深埋海相页岩储层特性及其原位条件下脆性评价*

曾 波 宋 毅 杨子叶 黄浩勇 姚志广 岳文翰 桂俊川 徐尔斯 赫建明

(①中国石油西南油气田分公司页岩气研究院， 成都 610051， 中国)

(②中国石油西南油气田分公司， 成都 610051， 中国)

(③中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029， 中国)

(④中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049， 中国)

0 引 言

页岩气作为典型的非常规能源，其开发需要对储层实施压裂改造，储层岩石在地下深部压力和温度条件下的变形破裂行为则直接决定着压裂改造的效果(Papanastasiou， 2000； Rahimi et al.，2019)。岩石脆性是岩石材料的基本力学特性之一，直接决定着岩石在应力作用下的变形破裂力学行为(Rybacki et al.，2016)。通过对岩石脆性进行量化分析，可以实现对储层水力压裂效果的准确预测，从而能够对脆性特性差的储层提出针对性压裂改造方法及措施。由于目前我国部分深层页岩气埋深已经超过3500m，部分甚至达到4500m以上的深度(张素荣等， 2021)。与3500m以浅页岩气储层相比较，随着储层埋深的显著增长，会形成高地应力、高地温以及高孔隙压的特殊地质环境，给储层压裂工作带来很多极具挑战性的新问题。例如随着埋深增加所导致的高地应力和高地温会使得储层岩石的塑性行为越来越显著，这就给储层岩石压裂改造带来了很大挑战(刘俊新等， 2022)。

脆性为主岩石在外力作用下基本没有塑性变形的情况下就会发生断裂破坏，相较于韧性为主岩石，其特点是抗压强度远大于抗拉强度，拉压强度之比一般保持在1/8～1/10之间。Hoek et al. (1981)很早就观察到了脆性岩石在发生破坏前只产生很少或者几乎观察不到永久变形。很多学者通过研究岩石的变形破坏过程以及强度特点，从应变、能量、模量、强度以及破裂等作为主要因素来评价岩石的脆性，这些脆性评价方法在隧道、钻井、储层压裂等岩石地下工程中扮演了重要的角色(Kahraman， 2002； Hajiabdolmajid et al.，2003; Gong et al.，2007; Altindag， 2010)。针对储层岩石脆性开展量化指标评价时，目前大多数方法采用基于岩石矿物含量建立的脆性指标，由于缺乏考虑成岩作用以及力学指标对于脆性的影响而难以适用深层页岩储层方面的脆性评价(Daniel et al.，2007; Wang et al.，2017)。考虑到岩石弹性参数能够直接反映其脆性，有学者提出了基于弹性模量和泊松比所建立的相互关系来表征岩石脆性的方法，但是该方法对岩石力学特性的考虑不够全面(Goodway et al.，2010; Tan et al.，2018)。基于岩石强度参数对其脆性的定量评价方法中主要考虑了岩石类材料抗压强度远大于抗拉强度的特点，该方法在预测计算隧道开挖以及钻井过程中涉及到的岩石与机械两者相互作用过程中发挥了重要作用(Kaharaman， 2002; Gong et al.，2007;Zhang et al.，2016)。Tarasov et al. (2013)针对岩石三轴试验峰前弹性应变能的聚集可以导致其在峰后区破裂失稳能够直接反映岩石的脆性特征，所以引入岩石峰后区模量来描述其峰后力学行为特点。之后该脆性指数又被其他学者引入峰后强度以及转换能量进行进一步的改造以考虑更多因素(Meng et al.，2015; Rahimi-Aghdam et al.，2019)。基于岩石三轴应力-应变曲线对其脆性的定量化评价，尤其是基于储层原位条件开展的三轴试验数据，可以直接用于预测储层岩石压裂的效果，所以岩石脆性的量化评价是页岩气开发过程中的关键。

目前由于我国川南页岩气开发的深度已经接近5000m，原位地应力、温度以及孔隙压力作用下储层岩石的脆性则直接关系到岩石压裂改造的难度以及方案的设计，这就要求对储层岩石在深部原位条件下的脆性进行定量评价。在前述针对岩石脆性的定量评价方法中，通过在实验室模拟地层温压条件，对井中原位钻取的岩石试样开展三轴压缩试验来获取全应力-应变曲线，实现储层岩石在原位条件下的脆性评价，开展此类脆性评价对于大埋深页岩储层压裂改造具有重要意义。

