页岩气储层工程地质力学一体化技术进展与探讨

“十二五”期间，我国通过持续技术攻关，初步形成了三维地震勘探与压裂微地震监测、水平井钻完井、大型体积压裂和平台式“工厂化”生产模式等页岩气工程技术，并在推动长宁-威远、昭通和涪陵等3个国家级页岩气示范区建设中发挥了重要作用[1-2]。同时，我国在页岩非线性地质力学表征与评价、多重耦合下的页岩安全优质钻井完井理论、页岩地层复杂裂缝扩展与控制和页岩气多尺度渗流与开采等基础理论方面进行了大量研究[3-4]。虽然我国在页岩气工程技术和基础理论研究方面取得了长足的进步，但我国页岩气储层地质条件极为复杂，强隆升、强剥蚀和强变形作用导致下古生界页岩经历强改造作用[5-6]，使四川盆地及其周缘的页岩气储层应力环境复杂，尤其是长宁-威远和昭通页岩气示范区水平井钻井完井过程中井壁稳定性、井筒完整性等地质力学问题非常突出。国内进行了多因素耦合条件下的套管应力分析、压裂改造期间井筒温度压力变化和固井质量对套管强度的影响等研究并取得了一些成果，但均不能完全揭示页岩气水平井套管变形机理[7-11]。为此，笔者开展了页岩气储层工程地质力学一体化技术研究，融合多学科信息进行了精细构造建模和地质力学属性建模研究[12-14]，基于XRD衍射、扫描电子显微镜和双轴实验机等分别测试了不同小层的矿物组分、胶结结构和剪切摩擦特性，以解决页岩气储层长水平段井壁失稳与控制、大型压裂过程中套管损坏机理与预防和单井产量敏感性评价等工程技术关键难题。

页岩气水平井钻井完井过程中一直存在井壁失稳问题。2013年以前，主要开展了柴油基、合成基和白油基钻井液现场试验，但在造斜段和水平段钻进过程中，依然发生了垮塌、卡钻和井漏等井下故障；2014—2015年，长宁-威远和昭通页岩气水平井所用钻井液的密度多维持在2.0 kg/L以上，但采用油基钻井液成本高、环保压力大，采用高性能水基钻井液易发生埋钻具事故。

页岩气井长水平段井壁失稳主要有以下特征:1) 风险性，由于页岩气储层层理裂缝发育，存在裂缝破碎发育带，一旦井眼轨迹通过断层、破碎带或者存在非稳态破坏的地层，极易发生突发性井壁坍塌；2) 固有性，页岩气储层多是层理状页岩，强度表现为明显的各向异性特征，层理弱面成为影响水平井井壁稳定性的主要因素；3) 耦合性，页岩中黏土矿物主要为伊利石，水化膨胀不再是主要矛盾，但目前页岩气水平井水平段尚不能实现一趟钻完成，与直井相比，水基钻井液与井壁围岩的接触面积和接触时间均成倍增加，应力-损伤、力学-化学耦合效应显著。

截至“十二五”末，长宁-威远、昭通国家级页岩气示范区的90口页岩气水平井实施了压裂，其中30口井压裂期间发生了套管变形，变形率达到33.3%。分析24臂井径测井资料发现:套管变形符合剪切变形特征，存在多个剪切变形和挤压变形区，轴向剪切变形量为分米级，径向剪切变形量为厘米级，变形后的套管截面长短轴比达到1.30以上，剪切变形区两侧的挤压变形区轴向长度为2~3 m。

统计分析表明，长宁-威远、昭通国家级页岩气示范区具有岩性界面/层理相关性的套管变形井数量占套管变形井总数的61.7%。基于套管变形特征和地质力学分析，初步认为导致套管变形的主要原因为:1) 水平井井眼轨迹在龙11亚段不同小层穿越，套管斜穿层理界面，注入压裂液导致储层页岩膨胀并抬升地层，与注入点相距几百米的两翼位置层理或岩性界面发生滑移而剪切套管，使其在平行层理面方向发生剪切变形，存在多个剪切套变点；2) 压裂过程中形成平行层理和岩性界面的水平裂缝，当套管斜穿该层理界面时，水平裂缝张开拉剪套管，使其在垂直层理面方向上发生剪切变形；3) 压裂液进入地层，孔隙压力非均匀增加，地应力扰动或断层摩擦强度降低，导致延伸长度在百米以上量级的断层重新激活[15]，从而剪切穿越断层的套管，使其沿断层面走向发生剪切变形。

