頁巖儲層的巖石力學特性

楊建 付永強 陳鴻飛 曾立新 李金穗

中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院

頁巖儲層的巖石力學特性

楊建 付永強 陳鴻飛 曾立新 李金穗

中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院

楊建等.頁巖儲層的巖石力學特性.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：12-14.

頁巖儲層巖石具有基質(zhì)致密，微裂隙、層理面發(fā)育，巖石性脆等非常規(guī)地質(zhì)特征，其力學性質(zhì)與一般的致密砂巖、碳酸鹽巖相比具有一定的特殊性。為探尋這一特殊的巖石力學性質(zhì)，利用MTS多功能巖石力學實驗系統(tǒng)對取自四川盆地某區(qū)的M組頁巖開展了三軸、單軸、巴西力學實驗。結(jié)果表明：頁巖巖石三軸平均抗壓強度為265.75 MPa，平均楊氏模量為4.59×104MPa，平均泊松比為0.25，屬于中硬地層；單軸垂向取樣抗壓強度（151.92 MPa）是水平取樣抗壓強度（為69.18 MPa）的2.2倍；頁巖抗張強度較低，平均為2.94 MPa。綜合分析頁巖儲層脆性指數(shù)后認為，M組頁巖屬于脆性巖石，儲層脆性指數(shù)均超過50，有利于對頁巖儲層進行大型水力壓裂；壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計應(yīng)遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒徑支撐劑、低砂濃度”的原則。

四川盆地 頁巖 儲集層 巖石力學實驗 特性 礦物組分 脆性指數(shù) 壓裂

1 頁巖儲層物性特征及礦物組分

1.1 頁巖儲層物性特征

四川盆地某區(qū)寒武系、志留系發(fā)育多套黑色頁巖層系，其中M組頁巖有機碳含量高，分布穩(wěn)定，是一套高效烴源巖［1－3］。據(jù)取心資料分析結(jié)果，該組頁巖儲層孔隙度分布在2%～5%，原地應(yīng)力條件下測得基質(zhì)滲透率介于0.01～0.001 m D級別或更低，但是由于頁巖氣藏受裂縫因素的影響，其局部滲透率可以達到較高的水平。

1.2 頁巖巖石礦物成分

利用X射線衍射分析某區(qū)頁巖氣井M組取心資料，頁巖礦物組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物為主，其中石英礦物含量占43.41%，黏土礦物含量占22.52%，碳酸鹽巖礦物含量占16.67%。黏土礦物中主要以伊利石、綠泥石為主（圖1）。

2 頁巖巖石力學實驗

2.1 力學實驗條件

圖1 頁巖儲層巖石礦物成分分析結(jié)果圖

實驗利用MTS815型巖石力學實驗儀，選取M組不含天然層理面、天然裂縫的基質(zhì)巖心，采取垂直或平行層理面2種方式取樣。巖樣加工成直徑為2.54cm，長度為5.50 cm的柱狀巖心，端面磨平，模擬儲層溫度、壓力條件，進行三軸、單軸力學實驗；巖樣加工成直徑為3.80 cm，長度為1.00 cm的柱狀巖心，端面磨平，進行巴西力學實驗。

2.2 頁巖三軸力學實驗

選取M組不含天然層理面、天然裂縫的基質(zhì)巖心，平行于層理面加工實驗樣品。

通過三軸巖石力學實驗，該頁巖儲層基質(zhì)巖石，抗壓強度分布在250～300 MPa，平均抗壓強度為265.75 MPa，平均楊氏模量為4.59×104MPa，平均泊松比為0.25（表1），三軸力學實驗應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

表1 頁巖三軸力學實驗結(jié)果表

圖2 頁巖三軸力學實驗應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

2.3 頁巖單軸力學實驗

選取M組巖石樣品，采取平行、垂直層理面2種取樣方式，其中水平取樣2個，垂直取樣3個，進行單軸抗壓力學對比實驗。

實驗結(jié)果表明，水平方向取樣的巖樣平均楊氏模量為4.70×104MPa，抗壓強度為69.18 MPa，平均泊松比為0.227；垂直方向取樣的巖樣平均楊氏模量為2.99×104MPa，抗壓強度為151.92 MPa，平均泊松比為0.175（表2）。

表2 頁巖單軸力學實驗結(jié)果表

2.4 頁巖巴西力學實驗

選取頁巖基質(zhì)巖石樣品，通過實驗測量，頁巖樣品抗張強度介于2～4 MPa，平均為2.94 MPa（表3）。

表3 頁巖巴西力學實驗結(jié)果表

3 實驗結(jié)果討論

通過對頁巖儲層巖石力學特征參數(shù)研究表明，頁巖巖石力學性質(zhì)與致密砂巖有相似之處。四川盆地某區(qū)上三疊統(tǒng)須二段致密砂巖儲層巖石力學實驗結(jié)果表明，抗壓強度平均為235.75 MPa，平均彈性模量為2.94×104MPa（23個樣品），與致密砂巖巖石樣品對比，頁巖同樣具有較高的三軸抗壓強度及彈性模量，屬于中硬地層。

