孫東生， 禚喜準， 淡 永， 李阿偉， 楊躍輝， 陳群策

(1.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地應(yīng)力測量與監(jiān)測重點實驗室，北京 100081; 3.遼寧工程技術(shù)大學地質(zhì)系，遼寧阜新 123000； 4.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林 541004)

地應(yīng)力是非常規(guī)油氣壓裂開發(fā)中壓裂設(shè)計、壓裂段優(yōu)選和合理利用地應(yīng)力控制壓裂縫高度的重要依據(jù)[1-7]。金之鈞等[8]提出高地應(yīng)力是中國頁巖氣勘探開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，因此通過原位實測，獲取泥頁巖儲層精細地應(yīng)力分布規(guī)律，對非常規(guī)油氣壓裂改造中的壓裂設(shè)計、壓裂縫高控制和壓裂效果評價具有重要意義[9]。水壓致裂(也稱小型或微型壓裂)法是獲取最小水平主應(yīng)力的最有效方法[10-18]。Warpinski等[12]利用小流量水壓致裂地應(yīng)力測試技術(shù)，獲取了不同巖性地層(射孔段)的水平最小主應(yīng)力，結(jié)果表明地應(yīng)力明顯受巖性控制，泥頁巖層的水平最小主應(yīng)力比相鄰砂巖層高6.9 MPa以上[19]。 Sone等[20-21]基于泥頁巖蠕變試驗，建立了基于黏性松弛的水平主應(yīng)力差預測模型，地應(yīng)力預測結(jié)果較好地解釋了壓裂縫擴展至灰?guī)r地層造成水竄的原因。Ma等[22]通過瞬時關(guān)閉壓力，確定水平最小主應(yīng)力隨黏土礦物和有機質(zhì)含量的增加而增大。大量研究結(jié)果表明，可靠地應(yīng)力數(shù)據(jù)是指導壓裂設(shè)計與施工的重要基礎(chǔ)參數(shù)[23-25]。受測試技術(shù)和勘探成本等因素影響，截至目前，中國關(guān)于頁巖儲層的分層原位地應(yīng)力實測資料非常有限。筆者利用黔東南地區(qū)頁巖氣調(diào)查井，開展寒武系牛蹄塘組頁巖儲層原位地應(yīng)力實測，獲取泥質(zhì)粉砂巖和相鄰灰?guī)r地層的水平最小主應(yīng)力變化，結(jié)合礦物含量和顯微結(jié)構(gòu)分析，探討地應(yīng)力發(fā)生變化的影響因素，以期為泥頁巖儲層地應(yīng)力剖面評價提供定量參考數(shù)據(jù)。

1 泥頁巖儲層地應(yīng)力測試

1.1 地質(zhì)背景

測試鉆孔貴都地1井位于貴州省都勻市勻東鎮(zhèn)，由中國地質(zhì)調(diào)查局巖溶地質(zhì)研究所部署實施，終孔深度為1 350 m，終孔直徑為96 mm。鉆孔構(gòu)造位置上屬于黔南坳陷麻江—獨山凸起中部，屬于南北向侏羅山(隔槽)式褶皺帶宣威—壩固—王司北—北東向背斜北部傾末端，主要鉆遇寒武系和震旦系地層。在寒武系牛蹄塘組有很好油氣顯示，氣測最高全烴值可達6.2%，現(xiàn)場解析含氣量最大為0.71～0.81 m3/t(不含損失氣和殘余氣)，水侵試驗起泡劇烈，巖心解析氣體可燃，氣體組分中甲烷質(zhì)量分數(shù)約為50%。

1.2 水壓致裂地應(yīng)力測量技術(shù)

水壓致裂原地應(yīng)力測量技術(shù)也稱裸眼分層原位地應(yīng)力測試技術(shù)，由中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所自主設(shè)計研發(fā)，目前直井最大測試深度約為3 000 m[26]，與小型壓裂或DFIT等廣義地應(yīng)力評價方法不同，水壓致裂法的技術(shù)優(yōu)勢包括：①跨接式水力膨脹封隔器(上下封隔器之間的壓裂段長度約2 m)，可實現(xiàn)裸眼段分層連續(xù)測量；②小流量微壓裂(不超過100 L/min)，目的是盡量降低孔隙彈性作用對測量結(jié)果的影響，不會形成復雜縫網(wǎng)，且關(guān)泵后裂縫內(nèi)壓力可以快速達到平衡，實現(xiàn)壓裂縫破裂、重張和閉合過程的精細控制，獲取可靠的地層破裂壓力、重張壓力和閉合壓力等參數(shù)，進而獲取可靠的地應(yīng)力信息；③裸眼段測試避免了套管、射孔和固井等因素的影響；④壓裂測試段和封隔器內(nèi)安裝有存儲式井下壓力計，可實時記錄測試過程中壓裂段和封隔器內(nèi)的壓力變化，同時井下工具可實現(xiàn)測試段與管柱內(nèi)壓裂液的分隔，即井下關(guān)閉，以保證測試結(jié)果的可靠性；⑤井下工具集成了鉆井液循環(huán)和緊急解封等功能，以應(yīng)對突發(fā)井涌或井漏時建立鉆井液循環(huán)和封隔器井下遇阻時的緊急解封等情況。

