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世界各国的能源需求量都在迅速增长，传统的能源已经不能满足人类日常生活的需要，于是人们把目光投向了一种新型能源，即非常规油气。随着油气勘探开发的不断深入发展，致密气、页岩气、煤层气、致密油等非常规油气资源在现有经济技术下展示了巨大的潜力，全球油气资源将迎来第二次扩展[1]。川中地区是四川盆地原油增储上产的基础最扎实地区之一，为加快盆地原油上产，针对老油田储量采收率低这一现状，有必要在老油田开展压裂增产措施试验。针对川中地区公山庙区块沙溪庙组储层老井复查发现7条有力的含油河道砂体，勘探开发潜力大，是川中地区原油增储上产的关键层位。

通过调研国内外典型区块致密砂岩储层地质特征，川中地区沙溪庙组致密砂岩储层还未开展系统的工程甜点及压裂效果评估，导致压裂工程设计指导性不强。因此，需开展研究区致密砂岩储层工程地质特征研究，综合储层脆性指数、断裂韧性、裂缝发育指数、水平地应力差异系数、破裂压力等地质力学参数建立储层可压性评价模型，为储层压裂改造设计提供指导。

表 1 国内外典型致密砂岩储层地质特征对比［2-6］

Table 1 Comparison of geological characteristics of typical tight sandstone reservoirs at home and abroad［2-6］

盆地类型	类别	储集岩石类型	储层深度/m	储层厚度/m	孔隙度%	渗透率/mD
威利斯顿盆地	巴肯组	长石石英粉砂岩、	2100～3300	20～50	2%～10%	0.1～0.01
鄂尔多斯盆地	山西组	岩屑石英砂岩、岩屑砂岩、石英砂岩	2000～3500	20～80	<10%	0.1～2
松辽盆地	沙河子组	长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩	3500～4500	50～300	<12%	0.01
渤海湾盆地	沙河街组	岩屑长石砂岩	1500～4000	30～150	2～18%	0.01
塔里木盆地	阿合组	岩屑石英砂岩、岩屑长石砂岩	6000～8000	20～60	2.9%～11.3%	0.05

1 沙溪庙组致密砂岩储层工程地质特征

1.1 储层物性特征

选取研究区G36、NC002、G18井等沙溪庙组166件致密砂岩样品开展常规物性分析，实测得研究区致密砂岩储层孔隙度及渗透率分布直方图（图1）沙溪庙组致密砂岩储层的有效孔隙度集中分布在4%～5%之间，平均孔隙度为4.16%，渗透率主要分布在0.1～0.5mD，平均渗透率为0.46mD。沙一段71.37%以上的砂岩样品岩心孔隙度小于5%，74.97%以上的砂岩样品岩心渗透率低于1mD，储层普遍具有特低孔—超低渗的特征，为典型的致密储层，此外，还发育少量低孔-中高渗裂缝型储层，体积分数占比15.03%，不同深度致密砂岩样品之间孔渗差异较大，储层非均指性较强。

图 1 储层孔渗分布直方图

Figure 1 Histogram of reservoir porosity and permeability distribution

1.2 孔隙结构特征

通过对研究区致密砂岩储层的11件砂岩样品开展岩心观察、显微镜下铸体薄片、场发射扫描电镜等分析，样品孔隙主要集中于1～5μm范围。从图2和图3可以看出孔隙结构以长石粒内溶孔为主，其次为粒间溶孔及部分微裂缝。

a. NC004 2195.66-2195.85m，粒间溶孔

b. NC004 2195.66-2195.85m，粒间溶孔（红色箭头）， 长石溶孔（绿色箭头）

c. NC004 2198.21-2198.60m，粒间溶孔（红色箭头）， 长石粒内溶孔（绿色箭头）

d. NC004 2198.21-2198.60m，残余粒间孔（红色箭头）， 长石粒内溶孔（绿色箭头）

图 2 沙溪庙组铸体薄片镜下照片

Figure 2 Cast thin section photomicrograph of the shaximiao formation

a. NC004 2195.66-2195.85m，微裂缝	b. NC004 2195.66-2195.85m，微裂缝
c. NC004 2198.21-2198.60m，粒间溶孔	d. NC004 2198.21-2198.60m，微裂缝

