楊 迪，劉樹(shù)根，單鈺銘，孫 瑋，冉 波，羅 超，萬(wàn)洪程

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中國(guó)石化華東分公司 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，南京210000）

上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組廣泛發(fā)育一套有機(jī)質(zhì)含量較高的黑色頁(yè)巖［1－4］，形成于早寒武世全球性缺氧事件［5－6］，其特征可以與中國(guó)其他地區(qū)以及世界上其他國(guó)家如印度、巴基斯坦、法國(guó)、英格蘭、阿曼、俄羅斯、蒙古、澳大利亞、加拿大等地該時(shí)期的黑色巖系相對(duì)比［1］，為一套重要的區(qū)域性烴源巖［2，3］。該層位在多個(gè)地區(qū)發(fā)現(xiàn)氣藏或見(jiàn)到良好氣顯示，如威5井下寒武統(tǒng)筇竹寺組在2 795～2 798m頁(yè)巖井段發(fā)現(xiàn)氣侵與井噴，中途測(cè)試日產(chǎn)氣2.46×104m3，經(jīng)酸化后日產(chǎn)氣1.345×104m3［7］；威201井下寒武統(tǒng)九老洞組在深度為2 675～2 680m和2 695～2 700m進(jìn)行壓裂時(shí)，獲測(cè)試日產(chǎn)氣1.08×104m3［8］；此外，在川南41口井的68個(gè)頁(yè)巖層段見(jiàn)氣顯示，預(yù)示了上揚(yáng)子地區(qū)海相頁(yè)巖地層頁(yè)巖氣藏的勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣、資源豐富。

但由于受限于黑色頁(yè)巖自身的特性，很難鉆取完整的試樣，目前的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工作僅限于現(xiàn)場(chǎng)井下壓裂，尚未開(kāi)展完善的巖石力學(xué)性質(zhì)研究。因此，本文以實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組2條地表實(shí)測(cè)剖面（麻江羊跳和丹寨南皋）和2口鉆井（金石1井和金頁(yè)1井）的巖石力學(xué)特征，對(duì)比北美和上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖在不同加載條件下的力學(xué)性質(zhì)，從而揭示黑色頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)和破壞機(jī)制，為頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

上揚(yáng)子地區(qū)是指位于南秦嶺南緣斷裂以南、埡都－紫云－羅甸斷裂以北、龍門(mén)山斷裂系以東、雪峰山以西的廣大地區(qū)，面積約3.5×105km2（圖1）［9，10］。上揚(yáng)子地臺(tái)是從震旦紀(jì)至中三疊世接受地臺(tái)型沉積區(qū)，經(jīng)歷了克拉通和前陸盆地2個(gè)構(gòu)造演化階段。在早古生代接受了一套巨厚的海相沉積［10］，以陸源碎屑沉積為主，物源來(lái)自西部的康滇古陸和川西古陸［11，12］。在早寒武世早期，海平面快速上升形成早古生代最大的海侵作用［13，14］。

