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页岩气储层可压裂性评价技术7402504

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页岩 气储层可压裂性 评价 技术 7402504
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第34卷第3期2013年5月石 油 学 报I 4 013文章编号:0253 2697(2013)03—0523—05 0 7623/金根1 张定宇1 李大华2 闫 伟1 陈朝刚2 程礼军2 陈子剑1(1中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京 102249; 2重庆市国土资源和房屋管理局重庆400042)摘要:从页岩气储层岩石的脆性指数、断裂韧性、岩石力学特性3个方面,对中国页岩气储层可压裂性评价技术进行了研究。根据弹性模量与泊松比的分布范围,建立了适用于四川盆地下志留统龙马溪组页岩的脆性指数预测模型;总结了室内实验测定和利用测井数据计算页岩储层型断裂韧性的计算方法;初步建立了以弹性模量E、泊松比队单轴抗拉强度s。三项岩石力学参数为自变量,可压裂指数F。。为因变量的可压裂性评价方法;绘制了可压裂指数立体图版,据此评价页岩气储层压裂的难易程度,弹性模量值越高,泊松比和抗拉强度值越低,则F。值越高,反映储层越容易被压裂。根据地震测井和垂直地震剖面(资料,结合室内实验校正,获取整个储层的岩石力学参数后,可以计算任意处的可压裂指数,建立储层可压裂性立体分布图。关键词:页岩气;可压性评价;脆性指数;断裂韧性;岩石力学特性;可压裂指数中图分类号: 文献标识码:of I .02249,.00042,he of to on a in I to by ),s p)。)as 。)as a 3D of of of in—tO of a iS of a at of be to SP)a 3D of be as ey 球页岩气地质储量达623×10121采储量达163×1012国页岩气可采储量达36×1012 有广阔的开发前景口。5]。由于页岩气储层致密,属于低孔一超低渗储层,为实现经济开发必须进行压裂增产作业№j。而储层的可压裂性评价对于优选压裂井段,预测经济效益具有重要意义。可压裂性评价开辟了思路口]。然而通过脆性指数无法真实反映储层的压裂难易程度,部分岩石的弹性模量和泊松比相近,而脆性差别巨大。因此,笔者从脆性指数、断裂韧性与岩石力学参数3个方面开展了对页岩气储层可压裂性评价的研究。1 脆性指数根据国外对页岩气储层可压裂性的评价经验,脆性指数可以表示压裂的难易程度‘…,反映的是储层压裂后所形成裂缝的复杂程度。脆性指数是基于岩石的弹性模量和泊松比定义的,一般弹性模量越大、泊松比基金项目:国家自然科学基金(1174219)及国家自然科学基金创新研究群体科学基金(1221003)资助。第一作者:袁俊亮,男,1987年6月生,2008年毕业于中国石油大学(华东),现为中国石油大学(北京)博士研究生,主要从事页岩气与岩石力学方面的研究。63.金根,男,1963年8月生,1983年获华东石油学院学士学位,2000年获石油大学(北京)油气井工程专业博士学位,现为中国石油大学(北京)博士生导师、长江学者特聘教授,主要从事石油工程岩石力学方面的研究。26. 油 学 报 2013年第34卷越小,脆性指数越高。脆性指数较高的储层一般性质硬脆,在漫长的地质时期内受构造运动的影响天然裂缝发育,对压裂作业的反应敏感,能迅速形成复杂的网状裂缝,脆性指数低的储层则容易形成简单的双翼型裂缝。脆性指数的判定主要有定性与定量两种方法:定性分析是现场取心后,通过],建立矿物组分三元图,定性分析储层中脆性矿物(一般为石英、长石、石灰石、白云石)与黏土矿物的相对含量(图1),四川盆地下古生界两套页岩的脆性矿物含量与北美性矿物(特别是石英一长石类矿物)含量相对较低,黏土矿物含量相对较高。此外,还可以通过元素俘获能谱测井(放射性能谱测井(别泥页岩中黏土、石英、长石、碳酸盐岩、黄铁矿等成分的含量,再根据室内实测数据校正,建立黏土矿物和脆性矿物的纵向分布规律[1(J]。另一种是定量分析,根据岩石力学参数中弹性模量与泊松比的大小,分别取0.5的权值进行计算。根据学者1|,北美地区 ((80—10)×100 (1)p .4一卢)/(0.4—0.1)×100 (2)B。一0.50.5口蹦。 (3)式中:归一化的弹性模量,血为脆性指数,无量纲。黏土矿物碳酸盐矿物码溪细1寸々组.纽石英+长石+黄铁矿图1 川南下古生界页岩与3 世界的页岩储层均具有自己的特性,以上定量计算方法是专门针对北美有明显的地域局限性,在不同的目标研究区块应建立不同的方法。