图 3 沙溪庙组扫描电镜镜下照片

Figure 3 Scanning electron microscope （SEM） image of the shaximiao formation

1.3 矿物成分特征

选取研究区NC002、NC004井11件砂岩样品，利用X射线衍射仪开展矿物成分及含量分析，依据中国石油天然气行业标准SY/T5163-2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，实验结果如表2所示。

实验样品矿物成分以石英、钾长石、斜长石、方解石为主，还含有少量白云石、铁白云石、菱铁矿等矿物；石英含量25.26%～52.24%,平均含量为37.61%；钾长石含量为2.77%～4.22%，平均含量为3.51%；斜长石含量为5.49%～39.20%，平均含量为20.83%；方解石含量0.58%～2.85%，平均含量为1.33%；粘土矿物含量为3.06%～10.80%，平均含量为6.44%，低泥质含量地层，水敏性较弱，有利于形成复杂裂缝网络，增加压裂改造体积。

石英等脆性矿物含量较高，储集层易形成复杂网络裂缝；粘土矿物中伊利石平均含量为56.2%，绿泥石平均含量为36.7%，而伊/蒙混层占比7.1%。水敏性粘土矿物含量较低，水力压裂条件较好，适合大型滑溜水压裂，有利于提高压裂液用液规模，增加压裂改造体积，储层可压性较强。

表 2 沙溪庙组X射线衍射实验结果统计表

Table 2 Statistical results of x-ray diffraction（XRD）experiments for the Shaximiao formation

序号	井号	深度m	石英%	钾长石%	斜长石%	方解石%	白云石%	铁白云石%	菱铁矿%	粘土总量%
1	NC004	2195.66m	52.24	4.16	20.04	0.58	0.80	0.00	0.00	5.18
2	NC004	2198.21m	33.39	2.78	14.35	2.02	3.71	0.63	2.00	10.80
3	NC004	2200.82m	38.45	3.50	34.80	1.10	0.57	0.00	0.00	4.65
4	NC004	2213.42m	39.05	3.16	24.38	2.29	0.00	0.00	0.90	6.17
5	NC004	2221.66m	30.27	3.12	11.35	0.64	0.00	0.00	1.42	10.56
6	NC004	2254.54m	38.88	3.95	39.20	2.85	2.85	0.00	0.40	3.06
7	NC004	2267.18m	39.68	3.36	25.37	0.99	2.20	0.00	0.51	6.69
8	NC002	2281.54m	34.88	4.03	12.54	1.14	0.00	5.43	1.18	9.04
9	NC002	2299.63m	43.70	3.60	5.49	1.88	0.50	0.00	2.56	4.97
10	NC002	2300.71m	37.88	2.77	14.49	0.55	0.62	0.00	0.70	3.81
11	NC002	2310.29m	25.26	4.22	27.19	0.69	0.77	0.00	0.86	5.89

1.4 岩石力学特征

杨氏模量表征岩石的刚性或抵抗弹性形变的能力。较高的杨氏模量表明岩石的脆性能力更强，在压裂时能够有效地传递压力，并且形成宽且短的裂缝，同时在压裂后继续保持裂缝不易闭合，杨氏模量越高，维持裂缝的时间越长。泊松比表征岩石在单轴受压时横向变形与纵向变形的比值。低泊松比的岩石在受压时更倾向于发生张性破裂，有利于形成复杂裂缝网络，即泊松比越低，岩石脆性特征越明显，可压性通常越好。

选取NC004井5件岩心样品进行岩石力学实验，计算岩心样品抗压强度、杨氏模量、泊松比，结果如表3所示，在模拟真实地层条件下，样品平均杨氏模量为31.12GPa，抗张强度平均为347.38MPa，泊松比平均为0.15，储层岩石脆性特征较为明显，易形成裂缝网络。

表 3 NC004井沙溪庙组岩石力学实验结果统计表

Table 3 Statistical table of rock mechanics experimental results for the Shaximiao formation in well NC004