本文選取2條地表實(shí)測(cè)剖面（麻江羊跳和丹寨南皋）和2口鉆井（金石1井和金頁(yè)1井）進(jìn)行對(duì)比。橫向上，金石1井－金頁(yè)1井－麻江羊跳－丹寨南皋剖面由北西向南東展布（圖1）。在底部，金頁(yè)1井出現(xiàn)一套硅磷質(zhì)頁(yè)巖，向南東方向在麻江羊跳和丹寨南皋地區(qū)逐漸過(guò)渡為一套硅質(zhì)頁(yè)巖，此段巖性被認(rèn)為是熱水沉積作用的產(chǎn)物［15］。隨著海水上升，之上沉積了一套黑色頁(yè)巖，也是一套多金屬層，有機(jī)質(zhì)豐富［16，17］。黑色頁(yè)巖逐漸增厚，在麻江羊跳和丹寨南皋最厚，顯示了由北西向南東水體逐漸加深的形態(tài)（圖2）。伴隨著海平面下降，牛蹄塘組上部過(guò)渡為粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂巖或者含粉砂鈣質(zhì)頁(yè)巖，在丹寨一帶演變?yōu)樘妓猁}沉積。金石1井與金頁(yè)1井具有不同的沉積和成巖背景，金石1井九老洞組沉積一套含粉砂質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖，僅在頂部出現(xiàn)幾米厚的黑色頁(yè)巖沉積。沉積相由北西至東南方向水體逐漸變深，由西部的濱岸相、淺海陸棚相逐漸相變?yōu)樯钏懪锵唷⒋紊詈Ｅ璧叵??？v向上，巖性自下而上具三分性［18］：底部為一套含磷塊巖、磷硅質(zhì)條帶白云巖、砂質(zhì)白云巖、硅質(zhì)巖及硅質(zhì)頁(yè)巖，厚度較薄，在2.5～6.5m之間，但在金石1井底部并未出現(xiàn)這套巖性；中下部為黑色頁(yè)巖及碳質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)球狀泥灰?guī)r結(jié)核，中部為深灰－灰黑色砂質(zhì)或粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，偶夾鈣質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖及白云巖，由北西向東南方向厚度逐漸增大；上部為灰－灰黑色砂巖、白云質(zhì)粉砂巖并夾綠－紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖、紫紅色白云巖。剖面總體上沉積環(huán)境表現(xiàn)為從下部（黑色頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖）的深水陸棚逐漸演變?yōu)樯喜康臏\水陸棚沉積。

圖1 采樣剖面位置圖Fig.1 Geological map showing the locations of the sampling profiles

2 礦物組成分析

對(duì)比北美與上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（九老洞組）頁(yè)巖礦物組成可以看出（圖3）：北美頁(yè)巖在礦物組分三角圖中明顯分為2個(gè)區(qū)域，Ohio、Woodford和Barnett頁(yè)巖脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～80%，碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜25%，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～80%；Bossier頁(yè)巖脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都低于40%，碳酸鹽巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞25%，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜50%［19，20］。

威201井和威001－4井頁(yè)巖中脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總礦物成分的22.6%～94.5%，平均為73.9%；碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～47.6%，平均為6.0%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9%～51.0%，平均為20.1%［20］。丹寨南皋頁(yè)巖礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石等陸源碎屑礦物，其次為碳酸鹽礦物和黏土礦物，黃鐵礦等化學(xué)沉淀類(lèi)自生礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜6%。脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍較大，為10.3%～95%，平均為71.2%；碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～85%，平均為3.4%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.7%～53.3%，平均為28.9%。與威201井和威001－4井的礦物組成相近。麻江羊跳頁(yè)巖樣品數(shù)目較少，只有2個(gè)樣本，礦物成分主要以石英、長(zhǎng)石類(lèi)為主，脆性礦物占礦物總量的71.80%～72.22%，平均為72.01%；碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.78%～28.20%，平均為27.99%。金頁(yè)1井頁(yè)巖礦物組成較復(fù)雜，不同深度處頁(yè)巖組成差異較大，脆性礦物占礦物總量的33.2%～81.7%，平均為49.9%；碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～31.3%，平均為6.5%；黏土類(lèi)礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.3%～69.5%，平均為49.1%。

威001－4井頁(yè)巖脆性礦物含量最高；威201井頁(yè)巖脆性礦物含量與丹寨南皋、麻江羊跳、Barnett和 Woodford相近，介于中間；金頁(yè)1井與Ohio頁(yè)巖脆性礦物含量最低。牛蹄塘組（九老洞組）頁(yè)巖礦物組成在不同地區(qū)大致相同，但脆性礦物含量略高于北美主要含氣頁(yè)巖的平均含量（圖3）。

圖2 上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組沉積剖面對(duì)比和巖石力學(xué)樣品采樣位置圖Fig.2 The comparison between the deposition profiles and the sampling locations by rock mechanics of Niutitang Formation in the upper Yangtze region

