岩石脆性特征参数与岩石力学参数的相关关系

西南石油大学学报（自然科学版）2013年2月第35卷第1期JournalofSouthwestPetroleumUniversity（Science&TechnologyEdition）Vol.35No.1Feb.2013文章编号：1674–5086（2013）01–0001–09DOI：10.3863/j.issn.1674–5086.2013.01.001中图分类号：TE357文献标识码：A专家论坛页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析*赵金洲，任岚，胡永全“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室
西南石油大学，四川成都610500摘要：压裂实践表明，页岩储层的水力裂缝呈现出非平面、多分支的复杂延伸模式，这与传统压裂理论认为的对称平面双翼裂缝从形成机理上存在本质的区别。基于室内实验、矿场压裂实践、理论分析和数值模拟等研究成果，系统分析了页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素。研究表明：页岩储层的裂缝延伸形态受到地质因素和工程因素的双重作用，从储层地质属性上看，岩石的脆性矿物含量越高、岩石的力学弹性特征越强、水平应力差越小以及天然裂缝越发育，越有利于压裂缝的成网延伸与扩展；从压裂作业的工程条件上来说，施工净压力越高、压裂液流体黏度越低以及压裂规模越大，越有利于形成充分扩展的缝网。该研究对认识页岩储层缝网扩展机理以及提高页岩储层压裂设计的科学性具有重要的理论价值和现实意义。关键词：页岩；缝网；脆性矿物；天然裂缝；净压力ControllingFactorsofHydraulicFracturesExtendingintoNetworkinShaleFormationsZhaoJinzhou,RenLan,HuYongquanStateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu，Sichuan610500，ChinaAbstract：Fracturingpracticeshowsthathydraulicfracturesinshalereservoirpresentcomplexextendingmodelsofnon-planarandmultiplebranches，whichisessentiallydifferentfromtraditionalsymmetryplanebi-wingfracturesinformingmechanism.Basedontheresearchresultsofindoorexperiments，fieldfracturingpractice，theoryanalysisandnumericalsimulationetc，thispaperhassystematicallyanalyzedthecontrollingfactorsofhydraulicfracturesextendingintonetworkinshaleformations.Researchshowstheextendingshapeoffracturesinshalereservoirisinfluencedbybothgeologicalfactorsandengineeringfactors：accordingtoreservoirgeologicalattributes，higherbrittlemineralcontentsofrock，strongerelasticcharacteristicofrockmechanicalproperties，smallerhorizontaldifferentialstressandbetterdevelopednaturalfractureswillbeconstructivetobetterextensionandpropagationforhydraulicfracturesextendingintonetwork；accordingtoengineeringconditionsoffracturingoperations，higheroperationnetpressure，lowerfluidviscosityandlargerfracturingscalewillbemorehelpfultotheformationoffullypropagatedfracture-network.Thisstudyhasimportanttheoreticalvalueandpracticalsignificancetotheunderstandingofshalereservoirfracture-networkpropagationmechanismandcanimprovethescienceofshalereservoirfracturingdesign.Keywords：shale；fracture-network；brittlemineral；naturalfractures；netpressure网络出版地址：http：//赵金洲，任岚，胡永全．页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2013，35（1）：1–9．ZhaoJinzhou,RenLan,HuYongquan．ControllingFactorsofHydraulicFracturesExtendingintoNetworkinShaleFormations[J]．JournalofSouthwestPetroleumUniversity：Science&TechnologyEdition，2013，35（1）：1–9．