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评价页岩压裂形成缝网能力的新方法

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评价 页岩 形成 能力 新方法
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第34卷第4期 岩 土 力 学 013年4月 2013 收稿日期:2012金项目:国家科技重大专项“3000型成套压裂装备研制及应用示范工程”资助(2011 第一作者简介:郭天魁,男,1984年生,博士研究生,主要从事非常规气藏增产改造研究工作。章编号:1000-7598 (2013) 04-0947-08 评价页岩压裂形成缝网能力的新方法 郭天魁1,张士诚1, 2,葛洪魁2 (京) 石油工程学院,北京 102249;京) 非常规天然气研究院,北京 102249) 摘 要:页岩储层的“体积压裂”,使美国页岩气产业取得巨大成功,有效评价压裂裂缝网络形成的难易程度,是压裂开采的首要目标,目前国内外尚未发现有效的评价方法,为此开发了一种新的测试方法。针对10种岩芯,测试岩石力学参数,并对比分析常用的3种页岩脆性评价方法。采用压后裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度对裂缝进行定量表征,并对压后崩落碎块进行对比分析。通过实验认为,杨氏模量和泊松比判别法与塑性系数判别法用于评价岩石脆性,精确度更高;脆性岩石通常表现为高杨氏模量或(和)低泊松比的特征,与单轴抗压强度、抗张强度和压入硬度没有对应关系;压裂裂缝的分布具有统计意义上的分形特征,分维可用于定量评价压后裂缝网络复杂度;硬度越高,压后裂缝密度越小;脆性越强,压后裂缝密度越大。新方法是岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征的综合体现,用于评价页岩压后形成缝网的能力,不仅直观可靠,而且简单有效,有利于现场推广应用,对于今后页岩气或致密砂岩气开发的理论研究和现场应用具有一定的指导意义。 关 键 词:页岩;可压性;脆性;压入硬度;裂缝密度;分维 中图分类号:52 文献标识码:A A of in 2, 1. 02249, 2. 02249, on is to of in is to RV(or be It is a of At is no at A is in 0 of of is by of of is s s to of s or(s is no of be of is of of It is to of on as a it a of in is of 948 岩 土 力 学 2013年 1 前 言 “体积压裂”[1]是页岩气实现商业开发的首要技术,在水力压裂过程中使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝(沉积层理)与人工裂缝相互交错的裂缝网络,从而增加改造体积,提高初始产量和最终采收率。影响压后裂缝网络形态的因素很多,主要与储层的地质条件,如水平地应力差、岩石脆性、沉积层理和天然裂缝系统有关[2-7],也受施工因素,如压裂液量、施工排量、压裂段间距[8-9]的影响,还与工艺技术,如水平井分段压裂、同步压裂、拉链式压裂、重复压裂[10]有关,其中储层的地质条件是关键。 页岩储层的水平地应力差可通过室内实验测试和现场监测等方法准确获取。页岩的脆性评价,目前国内外存在多种评价方法[3, 7, 11],通常需要开展岩石物理力学实验,不同方法评价结果也并非一致。岩石的脆性是储层压后形成裂缝网络的必要而非充分条件,天然裂缝系统和沉积层理结构也是其关键因素,由于裂缝系统的观测和评价非常困难复杂,且目前页岩储层压裂裂缝扩展机制尚不明确,因而对其进行单独评价是一个难点,需要一种新的测试方法,兼顾岩石的脆性和原生裂缝系统(沉积层理),对页岩储层可压性进行评价。利用大尺寸真三轴实验系统进行室内物理模拟[12],不仅需要大尺寸的规格露头岩芯,且实验复杂,不利用现场简单方便地检测评价。 本文呈现的是针对所取全直径岩芯(或露头岩芯),在不考虑水平地应力差作用下,利用无声破碎剂致裂,观测评价压后裂缝形态,采用裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度进行定量表征,并评价其崩落碎块的大小和数量,分析判定该页岩的一种可压性新方法,用于判断页岩压后形成缝网的能力,不仅直观可靠,而且简单有效,有利于现场推广应用。 