古龙页岩力学特征与裂缝扩展机理.pdf
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1、第 44 卷 第 4 期2023 年 8 月OIL&GAS GEOLOGY古龙页岩力学特征与裂缝扩展机理刘合1,孟思炜1,王素玲2,董康兴2,杨柳3,陶嘉平1,梁立豪11.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083;2.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318;3.中国矿业大学(北京),北京 100083摘要:古龙页岩油是中国对纯页岩型页岩油规模化勘探开发的首次探索。明确古龙页岩岩石力学特征与裂缝扩展机制,对指导古龙页岩油工程靶体优选、压裂工艺设计与施工参数优化具有重要意义。在对古龙页岩开展矿物分布、薄片及岩石力学测试分析的基础上,明确了古龙页岩“千层小薄饼”力学特征,分析了地质-工程多因素
2、控制下的裂缝扩展机理。结果显示,古龙页岩具有黏土矿物含量高(平均为46.6%)、储集层塑性强、页理发育程度高及力学各向异性强的典型特征。与常规页岩脆性断裂存在显著不同,古龙页岩典型岩样力学性质表现出高频波动特征,抗压强度大于20 MPa的波动次数为3.33次/cm,断裂过程呈渐进式的稳定破坏过程,具有缓慢的峰后跌落段,断裂轨迹表现为锯齿状随机路径。同时,在高密度页理缝的控制下,古龙页岩压裂裂缝形态复杂,但缝高和缝长受到明显抑制,人工裂缝“扩不高、延不远”,成为古龙页岩油储集层有效改造的主要制约。建议古龙页岩油压裂改造应遵循“控近扩远”原则,加强压裂施工过程控制,抑制近井裂缝过度发育,促进主裂缝
3、充分延伸,提高有效改造体积。关键词:力学特征;弹塑性;裂缝扩展;非均质性;页岩油;古龙页岩;松辽盆地中图分类号:TE122.2 文献标识码:AMechanical characteristics and fracture propagation mechanisms of the Gulong shaleLIU He1,MENG Siwei1,WANG Suling2,DONG Kangxing2,YANG Liu3,TAO Jiaping1,LIANG Lihao11.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Pe
4、troChina,Beijing 100083,China;2.Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China;3.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,ChinaAbstract:The Gulong shale oil represents China s first attempt at large-scale exploration and exploitation of the oil contained in
5、shale sequences without intercalations.Clarifying the rock mechanical characteristics and fracture propagation mechanisms of the Gulong shale is vital for guiding the selection of landing zones and fracturing design and engineering parameter optimization.In this study,the mineral distribution,thin s
6、ection observation and rock mechanics tests are performed to clarify the Gulong shale as“fine layered”texture in mechanics and reveal the fracture propagation mechanisms under the control of multiple geological and engineering factors.It is shown that the Gulong shale is characterized by high clay m
7、ineral content(Avg.46.6%),strong plasticity,a foliation intensity of up to 1 0003 000 stripes per meter and strong mechanical anisotropy.Unlike the brittle fracturing of conventional shale,the typical rock samples from Gulong exhibit high-frequency fluctuation in mechanical property,with a fluctuati
8、on frequency of 3.33 times per cm for a compressive strength greater than 20 MPa.The fracturing process is observed as a steady gradual process with a slow post-peak stress decline,and along a random path in a zigzagged shape.Meanwhile,in the case of high-density foliation fractures,the hydraulic fr