层位	井深m	岩样编号	实验条件				实验结果
			温度℃	上覆岩层压力MPa	围压MPa	孔压MPa	抗压强度MPa	杨氏模量GPa	泊松比
沙一段	2195.66	1	62.0	56.0	47.6	33.8	314.52	27.14	0.15
	2198.21	2	62.0	56.1	47.7	33.9	366.37	36.10	0.16
	2213.42	3	62.0	56.6	48.0	34.1	321.17	26.16	0.15
	2254.54	4	62.0	57.5	48.9	34.6	447.89	35.02	0.17
	2267.18	5	62.0	57.8	49.2	34.9	286.84	31.19	0.15

图 4 NC004井沙溪庙组岩石力学实验结果统计图

Figure 4 statistical chart of rock mechanics experimental results for the Shaximiao formation in well NC004

基于室内岩石力学实验建立岩石力学参数动静态转换，结合NC004、NC002、G003-3等8口井测井数据，利用peterl软件进行地质力学建模，计算岩石力学参数，根据致密砂岩地层特点、泥质含量及孔隙度数据进行静态杨氏模量转换，测井数据计算岩石力学参数结果如表4所示。

表 4 沙溪庙组储层岩石力学参数统计表

Table 4 Statistical table of rock mechanical parameters for the Shaximiao formation reservoir

井号	地层	静态杨氏模量/GPa	BIOT系数	静态泊松比	泥质含量/%	单轴抗压强度/MPa	抗拉强度/MPa
G003-3	沙一段	16.2～55.1	0.57～0.62	0.14～0.279	0.09～72.94	39.63～129.92	3.30～10.82
G003-H17	沙一段	17.3～50.6	0.57～0.62	0.16～0.265	0.96～78.44	42.30～129.49	3.52～10.79
G18	沙一段	10.9～53.6	0.57～0.62	0.17～0.282	0.66～84.54	37.39～130.33	3.11～10.86
G36	沙一段	15.1～57.6	0.57～0.59	0.17～0.27	0.60～94.27	31.31～131.13	2.61～10.92
G41	沙一段	14.7～57.7	0.57～0.63	0.15～0.27	1.03～83.49	41.55～129.96	3.46～10.83
G60	沙一段	18.4～54.6	0.57～0.62	0.16～0.27	0.46～96.95	45.02～131.03	3.75～10.92
NC002	沙一段	26.6～57.5	0.57～0.68	0.19～0.27	0.28～79.06	60.3～129.20	5.03～10.76
NC004	沙一段	25.6～57.5	0.58～0.66	0.21～0.27	9.93～68.06	69.04～129.37	5.75～10.78

1.5 地应力特征

地应力是地球固体介质受到上覆岩层的重力及地球内部构造引起的多种构造力等应力作用，从而在地球岩层里面引起岩石力学变化的力学参数。地应力存在大小，其影响着施工压力的大小，从而影响压裂缝的高度和走向；地应力存在方向，一般裂缝都是沿着水平最大主应力方向伸展。所以地应力的大小和方向对储层的可压裂性的影响非常大。通常认为地应力差异系数小于0.3时，有利于形成人工网络裂缝，且地应力差异系数越小，越有利于形成裂缝网络。

结合NC004、NC002、G003-3等8口井测井数据导入Petrel软件所构造的地质力学模型计算研究区水平地应力差异性系数及破裂压力，计算结果如表5所示，水平应力差异系数主要集中于为0.17～0.30之间，有利于形成复杂的网状裂缝；破裂压力平均为45.14MPa，储层起裂所需压力较小，适宜采用大规模水力压裂。

表 5 沙溪庙组岩石力学实验结果统计表

Table 5 Statistical table of rock mechanics experimental results for the Shaximiao formation

