石英含量對頁巖力學特性及能量演化的影響

王爽, 鄔忠虎, 陳筠, 唐摩天

(1.貴州大學資源與環境工程學院， 貴陽 550025； 2.貴州大學喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室， 貴陽 550025； 3.貴州大學土木工程學院， 貴陽 550025； 4.貴州理工學院繼續教育學院， 貴陽 550003)

黔北頁巖氣是國土資源部第二輪頁巖氣招標區塊之一，在中國非常規天然氣區塊中占有極其重要的地位，其成功開采為中國能源供應和經濟結構完善做出重大貢獻[1-2]。

從頁巖儲層物性、巖相特征出發，研究頁巖的成熟度和形成演化過程，其中成巖作用、構造作用和埋藏深度在頁巖形成演化過程中扮演著至關重要的角色[3]；頁巖孔隙是頁巖氣吸附儲藏場所[4-5]，而天然裂縫則是頁巖氣的運移通道[6-7]，兩者與構造應力、礦物性質、礦物含量密不可分[7-8]；相關學者研究了復雜構造作用下，頁巖孔隙特征、形成演化機制和脆性礦物分布特征[9-10]，得出復雜構造作用下頁巖孔隙和礦物性質及分布存在一定相關性[11]；儲層裂縫預測作為頁巖氣甜點區域劃定的重要依據，主要有定性和定量兩種預測方法。站在斷裂的角度定性預測來看，斷裂帶兩側、斷裂末端及斷裂交匯處是儲層裂縫發育地帶[12]，而分形維數[13]、地震與測井[6]、構造應力場數值模擬[14]等定量預測儲層裂縫的方法也日漸成熟；通過對黔北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖巖心和露頭樣品進行相關測試和試驗得出天然裂縫[15]、有機碳含量與礦物含量、性質及分布之間的關系[16]。在這些巖樣中，天然裂縫主要以高角度構造裂縫為主[17]，其中被填充程度可達95%，且方解石為主要填充礦物[18]；從具有多場耦合性質的單三軸壓縮試驗來看[19]，研究層理[20]、礦物性質[21]等對頁巖力學性質[22]、滲透性和裂縫擴展的影響[23]，為頁巖氣儲層壓裂改造和裂縫擴展機理提供理論支撐，從而進一步提高頁巖氣的開采質量和開采效益[24]。

綜上，學者們在研究頁巖氣的高效開采中做了大量工作，奠定了堅實的理論基礎和技術指導[25]，并為后期的深入研究提供可行性方向[26-28]。石英作為頁巖中主要礦物(也是主要脆性礦物)，對頁巖的力學性質產生重要影響[29]，前人研究主要集中在石英類型與孔隙和天然裂縫之間的關系[3]，但鮮有石英含量與頁巖力學性質之間的相關文獻報道。因此，現以貴州省黔北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖巖心為對象，研究在單軸壓縮條件下不同石英含量對頁巖力學性質和壓裂改造的影響，并在此基礎上，分析頁巖中不同石英含量在單軸壓縮條件下的能量演化特征。

1 頁巖儲層特征與區域地質背景

1.1 研究區頁巖儲層特征

研究區頁巖儲層礦物組分復雜多樣，主要劃分為脆性礦物(如石英方解石等)和黏土礦物(如高嶺石和伊利石等)。研究區下寒武統牛蹄塘組主要為黑色碳質頁巖，上部為黑色泥巖(含碳質)，下部為黑色碳質泥巖、硅質泥巖和硅質薄層。頁巖中脆性礦物含量越高，在構造應力和外力壓裂改造過程中越容易產生裂縫，為頁巖氣提供賦存空間和滲流運移通道。通過交叉偶極子陣列聲波測井技術對研究區FC-1井頁巖儲層力學性質分析可知，碳質泥頁巖的彈性模量為2.32×104～6.19×104MPa，平均值為4.91×104MPa；體積模量為1.75×104～4.96×104MPa，平均值為3.20×104MPa；泊松比為0.20～0.33，平均值為0.24；破裂壓力為39.02～67.14 MPa，平均值為59.27 MPa；脆性指數為12.02～51.87，平均值為34.07[30]。

