萨哈林南部硅质岩人工压裂裂缝的应力依赖渗透率

《Geosciences》：Stress-Dependent Permeability of Artificially Fractured Siliceous Rocks from Southern Sakhalin

　　

大型油气田正在萨哈林北部开发，而萨哈林南部赋存于非常规低渗透硅质源岩中的远景资源，其开发需通过增产改造形成导流裂缝网络，而裂缝网络的长期完整性对产能可行性至关重要。研究人员以4个人工压裂岩心为对象，在双轴循环约束下开展水力试验，将其作为案例研究而非具统计代表性的地层尺度数据集。直径30 mm、长约30 mm的圆柱岩心含诱导轴向裂缝，在双轴循环围压下测试，结果显示裂缝导流能力发生不可逆损失，卸载后残余渗透率为初始值的7.1%–37.4%。由于圆柱岩心产生非均匀周向应力与异质闭合，实验室数据不能直接用于现场尺度裂缝寿命模型。研究人员提出将岩心尺度测量转换至岩体中受均匀法向应力的平面裂缝的方法：通过X射线计算机断层扫描（CT）量化裂缝开度，并代入考虑几何开度与水力开度的基于单元的接触—水力模型；采用非均匀闭合函数重建闭合场并修正实验室结果。在最大压力下，对拟合可接受的3个岩样，岩体/实验室渗透率比（Kmass/Klab）为0.034–0.93；3–4号样因均方根误差（RMSE）过高仅作诊断案例。这些值为基于模型的单裂缝情景估计，尚待直接法向加载验证。

论文解读：《Geosciences》刊载的萨哈林南部硅质岩人工裂缝应力依赖渗透率研究

研究背景方面，萨哈林南部及邻近海域被视作有前景的油气开发区，新生界沉积序列中的霍尔姆斯克组（Kholmsk Formation）与库拉西组（Kurasi Formation）发育低渗透硅质岩，可能承载非常规油气聚集。此类储层需增产改造形成人工导流裂缝，而注采循环或吞吐作业会使孔隙压力变化，令裂缝反复加卸载；有效正应力升高导致裂缝闭合、接触面积扩大、连续流道被破坏，即便再加压也无法完全恢复导流能力，呈现迟滞与应力记忆效应。目前flow-through岩心试验测得的压力—渗透率关系，既包含裂缝接触—水力响应，也混杂圆柱岩心几何带来的非均匀闭合与边缘剪切摩擦效应，直接代入岩体平面裂缝模型会误估闭合量与残余渗透率。因此，研究人员需要一种不依赖样品专属经验系数的岩心到岩体转换流程，联合几何开度场、局部接触闭合与整体水力开度来解释人工裂缝长期导流能力。

研究人员以萨哈林南部露头采集的硅质岩制备直径30 mm、长约30 mm圆柱岩心，用巴西试验沿轴线劈裂形成人工轴向裂缝，在UltraPoroPerm-500岩心夹持器中进行氮气表观气体渗透率（K_a）的循环围压加卸载测试，并用X射线计算机断层扫描（CT）获取无围压重组状态下的累计开度场，构建基于单元的接触—水力模型，以非均匀闭合函数刻画圆柱岩心条件，再将同一本构规律重算于均匀法向加载的岩体平面裂缝。研究得出：循环围压令人工裂缝渗透率不可逆下降，卸载后残余渗透率为初始裂缝岩心的7.1%–37.4%；圆柱几何使岩心内裂缝平面位移不均，岩体均匀加载下计算接触面积更大， adequately fitted 样品在最大压力时K_mass/K_lab为0.034–0.93，说明不能用单一经验系数修正所有岩样。该研究为低渗透硅质岩人工裂缝长期导流评估提供了物理化的岩心—岩体转换思路，论文发表于《Geosciences》。

主要关键技术方法概括：研究人员从萨哈林南部三点露头取手标本，分为霍尔姆斯克组（1、2组）与库拉西组（3、4组）样品，制30 mm×30 mm圆柱岩心；以巴西试验生成轴向人工裂缝，在等径向与轴向围压下用氮气测表观气体渗透率并完成三周期加卸载；用Nikon XT H 225+180 ST微焦点X射线系统做CT，以累计开度图作为潜在导流通路空间先验；建立二维单元网格的接触—水力模型，用立方定律算局部传导率与相邻单元调和平均传导，质量守恒求压力场与总流率，并以非均匀闭合函数区分岩心与岩体加载几何，不做具体试剂与制备细务操作。