9、actures in the Gulong shale are of complex morphology,with their height and length being significantly constrained.The limited vertical and horizontal extension of hydraulic fractures has been a major constraint for the effective stimulation of the Gulong shale oil reservoir.It is thereby suggested
10、that the hydraulic stimulation of the Gulong shale oil reservoir should follow the principle of controlling near-wellbore fracture branching and further extending distal fracture networks,while placing the fracturing treatment under more effective 文章编号:0253-9985(2023)04-0820-09doi:10.11743/ogg202304
11、02收稿日期:2023-02-15;修回日期:2023-06-16。第一作者简介:刘合(1961),男,博士、中国工程院院士,低渗透油藏增产改造、机采系统提高系统效率、分层注水和井筒工程控制技术。Email:。通信作者简介:孟思炜(1988),男,博士、高级工程师,非常规储层综合表征、可压性评价与高效开发技术。Email:。基金项目:国家自然科学基金面上项目(52274058);黑龙江省揭榜挂帅项目(RIPED-2022-JS-1740,RIPED-2022-JS-1853)。control to suppress the development of near-wellbore fractu
12、res and boost the extension of main fractures to sufficiently expand the stimulated reservoir volume.Key words:mechanical characteristics,elastoplasticity,fracture propagation,heterogeneity,shale oil,Gulong shale,Songliao Basin引用格式:刘合,孟思炜,王素玲,等.古龙页岩力学特征与裂缝扩展机理 J.石油与天然气地质,2023,44(4):820-828.DOI:10.11
13、743/ogg20230402.LIU He,MENG Siwei,WANG Suling,et al.Mechanical characteristics and fracture propagation mechanisms of the Gulong shale J.Oil&Gas Geology,2023,44(4):820-828.DOI:10.11743/ogg20230402.中国页岩油资源丰富,是重要的油气战略接替资源。目前已在准噶尔1、鄂尔多斯2、渤海湾3、柴达木4等重点盆地取得突破,在部分页岩层系中的致密薄夹层甜点富集区取得了良好开发效果。然而,随着页岩油勘探开发逐渐步入规
14、模化阶段,优质储层比例下降,页岩源内滞留油作为资源主体势必成为勘探开发重点对象5。松辽盆地北部古龙页岩油是中国纯页岩型页岩油规模化勘探开发的首次探索,相较于北美海相沉积的页岩油储层,古龙页岩油发育有机和无机双重成因、由基质孔隙和页理缝组成的特殊储集系统,具有有机质成熟度高、原油黏度低、气/油比高、压力系数高的特征,改变了陆相页岩油普遍呈现高密度、高黏度、低气/油比特征的传统认识6。古页油平1井以白垩系青山口组一段下部纯页岩为靶层,突破了在页岩层系中开发致密夹层的传统理念,获得高产工业油流,揭示了其巨大的资源潜力,但仍难以达到经济动用门限7。如何实现该类页岩油藏的规模化效益开发是亟待解决的关键问
15、题。水平井多级多簇压裂形成大规模复杂裂缝网络是页岩油有效开发的关键8-11。区别于以致密薄夹层甜点富集区为靶体的夹层型页岩油藏,古龙页岩岩相厚度占比超过90%,黏土矿物含量高,储层塑性强,并具有强非均质性特征12。岩心精描显示,古龙页岩水平页理缝极为发育,每米约几百至数千条,对水力压裂裂缝扩展产生重要影响6。水力裂缝遇到页理可能产生贯穿、转向、终止或阶梯式延伸等形态,从而导致最终裂缝网络形态极强的不确定性13-14。因此,明确古龙页岩高黏土矿物含量和强非均质性特征控制下的力学特性,科学认识可压性特征,阐明水力压裂裂缝扩展机理,指导古龙页岩油工程靶体优选、压裂工艺设计与施工参数优化,具有重要理论
16、意义和应用价值15。1样品与研究方法岩心库岩心精描与前期样品分析显示,古龙凹陷青山口组页岩主要包括长英质纹层状页岩、混合质纹层状页岩以及黏土质页岩等3类主要岩相,在地层中占比超过90%。在此基础上,本文在古龙凹陷A井和B井的青山口组页岩层系中进行针对性取样,样品覆盖青山口组的3类主要岩相,具有代表性。研究中的主要实验手段包括:1)为明确待测样品矿物组成特征,使用日本理学公司Rigaku D/max 2500 PC型X射线衍射仪分析样品矿物组成特征,将样品加工为粒径125150 m的粉末后加入样品槽内,仪器以1/min的速率,在385的范围内收集衍射数据,根据谱图分析样品矿物组成。2)为获取样品
17、矿物分布特征,使用 FEI 公司QEMSCAN 650F 矿物识别分析系统获取样品矿物组成、结构与分布特征,样品平面尺寸为1 500 m3 000 m,扫描电子显微镜的电压为535 kV,束流为0.78 pA26 nA,扫描精度为1.5 m。3)为得到待测样品结构非均质性特征,利用德国Zeiss偏光显微镜,对30 m厚的岩石薄片进行透射光观察,观察岩石矿物类型、形态和分布。4)为获取待测样品的力学非均质性特征,使用自主研发的 HADHJ-25/100-型页岩划痕测量实验装置,测定页岩样品的力学性能纵向连续分布特征。样品为半圆柱岩心,尺寸为 (直径)100 mm(50500)mm,测试刀片宽度为