井号	地层	三向主应力/MPa			水平地应力差异系数%	破裂压力/MPa
		最大	最小	垂向
G003-3	沙一段	39.05～65.06	31.11～53.08	38.51～64.88	0.14～0.43	32.63～56.18
G003-H17	沙一段	42.04～66.88	29.58～55.36	39.15～97.82	0.20～0.42	33.41～60.07
G18	沙一段	36.73～59.69	27.68～49.225	34.41～57.41	0.06～0.40	34.06～63.38
G36	沙一段	38.57～62.10	30.75～51.72	38.94～61.55	0.21～0.33	31.46～52.22
G41	沙一段	36.60～69.19	29.07～58.72	35.40～69.97	0.17～0.33	36.45～55.04
G60	沙一段	37.38～60.14	27.84～49.25	36.69～59.96	0.21～0.38	32.72～54.67
NC002	沙一段	48.13～62.10	38.20～51.41	46.47～61.01	0.17～0.24	38.97～52.60
NC004	沙一段	42.23～54.09	33.47～44.77	42.81～52.33	0.19～0.26	36.58～47.13

1.6 脆性特征

Rickman[7]提出的岩石力学脆性指数计算方法见计算式（1）～（3），对研究区8口井的脆性指数进行计算，如图5所示，平均脆性指数为45.74%，脆性指数较好，能形成较为复杂的裂缝网络。

 （1）

 （2）

 （3）

式中，Emax和Emin分别为研究层段弹性模量的最大和最小值，GPa。μmax和μmin分别为研究层段泊松比的最大和最小值，无量纲。E和μ是研究深度的弹性模量和泊松比。EBrit和μBrit为归一化的弹性模量和泊松比，无量纲。

图 5 沙溪庙组储层岩石力学脆性指数

Figure 5 Brittleness index of reservoir rocks in the Shaximiao formation

1.7 断裂韧性

可压性评价中仅仅利用杨氏模量泊松比不能精确判断储层的可压性，例如部分出储层岩石的弹性模量与泊松比相差不大，而脆性指数差别极大，其中关键的影响因素就是断裂韧性。断裂韧性反映了含有初始裂缝的岩石发生脆性断裂的能力，低断裂韧性的岩石裂缝尖端所需的能量较低，裂缝容易扩展。在压裂过程中，注入流体的能量能够更有效地用于延伸裂缝，有利于形成复杂的网状裂缝，可压性较好。高断裂韧性的岩石裂缝扩展需要克服很大的阻力，大量压裂能量被消耗在裂缝尖端的塑性变形区，这会导致裂缝延伸困难，倾向于沿着最大主应力方向形成简单的主裂缝，难以形成复杂的裂缝网络，可压性较差。

根据陈治喜[8]等关于无围压Ⅰ型断裂韧性K0IC的与单轴抗拉强度的St的研究，计算公式如（4）

（4）

式中St为单轴抗拉强度，MPa；K0IC为无围压条件下Ⅰ型断裂韧性，MPa•√m。

而在致密砂岩储层当中，埋藏深度较大，围压较高，在有围压条件下Ⅰ型断裂韧性KIC与围压σn的关系式为[9]

 （5）

式中σn为围压，MPa；KIC为Ⅰ型断裂韧性，MPa•√m。

对于Ⅱ型断裂韧性，金衍等[10]发现Ⅱ型断裂韧性KIIC、围压条件σn与单轴抗拉强度St存在以下关系：

 （6）

式中St为单轴抗拉强度，MPa；σn为围压，MPa。

对Ⅰ型断裂韧性（KIC）与Ⅱ型断裂韧性（KIIC）进行归一化处理，综合得到Kn无因此断裂韧性，计算公式如下

 （7）

 （8）

 （9）

式中Kn无因此断裂韧性，MPa•√m；Kic为归一化Ⅰ型断裂韧性，无量纲；Kiic为归一化Ⅱ型断裂韧性，无量纲。

结合前文岩石力学研究成果，综合计算研究区致密砂岩储层无因此断裂韧性Kn，结果如表6所示，沙一段8口井整体断裂韧性整体分布于0.1～0.9MPa•√m之间，平均断裂韧性为0.48MPa•√m，断裂韧性较低，在压裂过程中易形成复杂的裂缝网络。

表 6 沙溪庙组无因此断裂韧性结果统计表

Table 6 Statistical table of dimensionless fracture toughness results for the Shaximiao formation