页岩可压裂性定义为在水力压裂过程中具有能够被有效压裂从而获得增产能力的性质，可压裂性是页岩地质、储层特征的综合反映，影响因素众多[16-17]。页岩可压裂性评价的主要内容是评价裂缝和层理、页岩脆性和水平应力差，这三者是决定页岩能否“压碎”的关键因素[18-19]。目前，已提出了30多种页岩脆性评价方法，主要包括页岩矿物组分、弹性力学、强度参数、压入硬度和全应力-应变等5大类[20-26]，其中基于矿物组分和弹性力学的页岩脆性评价方法较为常用。

页岩脆性主要用来评价页岩基质破碎和形成多维破裂面的难易程度。玻璃中预制小裂纹和非稳态扩展模拟试验研究表明，裂纹发生稳态扩展时，初始压力和压缩量保持不变，一旦出现非稳态扩展，初始压力和压缩量便突然下降，试验中的应力降和地震监测中的应力降在数量级上是相同的[27]。大多数微地震监测侧重于高频微地震信号，监测到的是高脆性页岩的裂缝非稳态扩展；高黏土低脆性页岩表现为长周期多持续的裂缝稳态扩展，不能生成高频地震波，因而常规微地震无法采集到裂缝稳态扩展信号，导致页岩气产量与微地震信号的相关性不理想[28-29]。

页岩的剪切摩擦系数和速率状态特性与黏土矿物质量分数关系密切[30]，当页岩中黏土矿物与有机质的质量分数低于30%时，页岩剪切破裂表现为摩擦系数较大和速率弱化，即裂缝非稳态扩展特性，易形成网状裂缝；当黏土矿物与有机质的质量分数高于30%时，页岩剪切破裂表现为摩擦系数降低和速率强化，即裂缝稳态扩展特性。这意味着随着黏土矿物质量分数增大，页岩基质脆性降低，压裂形成网状裂缝的难度增大。笔者认为，页岩基质脆性可表征页岩剪切裂缝发生非稳态扩展的能力，基于该机理对页岩基质脆性的表征与矿物组分模型是一致的。

页岩气储层的岩石物理和岩石力学属性在纵向和横向的非均质性非常明显，地质工程一体化可以针对页岩气藏的非均质性，开展储层质量和完井质量的评价，是非常规油气实现效益开发的最佳途径之一。所谓地质工程一体化就是围绕提高单井产量这个关键问题，不同来源、不同格式、不同维度和不同尺度的各学科数据，以三维构造模型为数字化载体，通过多学科数据分析与相互佐证，识别各学科数据元素的特征及其相互间的关系，揭示其包含的地质意义和工程意义，服务于油气藏的高效勘探、开发和管理。

气藏尺度的地质力学一体化建模以页岩气藏三维构造模型为载体，基于动静态测试、测井解释、地震解释及相互约束，建立三维储层地质力学参数属性模型，通过数值分析方法获得三维应力场模型[14, 31-32]。由于构造模型反映了地层空间格架特征，是建立地质力学参数模型的基础。因此，建立气藏尺度的地质力学模型时，首先必须建立页岩气储层的精细构造模型。在对比研究井间地层的基础上，以单井分层数据为约束条件，结合三维地震构造解释成果，建立储层顶面、底面构造图，然后根据各小层的厚度分别进行内插。例如，龙马溪组优质页岩深度域精细构造模型包括龙12层顶部，龙马溪组底部，五峰组底部及龙11a、龙11b、龙11c和龙11d层顶部。建立地质力学参数模型时，根据页岩岩心试验确定动静态岩石力学参数，加载测井解释的岩石力学数据，并将测井解释数据采样到井眼轨迹穿过的网格，进行测井数据粗化；以地震反演属性作为软数据控制属性的横向分布，测井数据作为硬数据控制属性的纵向分布，采用序贯高斯法协同克里金插值法完成三维岩石力学参数属性模型的建立；然后利用三维地质力学软件模拟初始原场地应力。三维地质力学模型可以用于页岩气储层工程“甜点”的三维空间表征、井壁垮塌的风险预测、套管变形机理的研究分析、井眼轨迹方位和长度的优化和防漏防塌钻井液的设计，实现安全顺利快速钻进。

