頁巖儲層可壓性分析研究

黃宇飛

（長江大學 地球科學學院， 湖北 武漢 430100）

中國存在頁巖氣發育的良好地質條件，根據地質類比法研究和資源量初步估算，中國擁有與美國大致相同的頁巖氣資源量[1]。因此，作為一個石油對外依存度超過50%的國家，我國應該從美國頁巖氣革命成功的經驗中獲得啟示，即重視頁巖氣工業的發展，建立一套成熟完整的開發體系。與美國相比，我國的頁巖氣工業發展還處于早期階段，目前存在的主要問題之一就是基礎理論和實驗研究的環節比較薄弱。侯冰等[2]認為可壓裂性（Fracability）是頁巖氣藏儲層具有的能夠被有效壓裂從而增加產能的性質，是表征壓裂難度和能否達到預期的壓裂效果的參數。趙金洲等將頁巖氣藏儲層可壓性描述為在相同的壓裂技術工藝下，儲層中形成復雜縫網并且獲得足夠大的儲層改造體積（SRV）的可能性，以及產生較高經濟效益的能力。兩者的描述雖然略有不同，但有兩個主要共同點：1）可壓性好的頁巖氣儲層易于形成復雜的裂縫網絡，壓裂難度低；2）可壓性好的頁巖易于實現大范圍的改造體積，壓裂影響空間大，壓裂效果好，產能高，帶來巨大的經濟效益。

1 地質可壓性

可壓性反映了儲層地層在水力壓裂中的綜合特征，地質可壓性主要包含以下幾個影響因素：埋深、有效頁巖厚度、有效烴源巖面積、滲透率和孔隙度、總有機碳含量（TOC）、吸附氣含量、含水飽和度、游離氣含量等、水平應力差異系數。

有效頁巖厚度是指頁巖氣儲層厚度需要達到一定的值，進行水力壓裂才可能產生具有足夠經濟效益的產能。通常情況下，總有機碳含量高的儲層所需的有效厚度較小，大于15 m 為宜；總有機碳含量較低的儲層則以大于30 m 為準。有效烴源巖面積是判斷頁巖氣儲層烴源巖分布范圍和儲集空間大小的重要指標。頁巖氣儲層的孔隙度和滲透率都極低，表現出“低孔特低滲”的特點。總有機碳含量（TOC）是頁巖氣成藏的重要條件之一，有機質不僅是天然氣的物質來源，還可以為天然氣的儲層提供空間。侯冰等認為，在一般情況下，總有機碳質量分數（TOC）需要＞2%；熊偉等[3]認為總有機碳質量分數（TOC）超過0.5%的頁巖是具有潛力的烴源巖。

吸附氣含量、含水飽和度、游離氣含量可由室內吸附氣測試結合測井數據得出。并以此為基礎，可以得出頁巖氣藏的地質儲量。此外，頁巖氣藏的含水飽和度直接影響含氣量，一般情況下，隨著有機質成熟度的增加，含水飽和度下降，含氣量上升。高含水也會影響到天然氣的采出，引發堵塞孔喉、水淹氣井等問題。關于頁巖氣開發含水飽和度下限，斯倫貝謝公司選取值為45%[4]。通常認為在高水平應力差的條件下，地層會更易于產生較為平直的水力主裂縫。水平應力差異系數可以表征水平應力差對于裂縫形態的影響，其計算方法見下式。

式中：Kh—水平應力差異系數，無因次；H

σ—最大水平主應力，MPa；h

σ—最小水平主應力，MPa。

水平應力差異系數是評價頁巖氣藏儲層地質可壓性的主要指標之一。水平應力差異系數越大，產生網狀裂縫的可能性也就越小；反之，水力壓裂則越容易隨機溝通天然裂縫，形成復雜的裂縫網絡。水平應力差異系數的大小對裂縫的幾何形態、尺寸等參數都具有明顯的影響。

2 體積壓裂可壓性

2.1 脆性指數

脆性指數就是用來表征頁巖脆性特征的參數，其他條件不變的情況下，脆性指數越高，頁巖的可壓性越好。金曉春等[5]提出了頁巖氣儲層可壓性評價方法及相關結論，在可壓性評價體系里，脆性指數一直是重要的衡量指標。起初脆性指數定義為石英占總礦物物量的質量百分數，在此之后，人們又發現白云石也會增強頁巖的脆性，因此將白云石與石英歸為一類，統稱脆性礦物。陸續地，人們發現在頁巖儲層中，硅酸鹽礦物如長石、云母比黏土具有更強的脆性。除了白云石，其他的碳酸鹽礦物如方解石，也比黏土的脆性要強。因此，人們提出了一個用礦物含量來計算頁巖儲層脆性指數的方法。

另一種主流的脆性指數計算方法是巖石力學參數法，巖石力學參數法主要通過楊氏模量和泊松比這兩個參數來表征巖石的脆性指數。楊氏模量（Young’s modulus）是表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量，是沿縱向的彈性模量；泊松比（Poisson ratio），又稱橫向變形系數，是在材料的比例極限內，由均勻分布的縱向應力所引起的橫向應變與相應的縱向應變之比的絕對值。

