四川盆地永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性评价

陶祖文李 钦徐力群徐单峰

（1.中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川 德阳618000；2.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒841000；3.中国石化西南石油工程有限公司湖南钻井分公司，湖南 长沙410000）

0 引言

页岩气储层可压性评价是开展压裂工程设计和指导现场施工的基础依据之一。目前，页岩储层可压性评价主要参考脆性指数、断裂韧性、弹性模量等参数［1］，结合地应力测井解释技术［2］，采用极差变换和经验赋值方法将参数标准化，并设置不同因素对可压性影响的权重建立可压性数学模型［3］。近年来，四川盆地威荣、永川等3 500 m以深页岩气藏已逐步进入滚动开发阶段，成为确保“十四五”及以后页岩气持续规模上产的关键。但是，深层页岩气藏地质条件复杂、具有高温高压的特点，进一步明确深层页岩储层可压性，成为推进方案设计优化，实现单井产量突破的关键。针对永川区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组深层页岩储层可压性问题，开展了单轴和三轴岩石力学实验和X射线衍射分析实验，进而获取页岩力学参数和矿物组分，并分析了脆性指数、水平差应力系数、成岩作用、断裂韧性对可压性的影响，建立了永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性评价模型，以期为有效地保障现场压裂施工质量和效率提供技术支撑。

1 工程地质特征

1.1 构造特征

永川区块位于开江—泸州古隆起的中心部位，处于川东断褶带，呈“两凹夹一隆”的构造格局，整体为北东向的长轴背斜，背斜轴部依次出露下三叠统飞仙关组、嘉陵江组，并细化为北部向斜区（埋深3 700～4 200 m）、南部向斜区（埋深3 850～4 150 m）、夹持断块区（埋深3 850～4 050 m）、抬升断块区（埋深3 750～3 950 m）及背斜变形区5个次级构造。永川区块虽然经历多次大的构造运动，但大型断裂不发育，在局部存在较大倾角，受沉积时古构造及后期多期构造运动的影响，微断裂、微幅构造发育［4］。

1.2 沉积相特征

永川区块深层页岩气以五峰组—龙马溪组为目的层，整体呈平缓的深水陆棚相，岩性主要为灰黑色硅质页岩、灰质页岩、黏土质页岩及粉砂质页岩，横向页岩发育稳定［5］。同时，细分为含碳泥质深水陆棚、含笔石泥质深水陆棚、含生屑灰质泥质深水陆棚以及含放射虫泥质深水陆棚4类微相。其中，优势微相主要分布于五峰组—龙马溪组一段中下部，其总有机碳含量（TOC）介于1.5%～3.0%，平均含气量为3.61 m3／t，储层压力约为70 MPa，地压系数介于1.77～1.80，储层温度约为130℃，地温梯度为2.70℃／100 m，属高压干气气藏，含气性较好。

1.3 岩性及矿物特征

永川区块深层五峰组—龙马溪组页岩以龙马溪组底部的黑色、黑灰色泥页岩与五峰组顶部的黑色硅质页岩、钙质页岩的界限为基准，夹薄层泥岩、含粉砂泥岩，局部被方解石填充高角度裂缝［6］。同时，页岩段表现出高脆性矿物含量的特征，脆性矿物含量介于37%～49%，黏土矿物含量介于38%～48%，黄铁矿含量介于2%～7%。其中，YY-1井现场获得页岩岩心全岩、黏土X射线衍射分析统计结果如表1所示。

1.4 岩石力学特征

根据电成像和偶极声波测井资料分析，获得永川区块深层五峰组—龙马溪组页岩总体地应力方向为北东—南西向，且呈水平最大主应力σH大于垂向主应力σv，垂向主应力σv大于水平最小主应力σh的趋势，地应力平均值较高，①～⑤小层地应力平均值为101.91 MPa，⑥～⑨小层地应力平均值为104.10 MPa。现场获得地应力及岩石力学参数资料，如表2所示。

表1 YY-1井深层页岩矿物类型和含量表

2 储层可压性评价

目前，对于页岩储层可压性评价已产生诸多的评价方法，主要涉及页岩矿物组成、弹性力学参数、强度参数、压入硬度以及全应力—应变等5大类［7-9］。但是在实际应用中，需要结合区域地质特征对影响页岩可压性的因素进行分类并赋予不同的权重。