1.2 區域地質背景

研究區內，構造應力場是形成天然裂縫的根本原因，主要受海西、燕山和喜馬拉雅等多期構造運動疊加，造成了揚子地臺復雜的構造形態[9, 14]。其中以燕山運動最為重要，在該期間內研究區受到西北-東南向擠壓應力場，后期研究區遭受了近東西向的喜馬拉雅運動擠壓應力場，與先期燕山運動具有明顯的繼承疊加關系，具體見圖1所示[14, 23]。研究區內發育一系列北東向和南北向的復背斜和復向斜構造，形成以“隔槽式”結構為主的褶皺形態；斷裂是由多個走向斷裂相互切割，聯合作用形成的，以北北東向-北東向的扭性斷裂為主。這些構造行跡中南北向構造形成最早，北東向構造帶形成最晚，北北東向構造帶的形成時間在兩者之間[10, 17]。研究區內頁巖儲層天然裂縫發育程度與斷層性質存在很大關系，一般來說壓扭性斷層天然裂縫發育程度較高；其次構造類型對頁巖儲層天然裂縫發育程度也存在一定影響，背斜構造兩翼的裂縫發育程度和貫通性均低于軸部[31]。

2 樣品測試與理論

2.1 樣品測試

五個樣品均來自于貴州黔北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖巖心，先將樣品加工處理成相同尺寸大小，加工尺寸直徑約為25 mm，高度約為50 mm，這些樣品主要為灰黑色硅質頁巖；孔隙度對頁巖的力學性質存在一定的影響，采用具有N2的FYKS-2高溫覆壓孔滲測定儀來測量五個樣品的孔隙度，從而分析頁巖力學性質與孔隙度的關系，樣品基礎數據見表1；采用X射線衍射儀對五個樣品進行礦物成分分析，五個樣品中，石英為主要組成礦物，其含量均超過49%，其中樣品1石英含量超過80%，依次還有長石、黃鐵礦、鐵白云石和黏土礦物，石英礦物含量與黏土礦物含量呈負相關關系；有機碳含量為3.54%～8.12%，較偏高，具體見圖2所示。

A為主要構造運動疊加；B為斷裂發育程度分布圖；C為研究區構造分布圖1 研究區構造運動及斷裂分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of tectonic movements and distribution of fractures in the study area

表1 樣品基礎數據

圖2 五個樣品礦物含量Fig.2 Mineral content of five samples

2.2 單軸壓縮試驗

采用INSTRON 1346電液伺服控制材料試驗機(200T)對五個頁巖樣品進行單軸壓縮試驗，分析不同石英含量頁巖在單軸壓縮條件下的應力-應變曲線變化特征，以及計算不同石英含量頁巖的損傷變形和能量演化。試驗加載方式為軸向加載，選取位移控制，試驗軸向位移加載速率為0.01 mm/min，加載設備及示意圖如圖3所示。

2.3 能量演化機制

標準單位巖樣在單軸加載作用下所產生的變形破壞具有典型的非線性力學特征，假設巖樣在變形破壞過程中與外界介質不發生熱量交換，則該過程中頁巖吸收的總能量U、釋放彈性應變能Ue和消耗應變能Ud之間相互轉換，維持動態平衡[32-33]。根據熱力學第一定律，頁巖在加載過程中能量轉換關系式[34]為

U=Ue+Ud

(1)

(2)

圖3 單軸壓縮示意圖Fig.3 Schematic diagram of uniaxial compression

(3)

(4)

2μ(σ1σ2+σ2σ3+σ1σ3)]

(5)

3 試驗結果分析

3.1 力學性質

將脆性指數與儲層可壓裂性聯系在一起來評判頁巖儲層水力壓裂改造難易程度，學者通常認為脆性越高，脆性指數越大，儲層越容易被壓裂改造，從而頁巖氣產能越高[35]。但是，部分學者認為脆性指數無法真正定量衡量儲層的壓裂改造難易程度，由于不同段儲層巖石礦物組分含量差異較大，無法在實際壓裂改造作業中取得良好效果[36]。然而，相對來說脆性儲層的可壓裂性總體偏好，更容易形成壓裂裂縫，增加頁巖氣滲流通道[37]。圖4為五個樣品的脆性指數擬合曲線，該脆性指數是基于頁巖礦物組分進行確定的，其值等于石英和鐵白云石礦物含量之和與總礦物含量之比，其表達式為