*收稿日期：2012–12–19网络出版时间：2013–01–22基金项目：国家科技重大专项（2011ZX05014）；中海油“十二五”重大专项“海上低渗油藏有效开发模式、方法与适用技术研究”；中央财政支持地方高校发展专项资金“石油与天然气工程国家一级学科”。2西南石油大学学报（自然科学版）2013年引言经过半个多世纪的发展，水力压裂已经成为油气田开发中提高低渗透储层单井产量和采收率的重要技术手段，特别是近年来，在水平井分段压裂技术的推动下[13]，美国在纳达级超低渗透页岩储层中的非常规天然气开发上取得巨大成功，2011年的年产量达到了1720.0108m3，远超过中国2011年的天然气年总产量（1025.3108m3）。长期以来，对远井区域水力裂缝几何形态的认识与理解是水力压裂的最新前沿理论之一，传统的经典压裂理论认为，远井区域的水力裂缝是沿垂直最小地应力方向延伸的平面对称双翼裂缝。近些年来，不少研究者已经认识到水力裂缝存在复杂的延伸形态。Warpinski等矿场试验首次发现压裂时存在主裂缝与复杂分支裂缝同时延伸，提出了裂缝延伸带的概念[46]。而后Blanton和陈勉等通过物理模拟实验发现，水力裂缝相交天然裂缝后可能存在穿过、转向、穿过和转向同时发生的3种状态[712]。Mahrer[13]认为天然裂缝性地层压裂将形成网络裂缝。后来Beugelsdijk[14]等通过室内实验证实了网络裂缝的存在。Fisher和Maxwell等通过微地震监测发现页岩储层压裂将形成裂缝网络[1518]。Mayerhofer等[1920]提出了对于页岩储层需要提高油藏改造体积（SRV，StimulatedReser-voirVolume）形成最大化的缝网展布才能取得好的措施效果，压裂缝成网延伸是页岩储层改造成功的关键。由于目前对页岩储层的缝网形成机理认识还不够系统和完善，本文在室内实验、矿场压裂实践、理论分析以及数值模拟等研究成果的基础上，对页岩储层的压裂缝成网延伸受控因素进行分析，对提高页岩储层压裂设计可靠性具有重要的理论指导意义。1页岩储层压裂缝扩展特征井下微地震、井下和地面测斜三种不同裂缝监测技术获取的监测数据表明，页岩地层的水力裂缝不像均质砂岩地层呈180对称两翼方向延伸的单一平面裂缝，而是不规则的多条裂缝连在一起形成由各种不同长、宽、高裂缝组合而成的复杂裂缝网络体系[21]，如图1所示。图1微地震监测图证实页岩储层复杂的裂缝延伸模式[21]Fig.1Complexfractureextensionmodeinshalereservoirconfirmedbymicroseismicmonitoringmapping[21]Warpinski[21]基于页岩储层裂缝延伸形态，将水力裂缝从简单到复杂分为4大类，如图2所示，分别为单一平面双翼裂缝、复杂多裂缝、天然裂缝张开下的复杂多裂缝和复杂的缝网，认为页岩储层压裂将形成复杂的缝网。图2裂缝由简单到复杂的不同分类[21]Fig.2Simpleandcomplexfractures[21]由于该Barnett页岩天然裂缝的总方向是西北—东南，而水力诱导裂缝的趋势一般在东北—西南方向，为此，在该页岩储层中形成了水力裂缝与天然裂缝相互交错的复杂裂缝系统。2影响页岩储层压裂缝成网延伸的地质因素影响页岩储层压裂缝延伸的地质因素包括储层的岩矿成分、岩石力学性质、水平应力场以及天然裂缝分布等几个重要方面。2.1岩矿成分岩石的脆性很大程度上由岩石的矿物成分所控制[2223]，即由岩石中硅质和钙质与粘土之间的相对含量所决定。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，第1期赵金洲，等：页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析3储层的天然裂缝越发育，在水力压裂外力作用下越易形成诱导裂缝网络，有利于页岩气开采。而高粘土矿物含量的页岩塑性强，水力压裂时以形成平面裂缝为主，不易形成体积裂缝网络[24]。美国产气页岩储层的石英含量为28%52%、碳酸盐含量为4%16%，总脆性矿物含量为46%60%[25]，分析美国页岩压裂室内矿物组成与矿场的水力裂缝延伸模式对应关系，认为页岩中40%的脆性矿物含量是形成缝网的岩矿门限条件。2.2岩石力学参数岩石力学参数对页岩储层岩石的可压性具有重要作用和影响，泊松比反映了岩石在应力作用下的破裂能力，而弹性模量反映了岩石破裂后的支撑能力[26]。弹性模量越高、泊松比越低，页岩的脆性越强，Rickman提出了采用弹性模量与泊松比计算岩石脆性的数学方程BRITE=(E1)/(81)100(1)BRITν=(ν0.40)/(0.150.40)100(2)BRITT=(BRITE+BRITν)/2(3)式中，E—岩石弹性模量，MPa；ν—岩石泊松比，无因次；BRITE—弹性模量对应的脆性特征参数分量，无因次；BRITν—泊松比对应的脆性特征参数分量，无因次；BRITT—总脆性特征参数，无因次。依据式（1）式（3），可计算得到岩石脆性参数特征与岩石力学参数的相关关系，如图3所示，脆性特征参数是弹性模量和泊松比的二元函数，总体上来说，高弹性模量和低泊松比下岩石脆性特征参数高。图3岩石脆性特征参数与岩石力学参数的相关关系Fig.3RelationshipbetweenrockbrittleindexandrockmechanicsparametersRickman提出了岩石脆性特征参数与压裂裂缝形态的对应关系，如表1所示[26]。表1岩石脆性特征参数对水力延伸裂缝形态的影响[26]Tab.1Effectofrockbrittleindexonhydraulicfracturepattern[26]脆性特征参数裂缝形态裂缝闭合剖面描述图示70网缝

6050网缝与多缝过度
4030多缝
20两翼对称
10由表1可见，岩石的脆性特征参数越高，储层裂缝延伸形态越复杂。当岩石脆性特征参数大于50后，储层的裂缝形态将趋向形成缝网。2.3天然裂缝分布页岩储层压裂过程中，天然裂缝被水力激活后拓宽储层中的裂缝