地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 492-500
引用本文
刘惠民, 郑金凯, 赵文山, 杜振京, 李静, 王昊. 深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 492-500.
LIU Huimin, ZHENG Jinkai, ZHAO Wenshan, DU Zhenjing, LI Jing, WANG Hao. A NEW METHOD FOR EVALUATING BRITTLENESS INDEX OF DEEP TIGHT SANDSTONE RESERVOIR[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 492-500.
深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法
刘惠民1 , 郑金凯2 , 赵文山1 , 杜振京1 , 李静2 , 王昊2     
1. 中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心, 山东 东营 257017;
2. 中国石油大学(华东)地质力学与工程研究所, 山东 青岛 266580
摘要:储层岩石脆性评价是储层压裂改造方案设计的重要基础工作,对储层压裂改造效果有着重要影响。以准中地区深层致密砂岩储层为研究对象,开展了0~90 MPa多级围压下的岩石三轴试验,分析了围压变化对于岩石脆性的影响。针对现有脆性指数对目标储层岩石脆性评价效果不理想的情况,基于应力-应变曲线中的能量转化关系建立了新的脆性指数模型,包括岩石峰前峰后脆性指数和综合脆性指数。研究结果表明:试验围压对岩石脆性评价有着显著影响;岩石峰前脆性随围压增大先增加后减小,峰后脆性和综合脆性随围压增大而递减;研究区储层含砾细砂岩的脆性较细砂岩的脆性小,脆性差异主要表现在峰后脆性。
关键词岩石力学    脆性指数    应力-应变曲线    能量转化    峰前脆性    峰后脆性    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.047     文章编号:1006-6616(2019)04-0492-09
A NEW METHOD FOR EVALUATING BRITTLENESS INDEX OF DEEP TIGHT SANDSTONE RESERVOIR
LIU Huimin1 , ZHENG Jinkai2 , ZHAO Wenshan1 , DU Zhenjing1 , LI Jing2 , WANG Hao2     
1. Manage center of Oil and Gas Exploration, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257017, Shandong, China;
2. Research Institute of Geological Mechanics and Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China
Abstract: Reservoir rock brittleness evaluation is important foundation work for the design of reservoir fracturing reconstruction scheme, which has great influence on reservoir fracturing reconstruction effect. Taking the deep tight sandstone reservoir in the central part of the Junggar Basin as the research object, the rock triaxial test under 0~90 MPa multilevel confining pressure was carried out and the influence of confining pressure variation on brittleness rock was analyzed. In view of the unsatisfactory effect of the existing brittleness index on the evaluation of rock brittleness in target reservoirs, based on the energy conversion relationship in the stress-strain curve, a new brittleness index model, which includes the pre-peak brittleness index, post-peak brittleness index and the comprehensive brittleness index, is established. The results show that the confining pressure has a significant influence on the evaluation of rock brittleness; the pre-peak brittleness increases first and then decreases with the increase of confining pressure, while the post-peak brittleness and comprehensive brittleness decrease monotonously with the increase of confining pressure. The study shows that the brittleness of the reservoir gravel fine sandstone is poorer than that of the fine sandstone, and the brittleness difference is mainly manifested in post-peak brittleness.
Key words: rock mechanics    brittleness index    stress-strain curve    energy conversion    pre-peak brittleness    post-peak brittleness    
0 引言

致密砂岩储层具有低孔、低渗的特征,压裂改造对于此类储层的开发尤为重要[1]。而储层可压裂性评价对于压裂层段优选及压裂方案设计具有重要意义。近年来,国外学者开始使用脆性指数来表征储层岩石的可压裂性,并指出脆性指数越大,储层岩石越易于压裂[2]

在储层岩石脆性指数计算方面,相关学者从不同角度提出了多种计算方法。Honda等[3]采用硬度和坚固性差异表征岩石脆性,但该参数在储层岩石的脆性评价中应用较少;Jarive等[4]从岩石矿物成分方面研究了脆性,但是该种方法没有考虑成岩作用、孔隙度等对岩石脆性的影响,难以表征岩石真实脆性[5];Bishop建议采用岩石全应力-应变曲线应力释放特征表征脆性[6];曾治平等[7]基于岩石三轴实验建立了致密砂岩断裂能密度-弹性模量的拟合公式, 采用矿物成分法和弹模-泊松比法确定了研究区不同深度岩石脆性指数。应力-应变试验可以反映岩石受力破坏过程的力学特征,是岩石脆性评价的一种重要方法。