取10种不同岩芯,测试其岩石力学参数,并对3 种岩石脆性评价方法进行对比研究。再利用新方法对10种岩芯进行可压性评价实验,其研究成果对于今后页岩储层的评价和开发具有一定的指导意义。 2 影响页岩储层可压性的脆性评价方法 页岩的塑脆性是影响页岩储层可压性的主要因素之一,一直以来都是研究的重点。岩石的塑性是在外力作用下,岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性,它是岩石吸收残余形变或吸收岩石未破碎前不可逆形变的机械能量的特性。岩石的脆性是岩石在外力作用下,直至破碎而无明显的形状改变,是反映岩石破碎前不可逆形变中没有明显地吸收机械能量,即没有明显的塑性变形的特性。 [3]给出了判断页岩脆性指数的矿物学方法(质量百分比),即 脆性指数(%)=石英/(石英+碳酸盐岩+黏土) (1) ]对北美典型的页岩开发区块进行了总结评价,认为相对黏土和石英来说,碳酸盐岩相对更脆,应属于脆性矿物,因而矿物学方法并没有统一的准则[13]。[7]在文中介绍了岩石物理性质在改造设计优化中的应用,给出了用杨氏模量和泊松比[14]来计算脆性指数的方法,计算公式见式(2),认为 0 时,岩石是脆性的;0时,岩石脆性很强。5]介绍了计算脆性指数的简单方法,见式(3),脆性等级划分标准如表1所列。此外,利用岩石压入破碎过程中的载荷图 1),计算岩石的塑性系数,以此来定量表征岩石塑性及脆性大小,也是油田常用的判断方法[16]。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功 岩石破碎前弹性变形功 比值,见式(4)。对于脆性岩石,塑性系数 p 1K  ,如图 1(a)所示,对于塑脆性岩石,1 6,如图1(b)所示;对于塑性岩石, 6~∞,如图1(c)所示根据岩石的塑性系数大小,将岩石分为三类 6级,见表2。 表1 岩石脆性等级划分 of 级 脆性指数征 1 >25 脆性很强 2 151~2 2~3 3~4 4~6 >6~∞ (a) 脆性岩石 (b) 塑脆性岩石 (c) 塑性岩石 图1 平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线 of by a 3 不同岩石的岩石力学参数和脆性评价 芯 编号 岩性 取心深度 / m 杨氏模量 / 松比 单轴抗压强度 / 张强度 / 入硬度 / I 塑性系数# 花岗岩 露头 618 2# 碳酸盐岩 露头 920 3# 砂岩 1 664 933 4# 砂岩 1 545 25 5# 砂岩 2 896 317 6# 细砂岩 1 804 34 7# 细砂岩 1 444 57 8# 水泥(10%石英砂) 49 9# 页岩A(垂向) 2 713 71~1 495 页岩B(横向) 34 10# 页岩B(垂向) 露头 50~1 239 由表3可见,所取岩芯比较有代表性,中页岩合]给出的远景页岩标准,即大于24 页岩氏模量较低。此外平行沉积层理取芯相比垂向取芯,杨氏模量更高。种页岩的泊松比都符合 准,63 岩中平行层理方向取芯页岩抗张强度非常低, 950 岩 土 力 学 2013年 入硬度范围在325~3 618 测页岩表现出强烈的非均质性,岩芯表面不同位置处矿物组成差距较大,石英或碳酸盐岩含量较高会导致硬度增加,黏土含量高会减低硬度,呈现出一个较大跨度。相比而言,页岩3 种脆性评价方法结果并非一致,其中杨氏模量和泊松比评价法与塑性系数判别法结论基本一致。从表1中可以看出,所测岩石既包含脆性岩石,如1#~3#、7#~10#,也包含塑性岩石,如4#和6#,也有塑脆性岩石,如5#。脆性岩石通常表现为高杨氏模量,或(和)低泊松比的特征,而不能通过单轴抗压强度、抗张强度和压入硬度结果直接判断,因而岩石的脆性不仅与矿物组成有关,也与颗粒胶结强度、孔隙度等有关。塑性岩石泊松非常高,如4#和6#,他4个岩石力学参数值都偏低,所测页岩均表现出脆性特征。 3 页岩储层可压性评价新方法 本方法针对所取全直径岩芯或露头岩芯进行压裂,评价裂缝形态。试验采用无声破碎剂致裂法压裂,该方法简单、安全,模拟无水平应力差压裂时射孔附近的裂缝起裂形态。