川東南龍馬溪組埋深對頁巖力學性質的影響實驗研究

王 晶

(呂梁學院礦業工程系，呂梁 033000)

面對日益嚴峻的能源局勢，頁巖氣的勘探開發在一定程度上能夠緩解21世紀全球能源供需之間的矛盾，并逐漸改變著當今全球經濟和政治格局[1]。根據美國能源署能源報告中指出，中國擁有世界上最大的頁巖氣儲備資源量，累計36×1012m3[2]。2012年，由國土資源部申請，經國務院批準，頁巖氣成為中國第172個礦種，正式登上中國能源領域的歷史舞臺[3]。通過頁巖氣資源的普查、勘探及有利目標區的優選，預計中國海相、湖相及陸相的頁巖氣技術可采儲量達25.08×1012m3[4]。中國四川盆地龍馬溪組由于具備高熱演化程度(Ro介于2.0%～3.5%)、有機質含量高(TOC大于2%)、地層超壓(1.3～2.1)、脆性礦物含量高(大于50%)、分布面積廣(面積達13.7×104m3)、有效厚度大(30～100 m)等特征[5]，是目前中國石油和中國石化頁巖氣的重點勘探開發層系，截至2017年底，四川盆地龍馬溪組頁巖氣探明儲量達9 210×108m3[6]。其中，中國石化在焦石壩地區建成了年產50×108m3的頁巖氣示范區，而且相繼在南川地區、丁山地區部署的頁巖氣探井，都獲得了良好的頁巖氣顯示[7]，彰顯著川東南龍馬溪組頁巖氣巨大的勘探開發潛力。

然而，川東南地處高陡盆緣過渡帶，地表多山地、丘陵，地質構造極其復雜且龍馬溪組埋深范圍大[8]。據焦石壩龍馬溪組埋深與產量兩者之間的關系統計與分析表明，埋深在2 200～3 500 m是目前技術可采條件下最有利的深度范圍[9]，而對于埋深大于3 500 m的深層頁巖氣的勘探開發，規模性的產能尚未完全建立，其主要原因為較大的埋深限制了水力壓裂的實施，高溫高壓條件下頁巖不穩定的力學性質很大程度抑制著巖石的破裂程度[10-11]。對此，以川東南地區龍馬溪組頁巖為例，利用實驗測試不同埋深條件下龍馬溪組頁巖的應力-應變特征、抗壓強度、彈性模量、泊松比、脆性等力學性質，重點剖析不同埋深條件下頁巖的破壞后裂縫發育模式，結合川東南龍馬溪組頁巖現今埋深以及前人的研究成果，探討其技術可采條件下的頁巖氣開發埋深下限以及相應的壓裂效果，提出加強深層頁巖氣壓裂技術攻關建議，以期為今后川東南龍馬溪組頁巖氣進一步的勘探開發提供參考和指導。

1 川東南區域地質背景

川東南地區主要包括涪陵、南川、綦江以及赤水等地，主要為中國石化的礦權范圍。構造位置處于以沿北東向南東延伸的“S”形展布的齊岳山斷裂和南川—遵義斷裂為界的川東南斷褶帶、瀘州—赤水構造疊加帶、湘鄂西—黔東北斷褶帶以及黔北斷褶帶的邊界處(圖1[12])。川東南地區自龍馬溪組沉積以來經歷了燕山中—晚期、燕山末期—喜馬拉雅中期、喜馬拉雅晚期至現今等3期主要的構造運動[12]，發育南東向、近東西向、近南北向以及北西向等褶皺和斷裂系統[13]。

圖1 川東南構造分區及構造位置[12]Fig.1 Tectonic zoning and tectonic location in southeastern Sichuan[12]

志留世早期，四川盆地整體受到加里東構造運動中期的都勻運動的影響，川中隆起、黔中隆起和江南—雪峰隆起不同時期的共同作用下形成了較大范圍內的深水坳陷[14]，龍馬溪組沉積于該深水坳陷下的淺水-深水陸棚沉積環境，早期接受富含硅質等低等古生物尸體殘骸等沉積，有機質異常富集，晚期海水變淺，轉而接受陸源碎屑的輸入，有機質含量降低，整套龍馬溪組頁巖的生物成因的脆性礦物和有機質自上而下逐漸升高[15]。

2 龍馬溪組埋深特征及實驗條件

2.1 川東南龍馬溪組分布及埋深特征

龍馬溪組于四川盆地廣泛分布，主要分布于川北、川東北、川東南以及川南一帶。在龍馬溪組一段沉積期間主要發育有自貢—宜賓—長寧—赤水和涪陵—石柱兩個沉積中心[16]，川東南主要包括了涪陵—石柱沉積中心大部分以及兩個沉積中心邊緣交匯處，整體的埋深由南東向北西方向逐漸加大，主要原因為燕山構造運動中期以來由盆外向盆內發生漸變式的構造抬升作用[17]，導致東南部地區構造抬升早、幅度大，埋深較淺，主要小于3 500 m，而西北部地區構造抬升時間晚、幅度小，埋深較大，主要大于3 500 m，甚至超過4 500 m(圖2[9])。