对于页岩气等非常规油气储层，传统的基于单井的岩石力学测试、解释及一维地应力分析技术已经不能满足要求，必须融合地球物理、钻井、录井、测井等多学科信息资料建立气藏尺度的三维地质力学模型。目前，地质力学一体化建模研究工作多是基于国外油气服务公司的勘探开发一体化软件平台、在三维地质建模软件与大型有限元软件之间实现数据交换，进行三维乃至四维地应力场数值模拟。因此，我国需搭建具有独立知识产权的勘探开发一体化软件平台，以实现不同学科、不同专业的数据资源共享。

根据钻井取心或露头进行岩石力学试验是直接获取井筒尺度岩石力学参数的唯一手段。受层理面影响，页岩力学性质、强度特征和破裂模式均表现出明显的各向异性，国内外学者对井筒尺度页岩各向异性、强度特征和破裂模式进行了研究[33-38]，并取得了一些成果:按照岩心轴线和层理面之间不同的夹角分别进行取心，并开展单轴和三轴力学试验，页岩弹性模量一般在平行层理方向最大，垂直层理方向最小，这种在平行层理和垂直层理方向表现出明显不同力学性质的岩体，工程上通常视为横观各向同性体，其应力-应变本构关系共有5个独立的弹性力学参数；页岩强度通常在垂直层理方向最高，平行层理面方向次之，与层理面夹角为30°时抗压强度最低；平行层理面破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂，与层理面夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏，夹角为60°时为贯穿层理和沿层理的复合剪切破坏，垂直层理面方向主要为贯穿层理的拉张破坏。由于层理弱面的影响，页岩强度总体上呈现出两边高、中间低的“U”形变化规律，一般采用弱面破坏准则表征井壁围岩强度的各向异性破坏。

由于不同页岩矿物组分和胶结结构的差异性，页岩的弹性力学参数、强度参数和黏塑性蠕变行为均与黏土、有机质的质量分数具有很强的相关性。页岩的动静态弹性模量随黏土、有机质质量分数增加呈单调下降，垂直层理面方向的黏塑性蠕变大于平行层理面方向。页岩黏塑性蠕变特性与弹性模量的各向异性，可以理解为发生在页岩柔性矿物组分 (黏土和有机质) 和刚性矿物组分 (石英、长石、黄铁矿和碳酸盐等) 之间的应力或应变分区。

页岩岩心的保存难度很大，低孔隙页岩孔隙水的损失会使岩心的强度和刚度明显增大，页岩露头或未经密封保存页岩岩心的测试结果与地层真实情况存在较大误差。除了常规三轴和动静态弹性参数测试外，国内尚缺乏矿物组分对页岩剪切摩擦强度的精细测试研究[39-40]。页岩多是硅质、钙质和黏土的混合物，其剪切摩擦强度随着黏土质量分数增大而降低，不同黏土矿物质量分数对应不同的剪切摩擦强度和速率强化-弱化特征，对于理解页岩不同小层水力压裂效果的差异性具有重要意义。

井筒尺度的页岩三轴或直剪试验结果表明，页岩剪切破裂的非稳态-稳态特征、弹性特征、黏塑形特征与页岩的矿物组分、胶结类型密切相关，研究矿物组分和胶结结构对页岩宏观力学特征影响的规律，有利于解释页岩的脆性和稳态-非稳态破裂机理。

页岩的剪切摩擦强度和速率强化-弱化特性与页岩中的黏土矿物质量分数和胶结类型密切相关。页岩剪切摩擦强度从高降为中，是由于页岩微观胶结结构从石英等颗粒支撑向颗粒镶嵌于黏土基质中的局部支撑结构转化；剪切摩擦强度从中降为低，则是颗粒支撑结构完全转化为黏土基质胶结结构。由硅质等颗粒支撑结构转化为黏土基质胶结结构时，剪切摩擦系数从0.80降至0.40。石英和方解石等颗粒矿物的摩擦系数最高，约为0.70~0.80，黏土矿物中伊利石、蒙脱石和绿泥石的摩擦系数较低，其中伊利石约为0.48~0.49，蒙脱石约为0.19~0.23。页岩剪切摩擦特征可以采用Dieterich准则描述[30-31]:黏土矿物在高剪切应变条件下呈现出均匀的速度强化特征，在Dieterich准则中a-b>0，即裂纹发生稳态扩展；石英和长石类矿物，在剪应变超过临界值以后，表现出速度弱化特征，Dieterich准则中a-b＜0，即裂纹发生非稳态扩展。页岩剪切破坏形式从非稳态过渡为稳态时黏土与有机质的质量分数约为30%。