1.3 貴都地1井牛蹄塘組原地應(yīng)力實測

已有資料表明地應(yīng)力受巖性、構(gòu)造運動和沉積環(huán)境等因素影響[13]。為研究頁巖儲層內(nèi)地應(yīng)力變化規(guī)律，以貴都地1井牛蹄塘組(1 131.5～1 245 m)頁巖儲層為例，利用水壓致裂地應(yīng)力測試技術(shù)，通過跨接式封隔器分隔裸眼井段(封隔器長度1.2 m，壓裂段長度1 m)，獲取了3個深度段有效測試曲線(圖1)。圖1中壓力數(shù)據(jù)來自井下壓裂段內(nèi)的存儲式壓力計，采樣頻率為20點/s。流量由地面流量計記錄。從圖1可以看出，所獲取的3個測段的測試曲線形態(tài)標準規(guī)范，每個測段的壓力-時間曲線均具有明顯的破裂壓力，且第2～5回次的重張曲線重復性好，各壓力參數(shù)點明確，且一致性較好，為地應(yīng)力測量結(jié)果的可靠性提供了重要保障。

圖1 水壓致裂地應(yīng)力測量井下壓力和地面流量曲線Fig.1 Curves of down-hole pressure gauge and surface flow rate gauge during hydraulic fracturing in-situ stress measurement period

根據(jù)水壓致裂地應(yīng)力測量原理，利用井下壓力-時間曲線，可獲取可靠的裂縫閉合壓力，即最小水平主應(yīng)力[10-17]。閉合壓力采用dt/dp方法、dp/dt方法、馬斯卡特非線性回歸和單切線法分別進行計算[14-15]，并取其平均值為最小水平主應(yīng)力。各測段的閉合壓力參數(shù)如表1所示。結(jié)果表明，1 179～1 180和1 187～1 188 m泥頁巖段的水平最小主應(yīng)力分別為24.9和25.3 MPa，對應(yīng)的水平最小主應(yīng)力梯度為0.021 MPa/m。1 207～1 208 m灰?guī)r層段的水平最小主應(yīng)力為21.4 MPa，對應(yīng)的水平最小主應(yīng)力梯度分為0.018 MPa/m，牛蹄塘組頁巖儲層的水平最小主應(yīng)力梯度低于垂向應(yīng)力梯度。由于地層巖性及礦物成分不同，相鄰深度段的地應(yīng)力發(fā)生了較大變化，1 179～1 188 m測段(泥頁巖)水平最小主應(yīng)力比1 207～1 208 m測段(灰?guī)r)高約4 MPa。

表1 牛蹄塘組泥頁巖儲層水平最小主應(yīng)力實測結(jié)果

2 巖石的礦物成分及結(jié)構(gòu)特征

2.1 礦物成分與含量

針對上述3個測段水平最小主應(yīng)力在垂向差異明顯，對每個地應(yīng)力測段內(nèi)分別采集了3個樣品，進行礦物種類和含量分析(表2)。其中第1個測段3個樣品的礦物種類和質(zhì)量分數(shù)基本一致，主要礦物為石英和長石，約為55%～60%，塑性礦物為23%～27%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦約為11.8%～17.7%。此外，泥巖中含有少量的云母礦物，低于2.1%。第2個測段3個樣品的礦物種類和質(zhì)量分數(shù)基本一致，主要礦物為石英和長石，約為53%～57.9%，塑性礦物為22%～27.6%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦約為15.1%～17.7%。此外，泥質(zhì)粉砂巖中仍含有少量的云母礦物，質(zhì)量分數(shù)低于1.8%。

第3個測段中前兩個樣品的主要礦物成分為石英和長石，約為49.4%～58.0%，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為20.3%～23.4%，自生碳酸鹽礦物和黃鐵礦質(zhì)量分數(shù)約為18.0%～27.1%，泥質(zhì)粉砂巖中仍含有少量的云母礦物，低于3.7%。1 207.25 m處的樣品為細晶灰?guī)r，主要礦物成分為方解石和鐵白云石，質(zhì)量分數(shù)為66.0%?；?guī)r中含有少量的石英和長石碎屑顆粒，約為21.6%，塑性礦物質(zhì)量分數(shù)為8.5%，表明1 207.30 m處巖性發(fā)生了明顯的變化，黏土礦物含量明顯減少，以碳酸鹽礦物為主。