圖2 四川盆地龍馬溪組分布范圍及埋深特征[9]Fig.2 Distribution range and buried depthof Longmaxi Formation in Sichuan Basin[9]

根據四川盆地頁巖氣的多年的勘探開發實踐和經驗，普遍認為，頁巖氣50%以上的資源量集中在埋深大于3 500 m的區域[18]，而川東南地區埋深大于3 500 m的龍馬溪組覆蓋面積接近一半，可見，川東南地區龍馬溪組頁巖雖然資源量大，但埋深較大，要突破如此大的埋深下水平井壓裂等相關工程技術瓶頸，并實現規模性的商業產能是目前深層頁巖氣勘探開發面臨的新的難題和挑戰。

2.2 樣品及實驗條件的設定

根據上述龍馬溪組在川東南的分布以及埋深特征，在川東南地區的JX-1、JX-2、NX-1、DX-1、DX-2和DX-3等6口井的巖心中鉆取巖樣，所鉆取的巖樣均取自龍馬溪組頁巖層段。每口井分為4組實驗，每組編號分別設定為Y1、Y2、Y3和Y4。巖樣確保無明顯外在人為因素造成的裂縫，且均沿層理方向鉆取，無各向異性因素的干擾。根據實際地層的埋藏深度，大致設定相應的溫度和圍壓(表1)。

3 實驗結果與分析

3.1 應力-應變曲線特征

在所測試的巖樣中，據不同埋深下巖石應力-應變的曲線顯示，埋深范圍介于2 000～4 500 m，巖樣達到抗壓極限對應的應變均小于5%，頁巖在此埋深范圍內均呈現為脆性。若埋深持續加大時，抗壓極限對應的應變將會超過5%，此時的巖石處于延性，而巖石由脆性向延性發生過渡的埋深界限下文將對此展開論述。

另外一方面，對于NX-1井(埋深為4 388 m)和DX-3井(埋深為4 365 m)的巖樣，對應的軸向峰值強度要遠遠高于JX-1井(埋深為2 410 m)和DX-1井(埋深為2 044 m)的巖樣所對應的峰值強度，整體呈現隨埋深的加大，峰值應力呈現上升的趨勢(圖3)。

圖3 Y4組巖樣在不同埋深環境下應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of group Y4 shale samples in different buried depths

3.2 頁巖應變及強度特征

為進一步明確埋深與巖石的峰值應變和峰值強度之間的內在關系，根據巖石應力-應變曲線變化特征，從中讀取對應每個試樣的峰值應變和強度，結果顯示，頁巖的峰值應變和峰值強度呈現良好的非線性遞增趨勢(圖4)。其中，巖石在2 044 m埋深時，峰值應變和峰值強度分別為0.54%和173.0 MPa，當巖石處于4 388 m的埋深條件下，對應的峰值應變和峰值強度分別為1.68%和280.8 MPa，在如此大的埋深落差下，峰值應變和峰值強度的增幅分別為1.14%和107.8 MPa。造成該現象的主要原因是由于隨著埋深的增大，相應的圍壓增大，使得巖石物質的質點彼此接近，增強了巖石的內聚力，從而使晶格不易發生變形和破環。相反，如果要讓巖石產生破壞，則需要更大的應力和更大的應變才能達到對應的破壞極限。因此，埋深增大的同時，巖石相應的破裂壓力增高，要成功實現頁巖氣藏的改造，往往需要更高的施工泵壓。

表1 頁巖樣品基本信息及實驗條件Table 1 Information and experimental conditions of shale samples

圖4 不同埋深條件下頁巖峰值應變及峰值強度Fig.4 Peak strain and peak strength of shale under different buried depths

3.3 頁巖的脆性變化

在頁巖氣藏的改造過程中，脆性是評價頁巖氣藏的可壓裂性以及能否得到有效壓裂形成復雜裂縫系統的關鍵指標之一[19]。然而在常規評價頁巖層系的脆性時，以脆性礦物含量作為評價參數，但往往忽視了埋深控制的地層的溫度和圍壓這些重要的外在因素，換言之，即使脆性礦物含量較高的頁巖至于埋深較大的環境中，其脆性也會降低[20]，因此，在評價頁巖的脆性時，不容忽視埋深這一重要因素。