对于四川盆地,根据文献报道四川盆地下志留系龙马溪组页岩弹性模量分布范围为8~56 均值为32 松比范围为0.1~0.36,平均值为0.18。1 3|,由此建立适用于龙马溪组页岩的脆性指数计算方法:(E—s)/(56—8)×100 (4)产.36一∥)/(0.36—0.1)×100 (5)B。一0.5EB,i:4口6)冀=曲:毯掣教0 00 14.(m 28.00 42.6.呻 70.1)0脆性指数图2 制龙马溪组页岩的脆性指数图版(图3)。可见在,P)2(56,0.36)与,∥)=(8,0.1)连线之上的部分,脆性指数成复杂裂缝。10080羹60薹。60脆50性指40数60.}30。川盆地下志留系龙马溪组页岩脆性指数 裂韧性单纯利用弹性模量与泊松比不能完全判断储层的可压裂性,例如部分岩石的弹性模量与泊松比相近,但是脆性差别极大,其中的重要区别就在于断裂韧性。断裂韧性是一项表征储层压裂难易程度的重要因素,反映的是压裂过程中,裂缝形成之后维持裂缝向前延万方数据第3期 袁俊亮等:页岩气储层可压裂性评价技术伸的能力。在线弹性断裂力学中,根据其位移形态可将裂缝分为3类,张开型(错开型(撕开型(19型)。任何一种裂缝状态均可由这3种基本形式叠加得到,叠加的裂纹统称为复合型裂纹或混合型裂纹。在页岩气体积压裂中形成的裂缝最常见的是,在地应力场或者岩性剧变的地层有可能出现混合裂缝。对于于“,当应力强度因子K。达到某一临界值缝发生扩展。K。反映了裂尖应力奇异性的强度,与岩石本身性质、裂缝尺寸以及应力状态有关;而K。。即为岩石阻止裂缝扩展的能力,属于岩石本身的性质。断裂韧性的大小关系到裂缝延伸的难易,其值越小,裂缝越容易延伸,越有利于水力压裂。测试岩石①将岩一成长为25~45 心外径为100端车平,圆周面车圆;②在岩样圆心处钻取直径为10后利用半径小于0.5线平行的裂纹,限定深度约为3~4保证初始裂纹长度处于稳定扩展区;③将外径为9将岩心置人高压釜中,上、下两端面施加0.5 通过通过声发射探测传感器实时监测信号,直至裂缝贯穿岩样。根据陈治喜的研究,在无围压下页岩的单轴抗拉强度S,存在如下关系口“:K%一0.005 9S;+0.092 3S;+0.517S。一0 332 2(7)式中:S.为单轴抗拉强度,%为断裂韧性,。页岩气储层埋深一般数千米,压裂裂缝所处环境必定会承受巨大的围压,在有围压条件下页岩的。c)与围压仃。的关系式为[1 7317 6a。+K% (8)式中:盯。为裂缝面上的围压,于Ⅱ型裂缝,金衍等建立了Ⅱ型断裂韧性K。。。与围压盯。和单轴抗拉强度S。的经验关系口引,表达式为一0.095 60r。+0.138 3S。一0.082 0 (9)式中:仃。为围压,。为单轴抗拉强度.上断裂韧性计算方法中涉及的岩石力学参数,如单轴抗拉强度与围压,可通过以下方法获取,此方法在石油工程中的应用已较为成熟口…:矾一(0.0045+0.0035V,1)10)V,。一(26—7(26(11)r,一(7—7…)/(7…~y…) (12)(3v;一4v:)/(u;一2v:) (13)口d一(u;一22(u;一u:) (14)S,一仃,/K (15)式中:V。。为泥质含量;y。i。与7m.。为地质年代有关,一般对于第三系取3.7,对老地层取2;I,为泥质含量指数;E。为动态弹性模量,为岩石密度,g/为纵波波速,m/s;砜为横波波速,m/s;卢为常数,K=12.26。对于围压的确定,赵海峰根据断裂动力学理论,得出了对于页岩气压裂的第九级分支裂缝作用在裂缝面上的围压口r“ ]d。一n 盯II 16)l 口n=;为裂缝走向与井轴的夹角;玎。为上覆岩层压力,可压裂性指数根据上述研究,页岩气储层的可压裂性显然与脆性指数呈正相关,与断裂韧性呈负相关。对于受多重因素影响的指标,可以用乘积的方法综合各种因素的影响巳“。在此定义可压裂指数(F。)来表示储层压裂的难易程度,形式如下:F。一2B。/17)其中,断裂韧性取的平均值;脆性指数B。的计算按照式(6)计算,无量纲。以某页岩气为例,其储层埋深为2 000 m,通过地漏实验得到水平最小地应力为32 层岩石弹性模量6松比Ⅳ范同为0.1~0.36,单轴抗拉强度S,范围为0~8 于沿最小地应力方向钻进的水平井,压裂后人工裂缝沿最大地应力方向延伸。为简化问题,一般认为裂缝面上的围压即水平最小地应力盯n【2…。将以上自变量代人式(16)巾,计算可压裂指数随弹性模量、泊松比、抗拉强度的变化规律。如图4所示,根据给定的岩石力学参数可以确定储层可压裂指数,评价相对的压裂可行性。颜色越红,可压裂指数越高,表明压裂可行性越大,形成的裂缝形态复杂,裂缝更容易延伸;颜色越蓝,可压裂指数越低,万方数据526 石 油 学 报 2013年第34卷表明压裂可行性越小,形成的裂缝形态单一,裂缝不容易延伸。