3 實(shí)驗(yàn)方法

用于巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的樣品采集位置如圖2所示。由于受到黑色頁(yè)巖自身?xiàng)l件的限制，在野外取樣和實(shí)驗(yàn)室鉆取試樣的過(guò)程中遇到較大的困難。樣品處理和測(cè)試分析工作均在成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成?？箟簩?shí)驗(yàn)巖石樣品在實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一鉆取直徑為25mm、長(zhǎng)度為50mm的圓柱體試樣，端面經(jīng)磨光處理。巖樣鉆取三維方向，分別設(shè)為垂直層理方向（Z）、平行走向方向（X）和平行傾向方向（Y）。樣品加工后經(jīng)干燥處理（90℃，36h），部分樣品（丹寨南皋）用礦化度為40g／L的 NaCl 100%飽和處理，用以模擬地層水條件。單軸和三軸抗壓實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試儀器為美國(guó)MTS公司研制的“巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”中的巖石力學(xué)試驗(yàn)子系統(tǒng)［21］。測(cè)試包括常規(guī)單軸壓縮變形試驗(yàn)和三軸壓縮變形試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為常溫，巖樣孔隙壓力設(shè)為零，故所加圍壓就是有效圍壓，實(shí)驗(yàn)圍壓分別設(shè)定在0MPa、10MPa、20MPa和40 MPa。將巖樣用熱縮套密封，置于高溫高壓三軸室內(nèi)，并在樣品上安裝測(cè)量縱向和橫向變形的高精度引伸計(jì)。然后將巖石放置于注滿液壓油的高壓罐中，對(duì)巖樣施加圍壓至實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值。待圍壓穩(wěn)定后，以等軸向位移速率控制施加軸向應(yīng)力（差應(yīng)力），直到試樣破壞。測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 頁(yè)巖礦物組分三角圖Fig.3 Mineral composition triangular diagram of shale samples

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 貴州丹寨南皋剖面

貴州丹寨九門(mén)村紋層狀含粉砂質(zhì)、黃鐵礦富有機(jī)質(zhì)泥巖的變形以彈性形變?yōu)橹?。單軸條件下，巖石呈近90°的拉伸破壞樣式。三軸條件下，巖石破壞樣式主要為單斜剪切破壞，巖石破裂角度隨著圍壓的增高而逐漸降低。在圍壓為0MPa的條件下，水平方向的抗壓強(qiáng)度小于垂直方向，即σc（X）＜σc（Y）＜σc（Z）；楊氏模量變化與抗壓強(qiáng)度相反，即E（Z）＜E（Y）＜E（X），而μ（Z）＜μ（X）＜μ（Y）。破壞前的軸向總應(yīng)變也隨著圍壓的增大而增加。當(dāng)圍壓為40MPa時(shí)，σc（Z）＜σc（X）＜σc（Y），E（Z）＜E（X）＜E（Y），μ（Z）＜μ（X）＜μ（Y）。

此外，垂直層理方向和平行傾向方向樣品分別在0MPa和40MPa條件下進(jìn)行飽水樣品處理。飽水樣品在圍壓為0MPa的條件下，垂直層理方向試樣的抗壓強(qiáng)度小于平行傾向方向，即σc（Z）＜σc（Y）；楊氏模量與泊松比變化與抗壓強(qiáng)度相同，即E（Z）＜E（Y），μ（Z）＜μ（Y）。隨著圍壓的增大，試樣的抗壓強(qiáng)度、破壞前的軸向總應(yīng)變、泊松比和彈性模量都隨之而增加。

4.2 貴州麻江羊跳剖面

貴州麻江羊跳剖面膠磷礦化泥質(zhì)磷質(zhì)粉砂巖在圍壓為0MPa條件下，巖石呈現(xiàn)出多個(gè)近80°的單斜剪切破壞面，巖石樣品應(yīng)力－應(yīng)變曲線在0～18MPa之間為彈性形變，約在18MPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，巖石樣品表現(xiàn)出近似彈－塑－蠕變的變形特征。在圍壓為40MPa條件下，巖石為單斜剪切破壞樣式，破裂角度在80°左右，以彈性形變?yōu)橹鳌?duì)該粉砂巖樣品主要討論平行傾向方向（Y）巖石樣品在圍壓為0MPa和40MPa條件下的巖石物理特征。隨著圍壓增加，巖石抗壓強(qiáng)度也都隨之增加（圍壓分別為0MPa和40MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為28.024MPa、102.325MPa），破壞前的軸向應(yīng)變量也表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)（圍壓分別為0MPa和40MPa時(shí)，軸向應(yīng)變量分別為0.766%和0.936%），楊氏模量和泊松比的變化與巖石抗壓強(qiáng)度的變化一致，都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)（即圍壓為0MPa時(shí)，楊氏模量為11.518GPa，泊松比為0.135；圍 壓 為 40Ma時(shí)，楊 氏 模 量 為 11.649 GPa，泊松比為0.22）。