已有研究表明,岩石的弹性模量、抗压强度等力学参数与围压存在相关性[8],岩石在围压增大时,应力-应变特征由脆性向塑性发展[9-10]。文章中所研究的目标储层位于4250~4300 m,属于深层致密砂岩储层。目前,储层岩石脆性评价试验多为单轴试验和低围压下三轴试验,围压一般不超过50 MPa,而研究区深层致密砂岩储层围压较高,岩石具有塑性软化特征强的特点。在还原储层岩石实际围压的基础上开展岩石三轴力学试验,可以更加准确地表征岩石实际脆性特征[11]。现有的基于应力-应变曲线的脆性指标大多是单独考虑应力-应变曲线的峰前峰后特征点,不能反映岩石破坏的过程特点。通过应力-应变曲线能量特征建立脆性指数模型可以从岩石破坏过程的能量转化角度较好地表征岩石脆性破坏的特点[9]。因此,研究开展了0~90 MPa多个围压下岩石常规三轴试验,基于应力-应变曲线中的能量转化关系,构建了峰前峰后脆性指数和综合脆性指数,进行深层储层岩石脆性评价,为目标储层勘探开发提供科学依据。

1 围压对岩石脆性的影响 1.1 岩石三轴试验概况

试验仪器为GCTS高温高压岩石三轴测试系统,试验加载围压取0 MPa、20 MPa、40 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa和90 MPa,加载速率0.05%/min。试验岩心为致密砂岩,取自准中地区某井4254.42~4269.95 m和4291.70~4295.63 m两个层段,共计12块,岩心尺寸25 mm×50 mm。根据岩心钻井取心描述将岩心分为细砂岩和含砾细砂岩两组。细砂岩组颗粒相对较细,密度均大于2.4 g/cm3,剪切破坏面齐整;含砾细砂岩颗粒较粗,粒间胶结相对较差,密度小于2.4 g/cm3,部分岩心出现压后破碎断裂。岩心样本破坏后照片如图 1图 2所示,试验岩心样本物理参数及试验结果统计如表 1所示。

图 1 细砂岩压后破坏情况 Fig. 1 Failure of fine sandstone after compressure

图 2 含砾细砂岩压后破坏情况 Fig. 2 Failure of gravel bearing fine sandstone after compression

表 1 岩石物理参数及三轴试验结果统计 Table 1 Rock physical parameters and statistics of triaxial axis test results
1.2 粘聚力与内摩擦角

据已有研究成果[12-14],岩石的粘聚力和内摩擦角与岩石脆性存在相关性。岩石的粘聚力和内摩擦角是三轴试验可以得到的基础参数,可以通过岩石粘聚力与内摩擦角随围压的变化反映围压对岩石脆性的影响。

选取细砂岩1#和8#,含砾细砂岩2#和6#岩样三轴试验结果分别绘制莫尔包络线如图 3图 4所示,得到低围压下岩心内摩擦角与粘聚力如表 2所示。

图 3 细砂岩莫尔包络线 Fig. 3 Moire envelope of fine sandstone

图 4 含砾细砂岩莫尔包络线 Fig. 4 Moire envelope of boulder fine sandstone

表 2 内摩擦角ϕ与粘聚力C计算 Table 2 Calculation of internal friction angle ϕ and cohesive force C

表 1对岩样峰值应力σ1和围压σ3进行线性拟合,得到峰值应力与围压关系曲线如图 5所示。在得到峰值应力与围压关系曲线的基础上,可根据公式(1)和公式(2)计算岩石在全局围压下的粘聚力和内摩擦角[15]

$ C=\frac{{{\sigma }_{\text{c}}}(1-\text{sin}\phi )}{2\text{cos}\phi } $ (1)
$ \text{ }\phi =\text{si}{{\text{n}}^{-1}}\frac{m-1}{m+1} $ (2)
图 5 峰值应力与围压关系曲线 Fig. 5 The relationship between peak stress and confining pressure