目前研究認為，巖石的泊松比對應與巖石受力后破壞的能力，彈性模量則反應巖石破壞后對外力的抵抗能力，低泊松比和高彈性模量的巖石力學脆性較好[21]。因此，基于力學參數獲取的簡便性，借鑒Rickman脆性指數計算公式對不同埋深下頁巖的脆性進行計算，公式如下：

(1)

式(1)中：BR為Rickman脆性指數；E為彈性模量，10 GPa；μ為泊松比。

通過計算結果表明，隨著埋深的增加，脆性礦物含量接近相同的頁巖的脆性整體呈現下降的趨勢(圖5)。其中，在埋深為4 500 m內，脆性礦物含量介于75%～80%內的巖樣，脆性由75.3%下降至60.8%，為有利壓裂的頁巖層段，而脆性礦物含量介于55%～60%的巖樣，脆性由61.4%下降至46.8%。

據頁巖氣勘探開發實踐經驗表明，脆性為50%為工程“甜點”下限，即脆性低于50%者，不利于頁巖氣藏的改造。另一方面，根據2014年中華人民共和國國土資源部頒布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》(DZ/T 0254—2014)中對深層頁巖氣藏的劃定，認為埋深在3 500～4 500 m者為深層頁巖氣藏[22]。由圖5中所顯示的埋深與頁巖脆性變化趨勢，分析得出脆性礦物含量介于60%～65%的頁巖在埋深接近4 500 m時，脆性指數為50%，由此初步得出，頁巖脆性礦物含量介于60%～65%，頁巖氣勘探開發風險埋深為4 500 m。

3.4 不同埋深下頁巖破裂模式

通過對實驗后發生破壞的巖樣觀察發現，不同實驗條件下巖樣的破壞模式不盡相同(圖6)，體現在以下兩個方面。

圖5 不同埋深條件下頁巖脆性變化趨勢Fig.5 The change of shale’s brittleness under different buried depth conditions

圖6 巖樣在實驗后破壞的樣式Fig.6 The pattern of rock sample failure after experiment

圖7 基于實驗測試的不同埋深下頁巖巖樣破壞模式Fig.7 Fracture mode of shale samples under different buried depths based on experimental test

(1)埋深較淺的巖樣，實驗測試后破壞模式比較復雜，裂縫主要沿垂直方向貫穿巖樣，同時在主要的破裂周邊可觀察到大量伴生的微裂縫，裂縫面粗糙不平整；埋深較大的巖樣，實驗測試后破壞模式較為單一，破裂主要呈現一定的角度相交，垂直貫穿巖樣者少見，且某一破裂的延伸受阻于另一破裂而發生截斷，裂縫面較為平整，無明顯伴生的微破裂。

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(2)通過對不同埋深下巖樣的破壞模式進行比較發現，巖樣的破壞模式總體分為3類：劈裂型、雙剪切型和單剪切型。埋深較淺的巖樣，破裂模式以劈裂型為主；中等埋深下的巖樣，破裂模式呈劈裂-雙剪切型和雙剪切型；埋深較大的巖樣，破裂模式呈雙剪切和單剪切為主(圖7)。

以上分析結果表明，低埋深條件下的巖樣受到壓力發生破壞的程度更高，破碎程度更加充分，若在此埋深下對頁巖層系進行壓裂改造，將形成大量破裂面以及滲流通道，但勘探開發實踐發現，埋深較小的頁巖層系往往保存條件較差，壓力系數較低。然而，在何種埋深范圍內頁巖的力學性質既能保證其脆性，壓裂后能夠形成較為復雜的裂縫系統，同時又能最低程度避免前期地質構造運動對其進行的破壞，下文將對此進行展開分析和論述。

4 討論及建議

深層頁巖氣的勘探開發是中國“十三五”期間的重點規劃和工作部署[23]，目前的研究共識認為，深層條件下的巖石脆性低，且破裂程度低，這種現象往往造成氣藏壓裂改造過程中施工難度加大，體現在開發初期施工泵壓過高，加砂困難，同時壓后裂縫發生迅速閉合，最終導致裂縫導流能力降低，產量迅速下降[24]。如何減弱埋深給巖石脆性和破裂程度等各方面帶來的限制，進一步尋找更大埋深范圍內有利的壓裂層段，需要對川東南深層頁巖氣藏的埋深下限進行剖析和劃定，并在此基礎上積極開展相關壓裂技術的攻關實驗的探索。

4.1 頁巖氣技術可采的埋深下限及壓裂效果

近年來，在四川盆地內埋深介于3 500～4 500 m的龍馬溪組頁巖氣獲得了較為理想的勘探開發效益，累計約有5.5×104km2的覆蓋范圍，其中，川東南地區最具勘探開發潛力[9]。部分學者對川東南不同埋深的龍馬溪組頁巖氣藏的裂縫和產能進行了研究(圖8[9])。其中：焦石壩地區JY1井龍馬溪組頁巖埋深處于脆-延性轉化帶內(埋深介于2 195～4 464 m)，整體接近脆性帶，裂縫發育程度適中，試氣產量為20.3×104m3/d；而丁山地區DY2井龍馬溪組雖然埋深也在脆-延性轉化帶內(埋深介于2 443～4 438 m)，但接近延性帶，脆性較低，裂縫欠發育，試氣產能為10×104m3/d，但產能迅速下降至2.6×104m3/d[25]。