表2 礦物X-射線衍射分析

2.2 結(jié)構(gòu)特征

除礦物成分和含量外，巖石的結(jié)構(gòu)特征也影響其力學特性，進而影響地應(yīng)力分布。顯微薄片分析表明，1 179.0 和1 187.05 m樣品為黑色泥質(zhì)粉砂巖，具有明顯的泥質(zhì)-碎屑結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒多為離散狀，粒徑一般小于0.032 5 mm，為細粉砂粒級(圖2(a)和(b))。1 207.0 m樣品為灰色泥質(zhì)粉砂巖，碎屑顆粒粒徑為0.032 5～0.08 mm的粗粉砂—細砂，粒度明顯增大，總體呈現(xiàn)紋層狀排列(圖2(c))。1 207.25 m處樣品為細晶灰?guī)r，為砂糖狀的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶體粒徑為0.03～0.1 mm(圖2(d))。1 179.0 m測段的3個樣品成分接近，以陸源碎屑礦物和黏土礦物為主，碳酸鹽組分含量最低，為泥質(zhì)膠結(jié)的碎巖屑結(jié)構(gòu)。1 187.0 m測段的3個樣本成分也很接近，以陸源碎屑礦物和黏土礦物為主，碳酸鹽組分含量比1 179.0 m附近稍高，為泥質(zhì)—灰質(zhì)膠結(jié)的碎屑結(jié)構(gòu)。1 207.0 和1 207.05 m處陸源碎屑礦物含量與1 179.0和1 187.0 m附近含量基本一致，碳酸鹽含量稍有增多，而1 207.25 m處樣品的主要成分為碳酸鹽礦物，石英和長石等陸源碎屑變?yōu)榇我M分，說明脆性礦物含量明顯升高，逐漸過渡為碳酸鹽為主的結(jié)晶連結(jié)結(jié)構(gòu)。

3 討 論

泥頁巖儲層地應(yīng)力賦存規(guī)律是非常規(guī)油氣，特別是深層頁巖氣開發(fā)中研究的重點和難點，通過原位實測及已有資料，定量評價泥頁巖儲層與脆性夾層之間的水平最小主應(yīng)力差范圍，并針對深層頁巖氣開發(fā)，從地應(yīng)力分布規(guī)律的角度，提出深層頁巖氣儲層改造建議。

3.1 泥頁巖儲層地應(yīng)力分布

Warpinski等[13]通過射孔段小流量壓裂測試，獲取了2 400～2 450 m深度內(nèi)的砂巖及上下相鄰泥頁巖地層的水平最小主應(yīng)力，結(jié)果表明泥頁巖地層的水平最小主應(yīng)力比相鄰砂巖地層高9～13.8 MPa。Ma等[22]通過水平井壓裂時的瞬時閉合壓力(ISIP)，粗略估算了Woodford泥頁巖儲層(埋深約1 770 m)的水平最小主應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)果表明水平最小主應(yīng)力隨著黏土和有機質(zhì)含量的增加而增大，由于礦物含量的變化，同一深度水平最小主應(yīng)力可變化10～15 MPa。上述測量結(jié)果均是在下入套管和固井后，通過射孔段進行壓裂測試，獲取的瞬時關(guān)閉壓力，即水平最小主應(yīng)力。由于測試管路摩阻、射孔深度和壓裂縫轉(zhuǎn)向等因素的影響，上述水平最小主應(yīng)力測試結(jié)果可能偏高，可認為是脆性巖石地層與泥頁巖儲層之間水平最小主應(yīng)力差的上限。本文中地應(yīng)力測試是在裸眼井段進行的，符合國際巖石力學學會推薦的經(jīng)典水壓致裂地應(yīng)力測試方法，獲取了深度1 179～1 188 m泥質(zhì)粉砂巖(塑性礦物質(zhì)量分數(shù)為23%～27%)層段的水平最小主應(yīng)力比深度1 207～1 208 m灰?guī)r層段(塑性礦物質(zhì)量分數(shù)為8.5%)的水平最小主應(yīng)力高約4 MPa。已有測試數(shù)據(jù)表明在統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場作用下，泥頁巖層的水平最小主應(yīng)力比砂巖或灰?guī)r等脆性夾層高4～15 MPa。在此需要說明的是水平最小主應(yīng)力受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，且隨著儲層深度的增加和塑性礦物含量的變化而變化[27]，上述結(jié)論僅是粗略的范圍，具體區(qū)塊需開展深入研究，以獲取可靠地應(yīng)力數(shù)據(jù)。

圖2 貴都地1井牛蹄塘組巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Microstructure characteristics of rock Niutitang Formation, well Guidu 1

3.2 泥頁巖儲層地應(yīng)力實測與深層頁巖氣開發(fā)