式中,C为岩石粘聚力,MPa;ϕ为内摩擦角,(°);σcσ1σ3关系曲线纵坐标截距,MPa;mσ1σ3关系曲线斜率。

计算得到细砂岩与含砾细砂岩全局围压下的内摩擦角与粘聚力如表 2所示。

由内摩擦角与粘聚力计算的结果可知(表 2),两类砂岩的内摩擦角与粘聚力大小存在明显差异。细砂岩与含砾细砂岩的内摩擦角ϕ随围压增大而减小,粘聚力C随围压增大而增加。

对于粘聚力随围压增大的原因,有学者认为是由于随着围压增大,裂隙面上的正应力增大,即摩擦力增大,抑制了剪切滑移的产生[12]。也有学者认为是围压增大时,物质内部间距减小引力增加导致[13]。在岩石变形破坏过程中,能量消耗以岩石内部摩擦为主,即颗粒间的剪切塑性滑移[14]。岩石的粘聚力越大,则剪切塑性变形过程的能耗相对越多,岩石的塑性特征越强。内摩擦角表征的是颗粒之间内摩擦力与咬合力,围压增加时岩石由脆性向延性发展,物质间内部逐渐趋于平衡,其内摩擦力与咬合力减小,内摩擦角变小[13]

1.3 应力-应变曲线特征

试验得到两组共计12条全应力-应变曲线,分别绘制细砂岩与含砾细砂岩的应力-应变曲线如图 6图 7所示。

图 6 细砂岩应力-应变曲线 Fig. 6 Stress-strain curves of fine sandstone

图 7 含砾细砂岩应力-应变曲线 Fig. 7 Stress-strain curves of gravel bearing fine sandstone

由岩石应力-应变曲线可以看出:①随着围压增长岩心峰值偏应力、峰值应变和弹性模量均在增加。②在围压大于70 MPa时,细砂岩与含砾细砂岩应力-应变曲线特征存在明显差异,细砂岩在高围压下的峰后破坏阶段脆性跌落特征显著,含砾细砂岩在高围压下的峰后破坏阶段表现出较强的塑性。

综上所述,随着试验围压增大,岩石脆塑性特征产生了显著变化。对于深层储层,还原实际地层压力进行岩石脆性评价是十分有必要的。

2 基于应力-应变曲线的脆性指数 2.1 现有的脆性指数模型

脆性指数计算采用的四线性应力-应变曲线模型[9], 如图 8所示。

图 8 岩石脆塑性模型 Fig. 8 Rock brittle plastic model

黄色区域面积代表峰前耗散能Wd,红色框区域面积代表可恢复应变能Wr,二者面积和为总应变能Wt,灰色区域面积为维持破坏所需断裂能Wf,绿色区域面积为残余弹性能We;(εt-εr)为可恢复应变,εt为总应变,εp为峰值应变,εc为残余应变;E表示弹性阶段的弹性模量,D为屈服模量,(-M)为弱化模量。

目前基于应力-应变曲线的脆性指数计算公式有多种,如表 3所示。研究利用脆性指数B1~B4对试验岩心进行脆塑性评价,计算得到细砂岩与含砾细砂岩的脆性指数如表 4,并绘制每块岩心脆性指数与围压关系分布图如图 9所示。

表 3 基于应力-应变曲线的脆性指数 Table 3 Brittleness index based on stress-strain curve

表 4 脆性指数计算结果 Table 4 Calculation results of brittleness index

图 9 脆性指数与围压关系分布图 Fig. 9 The distribution diagram of brittleness index and confining pressure

图 9可以看出:①两类砂岩的脆性指数B1~B4均随着围压增大而减小。其中脆性指数B1B3在低围压下有小幅增加,一般认为,这是由于在低围压下,岩石内部裂隙孔隙闭合,岩石刚度增强;②两类砂岩的脆性指数B1~B3大小分布一致,即细砂岩和含砾细砂岩脆性特征相近;③细砂岩的脆性指数B4大于含砾细砂岩,但在围压较低时脆性差异较小。可见脆性指数B1~B3对于细砂岩和含砾细砂岩的脆性差异不能进行有效区分,脆性指数B4在低围压下评价效果不理想。

2.2 新的脆性指数模型

岩石的三轴试验的压缩过程可以划分为峰前的压密阶段、弹性阶段、裂纹稳定和非稳定拓展阶段以及峰后的破坏阶段。岩石的峰后应力-应变曲线形态可以直观反映岩石的脆性特征,峰后强度下降越快岩石的脆性越强。脆性指数B4是基于峰值强度与残余强度的脆性指标。该指标以应力降的相对大小表征脆性,应力降越大脆性越强。但是该脆性指标没有考虑应力降速率对脆性评价的影响[18]。如图 10所示,虚线AB段所代表的脆性明显大于AC段,两条应力-应变曲线的B4值大小却相同。