通過上述分析發現，頁巖的脆性或者延性特征與裂縫和產量密切相關。前文已經對不同脆性礦物含量的頁巖進行了在不同埋深條件下的三軸壓縮試驗，綜合分析認為，脆性礦物含量介于60%～65%的頁巖層系，有利壓裂的埋深下限約為4 400～4 500 m，在此埋深下限以上的頁巖，普遍可以滿足工程“甜點”的最低要求，壓裂改造后可以形成較為理想的裂縫系統，獲高產和穩產。

圖8 不同埋深下壓裂后的產量變化曲線及裂縫發育模式[9]Fig.8 Yield variation curve and fracture development model after fracturing under different buried depths[9]

4.2 加強深層頁巖氣壓裂技術攻關的建議

(1)壓裂前進行酸化處理，優化酸液配劑。研究表明，酸液可促進脆性礦物中碳酸鹽礦物的溶蝕，進而產生溶蝕孔洞或者流體通道，促進裂縫疏導能力。以往的預處理酸液主要采用濃度為15%的HCl，但對頁巖滲透率的增加并不明顯，后期可考慮采用6.0%HCl+1.5%HF的稀土酸作為預處理酸液[27]，或者前期繼續采用15%的HCl，后期降低酸液濃度至5%[28]，均可以有效增加巖石的滲透率。

(2)壓裂施工過程中，采用新型環保壓裂介質，如液氮。雖然目前仍然大規模采用水力壓裂，但不可避免黏土遇水發生水化膨脹，最終進一步降低頁巖層系整體的脆性，而采用液氮這一種壓裂介質，其優點在于：液氨汽化可吸收大量的熱量，局部可造成巖石冷卻收縮并出現收縮裂縫(圖9)；液氮正常溫度為-196 ℃，如此低的溫度下，巖石會變得更脆；液氮汽化發生較大的體積膨脹，可進一步對巖石進行壓縮[29]。

圖9 對樣品進行液氮冷凝收縮處理前后的 裂縫發育效果對比[30]Fig.9 Comparison of fracture development effects before and after liquid nitrogen condensation and shrinkage treatment[30]

(3)天然裂縫的力學性質較為薄弱，往往是優選有利壓裂層段優先考慮的主要地質因素，這是由于天然裂縫可改變人工裂縫延伸方向，多級轉向裂縫和天然裂縫相互交切，最終共同形成了整個頁巖層系內部復雜的裂縫系統[31]。通過地震、測井對裂縫進行解釋和預測，優化水平井方向，以鉆遇更大范圍內的天然裂縫。

(4)深層頁巖層系上覆地層壓力大，巖石的破裂壓力高，水力壓裂所形成的裂縫發生快速閉合，前期所采用的單一粒徑的支撐劑容易抵抗不住如此大的壓力而嵌入地層或者被壓碎，最終降低裂縫的疏導能力。因此，可考慮改用一定比例的多尺度、多粒徑(20～140目)的陶粒或者石英砂等支撐劑，以支撐起更多開度下的多級裂縫，提高人工裂縫的支撐能力[24]。

5 結論

(1)川東南地區龍馬溪組頁巖自南東向北西方向的埋深逐漸加大，埋深超過3 500 m者覆蓋面積接近一半，50%以上的頁巖氣資源量集中于此埋深范圍。

(2)隨著埋深的加大，頁巖抵抗破壞的峰值強度和峰值應變增加，在埋深2 044～4 388 m內，兩者增幅分別為107.8 MPa和1.14%；頁巖脆性隨埋深的增加呈非線性遞減趨勢，其中脆性礦物含量介于60%～65%的頁巖，在埋深接近4 500 m時，脆性指數下降至50%；埋深加大，巖石的破壞程度和破壞模式也由復雜的劈裂型向單一的剪切型過渡。

(3)脆性礦物含量介于60%～65%的頁巖層系，有利壓裂的埋深下限約為4 400～4 500 m；在提高頁巖的脆性、裂縫的復雜程度以及裂縫的疏導能力等方面，提出在開采深層頁巖氣過程中，應合理優化壓裂前預處理酸液配劑，采用液氮等新型環保型壓裂介質，有效利用天然裂縫等力學性質薄弱的構造等優勢，采用多粒徑支撐劑以支撐多級開度裂縫等諸多建議。