井号	地层	无因此断裂韧性/MPa•√m		平均
		最大	最小
G003-3	沙一段	0.12	0.90	0.51
G003-H17	沙一段	0.11	0.86	0.48
G18	沙一段	0.25	0.81	0.53
G36	沙一段	0.11	0.89	0.50
G41	沙一段	0.21	0.99	0.60
G60	沙一段	0.25	0.86	0.55
NC002	沙一段	0.12	0.78	0.45
NC004	沙一段	0.08	0.46	0.27

1.8 裂缝发育指数

裂缝发育指数用于表征储层内天然裂缝的发育程度。裂缝发育指数较高时，发育的天然裂缝系统可以引导高压流体进入这些裂缝中，水力裂缝会倾向于沿着这些天然裂缝扩展并沟通，形成水力压裂裂缝网络。

Qamar Yasin等[11]将声波测井（纵、横波时差△tp和△ts），感应测井（深浅电阻率RD和RS），中子测井（CNL），和自然伽马测井（GR）和密度测井（ρb）等数据转换为正因子，并做归一化处理，进而建立综合天然裂缝发育指数预测模型，见公式（10），利用研究区8口井测井数据，获取研究区致密砂岩储层天然裂缝发育指数纵向剖面。

 （10）

式中FICi，天然裂缝发育指数，无量纲；FGRi，自然伽马响应因子，无量纲；FRi，电阻率差异响应因子，无量纲；FCNLi，中子孔隙度响应因子，无量纲；F△ti，声波时差响应因子，无量纲；Fρb，密度响应因子，无量纲。

研究区致密砂岩储层天然裂缝发育指数结果如
表7所示，沙一段天然裂缝发育指数整体较高平均为0.91，天然裂缝较发育，整体可压性较高。

表 7 沙溪庙组天然裂缝发育指数结果统计表

Table 7 Statistical table of natural fracture development index results for the Shaximiao formation

井号	地层	天然裂缝发育指数	平均
G003-3	沙一段	0.18～1.53	0.86
G003-H17	沙一段	0.19～1.74	0.96
G18	沙一段	0.13-1.55	0.84
G36	沙一段	0.14-1.25	0.69
G41	沙一段	0.27-1.65	0.96
G60	沙一段	0.25～1.48	0.85
NC002	沙一段	0.10～2.18	1.14
NC004	沙一段	0.04～0.95	0.99

2 沙溪庙组致密砂岩储层可压性评价

2.1 可压性评价模型

致密砂岩储层的可压性表征储层被有效压裂的难易程度，可压性指数越高，天然裂隙越易被沟通，改造体积越大，压后产量越高。同时可压性受脆性指数、水平地应力差异系数、破裂压力、断裂韧性、天然裂缝发育指数等参数影响。通常认为脆性指数较高的储层具备高杨氏模量低泊松比的特点；水平地应力差异系数较高时易形成简单双翼裂缝，水平地应力差异系数较低时易形成复杂缝网；破裂压力影响压裂施工中起裂所需压力，破裂压力越低，地层越容易破裂；断裂韧性控制裂缝向前延伸的能力，裂缝发育指数表征天然裂缝发育程度，压裂过程中人工裂缝与天然裂缝相互沟通，形成复杂网络裂缝，提升改造体积。

综上所述，可压性指数与脆性指数、裂缝发育指数呈正相关，与破裂压力、水平地应力差异系数、断裂韧性呈负相关。由于可压性模型构建所需参数的单位、量纲及岩石物理意义各不相同，因此需对上述参数进行归一化处理，计算公式如下（11）、（12）。

正向参数归一化计算公式为：

 （11）

负向参数归一化计算公式为：

 （12）

式中，M为归一化后的控制参数；、分别为研究区内控制参数的最大值和最小值；A为研究层段的控制参数。

采用层次分析法，将上述控制参数两两比较，设定1、2、3、4、4及其倒数作为衡量标度建立判别矩阵见表8并计算权重参数，建立研究区储层可压裂性定量评价模型。

表 8 可压裂性权重判别矩阵

Table 8 Weight discrimination matrix for fracability

控制因素	脆性 指数	水平地应力差异系数	裂缝发育指数	破裂 压力	断裂 韧性
脆性指数	1	2	3	4	4
水平地应力差异系数	1/2	1	2	3	3
裂缝发育指数	1/3	1/2	1	3	3
破裂压力	1/4	1/3	1/3	1	1
断裂韧性	1/4	1/3	1/3	1	1