Br=(Wqtz+Wdol)/WT

(6)

式(6)中：Br為脆性指數；WT、Wqtz和Wdol分別為礦物總含量、石英含量和鐵白云石含量。

圖4 石英含量與脆性指數的關系Fig.4 Relationship of quartz content and brittleness index

從圖4中可以看出，石英含量與脆性指數具有高擬合程度，擬合指數R2=0.933，說明石英含量是頁巖脆性評價的主要礦物成分，同時也說明黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖儲層脆性程度較高。

應力-應變曲線能很好地表征巖石在受壓過程中的變形破壞情況，從而反映巖石性質以及在各變形階段的可能影響因素[38-39]。圖5為不同石英含量下頁巖受壓過程中變形破壞的應力-應變曲線，與典型應力-應變曲線類似，但也存在較小差異。

(1)在裂隙壓密階段，五個樣品呈現出相似的上凹型，說明樣品中存在一定的微裂縫、微孔洞和充填物，在應力加載過程中表現出非線性特征，該過程長短視加載速率大小與微裂縫、微孔洞和充填物多少而定。

(2)巖樣被壓密后，變形進入彈性變形階段，樣品由不連續介質轉化為似連續介質，該階段長短視巖性的堅硬程度而定。圖5(a)和圖5(e)在裂隙壓密階段之后出現線性特征直至巖樣破壞，沒有出現屈服現象，這種應力-應變曲線變化趨勢屬于塑-彈性型，說明這兩個巖樣中不僅裂隙孔隙發育，而且非常堅硬，以彈性變形為主。從礦物含量上來看，這兩個巖樣的石英含量占比很大，均超過了80%，進一步說明石英含量對頁巖的力學性質影響明顯。

(3)圖5(b)～圖5(d)在曲線末端見微小的非線性屈服段，因為這三個巖樣中石英含量相對其他兩個巖樣占比小很多，對頁巖的力學性質影響相對較小，其次巖樣中石英含量依然在頁巖中占有很大比例，因此應力-應變曲線表現出較緩的塑-彈-塑性型。

(4)在應力持續加載作用下，巖樣內部單元基質達到自身的極限強度，巖樣開始變形，微裂隙等不斷萌生，逐漸形成貫通性破壞面，并被分裂成相互脫離的塊體，從而導致完全破壞。圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)巖樣承載力達到峰值后，曲線幾乎垂直跌落，而圖5(b)和圖5(c)曲線呈一定夾角，說明圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)具有明顯的脆性破壞特征，正好對應石英含量最多的三組巖樣，如圖6所示[38]。

(5)從峰值應力處巖樣的破壞特征來看，圖5(b)和圖5(c)中巖樣破壞為剪斷破壞。在穩定破裂階段，巖樣中的萌生的拉張分支裂隙生長方向逐漸轉向最大主應力方向，也就是軸向方向，隨著應力的持續加載，巖樣變形進入不穩定破裂階段，此階段出現與上述裂隙相垂直的法向壓碎帶，使得巖橋遭到破壞，不斷削弱鎖固段巖石的強度，當所有裂隙轉向至與最大主應力平行時，則導致巖樣完全破壞。破壞面幾乎垂直貫穿整個巖樣，少有巖塊崩落飛濺而出，說明軸向主破裂面控制巖樣的最終破壞，以及脆性特征相對較弱。而相對圖5(b)和圖5(c)的圖5(a)、圖5(d)、圖5(e)來說，導致巖樣最終破壞的破裂面多很多，且沿最大主應力方向破壞，巖樣呈現多塊狀不規則破壞，尤其是圖5(a)和圖5(e)最為顯著，說明裂隙發育貫通性好，也進一步得出石英含量對頁巖力學性質影響顯著。

圖5 不同石英含量頁巖的應力-應變曲線和破壞特征Fig.5 Stress-strain curves and damage characteristics of shales with different quartz contents