图 10 脆性指数B4不能考虑的情况 Fig. 10 The situation where the brittleness index B4 can not be considered

张军[9]认为岩石脆性破坏的本质是峰前阶段高能积聚和峰后阶段能量迅速释放导致的动力失稳现象,峰前耗散能Wd比例越小,岩石脆性越强。岩石的应力-应变曲线形态包含着峰前脆性特征与峰后脆性特征。基于应力-应变曲线的脆性指数应该综合考虑峰前与峰后曲线特征进行岩石脆性评价,据此研究提出新的脆性指数模型B0=B·B,其中BB分别为峰前脆性指标和峰后脆性指标,B0为综合脆性指标。

峰前脆性指标B的计算模型如图 11所示,E为弹性模量,GPa;εc为峰值卸载残余应变,无量纲;εp为峰值应变,无量纲;τp为强度峰值,MPa;τe为弹性极限强度,MPa。

图 11 脆性指数B参数示意图 Fig. 11 B parameter diagram of brittleness index

岩石的峰前脆性主要表现在塑性屈服阶段,从能量角度选取塑性屈服阶段可恢复应变能增量ΔWr(灰色区域面积)与峰前耗散能Wd(黄色区域面积)的比值为峰前脆性指标。该比值越大,峰前耗散能量相对越少,则岩石峰前脆性越强。

B的推导过程如下:

$ {{B}_{\text{Ⅰ}}}=\frac{\Delta {{W}_{\text{r}}}}{{{W}_{\text{d}}}}=\frac{\frac{{{\tau }^{2}}_{\text{p}}}{2E}-\frac{{{\tau }^{2}}_{\text{e}}}{2E}}{\frac{1}{2}({{\tau }_{\text{p}}}+{{\tau }_{\text{e}}}){{\varepsilon }_{\text{c}}}}=\frac{{{\tau }_{\text{p}}}-{{\tau }_{\text{e}}}}{{{\varepsilon }_{\text{c}}}E} $ (3)

其中${{\varepsilon }_{\text{c}}}={{\varepsilon }_{\text{p}}}-\frac{{{\tau }_{\text{p}}}}{E}$,代入式(3),可得

$ {{B}_{\text{Ⅰ}}}=\frac{{{\tau }_{\text{p}}}-{{\tau }_{\text{e}}}}{\left( {{\varepsilon }_{\text{p}}}-\frac{{{\tau }_{\text{p}}}}{E} \right)\cdot E}=\frac{{{\tau }_{\text{p}}}-{{\tau }_{\text{e}}}}{{{\varepsilon }_{\text{p}}}E-{{\tau }_{\text{p}}}} $ (4)

峰后脆性指标B的计算模型如图 12所示,E为弹性模量,GPa;(-M)为弱化模量,GPa;εp为峰值应变,无量纲;εt为总应变,无量纲;τp为强度峰值,MPa;τc为残余强度,MPa。

图 12 脆性指数B参数示意图 Fig. 12 B parameter diagram of brittleness index

在岩石的峰后破坏阶段,峰前积累的可恢复应变能会在断裂过程中部分转化为断裂能ΔWt(黄色区域面积),岩石维持断裂所需的外界做功为Wh(灰色区域面积),选取二者比值作为峰后脆性指标。该比值越大,则岩石维持断裂所需的外界做功相对越少,岩石峰后脆性越强。

B的推导过程如下:

$ {{B}_{}}=\frac{\mathit{\Delta }{{W}_{\text{t}}}}{{{W}_{\text{h}}}}=\frac{\frac{{{\tau }^{2}}_{\text{p}}}{2E}-\frac{{{\tau }^{2}}_{\text{c}}}{2E}}{\frac{1}{2}({{\tau }_{\text{p}}}+{{\tau }_{\text{c}}})({{\varepsilon }_{\text{t}}}-{{\varepsilon }_{\text{p}}})}=\frac{\left( -M \right)}{E} $ (5)

