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user: 3. 可改造性及其影响因素 储层可改造性是页岩储层能够被有效改造增产的能力和性质，不同可改造性的储层在水力改造过程中形成不同的裂缝网络 [ 17 ]。可改造性是储层地质、储层特征的综合反映，其影响因素复杂。国外学者通过储层的脆性矿物含量或岩石力学参数来表征可改造性，为可改造性的定量评价提供了思路，但研究结果仅仅反映了储层在矿物组成或岩石力学单一因素方面的特征，难以全面反映储层在水力改造改造过程中的综合特征。近年来一些学者 [ 17 ] [ 18 ] [ 26 ] [ 27 ] 使用脆性指数结合杨氏模量和泊松比来直接评估可改造性，更高水平的脆性代表更高可改造性。此外，还有其他一些学者采用脆性矿物质的含量来计算改造指数，脆性组分的含量越高，可改造性越高。另一方面，越来越多的研究认识到，可改造性不仅取决于材料的脆性，还包括一些其他因素，如成岩作用，延性，天然裂缝，抗拉强度等。 因此，根据前人的研究基础，提出了储层含气量、含水饱和度、矿物含量、有机质含量、物性参数、脆性指数、断裂韧性、水平应力差及其他因素为影响产层组可改造性的影响因素。 3.1. 储层含气量 储层含气量是表征储层含气性的直接参数，也是评价储层的一个重要参数。储层的含气量越高，其开采的潜力越大，在水力压裂改造后才越有可能产出经济产量。煤层和页岩储层的含气量包括吸附气、游离气和溶解气，溶解气含量极少，一般对总含气量没有影响。 图1. 临兴勘探区块位置 [ 28 ] 图2. 研究区构造简图及次级构造单元划分 [ 29 ] 图3. 临兴区块LX-1井地层柱状图 吸附气含气量的计算是根据样品解吸实验数据、等温吸附实验和实测吸附气含量数据与测井资料结合，建立起吸附气含气量与测井数据之间的计算模型。 相较于吸附气含气量的计算，游离气含气量的计算采用国际上常规方法 [ 30 ] [ 31 ] ： G f = Ψ ∅ S g ρ B g (1) 上式中： G f 是游离气含气量，m 3 /t； 是含气饱和度，%； 是岩石密度，g/cm 3 ； 是气体体积压缩因子，0.0046； 是常数，取0.91。 煤层和页岩储层的总含气量是其吸附气含气量与游离气含气量之和。 而计算致密砂岩含气量不同，致密砂岩储层中主要为游离气，为了方便比较砂岩游离气与煤层含气量的关系，主要采用林玉祥等 [ 32 ] 对砂岩游离气含气量的计算方法： (2) 上式中： 是砂岩含气量，m 3 /t； 是孔隙度，小数； 是含气饱和度，%； 是岩石密度，g/cm 3 。 由上式计算的砂岩含气量是在地下温压条件下的含气量(V 2 )，为了与煤层含气量进行比较研究，需要将其转化为地表标准温压条件下的气体含量(V 1 )。 (3) 上式中： ， ， ， 。 G是地温梯度，℃/100 m；G 2 是压力梯度，取0.01 MPa/m；D是深度，m。 3.2. 含水饱和度 储层原始含水，水分在很大程度上影响页岩和煤层的吸附能力，使其小孔隙阻塞而失去吸附能力 [ 33 ]；对于致密砂岩储层，含水饱和度升高对致密砂岩气相渗透率损害严重，水的存在加剧了致密砂岩应力敏感程度，且含水饱和度越高应力敏感性越强 [ 34 ]，对储层改造越不利。 含水饱和度由印度尼西亚公式求得： (4) 上式中：R t 是深电阻率，Ωּm；Φ是孔隙度，%；R w 是地层水电阻率，Ωּm；S w 是含水饱和度；其中m是胶结指数，n是饱和度指数，a是岩电因数，数值取值来自于区域经验(见表1)。 