基于页岩纳米压痕试验，得到硅质弹性模量为63±8 GPa，钙质弹性模量为53±6 GPa，黏土基质弹性模量为29±1 GPa；有机质弹性模量为0~25 GPa，其中高成熟度有机质的弹性模量为15~16 GPa[41-44]。黄金坝龙11亚段页岩纳米压痕试验结果表明，硅质、钙质、黏土基质和有机质的弹性模量分别为85.10，65.15，19.20和7.70 GPa。基于弹性力学参数归一化的脆性指数评价模型，弹性模量的最大值和最小值分别取80和10 GPa，这与页岩中硅质、有机质的弹性模量基本一致，说明采用弹性模量和泊松比归一化的评价方法和脆性矿物比例法得到的脆性指数是一致的。由于页岩能否发生非稳态剪切破裂与黏土矿物质量分数直接相关，所以矿物组分模型是评价页岩脆性既科学又实用的方法。

昭通和威远202井区龙11亚段矿物组分测试结果表明[14, 45-46]，龙11a层、龙11b层页岩黏土和有机质的质量分数小于30%，龙11c层页岩黏土和有机质的质量分数在30%左右，而龙11d层页岩黏土和有机质的质量分数接近50%；胶结类型从龙11a层和龙11b层的颗粒支撑结构过渡到龙11d层的黏土基质胶结结构。显然，龙11a层和龙11b层页岩在大排量压裂作用下裂纹易发生非稳态扩展，形成网状裂缝，这与水平井龙11a层和龙11b层钻遇率高、单井产量亦高的统计规律相吻合。由于页岩层理起到速率弱化作用，层理越发育，速度弱化越显著，而黏土矿物质量分数大于30%时页岩基质表现为速率强化作用，所以龙11d层页岩在大排量压裂过程中裂缝易沿着层理面快速延伸，难以实现储层的有效改造。基于龙11亚段小层的脆性差异性，龙11a层、龙11b层与龙11d层应采取不同的开发方案，减小龙11d层水平井井距，优化不同小层的分段压裂施工参数。

1) 针对我国川南龙马溪组页岩气水平井单井产量差异大、套管变形风险高等问题，需要在气藏尺度上深入开展地质和工程“甜点”的非均质性建模，龙11亚段不同小层岩石力学参数差异性、各向异性的测试，以及龙11亚段不同小层矿物组分和胶结类型等对页岩脆性影响的机理研究。

2) 利用地球物理与钻完井工程地质力学一体化建模技术构建优质页岩储层构造模型，精细刻画地质“甜点”和岩石力学参数的纵横向非均质性分布规律；基于数值模拟方法研究区块甚至平台多井控制区域的初始地应力场分布特征、压裂扰动下的应力场与渗流场的耦合和层理裂缝激活规律，揭示套管损坏机理，确保全寿命周期内井筒的完整性。

3) 在常规岩石力学参数测试、解释基础上，开展优质页岩小层矿物组分、胶结结构、摩擦强度、剪切速率的差异性和各向异性测试，揭示矿物组分、胶结结构对裂缝稳态-非稳态扩展的影响规律，建立适合五峰组和龙马溪组底部优质页岩小层非稳态破裂的脆性评价模型及标准，指导页岩气水平井储层的脆性评价与精细分段压裂设计。

4) 根据页岩气水平井钻井完井质量、储层关键性能指标与单井累计产量的关系，基于大数据分析与人工智能建立产能预测模型，形成页岩气单井产量敏感性评价方法。因层制宜，优化页岩气分层开发、布井方式和不同小层之间分段分层分排量的压裂工艺。

1) 为了实现页岩气高效开发，必须强化地质和工程一体化研究，融合多学科信息进行系统分析，在评价页岩气藏地质“甜点”的同时，建立地质力学三维模型，根据精细构造模型、地质“甜点”和工程“甜点”模型，优化井位部署和轨迹方位、水平段长度设计。

2) 研究优质页岩不同小层矿物组分和胶结结构对裂缝稳态-非稳态扩展的影响机理，依据水平井眼穿越不同小层的矿物组分、胶结结构和地质力学特征进行分段分簇压裂方案设计。

3) 黏土基质胶结页岩在大排量压裂液作用下，裂缝易沿着页岩层理或岩性界面非稳态扩展，建议减小井间距，在压裂液中段塞式加入转向剂，实现近井地带的体积压裂。

4) 相邻平行水平井尽可能保持同步压裂，并优化不同小层相邻平行水平井压裂次序，降低邻井压裂导致套管变形的风险。