川南威遠地區筇竹寺組頁巖力學性質及可壓性評價

肖劍鋒, 胡棚杰, 韓烈祥, 沈建國, 李忠慧

1中國石油川慶鉆探工程有限公司 2長江大學石油工程學院 3長江大學油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室

0 引言

威遠區塊是四川盆地南部頁巖氣有利區，為國家級頁巖氣示范區。在四川盆地及周緣地區主要分布著大安寨段、須家河組、龍潭組、龍馬溪組、筇竹寺組、陡山沱組等6套富有機質頁巖[1]，其中龍馬溪組和筇竹寺組頁巖在威遠區塊最具有良好的勘探開發潛力。

目前，對威遠區塊龍馬溪組頁巖力學性質的研究已經取得了豐富成果，徐中華等[2]通過對龍馬溪組頁巖有機質成熟度的劃分，分析了不同有機成熟度頁巖的力學性能表現。劉洪等[3]通過龍馬溪組頁巖對不同溶液體系的吸水性研究，分析了頁巖水化作用對巖石力學性質的影響。熊健等[4]通過對不同方位上的頁巖試驗，分析了龍馬溪組頁巖力學特性的各向異性特征。王斌等[5]通過對龍馬溪組頁巖礦物組分的分析，得到了頁巖動靜態彈性參數的變化規律。崔春蘭等[6]從測井資料出發，對龍馬溪組頁巖儲層特征和對巖石可壓性影響因素進行了研究，并建立了相關的頁巖儲層可壓裂性的數學模型。

威遠區塊龍馬溪組頁巖巖石性質研究很好地支撐了頁巖氣實現商業化開采，但筇竹寺組頁巖作為油氣產能重要接替層位的研究相對較少。白名崗等[7]通過對泥頁巖的礦物組分和微觀特征的綜合分析，得到了研究滇東曲靖地區筇竹寺組泥頁巖儲層特征及孔隙類型。王鵬萬等[8]通過對筇竹寺組頁巖元素地球化學特征及形成的古環境研究，認為筇竹寺組一段相對于二、三段更具有開采價值。王瀚瑋等[9]通過隨鉆測井計算方法的研究，建立了筇竹寺組頁巖相關的脆性指數計算方法。據董大忠等[10]對威遠區塊頁巖氣藏資源的研究表明，筇竹寺組是最有利頁巖氣藏勘探開發層段，值得進一步深入研究，但頁巖基礎力學及可壓性研究仍不夠充分，因此開展相關研究對威遠區塊頁巖氣持續高效開采具有重要意義。

以往對于筇竹寺組頁巖的研究主要偏向于對地質儲量、甜點預測、成藏機理的研究，對力學特征的研究較少，對地層壓裂設計會產生影響。筆者對筇竹寺組進行了礦物組分分析、抗壓和抗拉強度及地應力大小測試，從微觀特征和力學特征的角度對筇竹寺組頁巖進行了評價，并與龍馬溪組頁巖進行了對比分析，并基于此進行了可壓性分析評價，研究結果對筇竹寺組頁巖的高效開發起到一定的借鑒作用。

1 頁巖微觀特征研究

1.1 頁巖礦物組分特征

全巖礦物和黏土礦物X衍射分析采用Bruker D8 Advance 型 X 射線衍射儀測試，嚴格按SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》標準完成。測試結果顯示，威遠區塊筇竹寺組頁巖主要屬于硅質頁巖，少部分屬于混合質頁巖(圖1)，而龍馬溪組頁巖主要為混合質頁巖。筇竹寺組和龍馬溪組頁巖礦物組分均以石英和黏土礦物為主，長石、方解石等脆性礦物次之，白云石、黃鐵礦等自生礦物最少(圖2)。

圖1 筇竹寺組頁巖礦物組分三元圖

圖2 全巖礦物組分相對含量直方圖

兩組頁巖脆性礦物含量(石英+長石+方解石)均大于50%，高于行業認可的壓裂標準(脆性礦物含量≥40%)，具備產生復雜的裂縫系統的基本條件，主要差異性體現在長石和方解石含量上的不同。筇竹寺組頁巖長石含量遠高于龍馬溪組長石含量，長石的硬度和脆性都大于方解石，宏觀上可能反映出頁巖強度較大但易碎的特征。從礦物組分的角度上看，筇竹寺組頁巖脆性大于龍馬溪組，但具體壓裂情況還要取決于壓裂施工壓力及原始裂縫的分布。