4.3 金頁(yè)1井

對(duì)金頁(yè)1井由下至上鉆取平行層理方向（X）適合進(jìn)行巖石壓裂的樣品進(jìn)行分析。巖樣的變形以彈性形變?yōu)橹鳎屏亚暗目傒S向應(yīng)變一般不超過(guò)1.3%，大多數(shù)在0.2%～0.6%。金頁(yè)1井泥（頁(yè)）巖儲(chǔ)層單軸抗壓強(qiáng)度在17.27～115.51MPa之間，平均為51.33MPa；彈性模量在23.29～89.15GPa之間，平均為46.55GPa；泊松比在0.268～1.74之間，變化范圍較大，平均為0.58。三軸條件下，橫向上，巖石抗壓強(qiáng)度和破壞前的軸向總應(yīng)變隨著圍壓的增大而增加，但泊松比和彈性模量變化不大；縱向上，巖石泊松比變化范圍不大，并且隨著深度增加也沒(méi)有明顯的變化，而巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化更多地受到脆性礦物含量變化的影響。

4.4 金石1井

金石1井九老洞組泥質(zhì)粉－細(xì)粒巖屑砂巖的變形主要以彈性形變?yōu)橹?。隨著圍壓增加，巖石抗壓強(qiáng)度也都隨之增加，破壞前的軸向總應(yīng)變、楊氏模量和泊松比與巖石抗壓強(qiáng)度一致，都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。金石1井抗壓強(qiáng)度范圍和平均值略

高于其他地區(qū)巖石試樣，但楊氏模量和泊松比要明顯低得多。

表1 上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組巖石抗壓強(qiáng)度分析測(cè)試結(jié)果Table 1 Compressive strength test results of Niutitang Formation rocks in the upper Yangtze region

5 討論

5.1 泥頁(yè)巖破裂樣式分析

對(duì)比不同圍壓條件下北美與上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖破裂樣式，主要有3種類(lèi)型：拉伸破裂樣式、單斜剪切破裂樣式和共軛剪切破裂樣式（圖4）。單軸條件下，巖石主要以拉伸破裂為主，單斜剪切破裂樣式較少。這是由于單軸條件下，試樣沒(méi)有加載圍壓，只有垂直方向的垂向壓力，頁(yè)巖本身的層理面和微裂隙發(fā)育，這些天然的薄弱面在測(cè)試時(shí)影響破壞結(jié)果，形成拉伸破壞。三軸條件下，巖石主要以單斜剪切破裂樣式為主，部分樣品出現(xiàn)共軛剪切破裂樣式，剪切破壞角度在60°～80°之間。隨著圍壓的增大，巖石的破裂角度逐漸降低，并且抑制多破裂面發(fā)育。低圍壓加載時(shí)頁(yè)巖的單斜剪切破裂程度較高圍壓時(shí)更顯著，這主要是受到圍壓的影響。

此外，巖石的破裂樣式和破裂程度還受脆性礦物含量的影響。麻江羊跳的泥質(zhì)粉砂巖樣品由于脆性礦物含量很高，僅在平行傾向方向（Y）鉆取出2個(gè)適合實(shí)驗(yàn)用的巖石試樣，并且表現(xiàn)出多組單斜剪切破壞樣式（Y17），從另一個(gè)側(cè)面可以說(shuō)明在垂直層理方向（Z）和平行走向方向（X）的抗壓強(qiáng)度要明顯低于平行傾向方向（Y），從而造成了這2個(gè)方向的樣品在前處理過(guò)程中容易發(fā)生破壞。

圖4 上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖試樣典型破壞樣式Fig.4 Typical failure modes of Niutitang Formation shale specimens in the upper Yangtze region