18、28 mm,深度测量范围为01 mm,水平移动范围为0500 mm。5)为明确待测样品的岩石力学特征,开展岩心三轴实验测试,将样品加工为 25 mm50 mm 圆柱试样,根据取心位置地应力条件,在施加环向应力39 MPa条件下,轴向加载标准圆柱试件至破坏。6)为明确古龙页岩裂纹起裂与扩展特征,使用自主搭建的原位环境页岩断裂实验平台,将古龙页岩制备为 70 mm的半圆盘标准试样,并在试件表面喷涂均匀的随机散斑点,实验过程采用数字图像技术以25帧/s的速率记录古龙页岩断裂全过程,通过散斑图像后处理分析古龙页岩断裂特征。第 4 期刘合,等.古龙页岩力学特征与裂缝扩展机理control to supp
19、ress the development of near-wellbore fractures and boost the extension of main fractures to sufficiently expand the stimulated reservoir volume.Key words:mechanical characteristics,elastoplasticity,fracture propagation,heterogeneity,shale oil,Gulong shale,Songliao Basin引用格式:刘合,孟思炜,王素玲,等.古龙页岩力学特征与裂缝
20、扩展机理 J.石油与天然气地质,2023,44(4):820-828.DOI:10.11743/ogg20230402.LIU He,MENG Siwei,WANG Suling,et al.Mechanical characteristics and fracture propagation mechanisms of the Gulong shale J.Oil&Gas Geology,2023,44(4):820-828.DOI:10.11743/ogg20230402.中国页岩油资源丰富,是重要的油气战略接替资源。目前已在准噶尔1、鄂尔多斯2、渤海湾3、柴达木4等重点盆地取得突破,在部
21、分页岩层系中的致密薄夹层甜点富集区取得了良好开发效果。然而,随着页岩油勘探开发逐渐步入规模化阶段,优质储层比例下降,页岩源内滞留油作为资源主体势必成为勘探开发重点对象5。松辽盆地北部古龙页岩油是中国纯页岩型页岩油规模化勘探开发的首次探索,相较于北美海相沉积的页岩油储层,古龙页岩油发育有机和无机双重成因、由基质孔隙和页理缝组成的特殊储集系统,具有有机质成熟度高、原油黏度低、气/油比高、压力系数高的特征,改变了陆相页岩油普遍呈现高密度、高黏度、低气/油比特征的传统认识6。古页油平1井以白垩系青山口组一段下部纯页岩为靶层,突破了在页岩层系中开发致密夹层的传统理念,获得高产工业油流,揭示了其巨大的资源
22、潜力,但仍难以达到经济动用门限7。如何实现该类页岩油藏的规模化效益开发是亟待解决的关键问题。水平井多级多簇压裂形成大规模复杂裂缝网络是页岩油有效开发的关键8-11。区别于以致密薄夹层甜点富集区为靶体的夹层型页岩油藏,古龙页岩岩相厚度占比超过90%,黏土矿物含量高,储层塑性强,并具有强非均质性特征12。岩心精描显示,古龙页岩水平页理缝极为发育,每米约几百至数千条,对水力压裂裂缝扩展产生重要影响6。水力裂缝遇到页理可能产生贯穿、转向、终止或阶梯式延伸等形态,从而导致最终裂缝网络形态极强的不确定性13-14。因此,明确古龙页岩高黏土矿物含量和强非均质性特征控制下的力学特性,科学认识可压性特征,阐明水
23、力压裂裂缝扩展机理,指导古龙页岩油工程靶体优选、压裂工艺设计与施工参数优化,具有重要理论意义和应用价值15。1样品与研究方法岩心库岩心精描与前期样品分析显示,古龙凹陷青山口组页岩主要包括长英质纹层状页岩、混合质纹层状页岩以及黏土质页岩等3类主要岩相,在地层中占比超过90%。在此基础上,本文在古龙凹陷A井和B井的青山口组页岩层系中进行针对性取样,样品覆盖青山口组的3类主要岩相,具有代表性。研究中的主要实验手段包括:1)为明确待测样品矿物组成特征,使用日本理学公司Rigaku D/max 2500 PC型X射线衍射仪分析样品矿物组成特征,将样品加工为粒径125150 m的粉末后加入样品槽内,仪器以
24、1/min的速率,在385的范围内收集衍射数据,根据谱图分析样品矿物组成。2)为获取样品矿物分布特征,使用 FEI 公司QEMSCAN 650F 矿物识别分析系统获取样品矿物组成、结构与分布特征,样品平面尺寸为1 500 m3 000 m,扫描电子显微镜的电压为535 kV,束流为0.78 pA26 nA,扫描精度为1.5 m。3)为得到待测样品结构非均质性特征,利用德国Zeiss偏光显微镜,对30 m厚的岩石薄片进行透射光观察,观察岩石矿物类型、形态和分布。4)为获取待测样品的力学非均质性特征,使用自主研发的 HADHJ-25/100-型页岩划痕测量实验装置,测定页岩样品的力学性能纵向连续分
25、布特征。样品为半圆柱岩心,尺寸为 (直径)100 mm(50500)mm,测试刀片宽度为28 mm,深度测量范围为01 mm,水平移动范围为0500 mm。5)为明确待测样品的岩石力学特征,开展岩心三轴实验测试,将样品加工为 25 mm50 mm 圆柱试样,根据取心位置地应力条件,在施加环向应力39 MPa条件下,轴向加载标准圆柱试件至破坏。6)为明确古龙页岩裂纹起裂与扩展特征,使用自主搭建的原位环境页岩断裂实验平台,将古龙页岩制备为 70 mm的半圆盘标准试样,并在试件表面喷涂均匀的随机散斑点,实验过程采用数字图像技术以25帧/s的速率记录古龙页岩断裂全过程,通过散斑图像后处理分析古龙页岩断
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