1.2 頁巖微觀結構特征

頁巖微觀結構特征分析采用FEI Quanta 250掃描電子顯微鏡掃描，依據SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》標準完成。根據測試結果顯示，筇竹寺組頁巖礦物顆粒之間為泥質膠結，膠結程度中等，孔隙發育較差，但存在大量形態各異的微裂縫。根據裂縫形態統計分類，筇竹寺組頁巖裂縫主要存在高角度填充縫、低角度順層縫、多角度剪切縫、粒間張開縫等四種裂縫。其中以低角度順層縫(圖3b)和多角度剪切縫(圖3c)最為發育，約占總裂縫的72%，其次為高角填充度(圖3a)和粒間張開縫(圖3d)，約占總裂縫的24%，其余裂縫形態無明顯規律性。

圖3 筇竹寺組頁巖空間結構特征圖

根據裂縫是否被填充分為完全填充縫、部分填充縫和張開縫三類，其中完全填充縫約占26%，部分填充縫約占10%，張開縫約占64%，常見填充物有方解石和黃鐵礦，其中方解石占所有填充材料的95%以上，為絕對主導的填充物。而前人[11-12]對龍馬溪組裂縫發育情況研究表明，龍馬溪組天然裂縫主要以多角度剪切縫為主，且多按雁列式排列，裂縫寬度集中分布在 1 mm 以內，裂縫填充程度較高，其中完全充填裂縫占裂縫總數的65%, 半充填裂縫占26%, 張開裂縫僅為9%，填充物仍以方解石為主要填充物。

從微觀結構特征來說，威遠區塊筇竹寺組頁巖天然裂縫發育程度較高，發育種類豐富，且裂縫有效性較好，完全填充縫僅占26%，低于龍馬溪組裂縫填充程度，當施工壓力達到巖石強度后，相較于龍馬溪組頁巖更容易產生復雜縫網。

2 頁巖力學特征研究

2.1 抗拉強度測試

地層裂縫的產生是巖石拉伸破壞的表現，當頁巖受到的拉應力超過頁巖抗拉強度時就會發生拉伸破壞。除此以外，當地層裂縫閉合后將裂縫再次開啟需要克服地層巖石的抗拉強度，因此，抗拉強度是頁巖壓裂的重要參數。抗拉強度采用巴西劈裂法間接測量，采用TAW-2000型巖石三軸試驗儀完成，測試結果如表1所示。

表1 威遠區塊筇竹寺組頁巖巴西劈裂試驗數據

試驗結果表明，筇竹寺組頁巖抗拉強度在3.16～4.67 MPa之間，均值為3.82 MPa，龍馬溪組頁巖抗拉強度在1.42～2.29 MPa，均值為1.65 MPa。巖石抗拉強度較小、差異性不大。筇竹寺組頁巖地層天然微裂縫發育，天然裂縫的抗拉強度小于巖石的抗拉強度，因此在壓裂時裂縫會優先連通天然裂縫，使壓裂裂縫走向不再嚴格按照最大主應力方向拓展，但地應力仍主導著裂縫走向，對地層壓裂的影響較小。

2.2 抗壓強度測試

頁巖單軸壓縮試驗采用TAW-2000型巖石三軸試驗儀測試，根據DZ/T0276.18—2015《巖石物理力學性質試驗規程》標準完成。測試樣品為層理面內，以水平主應力方向為起始，以30°為增量鉆取的0°、30°、60°、90°巖樣，主要進行單軸壓縮試驗，試驗結果如表2所示。

表2 威遠區塊筇竹寺組頁巖單軸壓縮試驗數據表

通常情況下，彈性模量越高，巖石在破碎后維持破碎形態的能力越強[13]，泊松比越低，脆性破壞的可能越大，兩組頁巖彈性模量差異性不大，但筇竹寺組頁巖泊松比低于龍馬溪組，由此認為筇竹寺組頁巖脆性條件優于龍馬溪組頁巖。