为保证获取更加可靠的裂缝形态,试验将岩芯置于铁环中,用水泥浇固,使岩心在受压破裂时承受一定的围压,此围压随无声破碎剂膨胀压力的增加而增加,膨胀压力可达30~50 实验装置与实验材料 实验装置包括:①套管钢环,内径为124.3 径为139.7 20 表面光滑。②钻岩芯机,获得直径为1.5 验材料:高效无声破碎剂(、普通硅酸盐水泥、现场所取全直径岩芯(直径为10 露头岩芯,高度不超过12 油或润滑油和红色油性笔。 实验步骤 ①分别将钢环内壁和岩芯侧面均匀的涂抹上黄油或润滑油,确保实验后取芯方便。 ②加适量水,制造水泥净浆(所有实验保证相同水灰比),使浆体饱和的填充于岩芯和钢环间的环形空间中,如图2所示。 ③静置一定时间,待水泥净浆硬化之后(可加入适量水泥硬化剂),用钻岩芯机,在岩芯中心处制造直径约为1.5 了观测上下两个表面的致裂形态,确保裂缝信息准确,需要钻穿此孔,1.5 时能制造尽可能大的剩余表面面积,有利于反映更多的裂缝信息。 ④取适量高效无声破碎剂,加入20%的水,搅拌均匀后,充分填充于钻孔中。静置12 ⑤致裂后,去除并收集上下两个表面崩裂的碎片,观察并用红色油性笔标记岩石表面的裂缝形态,计算裂隙结构面迹长分布的分维值和面密度,对裂隙进行定量表征。 图2 水泥净浆浇固岩芯与钢环的环形空间 of 实验结果及分析 实验后,压裂裂缝的复杂程度可通过引入分形理论,用分维值7-20],也可用裂缝密度来衡量。 (1)裂缝结构面迹长分维 目前有很多方法可确定分数维,如面积周长法、盒维数法,指数频谱法、变差函数法等,其中盒维数法是利用图形进行裂缝分形维数确定的最主要方法。 基于盒维数的网格覆盖法是当前的常用方法,该法可用于一维、二维和三维统计,分别使用直线、正方形和正方体覆盖模型。 根据分形维数定义,其不同尺度下裂缝数量的分布规律为 ( )   (5) 式中: 为边长;数值等于岩石中面积大于 2 的裂缝个数; 2D  。对式(5)两边取自然对数,可得 ) lg D   (6) 该方法的基本步骤是:采用边长为 的正方形第4期 郭天魁等:评价页岩压裂形成缝网能力的新方法 951 网格覆盖整个岩芯,统计包含有裂缝的正方形物体数目;逐步改变正方形网格的边长,统计相应的( )N  ;在双对数坐标系中采用最小二乘法对统计数据作回归分析,其回归直线的斜率即为岩芯上裂缝分布的分维数值。 以垂直层理方向取芯的页岩B(10#c)为例,压裂后的裂缝形态和分维计算的网格划分方法如图3所示,根据式(6),绘制图 4,求得回归直线的斜率为  ,,,说明压裂裂缝的起裂网络分布具有统计意义上的分形特征。 图3 页岩B(10#c)压后裂缝分维计算的网格划分 (10#c) 图4 页岩B(10#c)压后裂缝分维计算 of (10#c) (2)裂缝的面密度 裂缝密度是衡量裂缝发育程度的重要指标,常规的裂缝密度可以分为线密度、面密度和体密度。线密度是微裂缝与垂直于该组裂缝的单位测线上的交点数,体密度是单位体积内裂缝壁表面积,面密度 单位面积内裂缝的长度,为裂缝累计长度 (7) 式中: l 。 按式(7)计算页岩 B(10#c)压后裂缝面密度 55/1023.9 图5为不同岩芯压后裂缝分布图和岩芯表面崩落的碎片。岩石破碎是岩石结构中的初始细观损伤发展到宏观断裂的结果,由岩石中大量的、各种尺度的裂隙切割、贯通产生,因此岩石初始损伤分布与岩石破碎块度分布有着直接的相关性[21],此外碎块多,体积小,破碎程度高,则材料愈脆[22],因此对实验后崩落碎块的数量和大小的评价一定程度上也能够反映岩石的可压性。 表4为本次试验的统计结果。结合表3和表4可知,(1)明不同岩芯压裂裂缝的网络分布都具有统计意义上的分形特征。(2)裂缝条数越多,裂缝密度越高,分维值越大,因而裂缝结构面迹长的分维能够定量地表征裂缝网络的复杂程度。 (3)不考虑岩芯内部天然裂缝系统的影响(非页岩),实验结果显示压后裂缝密度同岩石的硬度和脆性相关性很强,表现为岩石硬度越大,压后裂缝密度越小;岩石脆性越强,裂缝密度越大,因此,并非岩石越脆,压后裂缝密度越大,还取决于其硬度的高低,如岩石硬度1#3#8#7#,但压后裂缝密度 1#3#8#7#。2#碳酸盐岩较特殊,虽然硬度较高,但由于岩芯内部天然裂缝发育(如图5蓝色虚线),因而压后裂缝密度较高。(4)页岩压后的裂缝复杂程度远高于其他岩石,相比页岩 岩致裂缝复杂度更高,本实验中非页岩压后裂缝密度都小于26 岩 页岩 明除水平地应力差和岩石脆性外,天然裂缝系统和沉积层理的发育程度是形成压裂缝网的关键因素。