頁巖儲層可壓性調研及新發現

摘 要：如何高效經濟開采頁巖氣引起國內研究人員的重視。開采頁巖氣常用的方法就是水力壓裂法，壓裂最重要的是形成網狀裂縫，研究表明頁巖可壓性隨著外界因素的變化而呈現出一定的規律，于是在提出了“可壓度”這個概念來評價儲層可壓性，頁巖氣儲層的可壓度與脆性指數呈正相關，與斷裂韌性呈負相關，可壓度可以由脆性指數和斷裂韌度之比來表征，可壓度越大，可壓性越好，可壓度可以更好地評估儲層開采效果。

關鍵詞：壓裂；可壓度；脆性指數；斷裂韌度；礦物含量

中圖分類號：TQ 000 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0460（2016）00-0000-00

可壓度就是儲層通過壓裂形成裂縫達到增產的性質，即可壓性，是評價頁巖儲層的重點之一。國內外學者多從巖石礦物組分或巖石力學等方面對泥頁巖的可壓裂性進行了分析。

Jarvie[ 1 ]等認為脆性礦物含量是頁巖脆性的主要因素，以頁巖脆性衡量可壓裂性。Breyer[ 2 ]通過彈性模量、泊松比評價可壓裂性。唐穎[ 3 ]從脆性指數、巖石礦物、巖石力學特性等方面分析泥頁巖可壓裂性的影響因素，并建立壓裂級別。袁俊亮[ 4 ]等在國內外學者對泥頁巖可壓裂性研究的基礎上，綜合測、錄井信息，結合巖石力學參數、巖石礦物組分等信息，對泥頁巖儲層的可壓裂級別進行定性、定量評價分析，并建立泥頁巖儲層壓裂高度的預測方法。

儲層可壓度影響因素有很多，主要包括礦物組成、脆性指數、斷裂韌度、孔隙度和滲透率等。巖石脆性礦物的含量在一定程度上決定了儲層的可壓性，一般脆性礦物含量越高，脆性指數越大，可壓性越強，越容易產生天然裂縫。隨著黏土礦物含量增加，巖樣的抗壓強度和彈性模量會明顯降低，泊松比則呈上升趨勢。斷裂韌度表征了泥頁巖在壓裂過程中的蠕變性能，斷裂韌度越強，證明泥巖塑性越好，可壓性就越差。本文主要研究這兩個因素對可壓度的影響。

1 影響可壓度的主要因素分析

1.1 斷裂韌性的研究

鑒于斷裂力學歷史上是材料強度研究的發展，因此，為了決定破壞是發生或是沒有發生，就得把結構應力與某些材料強度進行比較，斷裂力學的基本材料參數稱為斷裂韌性。

僅僅通過彈性模量與泊松比并不能完全判斷儲層可壓度，還得考慮儲層斷裂韌性。

斷裂韌性是一項描述儲層壓裂程度的重要因素，反映的是壓裂過程中裂縫形成之后維持裂縫繼續延伸的能力。

在線彈性斷裂力學中，根據巖石位移形態可將裂縫分為3類，張開型（I型）、錯開型（II型）和撕開型（Ⅲ 型）。

任何一種裂縫狀態均可由這3種基本形式疊加得到，疊加的裂紋統稱為復合型裂紋或混合型裂紋。

在頁巖氣體積壓裂中形成的裂縫最常見的是I型與 II型，在地應力場或者巖性劇變的地層也有可能出現混合裂縫。

根據陳治喜的研究，在無圍壓下頁巖的I型斷裂韌性K與單軸抗拉強度St存在如下關系：

斷裂韌度在一定程度上會影響到巖石的脆性指數。

1.2 脆性指數因素分析

表征頁巖脆性的主要巖石力學參數有楊氏模量和泊松比，楊氏模量反映了壓裂后頁巖保持裂縫的能力；泊松比反映了在壓力下頁巖破裂的能力，即頁巖的彈性大小。頁巖楊氏模量越高，泊松比越低，脆性越強。脆性系數是定量表征頁巖脆性的主要參數。頁巖楊氏模量和脆性系數越高，泊松比越低，脆性越強。

依據脆性系數、裂縫發育程度及脆性礦物含量等參數，還可以劃分泥頁巖可壓裂級別，并進一步證明該地層存在裂縫，可壓裂性較好。

2 頁巖可壓度評價

頁巖氣儲層的可壓裂性顯然與脆性指數呈正相關，與斷裂韌性呈負相關。對于受多重因素影響的指標，可以用乘積的方法綜合各種因素的影響 。在此定義可壓裂指數（Frac）來表示儲層壓裂的難易程度，形式如下：

Frac=2Brit /KICKIIC

其中，斷裂韌性取I型與II型的平均值。

3 結論

頁巖可壓度評價工作對于前期壓裂可行性評估、優選壓裂層段、預測壓裂效果有著重要意義，影響儲層可壓度的因素很多，如巖石脆性、天然裂縫發育程度、埋藏深度、水平應力差、成巖程度等。同時儲層可壓裂性還受到地下高溫高壓環境的影響。各種影響因素之間相互關聯、相互作用，形成了復雜作用體系。研究認為，巖石脆性不僅能夠顯著影響井壁穩定性，同時對壓裂效果也有非常重要的影響。

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作者簡介：

陳艷秋（1900-），女，河南周口人，碩士，2015年畢業于遼寧石油化工大學，油氣儲運工程。