2.1 页岩储层可压性影响因素

1）矿物组成

页岩矿物组成对其脆性特征具有决定性作用，包括破裂强度、弹性模量、泊松比以及断裂韧性等力学参数。由表1可知，永川区块页岩矿物组成以石英、黏土矿物、碳酸盐、黄铁矿为主。石英、黄铁矿具有高弹性模量、低泊松比、低韧性的特点，是典型的脆性矿物；黏土矿物则具有显著的低弹性模量、高泊松比、高韧性的特点，是最典型的塑性矿物；碳酸盐弹性模量、泊松比均较高，但脆性并不强。因此，按照“高弹性模量、低泊松比”的标准，石英和黄铁矿是脆性较强的两种矿物，是对可压性影响最大的两种矿物［10］。

表2永川区块深层页岩地应力和岩石力学参数表

2）层理结构

你回去吧，我不要你护理，宇文明年高考，回去照顾宇文。他不想和何美宁争，知道何美宁是为他好，也知道何美宁是不可能理解他的，于是，他转换了话题。

页岩的层理结构引起力学性质显著的各向异性特征［11-13］。为此，采用永川区块某井深部页岩储层岩心沿不同层理角度取心，再进行单轴抗压强度实验，结果如图1和图2所示。实验结果表明：①平行于页岩层理面的单轴抗压强度值最大，为126.91 MPa；垂直于页岩层理面的单轴抗压强度值略小于平行于页岩层理面的单轴抗压强度值，为124.16 MPa；与页岩层理面呈30°夹角方向上的单轴抗压强度值最低，为65.70 MPa。②垂直于页岩层理面的弹性模量值最大，为27.23 GPa；平行于页岩层理面的弹性模量值略小于垂直于页岩层理面的弹性模量值，为22.69 GPa；与页岩层理面呈35°夹角方向上的弹性模量值最小，约为7.65 GPa。③平行于页岩层理面的泊松比值最大，为0.37；垂直于页岩层理面的泊松比值最小，为0.27。由以上实验结果可知，层理面在岩样破坏过程中表现为弱面结构，尤其是与层理面呈15°～35°夹角方向上页岩的单轴抗压强度和弹性模量显著降低。泊松比与层理面角度具有一定的线性相关性，随着与层理面夹角的增大，泊松比逐渐降低，页岩塑性特征逐渐降低。

图1不同层理夹角方向抗压强度图

图2不同层理夹角方向弹性模量和泊松比图

3）埋藏深度

随着地层埋深增加，深层页岩所受的围压增加。因此，在一定程度上围压的变化可以表征埋深的变化，尤其是水平主应力差异对页岩力学性质的影响［14］。为此，采用永川区块某井深部页岩储层段岩心开展不同围压条件下的岩石力学实验，结果如图3和图4所示。实验结果表明，页岩抗压强度、弹性模量和泊松比值均随着围压增加而增大。围压的存在使页岩内部的微裂隙趋于闭合，从而提高岩石的极限承载能力和塑性，且在围压较低时，抗压强度和弹性模量的增加速率较明显，当围压增加到一定程度之后，微裂隙的闭合达到极限，其抗压强度和弹性模量的增加速率逐渐减小。同时，围压也会抑制页岩破坏过程中微裂纹的产生和扩展，岩石的脆性降低、塑性增强，泊松比随围压增大而增大。

图3不同围压下抗压强度图

图4不同围压下弹性模量和泊松比图

2.2 页岩储层可压性评价模型

根据以上分析可知，决定页岩储集层可压裂性的因素包括岩石脆性、水平主应力差异、成岩作用以及埋深。以岩石脆性指数、水平差应力系数、成岩指数以及与深度有关的断裂韧性为主要参数，结合现场实践，形成了永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性评价模型。

式中，a、b、c、d、e分别为各参数的权重系数；Brit为矿物脆性指数；Kh为水平差应力系数；KIC、KIIC分别为Ⅰ型（张开型）和Ⅱ型（错开型）断裂韧性归一化系数；Ro为热成熟度归一化系数。

1）脆性指数

根据以上分析可知，石英和黄铁矿的相对含量越高，页岩的脆性越强，表现为脆性破裂越容易、破坏越充分［15-16］。因此，提出基于石英和黄铁矿两种矿物的脆性指数计算模型。

