昭通淺層頁巖氣儲層巖石力學性質研究

朱俊星，冷元昊

（1.國家管網集團中原儲氣庫有限責任公司，河南 濮陽 457000；2.遼寧大學 環境學院，沈陽 110036）

四川盆地南部昭通區塊五峰組-龍馬溪組具有儲層厚度優質、有機碳硅質含量高等優點，資源潛力巨大，是我國頁巖氣壓裂改造的主力開發區。頁巖氣儲層作為一種非常規油氣藏，儲層低孔低滲，常規方式難以開采，要對其進行體積壓裂改造并形成復雜的裂縫網絡才能夠使產能穩定。這主要取決于頁巖氣儲層形成復雜縫網的能力即可壓性，評價其可壓性就要對其巖石的力學性質進行研究[1-3]。

前人憑借各種資料和方法對昭通區塊的巖石特征、沉積背景、形成環境及賦存機制等方面開展了大量的研究[4-6]，WU 等[7]對四川盆地及周緣五峰組-龍馬溪組頁巖有機質宏微觀賦存機制進行了研究；吳藍宇等[8]研究了上揚子區奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組沉積期火山活動對頁巖有機質富集程度的影響；王玉滿等[9]探究了四川盆地東部五峰組-龍馬溪組斑脫巖發育特征及地質意義；王濡岳等[10]研究了五峰組-龍馬溪組頁巖儲層特征與演化機制；梁超等[11]探究了四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖巖相及儲集空間特征；邱小松等[12]對五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征作了研究，但目前針對該儲層的巖石力學性質的研究還較少。

本文以昭通上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組淺層頁巖氣儲層巖心為研究對象，結合實驗室數據，綜合儲層脆性、抗壓強度、層理發育程度及儲層地應力，獲得了昭通淺層頁巖氣巖石力學性質、水力裂縫擴展主控因素及縫網形成能力，為研究區下一步的工程措施實施提供了有效的技術支持。

1 地區巖層概況及礦物組成

昭通示范區淺層頁巖氣儲層地表以云貴高原山地地貌為特征，構造位置上處于四川盆地川南低陡褶皺帶與滇黔北坳陷過渡部位[13-15]。區內發育有海相與陸相2 套地層，海相頁巖主要有下震旦統陡山沱組、下寒武統筇竹寺組及上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組3套，以五峰組-龍馬溪組為現實的頁巖氣主要勘探目的層系[16-20]。五峰組-龍馬溪組龍一1 亞段東西方向發育穩定，而南北方向有變化，厚度整體呈現由北向南減薄趨勢。五峰組由泥質介殼灰巖、黑色筆石頁巖組成，厚度較薄，一般為2.0~6.0 m；龍馬溪組龍一1 亞段以炭質頁巖與黑色硅質頁巖為主，富含筆石化石和黃鐵礦，厚20.0~40.0 m。依據電性、巖性和筆石化石特征，在縱向上可劃分出龍馬溪組一段和龍馬溪組二段2 個巖性段。

選取各井不同層位的巖心樣品11 組進行X-射線衍射分析，實驗結果如圖1 所示。實驗結果表明，礦物組分中脆性礦物石英和長石的含量在27.5%~58.6%，平均為46.25%，黏土礦物含量在15.1%~35.3%之間，平均為26.68%，巖心樣品中的白云石和方解石含量為10.7%~42.7%，平均為27.07%，此外還含有少量的黃鐵礦，總體上石英和長石所占比例較高，脆性整體較好。此外，又選取了13 組巖心樣品進行了TOC 含量檢測，實驗結果表明，儲層整體TOC 含量在1.3%~6.72%，平均為3.37%，整體屬于較高水平。總體來看，昭通頁巖氣儲層整體脆性礦物含量較高，TOC 含量較高，巖石脆性整體屬于較高水平，有利于壓裂改造。

圖1 昭通區塊儲層巖石礦物組分

2 巖樣三軸壓縮力學參數研究

2.1 實驗樣品及實驗裝置

實驗樣品來自昭通區塊三口直井的五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層巖心。樣品沿垂直地層取心，切割成25 mm 直徑，高度為直徑的2 倍，約為50 mm 的標準巖心。試件制備的精度，在試件整個高度上，直徑誤差不超過0.3 mm。兩端面的不平行度最大不超過0.02 mm。端面應垂直于試件軸線，最大偏差不超過0.25°（圖2）。開展三軸巖石力學實驗的設備為電液伺服高壓動態巖石三軸測試系統-GCTS 壓機（圖3），型號為RTR-1500。RTR 高壓巖石綜合測試系統是一套閉環數字伺服控制裝置，用于簡便快速的進行巖石試樣實驗。該設備圍壓最高可達140 MPa，分辨率約為0.01 MPa，軸壓最高可達1 500 kN，能夠模擬地層在高壓條件下測試巖石的三軸壓縮實驗，測試得到巖石的楊氏模量、泊松比、抗壓強度等力學參數，為設計水力壓裂提供參考。樣品深度都位于2 000 m 以內，主要來自龍一2、龍一11、龍一12、龍一14和五峰層位的巖心樣品，取心情況見表1。