2.2 斷裂韌性和應變能釋放速率

在斷裂力學中，人們使用應力強度因子（SIF）這一參數來預測由遠端載荷或剩余應力產生的裂隙尖端附近處的應力狀態。當應力強度因子達到其臨界值時，巖石將會產生裂縫，人們將這個臨界值定義為了巖石的斷裂韌性。斷裂韌性反映了巖石抵抗原先存在的裂縫繼續擴展的能力。目前已經證實，巖石斷裂韌性越大，其破裂壓力越大[5]。

應變能釋放速率指新裂縫產生的過程中單位表面積所損耗的能量。在目前的研究中，應變能釋放速率臨界值不會由于裂縫的破裂形式不同而改變。

裂縫延伸所需的能量并不總是隨著巖石楊氏模量的增大而增大。然而，通常情況下，沉積巖的楊氏模量都大于11 GPa。因此，我們可以認為儲層巖石楊氏模量越大則越難壓裂產生裂縫。由于斷裂韌性與楊氏模量具有線性正相關的關系，巖石的斷裂韌性越大，那么形成新裂縫或延伸舊裂縫所需的能量也就越多。

2.3 壓裂障礙層

水力壓裂想要取得理想的效果，其關鍵步驟之一就是在壓裂施工前判斷壓裂障礙層（Fracture Barrier）。壓裂障礙層指不易壓裂產生裂縫或壓裂產生裂縫后將對生產或經濟效益帶來負面影響的地層。

水力壓裂所產生的裂縫應該集中于產油氣層，而不是意外地溝通淡水層或斷層帶，那樣的錯誤將不利于未來油氣的生產，或是對環境造成污染。例如，美國Barnett 頁巖下伏的Ellenburger 組由多孔的白云石和石灰巖組成，這些巖石中含有一定量的水，水力壓裂的裂縫若是突破到了該層段將降低氣體的相對滲透率，最終將減少開發過程的凈現值（NPV），影響開發經濟效益[6]。基于目前對壓裂障礙層對裂縫在垂直方向延伸的影響機理的理解，壓裂障礙層的埋深是預測裂縫高度的重要依據之一。

3 頁巖氣藏可壓性實例計算

現場X 井取心進行地質礦物分析可知： 1）龍馬溪組主要是紋層狀含粉砂炭質黏土巖，其中放射蟲殘片較多，含少量硅質，石英砂分布不均，最大粉砂直徑為0.06 mm； 2）五峰組大量炭質有機物與黏土相混合，有少量粉砂石英顆粒零星分布，白云石聚集分布，偶見細小方解石。基于X 射線礦物分析實驗，可得目的層礦物分析數據，基于單軸力學實驗可得巖石力學數據，計算目的層脆性指數，計算結果見表1 及圖1。

表1 目的層脆性指數

可以看到，兩種方法的偏差還是很大的，這里筆者將礦物成分法計算的結果作為較準確的脆性指數，因為，大多數文獻都認為，礦物成分對脆性指數的影響較大，即對形成復雜縫網的影響大；而楊氏模量和泊松比更多地影響的是裂縫的起裂，擴展難易程度，以及裂縫開度等等，即對儲層改造體積（SRV）的影響更大。雖然兩種方法在X 井現場數據的處理中表現得有些不一致，但我們仍然可以發現，兩種方法計算出的該井目的層的脆性指數幾乎都大于50%，這與目前認為良好目的層脆性指數應該大于40%的觀點是一致的。

圖1 脆性指數計算結果對比圖

利用公式計算處理，可得X 井目的層可壓性指數。三種方法計算的可壓性指數對比情況見圖2。

圖2 可壓性指數對比圖

通過對比可以發現，FI1和FI2與實際的壓裂效果符合較好，FI3則是部分巖心符合良好。筆者認為，FI3的計算方法在力學方面僅僅考慮楊氏模量雖然比較簡單，便于現場使用，但縫網壓裂畢竟是一個影響因素復雜的過程，影響因素考慮的不充分必然導致與現實情況產生明顯偏差；FI1和FI2中關于力學因素的考慮相對全面一些，FI1考慮了泊松比，FI2中的斷裂韌性公式雖然只包含楊氏模量，但該公式為相關性擬合公式，實際上考慮了除楊氏模量之外的力學參數。

4 結論

1）在查閱大量國內外文獻，并對其進行篩選總結的基礎上，借鑒并總結了一套頁巖氣儲層可壓性評價方法，應用該方法評價X 井目的層可壓性。

2）對頁巖氣儲層進行可壓性綜合評價時，脆性指數應該使用礦物成分進行計算，或者將礦物成分法所得結果與巖石力學法所得結果進行加權平均，并且將礦物成分法的權重設定得大一些。

3）可壓性綜合評價實際上考慮了兩個主要因素，一個是裂縫復雜性，另一個是儲層改造體積大小。如果脆性指數也采用力學參數進行計算，難免會使得可壓性綜合評價失去全面性，因此應該使用礦物成分計算脆性指數。