1 页岩储层特性

1.1 储层岩性特征

图1 龙层位局部井中获取的岩芯照片Fig. 1 Rock core taken from drilling well in the Longmaxi formation

1.2 储层温度压力特征

图2 井区孔隙压力及地层温度随埋深变化Fig. 2 Pore pressure and temperature with the variation of depth in the shale reservoir

图3 井区水平及垂直地应力随埋深变化Fig. 3 Horizontal and vertical stresses with the variation of depth in the shale reservoir

1.3 储层原位条件三轴试验

在实验室三轴试验机(GCTS RTR-2000)上模拟储层取样位置处原位条件下的地应力、温度以及孔隙压条件来开展岩石三轴压缩试验，获取储层岩石的全应力-应变曲线，可以获得各钻井中储层岩石的强度以及弹模沿深度的变化规律。图4所示为川南井区的井中试样的强度与弹模随储层埋深的变化规律，该图中显示单井中强度与弹模整体是随着埋深的增大而增大的，但是局部呈现波动起伏变化。

图4 井中试样强度与弹模随埋深变化Fig. 4 Strength and Young’s modulus of the tested rock cores taken from the different depth in the drilling well

如果将该井区获取的井中试样在储层原位温度压力条件下的三轴试验结果(强度以及弹性模量)根据埋深变化绘制散点分布图(图5)，强度散点图的浅蓝色区带中分布的强度数据显示井区内储层试样的三轴强度随着埋深的增加是呈整体增加的，强度整体增幅约为11.1MPa/100m。而弹模散点图的浅蓝色区带显示该井区岩石试样的弹模随着埋深增加其数据整体的离散性在逐渐减小。强度与弹模的整体变化说明随着储层埋深的不断增加，由于储层内地应力、温度和孔隙压力等的变化而导致储层岩石的力学特性相应产生显著变化，

图5 井区储层岩石强度及弹模随埋深的整体变化Fig. 5 Variation trends of the strength and Young’s modulus of the tested rock cores taken from the Longmaxi formation with different depth

2 储层原位条件下的脆性评价

对于岩石的应力-应变特性来说，主要表现为两大类(图6)，一类的峰后模量M为负值(Class Ⅰ)，另外一类的峰后模量M为正值(Class Ⅱ)。Ⅰ类应力-应变曲线能够代表普通岩石材料的全应力-应变发展， Ⅱ类应力-应变曲线则代表了脆性岩石材料的超弹性应力-应变发展，甚至岩石峰后的回弹变形超越了试验机的伺服控制能力。

2.1 脆性指数

储层原位条件下的三轴试验结果显示岩石三轴压缩在峰值发生前的变形是稳定且可靠的，而伴随着强度退化的快速失稳破坏只在峰后发生，岩石的峰后失稳破坏过程恰恰能够反映岩石的脆性，所以Tarasov et al. (2013)基于上述对应力-应变曲线的认识，认为岩石在峰后的非稳定破坏过程反映了岩石的脆性变形特性，而且岩石材料中储存的弹性能释放导致了不同程度的峰后失稳。如图6所示岩石材料三轴压缩变形试验的峰后模量M，则通过计算峰后余能来评估其峰后不稳定程度，从而对岩石脆性做出评价。图6中采用不同颜色标出了不同类型的峰后余能，其中红色的dWe区域表示存储于岩石试样中的弹性能，灰色区域表示用于岩石峰后破裂的能量，而黄色的dWa区域则表示用于岩石破碎、震动以及发热等那部分额外能量。dWr区域表示峰后破裂能量，其值为dWe加上灰色区域ABCD对应的能量(Class Ⅰ)或者减去黄色区域ABCD对应的能量(Class Ⅱ)。

图6 Ⅰ类(左)和Ⅱ类(右)应力-应变曲线Fig. 6 Stress-strain curves of class Ⅰ(left) and class Ⅱ(right)

(1)

(2)

据此上述各部分能量的定义，可以定义脆性指数K1和K2，如下：

(4)

(5)