Table 1 a， m， n in Linxing are 地层 a m n 备注 石千峰组 1.00 2 1.60 区域经验 石盒子组 1.00 2 1.60 山西组 1.00 2 1.60 太原组 1.00 1.85 1.60 本溪组 1.00 1.85 1.60 表1. 临兴地区a，m，n取值 3.3. 矿物含量 前人将储层中的岩石矿物分为脆性矿物和塑性矿物两种，储层中的矿物组成会直接影响岩石的力学性质，脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在构造运动或水力改造过程中越易形成天然裂缝或诱导裂缝，从而形成复杂的网络有利于页岩气的开采 [ 19 ]。脆性矿物含量和黏土矿物含量在页岩发生形变时有重要影响 [ 35 ] [ 36 ]。除石英外，长石、白云石和方解石等也属于脆性矿物，脆性矿物包含的种类较多，研究区内储层中的石英含量和黏土含量占据了出储层矿物组成绝大部分，因此本次研究主要以石英含量作为脆性矿物含量，黏土矿物含量作为塑性矿物含量。 此次研究所需的石英含量和黏土矿物含量主要是通过研究区样品进行薄片鉴定结合测井资料建立相应的计算模型。 3.4. 总有机碳含量 有机碳含量虽然不能直接反映储层的可改造性，但对储层的裂缝发育及分布、岩石力学性质有显著影响 [ 37 ]。有机碳含量是烃源岩产生油气的基础，储层含气量往往取决于有机质含量，且有机碳含量通常与吸附气能力成正比，对储层含气量的影响较大，进而间接影响储层可改造性；有机碳含量也会影响储层的密度，进而影响储层的岩石力学性质，对储层可改造性产生一定的影响。 目前大多数人采用的是Passey等 [ 38 ] 提出的利用声波测井和地层电阻率计算TOC含量的公式，即ΔlogR法，此方法需要人为的确定基线值及有机碳含量背景值，可操作性较差，误差比较大。此次研究主要是通过研究区样品分析结果结合测井资料得到有机碳含量的计算模型。 3.5. 物性参数 储层物性中孔裂隙和渗透性对可改造性的影响最为显著。主要表现在孔隙度和平均孔径方面。储层孔隙度高且有较大的孔径时，改造更容易形成裂缝，沿孔喉扩展范围增加，更容易形成系统的裂隙网络 [ 39 ]。渗透性主要是对挑选改造层段和位置有较大的意义。 本次研究孔隙度采用中子–密度交会法计算： 利用密度测井资料计算： (5) 上式中： 是密度孔隙度，小数； 分别为岩石骨架密度值、地层流体密度值，g/cm 3 ； 是目的层密度测井值，g/cm 3 ； 是泥岩密度值，g/cm 3 ； 是储层泥质含量，小数。 利用中子测井资料计算： (6) 上式中： 是中子孔隙度，小数；CN是目的层补偿中子测井值，%；LCOR是岩石骨架中子值，%； 是泥岩中子值，%； 是储层泥质含量，小数。 利用中子–密度几何平均值计算： (7) 上式中： 是密度孔隙度，小数； 是中子孔隙度，小数。 其中 可由下式求得： (8) (9) 上式中：GR是自然伽马测井值；GR min 是纯砂岩自然伽马极小值；GR max 是纯泥岩自然伽马极大值；GCUR是与地层年代有关的经验系数，新地层为3.7，老地层为2.0。 研究区储层段岩心分析渗透率大多在0.1 md以下，如采用岩心回归公式计算渗透率误差较大，因此，本次渗透率求取采用最常用的TIMUR公式。 (10) 上式中：PERM是渗透率，md； 是地层孔隙度，%；SIRR是束缚水饱和度，%，根据区域经验取值68%。 3.6. 脆性指数 根据国内外对储层可压性的评价经验，脆性指数是常用的评价储层可改造性的重要因素，脆性对水力改造后产生的裂缝的形态有很大的影响。脆性越高，改造后越容易产生复杂的裂缝网络，储层的可改造性就越高 [ 19 ]。 