再结合油藏信息,确定页岩储层在地下的三维立体图,根据地震资料反演储层岩石力学参数,即可获得页岩储层可压裂指数三维分布图。日山葺\赵强糍墨[43王永辉,卢拥军,李永平.非常规储层压裂改造技术进展及应用[53丌 of (1)中国页岩气藏具有独特的岩石力学特征,四川盆地下志留系页岩弹性模量介于8~56 松比介于0.1~0.36,评价脆性指数应根据实际情况,结合自身特点,建立脆性指数预测方法,照搬其他国家公式容易忽视储层间脆性的差别。(2)评价页岩气藏的可压裂性可以通过脆性指数与断裂韧性计算可压裂指数,根据储层不同位置处的岩石力学参数,建立可压裂指数空间分布规律,优选指数高的“甜点”设计压裂方案。[1] 文 献蒲泊伶,蒋有录,王毅,等.四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析油学报,201(2):225—230.i,et of ].in—010,31(2):225—230.聂海宽,张金川,李玉喜.四川油学报,201 1,32(6):959—967.i in pe—].01 1,32(6):959—967.邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力石油勘探与开发,2010,37(6):641 651.et ].010,37(6):641—651.[8][9][10][11][13][15][J].石油学报,2012,33(增1):149—158.u i et ap—of in ].012,33(149—158.付永强,马发明,曾立新,等.页岩气藏储层压裂实验评价关键技术[J].天然气工业,2011,31(4):51—55.a et ey in ].011,31(4):51—55.邹才能,朱如凯,吴松涛,等.常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望——以中国致密油和致密气为例[J].石油学报,2012,33(2):173—187.u et of hi—na as an ].012,33(2):173—187. 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(收稿日期2012—10—29改回日期20134)1—23 责任编辑黄小娟)万方数据页岩气储层可压裂性评价技术作者: 袁俊亮, 邓金根, 张定宇, 李大华, 闫伟, 陈朝刚, 程礼军, 陈子剑作者单位: 袁俊亮,邓金根,张定宇,闫伟,陈子剑(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249), 李大华,陈朝刚,程礼军(重庆市国土资源和房屋管理局 重庆400042)刊名: 石油学报英文刊名: (期): 2013,34(3)参考文献(22条)有录;王毅 四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析 2010(02)金川;李玉喜 四川盆地及其周缘下寒武统页岩气聚集条件 2011(06)大忠;王社教 中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力 2010(06)拥军;李永平 非常规储层压裂改造技术进展及应用 2012(增1)发明;曾立新 页岩气藏储层压裂实验评价关键技术 2011(04)如凯;吴松涛 常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望012(02) K; V; A to a of in 33874 ; A to 004(41)大忠;漆麟 页岩气储层的基本特征及其评价 2010(10)小兵;张树东 应用测井资料评价四川盆地南部页岩气储层 2011(04);; A of of 15258 衍 基于岩心分析的页岩气压裂工艺参数优选 2012(04)才能;李建忠 川南志留系龙马溪组页岩气形成条件与有利区分析 2012(05) R of of a a 957(24)勉;金衍 水压致裂法测定岩石的断裂韧性 1997(01)勉;金衍 岩石断裂韧性与声波速度相关性的试验研究 1997(05)勉;张旭东 利用测井资料预测深部地层岩石断裂韧性 2001(04)of 011(44)壁稳定预测技术 勉;金衍 页岩气藏网状裂缝系统的岩石断裂动力学 2012(04)璋 实验数据的统计检验及其处理 1987(04)勉;王怀英 利用测并资料预测岩石Ⅱ型断裂韧性的方法研究 2008(增2)本文链接:
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