力學所在頁巖油氣儲層原位脆性評估方面取得進展

　　【儀表網 儀表研發】我國頁巖氣及頁巖油的技術可采資源量分居全球第一位和第三位。我國頁巖油氣資源具有埋藏深、物性差、地質構造復雜、成熟度偏低、開采難度高等顯著特征。如何實現頁巖油氣的高效開發已成為我國力學、地質等學科亟待解決的問題。
 

　　由于深部頁巖處于力、化、熱、流等多場耦合的復雜環境，其原位力學屬性評估的準確程度將直接決定壓裂效果的優劣，亦由此引出如含初場彈性力學問題解等一系列跨尺度科學問題。然而，傳統實驗室測試技術尚不能精確獲取原位狀態下的真實儲層參數，如何實現頁巖儲層原位脆性的精確評估是公認的工程科學難題。
 

　　近日，中國科學院力學研究所趙亞溥團隊在其前期一系列研究構筑的“Mechano-energetics”(力能學)理論框架下，提出了直接依托于現場壓裂施工曲線的儲層原位脆性評估方法。該方法通過剖析施工曲線這一油氣開發中的儲層“心電圖”數據，實現了在工程現場對儲層原位性質的精確“原位診脈”。
 

　　研究團隊考慮工程現場的“套管壓力”、“油管壓力”、“加砂”與“泵注排量”四條壓裂施工曲線，對加砂前壓裂過程開展深入剖析，提取得到儲層原位脆性指數。同時，依托該團隊此前用于地質材料評估的“Ashby圖”研究范式(Materials 2020, 13, 2517)，對儲層脆性進行了橫向系統評估，由此構建起一整套數據分析與儲層評估方法(圖1)。此外，該團隊還將開發現場的實時微地震數據與壓裂施工曲線相結合，提出了可實時監測儲層斷裂特征的分析方案。研究表明，由于深部頁巖儲層處于三軸應力、高溫高壓的極端環境中，其原位斷裂韌性為實驗室測量值的2~3倍，進而導致其原位脆性遠低于實驗室測量值；現場施工曲線的壓強標度率范圍(-1/2~-1/6)寬于現有理論預測值(-1/3~-1/5)，且有78%的儲層微地震事件可由施工曲線實時監測(圖2)。該研究可為我國深部頁巖難以形成復雜水力裂紋網絡的現象提供關鍵性理論解釋，并為壓裂方案的精確制定和實時優化提供指導。
 

　　相關研究以Fluctuation of fracturing curves indicates in-situ brittleness and reservoir fracturing characteristics in unconventional energy exploitation為題發表于Energy。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究計劃等項目的支持。
 

圖1 為頁巖油氣儲層“原位診脈”的技術路線
 

圖2 基于壓裂施工曲線波動性實時剖析頁巖水力致裂特征