研究结果各小节如下。

矿物组成与微结构：通过X射线衍射（XRD）与扫描电镜（SEM）分析伴生样，霍尔姆斯克硅质岩以石英为主，库拉西蛋白土状岩以方石英（cristobalite）与鳞石英（tridymite）为主；SEM显示基质孔隙系统异质且弱连通，最大空腔10–250 μm，微孔一般≤10 μm，短裂缝10–40 μm，基质不构连续高导通路，劈裂后流动由人工裂缝主导。

循环围压加载下的渗透率演化：对1–4、2–2、3–4、4–6四样做加卸载，首最小围压2.76 MPa时K_a分别为98.79、48.26、6.92、85.07×10^?15 m²；加载期渗透率降，卸载仅部分恢复，最小值0.145、2.34、0.0548、1.06×10^?15 m²，末次回到最小压后残余为初值8.7%、37.4%、7.1%、8.2%；等效水力开度（b_eff）由30.34、23.90、12.51、28.87 μm降至残余13.42、17.22、5.19、12.54 μm，表明粗糙裂缝导流由残留通道连通性控制而非平均开度。

CT推导开度分布：CT体素约20 μm，累计开度是投影积分而非单缝壁间距；劈裂重组后1–4均值0.143→0.166 mm、2–2 0.018→0.142 mm、3–4 0.0003→0.031 mm（中位仍0）、4–6 0.015→0.079 mm，说明开口在空间上重新分配，3–4样强局部化，CT几何场不能等同水力场。

模型表现与岩心到岩体加载转换：基于单元模型对2–2、4–6 log₁₀K_a的RMSE约0.19、0.31，1–4约0.55，3–4约3.63故只作诊断样；附加水力开度b_add在1–4为3.3 μm、2–2为7.3 μm，3–4与4–6近零，表示亚分辨率连通对前两者有贡献。最大压下K_mass/K_lab为1–4约0.93、2–2约0.56（低置信）、4–6约0.034，3–4诊断值0.79不纳入定量；均匀法向加载计算接触面积比岩心配置更大，证明加载几何不可忽略，且无通用单因子修正。

讨论部分总结：矿物学只用于刻画岩性，样本太少不能推矿物—渗透率规律；轴向劈裂使渗透率升数个量级，循环约束致不可逆损失，残值7.1%–37.4%反映接触重分布与流径重连。因完整合基质渗透率未在全压力点测，用常值上限估矩阵流，3–4在高闭合时矩阵流可占优，是其被排除定量的原因；2–2因矩阵背景可达K_min的34%仅为低置信定量样。CT累计开度是几何先验，水力开度来自气体流，二者差来自未分辨缩颈、死孔与弯曲通道。圆柱岩心曲面围压经两半岩样传力，裂缝面位移非均匀，既往研究未显式把轴向劈裂圆柱响应转为均匀法向平面缝；本模型显示该差不可略，K_mass/K_lab跨0.034–0.93，4–6低比值对应圆柱几何保住的通道在均匀闭合下消失，1–4低敏感因其主通道不依赖边界。研究主张通用工作流而非通用系数：CT重建无载开度场—flow标定接触水力律—均匀法向重算；但仅4个非重复裂缝、CT分辨率近水力开度、参数可补偿，故结果只是单缝模型情景估计，需直接法向加载与重复岩性样品验证方可建地层级转换关系。

结论部分翻译：人工轴向裂缝使低渗硅质岩心气体渗透率提高数个量级；循环围压加载造成裂缝导流能力不可逆损失，卸载后保留渗透率为初始裂缝岩心值的7.1%–37.4%。渗透率迟滞伴随等效水力开度不完全恢复；CT推导开度场表明诱导开口与残余导域空间异质，导流能力由局部流径连通性而非平均开度控制。圆柱岩心配置影响计算闭合场；对拟合充分的案例样，模型预测均匀法向加载重算会增加计算接触面积并改变保留渗透率，最大压下K_mass/K_lab为0.034–0.93，3–4样仅留诊断输出。模型进一步预测直接采用岩心尺度压力—渗透率关系会高估单条均匀加载平面缝保留导流能力，其量级随裂缝而异，并非地层尺度修正。研究所评估的加载几何转换工作流为：投影衍生CT几何与流动测量标定基于单元的接触—水力模型，再以同本构响应施于均匀法向加载；该工作流提供通用计算序列而不引入样本无关修正系数，但输出属模型情景估计，尚待直接法向加载验证与重复测试，且在CT开度场充分代表导网时最可靠，3–4样拟合差即示警。