2.3 地應力差異系數

地應力是評價頁巖儲層可壓性的關鍵參數之一，地應力大小影響著壓裂裂縫的主要形態，地應力差異性影響著裂縫網絡的復雜程度[14]。地應力測試采用DS5-16B全信息聲發射儀測試，根據聲發射Kaiser效應法測量，地應力測試結果如表3所示。通常情況下，其中一個水平應力最小時，壓裂生成垂直裂縫，反之生成水平裂縫。當生成垂直裂縫時，水平地應力的差異性越小，越容易形成復雜縫網。根據測試結果顯示，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖均為水平地應力最小，壓裂時產生垂直裂縫，水平地應力差異系數在0.10～0.21之間，一般認為地應力差異系數小于0.3時，形成復雜裂縫網絡的可能性越大，因此研究區筇竹寺組地層壓裂容易產生復雜垂直縫網。

表3 威遠區塊筇竹寺組地應力測試結果

3 頁巖儲層可壓性評價

頁巖儲層的可壓性好壞代表頁巖儲層被有效壓裂的難易程度，影響可壓性的因素眾多，如脆性、斷裂韌性、天然裂縫、層理面、壓裂液排量和黏度等，其中脆性是頁巖儲層的本質屬性，它對可壓性的影響也最大。從屬性方面來講，頁巖的脆性特征即是儲層可壓性特征，因此，本文將用脆性來表征筇竹寺組頁巖儲層可壓性。

目前關于頁巖脆性的定義尚未有一致性認識，缺乏統一的標準和方法。根據前人研究的目的[15]，大致可分為基于礦物組分、強度特征、全應力應變曲線、能量、碎屑含量等脆性評價方法。本文結合頁巖微觀特征和力學特征，主要以礦物組分、抗拉抗壓強度比及地應力差異系數三個方面綜合評價儲層脆性特征。評價結果見表4。

可壓性綜合系數計算公式為：

B=αB1+βB2+γB3

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

式中：B—可壓性綜合系數；B1—礦物組分，%；B2—抗拉抗壓強度比；B3—地應力差異系數；α、β、γ—分別為三種脆性評價值的權重參數，無量綱；CX—礦物組分X的體積分數，%；σc—巖石抗壓強度，MPa；σt—巖石抗拉強度，MPa；σH—最大水平主應力，MPa；σh—最小水平主應力，MPa。

可壓性綜合評價系數為礦物組分、抗拉抗壓強度比、地應力差異系數這三個脆性值的加權，式中α+β+r=1，權重系數根據實際情況選擇，在這里取α=β=r=1/3，綜合評價結果如表4所示，筇竹寺組頁巖可壓性整體優于龍馬溪組頁巖，其中筇二段頁巖可壓性最好，是優質可壓裂層位。

表4 頁巖脆性綜合評價表

4 結論

(1)威遠區塊筇竹寺組頁巖主要屬于硅質頁巖，少部分屬于混合質頁巖，而龍馬溪組頁巖屬于混合質頁巖。筇竹寺組頁巖脆性礦物含量高于龍馬溪組，具有良好的物質基礎條件。

(2)威遠區塊筇竹寺組頁巖孔隙不發育，但天然微裂縫發育程度高，存在高角度填充縫、低角度順層縫、多角度剪切縫、粒間張開縫等四種裂縫，裂縫填充度低于龍馬溪組，裂縫有效性好，具有良好的儲層改造條件。

(3)研究區筇竹寺組力學性能較好。彈性模量大，均值為32.5 GPa；泊松比小，均值為0.189；抗拉/抗壓強度比值高，地應力差異性系數小，在0.10～0.23之間，容易形成復雜人工縫網的垂直裂縫，具備產生復雜縫網的力學條件。

(4)可壓性綜合評價結果顯示，筇竹寺組頁巖可壓性整體高于龍馬溪組，其中筇二段可壓性最好，屬于優質可壓裂層位，具有一定頁巖氣勘探開發和壓裂改造的潛力。