眾所周知，地應(yīng)力是頁巖油氣經(jīng)濟高效開發(fā)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。已有研究結(jié)果表明，水平應(yīng)力差異系數(shù)越小，壓裂時易形成復雜縫網(wǎng)，實現(xiàn)體積壓裂[28]，但隨著頁巖氣開發(fā)深度的增加，地應(yīng)力同步增大，低水平主應(yīng)力差等因素導致的破裂壓力升高，又給壓裂施工帶來了困難[7-8]。工程實踐證明水平最小主應(yīng)力的減小會造成起裂壓力大幅度地降低[29]，且水平最小主應(yīng)力與加砂量成反比[22]，因此對于淺層(埋深小于3 500 m)泥頁巖儲層而言，水平應(yīng)力差異系數(shù)低值區(qū)，可作為壓裂改造上的優(yōu)質(zhì)儲層段，但對于深層(埋深大于等于3 500 m)，需要利用儲層內(nèi)的脆性(砂巖或灰?guī)r)夾層水平最小主應(yīng)力小的特點，以降低壓裂施工中的起裂壓力，實現(xiàn)深層頁巖油氣的有效開發(fā)。同時，可利用脆性夾層與泥頁巖層之間水平最小主應(yīng)力之間的差異，實現(xiàn)壓裂縫高的控制。

受測試技術(shù)和施工成本等因素制約，目前泥頁巖儲層地應(yīng)力評價主要以壓裂施工前的射孔段小型壓裂測試、室內(nèi)巖心測試和測井資料解譯為主，其中小型壓裂測試無法獲取儲層內(nèi)精細地應(yīng)力分布規(guī)律，同時射孔方向、套管和水泥環(huán)等對破裂壓力和裂縫閉合壓力的影響不容忽視[30]；室內(nèi)巖心測試受測試理論及巖心風化等因素影響，測量結(jié)果可靠性較低；測井資料解譯法評價結(jié)果的可靠性受計算模型限制，對于泥頁巖儲層而言，需考慮其流變力學特性的影響，同時需要可靠的實測數(shù)據(jù)作為地應(yīng)力剖面的參考點，才能獲取相對可靠的地應(yīng)力剖面[31-32]。原位水壓致裂地應(yīng)力測試方法是獲取水平最小主應(yīng)力的最可靠方法[17]，該方法可在裸眼中進行分層精細測試，測試過程中產(chǎn)生的裂縫在巖體完整的情況下，均為沿著鉆孔軸向的豎直縫，裂縫形態(tài)可通過測試前后的成像測井驗證，本文中測試前后未進行成像測井，但測試結(jié)果表明水平最小主應(yīng)力明顯低于垂向應(yīng)力，故可推斷產(chǎn)生的裂縫是近垂直的。

綜上所述，對于深層頁巖氣，應(yīng)選擇脆性礦物含量高的水平最小主應(yīng)力低值區(qū)作為水平井穿行層段，不僅有利于壓裂縫的起裂和擴展，且裂縫的閉合壓力低，可有效避免支撐劑的破碎和嵌入，保持壓裂縫的導流能力[33]，因此通過地應(yīng)力分層原位實測，獲取泥頁巖儲層可靠地應(yīng)力分布規(guī)律，對深層頁巖油氣儲層壓裂改造和實現(xiàn)效益開發(fā)具有指導意義。

4 結(jié) 論

(1)利用水壓致裂原地應(yīng)力測試技術(shù)，對黔東南地區(qū)寒武系牛蹄塘組泥頁巖儲層進行了原位地應(yīng)力實測，獲取裸眼鉆孔深度1 179～1 188 m泥質(zhì)粉砂巖層段水平最小主應(yīng)力為24.9～25.3 MPa，1 207～1 208 m灰?guī)r層段的水平最小主應(yīng)力為21.4 MPa。

(2)泥頁巖儲層內(nèi)地應(yīng)力明顯受巖石的礦物含量控制，隨著黏土等塑性礦物含量的增加，水平最小主應(yīng)力明顯增大，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下，泥頁巖層的水平最小主應(yīng)力比砂巖或灰?guī)r等脆性夾層高4～15 MPa。

(3)研究結(jié)果對于定量評價頁巖儲層內(nèi)地應(yīng)力差異具有一定參考價值，尤其對于深層頁巖氣而言，應(yīng)選擇脆性礦物含量高的水平最小主應(yīng)力低值區(qū)作為水平井穿行層段，不僅有利于壓裂縫的起裂和擴展，且裂縫的閉合壓力低，可有效避免支撐劑的破碎和嵌入，保持壓裂縫的導流能力，才能最大限度提升頁巖氣的采收率，實現(xiàn)深層頁巖氣規(guī)模性有效開發(fā)。