B0为综合脆性指标,如公式(6)所示。目前,岩石峰前、峰后力学性质的关系不明确,无法确定二者对综合脆性影响的权重。峰前脆性指数B与峰后脆性指数B均与岩石脆性程度正相关,采取峰前、峰后脆性指标相乘组合不涉及权重系数,峰前、峰后评价结果连续单调,容易拉开评价档次[9]

$ {{B}_{0}}={{B}_{Ⅰ}}\cdot {{B}_{\text{Ⅱ}}}=\frac{\left( -M \right)}{E}\cdot \frac{{{\tau }_{\text{p}}}-{{\tau }_{\text{e}}}}{{{\varepsilon }_{\text{p}}}E-{{\tau }_{\text{p}}}} $ (6)

公式中,E为弹性模量,GPa;(-M)为弱化模量,GPa;εp为峰值应变,无量纲;τp为强度峰值,MPa;τe为弹性极限强度,MPa。

3 脆性指数B0评价应用实例

采用新的脆性指数模型B0=B·B对试验中细砂岩与含砾细砂岩进行脆性评价得到表 5,并绘制脆性指数与围压关系曲线如图 13所示。

表 5 脆性指数B0计算结果 Table 5 Calculation results of brittleness index B0

图 13 脆性指数BBB0与围压关系 Fig. 13 The relationship between the brittleness index B, B and B0 and the confining pressure

图 13可以看出,两组砂岩的峰前脆性指数B与围压近似二次函数分布,随围压先增大后减小。在脆性指数B增大阶段,峰前塑性屈服阶段可恢复应变能的增量ΔWr相对峰前耗散能Wd比例增大,岩石的峰前脆性变强。在脆性指数B减小阶段,峰前塑性屈服阶段可恢复应变能的增量相对峰前耗散能比例减小,岩石的峰前脆性减弱。一般认为,在施加较低围压时,岩石内部自然孔隙裂隙会压密闭合,岩石刚度会有增加,即岩石峰前脆性增大,当围压继续增大,岩石在围压作用下产生部分变形,这使得岩石在轴向加载过程中更快的达到弹性极限,岩石塑性屈服阶段更加显著,即岩石峰前塑性变强。脆性指数B与围压近似指数分布,随围压增大单调递减。在岩石峰后破坏阶段,B越小说明岩石破坏所需外界做功Wh相对越多,即岩石越不容易发生破坏,其峰后脆性越差。两组岩石的综合脆性指数B0均随着围压的增大而减小,细砂岩的脆性指数大于含砾细砂岩,其脆性差异主要为峰后脆性差异。文中建立的脆性指数可以较好地表征岩石脆性,包括峰前与峰后脆性特征,对于细砂岩和含砾细砂岩的脆性差异也可以较好的区分。

试验所用岩心取自准噶尔盆地中部地区某井4254.42~4269.95 m和4291.70~4295.63 m,其中4254.42~4269.95 m以含砾细砂岩为主。通过上述分析,高围压下含砾细砂岩与细砂岩相比脆性较差,不利于压裂裂缝的产生与拓展。因此在压裂选层时应避开4254.42~4269.95 m层段,或者在压裂施工过程中采取相应技术措施,如增加压裂时间、选择低残渣压裂液、增加压裂液密度等,提高压裂改造效果。

4 结论

(1) 围压对于岩石的脆性存在显著影响。围压增大时,岩石的粘聚力增大,内摩擦角减小,岩石的抗滑移能力相应变强,加载过程中岩石不易发生脆性破坏。对于深层储层,开展高围压下常规三轴力学试验进行岩石脆性评价,可以更准确地反映储层岩石脆性特征,为储层开发与压裂改造提供参考。

(2) 文章基于应力-应变曲线中的能量转化关系,建立了峰前、峰后脆性指数和综合脆性指数。围压增大时,岩石的峰前脆性指数先增大后减小,峰后脆性指数单调递减;脆性指数B0由峰前、峰后脆性指数相乘得到,随着围压增大而减小。各个脆性指数均与表征脆性正相关,值越大岩石脆性越强。

(3) 对准中地区某井两类砂岩峰前峰后脆性和综合脆性进行评价,细砂岩的脆性明显大于含砾细砂岩,其脆性差异主要为峰后脆性差异。在压裂选层时,应优选细砂岩集中层段以降低施工成本并提高储层压裂改造效果。

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