(5)岩石崩落碎块的数量和大小,不仅与岩石的脆性程度和初始损伤分布有关,也与岩石的硬度有关,硬度越高,碎块数量越少。(6)本试验中,非页岩岩芯压后裂缝条数在2~5条之间,裂缝密度小于26 落碎块数小于等于15。天然裂缝系统和沉积层理发育的页岩0,裂缝密度平均为66.8 落碎块数平均为 37,可见页岩 B 具备较高的可压性条件。 952 岩 土 力 学 2013年 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n) (o) (p) 图5 岩芯压后裂缝起裂分布和表面崩落的碎片 4 不同岩芯压后裂缝参数评价 of 芯编号 岩性 裂缝结构面迹长分维 相关系数缝条数 裂缝密度 / 落碎块数量 /块 1# 花岗岩 2 2# 碳酸盐岩 5 3# 砂岩 3 4# 砂岩 3 1 5# 砂岩 2 6# 细砂岩 4 5 7# 细砂岩 4 8# 水泥(10%石英砂) 4 9# 页岩A(垂向) 5 20 10# (a) >10 35 10# (b) 页岩B(横向) >10 28 10# (c) >10 36 10# (d) 页岩B(垂向) >10 50 第4期 郭天魁等:评价页岩压裂形成缝网能力的新方法 953 4 结 论 (1)评价页岩储层压裂缝网形成能力的新方法是岩石脆性、硬度和天然裂缝系统(和沉积层理)特征的综合体现,用于判断页岩压后缝网形成的能力,不仅直观可靠,而且简单有效,有利于现场推广应用。天然裂缝系统和沉积层理发育的页岩压后裂缝条数应大于5,裂缝密度大于26 落碎块数大于15。 (2)相比单轴抗压强度和抗张强度评价法,杨氏模量和泊松比评价法与塑性系数判别法用于评价岩石脆性,更加准确。脆性岩石通常表现为高杨氏模量,或(和)低泊松比的特征,而与单轴抗压强度、抗张强度和压入硬度并没有对应关系。 (3)不同岩芯压裂裂缝的分布都具有统计意义上的分形特征,裂缝结构面迹长的分维能够定量地表征裂缝网络的复杂程度。 (4)岩石压后表面崩落碎块的数量和大小,不仅与岩石的脆性程度和初始损伤分布有关,也与岩石的硬度有关,硬度越大,碎块数量越少。 (5)不考虑岩芯内部天然裂缝系统的影响(非页岩),岩石压后裂缝密度同岩石脆性程度和硬度密切相关,表现为岩石硬度越高,裂缝密度越小;脆性越强,裂缝密度越大。除水平地应力差、岩石硬度和脆性外,天然裂缝系统和沉积层理的发育程度是形成压裂缝网的关键因素。 参 考 文 献 [1] L, R, J, et ]// 2008: 21-24. [2] E. of we ]//2010: 19-22. [3] H, E, T, et in ]//2010: 29-31. [4] L, , . of re ]//2007: 29-31. [5] K, . of a a ]//2009: 23-25. [6] , H. of of ]. 2010, 131376: 1-17. [7] , , , et A of of ]//2008: 21-24. [8] Y, , . at ]. 2010. [9] 陈作, 薛承瑾, 蒋廷学, 等. 页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议[J]. 天然气工业, 2010, 30(10): 30-32. et of by in ]. 2010, 30(10): 30-32. [10] J, P, R, et is ]. 2008. [11] M, G. A of ]. of 2005, 105: 727-733. [12] 陈勉, 周健, 金衍, 等. 随机裂缝性储层压裂特征实验研究[J]. 石油学报, 2008, 29(3): 431-434. et on in ]. 2008, 29(3): 431-434. [13] 吴庆红, 李晓波, 刘洪林, 等. 页岩气测井解释和岩芯测试技术——以四川盆地页岩气勘探开发为例[J]. 石油学报, 2011, 32(3): 484-488. et of 954 岩 土 力 学 2013年 in of as an ]. 2011, 32(3): 484-488. [14] , , . A of to do t a C]// 2007: 16-18. [15] M, G. A of ].
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