破壞前軸向總應(yīng)變常被作為巖石脆性、脆塑性和塑性劃分的判斷標(biāo)準(zhǔn)［22，23］。試樣在單軸壓縮條件下，巖石處于常溫、常壓下或孔隙液壓及應(yīng)變率較高時(shí)，都表現(xiàn)為脆性特征，整體破壞前峰值應(yīng)變均小于1%。試樣在三軸壓縮條件下，隨著埋藏深度、溫度和圍壓的增加或者應(yīng)變率和孔隙液壓降低，巖石試樣邊緣出現(xiàn)與σ1方向夾角＜45°的局部剪切破裂，巖石性質(zhì)逐漸由脆性過(guò)渡到脆塑性，巖石試樣整體破壞前峰值應(yīng)變都在0%～2%之間。其中 D2（1.09%），D3（1.47%），D4（1.18%），D6（1.15%），D10（1.08%），D12（1.02%），J18 （1.03%），J20 （1.20%），J26（1.25%），H1（1.21%），E8（1.01%）和 B12（1.00%）表現(xiàn)出脆塑性轉(zhuǎn)變的特征。隨著應(yīng)變率的增加，巖石抗壓強(qiáng)度亦增加，但抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加不甚明顯［23］。

5.2 影響泥頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的因素分析

上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組與北美典型頁(yè)巖盡管具有相似的力學(xué)特征（表1），但受到頁(yè)巖類(lèi)型差異、埋藏深度、取心方位和加載條件的影響，不同地區(qū)頁(yè)巖在彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)上有較大差異（圖5～圖8）。

a.不同地區(qū)頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)對(duì)比如圖5。由于受到參考樣品參數(shù)的限制，選取近似圍壓條件下不同地區(qū)的試樣進(jìn)行對(duì)比，地表樣品（丹寨南皋和麻江羊跳）的抗壓強(qiáng)度明顯小于井下樣品。Barnett頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度最高，其他幾個(gè)地區(qū)的井下樣品抗壓強(qiáng)度相差不大。

圖5 不同地區(qū)頁(yè)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征Fig.5 Stress－strain curve of the shales from different regions

圖6 不同圍巖條件下頁(yè)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征Fig.6 Stress－strain curve of the shales under different confining pressure conditions

圖7 飽水與干燥條件下頁(yè)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征對(duì)比Fig.7 Stress－strain curve of the shales under water－saturated and dry conditions

圖8 不同取心方位條件下頁(yè)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征Fig.8 Stress－strain curve of the shales under different drilling direction conditions

b.圍壓與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系（圖6）。取心深度相同的同種頁(yè)巖（以金石1井為例），平行走向方向（X）取心。在不同圍壓條件下，巖石抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增高而增大，彈性模量也隨之增大，但泊松比變化不大。隨著圍巖增大，巖石逐漸從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?；但巖性不同，巖石轉(zhuǎn)化的圍壓值也隨之不同。

c.飽和水與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系（圖7）。取心深度相同的同種頁(yè)巖（以丹寨南皋為例），平行傾向方向（Y）取心，相同圍巖條件下泥巖飽水樣品的抗壓強(qiáng)度在0MPa時(shí)與干燥樣品相差不大，但在圍壓為40MPa條件下則飽水樣品的抗壓強(qiáng)度要明顯低于干燥樣品，說(shuō)明水介質(zhì)對(duì)于儲(chǔ)層的壓裂有著積極的作用，能夠降低泥頁(yè)巖的強(qiáng)度，增大巖石的破壞程度。

d.取心方位與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系（圖8）。相同深度取心的同種頁(yè)巖（以丹寨南皋為例），取心方位不同，巖石力學(xué)參數(shù)差異不是很明顯，巖石樣品方向不是影響巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。不同方向抗壓強(qiáng)度近似存在Z≈X≈Y的變化規(guī)律，平行層理方向上巖石力學(xué)性質(zhì)主要受到地應(yīng)力的控制［24］。