式中，Wquartz为石英的质量分数；Wpyrite为黄铁矿的质量分数；W为各矿物总的质量分数。

2）水平差应力系数

研究成果表明，缝内净压力除了克服岩石本体的抗张强度外，还需要克服水平应力差，裂缝才可能开启和延伸形成复杂缝网。水平差应力系数Kh表示如下［17］：

式中，σH和σh分别为水平最大和最小主应力，MPa。

3）成岩作用

在不同的成岩作用阶段，页岩的矿物组成、形态以及孔隙类型都有较大的差异，进而影响页岩储层的可压裂性［18-19］。其中，有机质镜质体反射率值（Ro）是热成熟度的指标，是反映页岩地层成岩作用阶段的重要参数［20］。川南地区页岩有机质Ro对比见表3，从表3可知，永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩有机质平均Ro为2.35%。比较而言，永川页岩气藏Ro整体较大，均值略低于礁石坝，有机质热演化程度处于过成熟演化阶段，以生成干气为主。当Ro大于2.0%且小于4.0%时，页岩处于晚成岩阶段，页岩孔隙以裂缝为主，不稳定的长石向稳定的正长石、斜长石和石英转化，蒙皂石、高岭石等塑性黏土矿物向伊利石、绿泥石转化，岩石矿物向脆而稳定的组分转化，脆性增强，有利于压裂［21］。

表3川南地区页岩有机质Ro对比表

4）断裂韧性

在页岩体积压裂过程中形成的裂缝最常见的是Ⅰ型（张开型）和Ⅱ型（错开型）。基于巴西劈裂试验法、测井参数计算以及岩心力学实验等获取永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩断裂韧性，如表4所示。从表4对比可知，断裂韧性Ⅱ型大于Ⅰ型，横向小于纵向，反映裂缝延伸剪切破裂阻力大于张开破裂阻力，受层理影响水平缝的扩展阻力小于垂直缝

表4永川区块五峰—龙马溪组深层页岩断裂韧性表

的扩展阻力。

由于永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性受多个因素的影响，且数值分布范围各不相同，因此采用归一化方法进行处理。同时，其深层页岩可压性受多个因素影响的程度不同，采用层次分析法求取不同影响因素的权重系数，如表5所示。其中，水平差应力系数反映了地层形成网状裂缝的能力，是影响可压裂性的主控因素；断裂韧性反映了地层维持裂缝延展的能力，脆性指数反映了地层岩石力学特性，二者对于可压性的影响大致相当；成岩作用对可压裂性的影响最小。即获得永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性评价模型如下：

3 储层可压性评价模型验证

根据相关实验参数，利用公式（4）对永川区块5口井五峰组—龙马溪组深层页岩的可压性进行计算，利用现场压裂施工停泵压力对该可压性评价模型进行验证，结果如表6所示。根据计算结果，可压性指数与停泵压力具有较好的负相关性，且相关性为83.13%，即可压性指数越低、停泵压力越高，压裂难度越大，越不容易获得较大的改造体积。通过数据拟合分析将地层可压性划分为两种类型，即当可压性指数小于0.47时，地层为可压性较差；当可压性指数大于0.47时，地层为可压性较好。针对可压性较差的地层，需要提前谋划可能的工程措施，如储备足量的盐酸、增加胶液比例和前置液比例等。2020年1月10日至3月4日，在YY5-2井压裂施工前计算获得该井深层页岩储层段（4 244.0～6 000.6 m）可压性指数为0.35，属于可压性较差的地层。因此，提前储备了酸液、稠化剂、降阻剂等相关材料。在实际24段压裂施工过程中，排量介于9.5～16.0 m3／min，施工压力介于80.2～89.5 MPa；使用盐酸170 m3，较设计量增加17.24%；使用胶液9 737 m3，较设计量增加31.58%；使用高黏降阻水55 335 m3，较设计量增加17.16%。由于施工前对储层可压性的准确判断，提前储备了相关材料，从而有利地保障了现场压裂施工的质量和效率。

表5永川区块深层页岩可压性权重系数表

表6永川区块深层页岩可压性指数与停泵压力值表

4 结论

1）基于脆性指数、水平差应力系数、成岩作用、断裂韧性建立的永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性模型能够较好地反映该地区页岩储层的可压性，且对现场压裂施工具有较好的指导作用。

2）基于脆性指数、水平差应力系数、成岩作用、断裂韧性建立的可压性评价模型与停泵压力的相关性仅为83.13%，为提高永川区块五峰组—龙马溪组深层页岩可压性模型的预测精度，还需要进一步考虑其他因素对于可压性的影响。