密储层的脆性程度

由峰值后软化模量的定义,通过峰值后应力-应变曲线的斜率即可得到软化模量的大小M=dσ/dε,实际力学测试中峰值后应力-应变曲线不是直线,因此不同应变处对应的软化模量值不同,这样通过M的变化可以精细的评价岩石峰值后破裂演化过程。但文中假设峰值后应力-应变曲线为直线(图3中BC段),基于峰值能量守恒推导出脆韧性指标(式8),为此实际应用中,式(8)中M应表示峰值后平均软化模量,定义为:

图4 脆韧性指标(BDI)连续厘定岩石从绝对脆性向韧性变形的演化过程Fig.4 Brittleness and ductility index(BDI)continuously describing the evolution process of rock from super brittleness to ductile deformation

(9)

式中：σB和σC分别为峰值应力和残余应力，GPa;εB和εC分别为峰值应变和残余应变；M为峰值后平均软化模量，GPa。

通过岩石力学测试的应力-应变曲线数据即可计算出峰值后平均软化模量(M),以及杨氏模量(E),利用等式(8),计算岩石脆韧性指标(BDI),表征岩石的脆性程度(表4)。由表4,对于单轴压缩,粉砂岩平均脆性指标BDI粉砂岩=0.73,泥页岩的平均脆性指标BDI泥页岩=0.63都处于脆性变形阶段；含储层沥青的粉砂岩脆性指标BDI含储层沥青碎屑岩=0.59接近于岩石半脆性点,由此可见,BDI粉砂岩>BDI泥页岩>BDI含储层沥青碎屑岩；而对于三轴压缩,s-1样品随着围压增加,BDI减小,岩石脆性减弱；这些理论结果与与实验测试岩石宏观破裂模式和显微裂缝分析相一致。另外,从微观破裂特征与脆性指标BDI对应关系分析,对于含油性碎屑岩(s-4)与围压为35.9 MPa的粉砂岩(s-1)脆性指标相同为0.59,其微观变形特征都表现为少见裂隙；而对于单轴压缩下的样品(s-1，s-2，s-3),脆性指标相近约0.7左右,对应显微变形特征都发育穿晶张裂隙,本文提出脆性指标更能表征岩石脆性破裂特征。对于传统表征方法(表3),样品(s-1，s-2，s-3，l-93)的微观破裂特征都发育明显穿晶张裂隙,但对应的脆性指标EBI值存在很大差异(分别为44.62，43.02，52.76，93.02)。而且含油性碎屑岩(s-4)的EBI=64.53,大于粉砂岩样品(s-1，s-2，s-3)的脆性指标,显然表征结果与实验测试脆性破裂特征不相符。因此本文提出新脆性指标是合理的,可以用来准确的评价辽河盆地致密储层脆性程度。