圖6 應力-應變曲線脆性程度模型Fig.6 The brittleness degree model of stress-strain curve

彈性模量為巖石在加載受壓作用下法向應力(或者拉伸應力)與沿法向應力方向的應變(或者相對伸長)的比值。其意義為巖石作為彈性體時發生單位線應變而產生的應力大小。彈性模量用來度量巖石在壓縮過程中抗張變形時所產生的應力大小，是巖石張變彈性強弱的重要標志。巖石彈性模量的大小決定巖石在受外力作用下變形破壞的難易程度，是巖石彈性力學性質的重要參數[30]。

圖7 石英和黏土礦物含量與彈性模量的關系Fig.7 Relationship between quartz and clay mineral content and elastic modulus

石英含量不是影響頁巖力學性質的唯一因素，比如頁巖中天然裂縫和孔隙的發育程度，以及天然裂縫中填充程度和填充物的性質等都會對頁巖的力學性質產生一定的影響[12, 15]，但是，這些都與石英含量密切相關，例如，石英含量在一定范圍內，天然裂縫密度隨石英含量的增加而增加，也就是說石英含量越高，在外力作用下(構造應力和水力壓裂等)，頁巖儲層越容易被壓裂改造形成多裂縫網絡[29]；其次，頁巖中孔隙度發育程度與脆性礦物(石英+長石等)含量呈正相關關系[29]。同時，在脆性礦物顆粒周圍存在大量殘余孔隙，在外力壓裂過程中，裂縫主要沿脆性礦物邊緣殘余孔隙和顆粒間界面擴展。因此，脆性的增加將有助于裂紋的擴展，也間接說明石英含量與孔隙度之間存在一定的關系，從而影響頁巖的力學性質[9-10]；再次，黔北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖的天然裂縫中接近95.2%處于全填充狀態，這些被填充的天然裂縫中又接近80%為碳酸鹽類方解石脆性礦物，而黏土礦物填充比例不足6%，說明天然裂縫和其填充程度、填充物性質對減弱頁巖的脆性性質影響很小[18]。因此，石英不僅是頁巖的主要礦物成分，還是影響頁巖力學性質的主要因素。

圖7中，雖然頁巖的彈性模量總體隨石英含量的增加而增大，但是在石英含量差別不大的情況下，彈性模量卻存在一定差別，比如樣品1和5。甚至還存在石英含量小幅度增加，彈性模量卻降低的現象，比如樣品3和4，說明在石英含量接近的頁巖中，還有其他可能因素影響頁巖的力學性質，在此，以孔隙度這一因素進行簡要分析(天然裂縫及其填充程度和填充物性質也會對此產生一定影響，上述已說明影響程度)。圖8為相近石英含量頁巖樣品中的孔隙度和彈性模量關系圖，從圖8中可知，樣品4的石英含量高于樣品3，但是樣品4的彈性模量低于樣品3，而兩者的孔隙度大小卻剛好相反；樣品1和5的石英含量接近，且樣品1的彈性模量高于樣品5，但是兩者孔隙度大小也剛好相反，從這兩組石英含量相近的頁巖樣品的彈性模量大小相比較來看，孔隙度大小對石英含量相近的頁巖樣品的力學性質存在一定的影響，具體表現為當頁巖中石英含量相近時，彈性模量較大者，孔隙度較小；彈性模量較小者，孔隙度較大。但是在總的石英含量變化趨勢上，頁巖的彈性模量與石英含量呈正相關，隨石英含量的增大而增大。

圖8 不同石英含量頁巖所對應的彈性模量與孔隙度的關系Fig.8 Relationship between elastic modulus and porosity of shale with different quartz contents

3.2 能量演化

當外界應力施加至巖樣的同時，也在向巖樣輸入能量。當巖樣內的單元基質在外界加壓下達到其自身強度時就會發生變形破壞，在受壓變形破壞的過程中不斷吸收外界能量，其中一部分以彈性應變形式存儲于每個單元基質中，另外部分則以塑性應變能和熱能等多種消耗能的形式被轉化到其他地方，例如，在裂紋萌生和分支擴展過程中被消耗，或者在剪斷凸起體的滑動摩擦生熱的形式被消耗，這些能量釋放之后不能以其他方式進行保持和釋放。巖樣從受壓、變形、破壞到應力釋放的過程中，這些能量都是呈不同形式同時產生和存在的，以便相互轉化，只是各種性質的能量在巖樣受壓過程中所占總能量的比例各有差異[32-34, 40]。忽略巖樣在受壓過程中摩擦所產生的熱能以及其轉化，則巖樣所吸收的總能量主要以彈性能和消耗能的形式存在和轉化，具體如圖9所示。