頁巖儲層層理發(fā)育，取樣方式的不同對單軸抗壓力學實驗結(jié)果影響較大。M組單軸巖石力學實驗表明，水平方向取樣的巖樣平均楊氏模量為4.70×104MPa，抗壓強度為69.18 MPa；垂直方向取樣的巖樣平均楊氏模量為2.99×104MPa，抗壓強度為151.92 MPa。垂向抗壓強度是水平向抗壓強度的2.2倍，分析認為頁巖儲層本身水平層理面發(fā)育，頁巖巖性較脆，易順層理面脆裂，導致水平方向取樣抗壓強度低。

通過巖石力學特征參數(shù)、頁巖脆性礦物成分含量結(jié)合測井數(shù)據(jù)，計算了川南某區(qū)塊X井頁巖M儲層巖石脆性指數(shù)，X井擬改造段2 440～2 540 m儲層脆性指數(shù)都超過50（圖3）。根據(jù)國外已有的頁巖開發(fā)經(jīng)驗，巖石脆性與壓裂液和支撐劑選取有重要聯(lián)系，隨著巖石脆性的增高，壓裂液選擇從交聯(lián)壓裂液逐步向滑溜水壓裂液過渡，形成的裂縫也由雙翼對稱裂縫向復雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫過渡；在支撐劑的選取上，巖石脆性指數(shù)越高，液體體積用量越大，支撐劑的用量越少，支撐劑濃度越低［4－7］。

圖3 X井M組頁巖巖石脆性剖面圖

通過綜合分析X井M組頁巖儲層巖石脆性情況，該組巖石屬于脆性巖石，壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計原則應(yīng)為“大液量、大排量、高前置液比、小粒徑支撐劑、低砂濃度”。

4 結(jié)論

1）四川盆地M組頁巖礦物組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物為主，其中石英礦物含量占43.41%，黏土礦物含量占22.52%，碳酸鹽巖礦物含量占16.67%。黏土礦物中主要以伊利石、綠泥石為主。

2）巖石三軸力學實驗表明，頁巖基質(zhì)巖石抗壓強度分布在250～300 MPa，平均抗壓強度為265.75 MPa，平均楊氏模量為4.59×104MPa，平均泊松比為0.25，屬于中硬地層；單軸力學實驗表明，水平方向取樣的巖樣抗壓強度為69.18 MPa，垂直方向取樣的巖樣抗壓強度為151.92 MPa，兩者相差2.2倍；巴西力學實驗揭示，頁巖抗張強度較低，平均為2.94 MPa。

3）通過綜合分析頁巖儲層脆性指數(shù)，表明四川盆地M組頁巖屬于脆性巖石，儲層脆性指數(shù)均超過50，壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計應(yīng)遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒徑支撐劑、低砂濃度”的原則。

［1］方俊華，朱炎銘，魏偉，等.蜀南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣成藏基礎(chǔ)分析［J］.特種油氣藏，2010，17（6）：46-49.

［2］黃勇斌，李其榮，高貴冬，等.蜀南地區(qū)下古生界頁巖氣勘探潛力評價及區(qū)帶優(yōu)選［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（增刊1）：25-27.

［3］葉登勝，尹叢彬，蔣海，等.四川盆地南部頁巖氣藏大型水力壓裂作業(yè)先導性試驗［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（4）：48-50.

［4］陳作，薛承瑾.頁巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國的應(yīng)用建議［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：30-32.

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［6］葉登勝，尹叢彬，蔣海，等.四川盆地南部頁巖氣藏大型水力壓裂作業(yè)先導性試驗［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（4）：48-50.

［7］ZAHID S，BHATTI A A，KHAN H A，et al.Development of unconventional gas resources：stimulation perspective［C］∥paper 107053 presented at the 2007 SPE Production and Operations Symposium，31 March -3 April 2007，Oklahoma City，Oklahoma，USA.New York：SPE，2007.

（修改回稿日期 2012-05-21 編輯 羅冬梅）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.003

中國博士后科學基金項目（編號：20090451422）。

楊建，1978年生，工學博士；2008年畢業(yè)于西南石油大學開發(fā)地質(zhì)學專業(yè)；主要從事儲層巖石力學、地應(yīng)力及非常規(guī)天然氣開發(fā)研究工作。地址：（618300）四川省廣漢市中山大道南二段。E-mail：y2000w＠sina.com