式中：σB和σC代表图6中B，C两点对应的纵坐标；E=dσ/dε代表峰前弹性模量。根据式(4)以及式(5)，计算脆性指数K1和K2，按照计算结果对岩石的脆性分类如表1所示。

表1 岩石脆性指数分类标准Table 1 Classification of brittleness according to the brittleness indexes

2.2 储层脆性指数分布

选取川南某井区不同埋深处钻取的储层标准圆柱试样共76块，尺寸为直径50mm、高100mm，在GCTS RTR-2000岩石三轴试验机上施加围压、孔隙压、温度分别模拟地应力、孔隙压力、地层温度，试验所施加的围压、温度和孔隙压完全模拟在获取试样位置处钻井内的实测应力、温度和孔隙压力，同时在试验过程中记录轴向连续加载全过程数据，绘制全应力-应变曲线以直观反映试样在储层原位条件下的地层温度、压力条件下的弹、塑性特征，通过数据分析计算获得抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数。该井区储层试样的全应力-应变曲线中Ⅰ类和Ⅱ类均有体现，图7是该井区岩石试样三轴压缩试验结果中典型的Ⅰ类应力-应变曲线和Ⅱ类应力-应变曲线。

图7 典型的Ⅰ类和Ⅱ类三轴应力-应变曲线Fig. 7 Typical stress-strain curves of class Ⅰ and class Ⅱ in this triaxial testing

根据储层原位条件下三轴压缩试验的全应力-应变曲线及其相关数据，计算求解不同埋深岩石试样相应的脆性指数K1以及K2，按照表1的分类标准将储层岩石分为超脆性岩石、脆性岩石、过渡型岩石和延性岩石，其脆性依次减弱，具体计算值以及分类结果如图8所示。

图8 随埋深变化的储层试样K1和K2值的分区变化Fig. 8 Zoning of the brittleness classification according to the brittleness indexes K1及K2a. 五峰； b. 龙 龙 龙 龙

表2 脆性指数K1及K2分类结果Table 2 Results of the brittleness classification according to the brittleness indexes K1及K2

3 实际压裂情况

岩石脆性的定量化评价，可以直接预测储层岩石压裂的效果，实际工程中对于压裂效果的评价主要依靠微地震监测。水力压裂对储层改造时会引起储层内地应力的急剧变化，这会导致岩层内产生裂缝或者形成错断，进而诱发产生烈度很低的地震波，对微震信号进行监测以及反演就可以获知压裂改造的范围以及裂缝的类型，微震监测是评价储层压裂改造效果的重要手段。近年来，我国已经开展了川南地区深层(>3500m)页岩气试验性开发，如图9所示为水平井中不同层位压裂改造的微地震监测结果。

图9 水平井中不同层位压裂改造的微震监测结果Fig. 9 Fracturing results reflected from the micro-seismic monitoring of the different layers in the Longmaxi formationa. 龙层位的3段微震监测结果； b. 龙层位的4段微震监测结果

4 结 论

本文通过对储层原位条件下的页岩样品实施三轴压缩力学试验获得其全应力-应变曲线，其峰前与峰后的应力-应变信息有效反映了原位条件下岩石的峰值破坏前后的内在材料属性以及变形破坏过程，获取能够反映出深埋页岩储层在原位温度和压力条件下的岩石脆性指数，从而能够对深埋海相页岩储层进行原位条件下的脆性评价。

(1)深埋条件下页岩储层深达到了4927.30m(五峰组)，埋深范围内井区的实测孔隙压力变化范围为60.60～108.20MPa，沿深度的平均孔压递增值为3.0MPa/100m。而地层温度的变化范围为108～132℃，沿深度的平均地温递增值为1.5℃/100m，在3700～3900m范围内地温升高较快。

(2)井区水平向平均地应力的变化范围为68.70～113.00MPa，而垂直地应力的变化范围为85.80～125.60MPa，水平地应力与垂直地应力之比变化范围为0.76～0.96。

(3)基于储层原位条件下的三轴压缩试验可以反映储层位置岩石的力学行为特点，将储层岩石分为超脆岩石、脆性岩石、过渡型岩石和延性岩石，本研究对不同层位的井中岩样根据脆性指数进行了脆性评价，实现了储层岩石压裂效果的有效预测。