表1 各井各層位取心情況 m

圖2 昭通地區巖心樣品

圖3 巖石三軸測試系統-GCTS 壓機

2.2 三軸壓縮實驗結果

昭通區塊儲層埋深較淺，小于2 000 m，淺層頁巖氣儲層所處的地應力較小，相應的其抗壓強度以及彈性模量偏低。抗壓強度作為儲層力學性質以及可壓性評價的因素之一，由三軸壓縮實驗結果表明，圍壓小于50 MPa 的條件下，巖石的抗壓強度在106.31~233.37 MPa，整體不超過250 MPa（圖4）。彈性模量在10.3~28.4 GPa，泊松比在0.2~0.39，整體表現出的抗壓強度和彈性模量符合中等偏低的特征。

圖4 三軸壓縮應力應變曲線

各井各層位之間，抗壓強度隨圍壓升高都有增大的趨勢，且速率逐漸降低（圖5）；彈性模量隨圍壓升高都有增大的趨勢，且相比于抗壓強度，其增長幅度及速率較小（圖6）；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢，但趨勢并不明顯（圖7）。

圖5 圍壓與抗壓強度關系曲線

圖6 圍壓與彈性模量關系曲線

圖7 圍壓與泊松比關系曲線

綜上，由于層理及微裂隙的影響，儲層巖心的抗壓強度本身較低，但不同深度儲層的抗壓強度還是存在一定差異，整體較低的抗壓強度有利于儲層壓裂改造。

并且在三軸壓縮實驗后，觀察發現巖心裂縫形態呈現出許多水平裂隙（圖8），顯示出儲層的層理發育，有利于儲層的壓裂改造形成復雜縫網。

圖8 巖心壓后裂縫形態

3 波速測量

巖石的沉積過程、孔隙結構和構成成分等物理特性，以及巖石的各項力學性質會直接影響到聲波在巖石中的傳播速度，所以可對不同巖心進行聲波測試，利用能夠同時發射和接收縱波與橫波信號的儀器采集實驗數據，并根據相應理論公式對所得數據進行進一步處理，得出各巖心動態彈性模量和動態泊松比。

利用Panametrics 5077PR 巖石聲波儀分別測試巖樣的徑向及軸向的縱波和橫波波速，實驗裝置如圖9 所示。

圖9 波速測量示意圖

巖石聲波測試時以聲波在巖石中的傳播特性與巖石的物理力學參數相關性為基礎，通過測定聲波在巖石中的傳播特性參數，得到巖石本身動態力學參數：軸向縱波波速范圍為3.81~4.91 km/s，軸向橫波范圍1.61~4.92 km/s；徑向縱波波速范圍為2.2~3.52 km/s，徑向橫波范圍0.98~2.93 km/s，縱橫波速比Vp/Vs 平均為1.56（圖10）。動態泊松比和靜態泊松比一般相差較小，所以一般并不轉換成靜態，直接用動態進行代替。但動、靜態彈性模量之間有著明顯的界限，無論是在高應力或者低應力加載狀態下，動態模量都要大于靜態彈性模量，所以不進行動靜態轉換將會對描述地層性質、計算地應力等有很大的影響。通過計算可以得到巖樣彈性模量的動靜態關系為：E靜=0.34E動+7.99，如圖11 所示。

圖10 縱橫波速比

圖11 動靜態彈性模量轉換關系

層理以及天然裂隙是儲層在水力壓裂后能夠形成復雜縫網的重要因素之一，層理及天然裂縫越發育，越有可能形成較大的儲層改造體積，所以儲層的層理和裂隙的發育對巖石的力學性質有著重要的影響。可通過波速應力敏感實驗得到巖心樣品微裂隙的發育程度，以此作為儲層天然裂隙發育程度的評價參數。巖心應力敏感參數如圖12 所示。

圖12 巖心應力敏感參數

從實驗得到的應力敏感系數來看，儲層整體的應力敏感系數在20.93~69.93 之間，平均為38.8，應力敏感程度較高，由此可知昭通區塊儲層的天然裂隙較發育，有利于進行壓裂改造。

4 結論

1）儲層整體上，昭通上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組淺層頁巖氣儲層埋深小于2 000 m，屬于淺層頁巖氣儲層，整體抗壓強度和彈性模量較低，礦物成分中以石英、黏土礦物為主，脆性較好，TOC 含量高。巖石整體較高的脆性以及較低的抗壓強度有利于儲層的壓裂改造。

2）抗壓強度、彈性模量隨圍壓升高都有增大的趨勢，且速率逐漸降低；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢，但趨勢并不明顯；各井之間Q1 井力學性質及可壓性最好，其次是S8，最次是S7；層位之間龍一11和龍一12巖石力學性質及可壓性較好，脆性礦物含量較高，脆性指數較高，層間應力差較小，有利于裂縫的穿過，其次為五峰組，裂縫可在內部擴展。

3）儲層整體的應力敏感程度較高，其水平層理以及天然裂隙較為發育，有利于壓裂后復雜縫網的形成。