圖9 單軸壓縮下不同石英含量頁巖的能量演化特征曲線Fig.9 Energy evolution characteristic curves of shale with different quartz contents under uniaxial compression

圖9中的能量變化趨勢可劃分為平緩-上凹-近線性增長和跌落4個階段。

(1)起初，巖樣剛開始受壓，巖樣中原存在的充填物、孔隙和結構面等逐漸被壓密閉合，此時巖樣中僅有少數的單元基質吸收能量或者結構面等被壓密的過程中所產生的少量能量。因此，能量曲線呈現出近平緩態勢。

(2)應力持續加載，巖樣成為似連續介質進入彈性變形階段，此階段不僅變形隨應力成比例增加，而且可恢復的彈性變形是該階段的主要特征，巖樣內部單元基質被壓縮變形逐漸開始吸收儲存能量，但是由于該階段加壓并沒有使單元基質達到其最大強度，也就是彈性極限，所以該階段能量曲線上升較緩，呈上凹型。

(3)持續加壓使得巖樣內部分強度較低單元基質超過了自身的彈性極限，導致單元基質發生破壞，能量開始急劇上升。進入不穩定破裂發展階段之后，之前薄弱的單元基質發生破壞，從而導致應力重分布致使應力集中在次薄弱的單元基質，其結果又引起次薄弱的單元基質破壞。從薄弱的單元基質開始出現破壞，使得應力重分布導致次薄弱的單元基質再次發生破壞的這個過程呈現出連續各個擊破的現象，從而能量曲線變現為近線性增長的趨勢。巖樣的最終破壞是由于內部單元基質連續破壞形成宏觀貫通性破裂面造成的，當巖樣達到峰值強度時就會發生完全破壞，而此處的巖樣吸收能量達到最大值。

(4)當巖樣完全破壞后，內部吸收能量也迅速擴散，曲線呈現跌落現象。

從石英含量的角度來分析受壓過程中巖樣的能量演化特征，五個巖樣不管石英含量占比多少，巖樣受壓過程中消耗能大于彈性應變能，低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量高，如圖9(a)、圖9(e)與圖9(b)、圖9(d)，這是因為高石英含量巖樣在受壓過程中，內部單元基質積聚的彈性應變能不易被釋放轉化，當部分單元基質達到自身彈性極限時發生破壞，裂紋迅速擴展從而導致巖樣整體突然破壞；而低石英含量巖樣中，部分弱單元基質發生塑性變形，但是不易致使裂紋擴展至強單元基質中，因此裂紋擴展貫通速度較緩，吸收的能量也就越高，這與地層中高脆性巖層因應力重分布而突然發生巖爆現象類似[39]。但圖9(c)石英含量占比較小，吸收能量也較小，這可能是因為弱單元基質破壞之后，裂縫沿著未完全閉合的結構面迅速擴展，致使宏觀裂縫快速貫通，從而導致巖樣破壞較早，吸收的能量相對較少。但總體來說，低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量高。

4 結論

(1)通過XRD對五個頁巖樣品礦物組分分析可知，石英為主要組成礦物，其含量均超過49%，最高可達81.3%；石英含量與脆性指數擬合為R2=0.933。

(2)樣品1和樣品5的應力-應變曲線沒有出現屈服階段，呈典型的塑-彈性型，且裂紋擴展多而復雜；樣品2、樣品3和樣品4的破壞面幾乎垂直貫穿整個巖樣，連續性較好，少有巖塊崩落飛濺而出，軸向主破裂面控制巖樣的最終破壞。

(3)當石英含量分別占比49.5%和81.3%時，彈性模量達到最低20.46 GPa和最高27.53 GPa；巖樣的彈性模量與石英含量和黏土礦物含量擬合指數分別為0.88和0.73。

(4)能量演化可劃分為平緩-上凹-近線性增長和跌落4個階段；巖樣受壓過程中消耗能大于彈性應變能，且低石英含量的巖樣吸收總能量普遍要比高石英含量大。