杨氏模量和泊松比是评价储层岩石力学性质主要参数指标。杨氏模量是指其所受应力与应变的比，描述岩石抵抗形变能力的物理量，即反映了储层被改造后保持裂缝的能力；泊松比是横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，反映了储层在压力下破裂的能力。一般情况下，杨氏模量越高，泊松比越低，脆性就越高，储层的可改造性就越好。 根据测井资料中的纵波时差和横波时差数据，结合密度测井数据，可以计算出地层中的任意深度处的杨氏模量和泊松比，此时得到的结果是动态杨氏模量和动态泊松比，通过动、静态参数转化为静态杨氏模量与静态泊松比。其计算公式如下 [ 40 ] ： 杨氏模量计算： (11) 泊松比计算： (12) 上式中： 是动态杨氏模量，Mpa； 动态是泊松比； 是测井密度值，g/cm 3 ； 是测井横波时差，μs/m； 是测井横波时差，μs/m； 是单位换算系数，达到上述单位时， 。 脆性的大小一般采用脆性系数B来表示，公式如下： (13) (14) (15) 上式中：E为静态杨氏模量，10 MPa；V为静态泊松比； 最小静态杨氏模量； 最大静态杨氏模量； 为标准化的杨氏模量； 最小静态泊松比； 最大静态泊松比； 为标准化的泊松比；B为脆性指数。 此方法认为杨氏模量与泊松比对脆性指数的贡献是一样的，即取权重均为0.5，此为经验认识，具有一定的局限性，使用范围有限。 3.7. 断裂韧性 单纯利用杨氏模量与泊松比不能完全判断储层的可改造性，例如部分岩石的杨氏模量与泊松比相近，但是脆性差别极大，其中的重要区别就在于断裂韧性 [ 41 ]。断裂韧性反映储层可改造难易程度，在储层改造时能够阻挡水力改造改造作用，阻挡改造缝的扩展及新改造缝的产生。断裂韧性越小，在改造过程中形成的裂缝越复杂，也越容易扩展延伸。 断裂韧性在实验室获取数据的难度较大，实验较为繁琐，目前，大多数学者主要采用金衍、陈勉等 [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] 围绕测井资料和大量实验研究建立的计算I型和II型裂缝断裂韧性的等效方法，公式如下： (16) (17) (18) (19) 上式中：P C 为围压值，MPa；S t 为单轴抗拉强度，MPa；P P 为孔隙压力，MPa； 为最小水平地应力，MPa；V cl 为泥质含量%；E d 为动态杨氏模量，GPa；K为常数，通常取值为12.26。 3.8. 水平应力差 地应力显示了当前岩层正在承受的力的状态。目前，人们认为地应力主要分为水平最大主应力、水平最小主应力和垂向应力三个应力。在改造过程中，地应力的影响也是不容忽视的，储层地应力较高，经过水力改造后裂缝起裂压力较大，岩石内部裂缝形成困难，水力裂缝与天然裂缝有效沟通形成缝网几率较低，影响改造增产效果 [ 45 ]。尤其是水平最大主应力和水平最小主应力之间的差值，差值越小，改造形成的裂缝越容易沿多个方向扩展，便于形成网状裂缝。 此次研究水平最大主应力和水平最小主应力的计算模型，考虑到研究区的特征，主要采用的黄氏经验模型，其公式如下： (20) (21) 上式中： 、 为水平最大和最小主应力，MPa； 为垂向应力，MPa； 为Biot系数，无量纲；V为泊松比，无量纲； 为孔隙压力，MPa； 、 为构造应力系数，无量纲。 3.9. 其他因素 除了上述的影响因素外，可改造性可能还受到沉积环境、内部构造、天然裂缝分布和成岩作用等因素的影响，这些因素往往是基于经验赋值，难以定量评价，本次研究暂不考虑这些因素对可改造性的影响。