计算结果显示脆性指数、水平地应力差异系数、裂缝发育指数、破裂压力和断裂韧性权重系数为0.407、0.253、0.180、0.080、0.080，利用上述参数拟合研究区致密砂岩储层可压裂性指数FI，公式为：

（13）

2.2 可压性评价

根据可压裂性指数拟合公式结合三维地质力学模型，对研究区致密砂岩脆性指数、水平地应力差异系数、断裂韧性、裂缝发育指数、可压裂性指数进行综合评价。计算结果如表9所示。

表 9 沙溪庙组可压性指数结果统计表

Table 9 Statistical table of fracability index results for the Shaximiao formation

井号	地层	可压性指数	平均
G003-3	沙一段	0.38～0.67	0.53
G003-H17	沙一段	0.36～0.68	0.52
G18	沙一段	0.36～0.63	0.49
G36	沙一段	0.28～0.65	0.46
G41	沙一段	0.38～0.67	0.52
G60	沙一段	0.33～0.61	0.47
NC002	沙一段	0.37～0.72	0.54
NC004	沙一段	0.41～0.66	0.53

研究区致密砂岩储层平均可压性指数为0.50，整体可压性较好，具备较高压裂改造潜力。其中，G003-3、G003-H17、G41、NC002、NC004等5口井沙溪庙组致密砂岩储层可压性指数分布于0.52～0.54之间，可压性最佳，与现场压裂施工情况相吻合。

3 储层改造思路

针对川中地区沙溪庙组致密砂岩储层，目前已开展20余口老井体积压裂增产工艺试验，其中G003-3、G003-H17、G41井致密砂岩储层采用体积压裂工艺取得产量突破。近年来随着设备及技术水平提升，实现了储层大规模改造，直井采用滑溜水体积压裂工艺，水平井采用桥塞分簇射孔加变黏滑溜水多缝压裂技术，孔隙型储层产量实现重大突破。

（1）高产原因分析。G003-3、G003-H17、G41等储层为裂缝-孔隙型储层，采用体积压裂工艺后，天然裂缝被激活，形成复杂缝网，建立了原油高渗通道；结合矿物成分特征分析，石英等脆性矿物含量较高，破裂压力较低；结合岩石力学参数分析，压裂效果较好的井，储层脆性指数较高、水平地应力差异性系数集中于0.2～0.3之间，天然裂缝较发育，储层破裂压力较小，断裂韧性较低，储层整体可压性较好。

（2）压裂效果不理想井原因分析。G18、G60井等压裂施工工艺成功，但储层条件较差，相较于G003-3井等脆性指数较低，水平地应力差异系数更小，更难形成水力压裂裂缝，且水力裂缝不易往前延伸，整体可压性较差，因此不及预期。

（3）储层改造思路。针对G18、G60等压裂效果较差井，①优先选择物性较好、厚度大、固井质量优的井段；②优化加砂程序，目前两口井加砂强度偏小，逐步提升加砂强度并在裂缝发育区采用多粒径组合；③加强地质工程一体化模拟，提升参数匹配精度，避免出现施工成功但产量不佳的现象。

4 结论

（1）研究区沙溪庙组致密砂岩储层孔隙度主要集中于4%～5%之间，平均孔隙度为4.16%，渗透率主要分布在0.1～0.5mD，平均渗透率为0.46mD，孔隙主要集中于1～5μm，发育部分微裂缝。

（2）矿物组分以石英、钾长石、斜长石为主，平均粘土矿物含量为6.44%，储层具备一定脆性特征，平均脆性指数为45.74%。储层水平地应力差异系数较低、断裂韧性较低，天然裂缝较发育，整体可压性较好。

（3）综合考虑脆性指数、地应力差异系数、破裂压力、断裂韧性、裂缝发育指数等地质力学参数，建立了适用于川中地区沙溪庙组致密砂岩储层的可压性评价模型，分析总结了压裂改造高产井特征，提出了压裂效果不及预期井的储层改造思路，下一步应加强地质工程一体化模拟，优化加砂程序，进一步提升裂缝复杂程度。

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