e.埋深與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系（圖9）。以金頁(yè)1井為例，黑色頁(yè)巖有機(jī)碳含量在縱向呈向上變小的趨勢(shì)，wTOC＞2.0%主要集中在牛蹄塘組下部。巖石的抗壓強(qiáng)度與埋深沒(méi)有明確的相關(guān)性，而與彈性模量呈正相關(guān)，與TOC含量、脆性礦物含量、孔隙度和密度呈明顯負(fù)相關(guān)。由于黑色頁(yè)巖砂質(zhì)和鈣質(zhì)含量較高，因此其脆性、硬度較大，在加砂壓裂中容易產(chǎn)生裂縫，會(huì)降低巖石的抗壓強(qiáng)度，使巖石易于壓裂［7］。金頁(yè)1井牛蹄塘組下段巖石的TOC含量和脆性礦物含量較高，彈性模量高、泊松比低，壓裂易于產(chǎn)生裂縫。因此，金頁(yè)1井牛蹄塘組下段易于進(jìn)行水平井壓裂，有利于頁(yè)巖氣的開(kāi)采。

5.3 上揚(yáng)子牛蹄塘組與北美典型泥頁(yè)巖綜合對(duì)比分析

巖石抗壓強(qiáng)度與沉積背景具有一定的相關(guān)性（表2）。Barnett頁(yè)巖沉積于深水盆地，其抗壓強(qiáng)度明顯高于淺水沉積環(huán)境中的Haynesville頁(yè)巖和金石1井頁(yè)巖；并且Barnett頁(yè)巖的彈性模量最高，金石1井最低；泊松比也具有相似的特征。通過(guò)金石1井－金頁(yè)1井－麻江羊跳－丹寨南皋對(duì)比分析來(lái)看，金石1井處于淺水陸棚環(huán)境，但其抗壓強(qiáng)度要明顯高于深水陸棚環(huán)境中的金頁(yè)1井、麻江羊跳和丹寨南皋（圖10）。

井下樣品（金頁(yè)1井和金石1井）具有較低的孔隙度和滲透率（金石1井孔隙度≈3%，滲透率≈0.0 1×1 0－3μm2；金頁(yè)1井孔隙度0.5%～2.5%，滲透率（0.003～0.3）×10－3μm2；而丹寨南皋和麻江羊跳地表樣品由于受到風(fēng)化作用和地表水作用影響，其孔隙度皆為＞4%。而巖石的抗壓強(qiáng)度范圍和平均值卻與之具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為井下的樣品的抗壓強(qiáng)度要明顯高于地表樣品，這也印證了前面所述的巖石的抗壓強(qiáng)度與孔隙度呈負(fù)相關(guān)的論斷。

圖9 金頁(yè)1井巖石力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.9 The comparison chart of the rock mechanics data of Well Jinye 1

圖10 泥巖抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析Fig.10 Comparative analysis of the mudstone compressive strength

巖石礦物組成也是影響抗壓強(qiáng)度的另一主要因素。井下樣品中黑色頁(yè)巖普遍含鈣質(zhì)條帶，條紋中可見(jiàn)垂直紋層的方解石脈，巖石的脆性礦物含量較低，彈性模量較高；而地表樣品中黑色頁(yè)巖含有少量的粉砂質(zhì)或者粉砂巖化，脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（丹寨南皋為65%，麻江羊跳為72%）要明顯高于井下樣品，而彈性模量相對(duì)較低。因此，巖石的脆性礦物含量導(dǎo)致井下巖石的抗壓強(qiáng)度范圍和平均值皆要高于地表樣品。

6 結(jié)論

a.北美地區(qū)的頁(yè)巖與上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖破裂樣式，主要有3種類(lèi)型：拉伸破裂樣式、單斜剪切破裂樣式和共軛剪切破裂樣式。隨著圍壓的增大，巖石的破裂角度逐漸降低。巖石的破裂樣式和破裂程度還受脆性礦物含量的影響。巖石試樣整體破壞前峰值應(yīng)變都在0%～2%之間，以脆性－脆塑性變形為主。

表2 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖與北美頁(yè)巖主要參數(shù)特征對(duì)比Table 2 Comparison between the main parameters of the North American black shale and that of the Niutitang Formation black shale in the upper Yangtze region

b.頁(yè)巖類(lèi)型、埋藏深度、取心方位、地層水和加載條件對(duì)頁(yè)巖的巖石力學(xué)參數(shù)有較大影響。Barnett頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度最高，其他幾個(gè)地區(qū)的井下樣品抗壓強(qiáng)度相差不大，地表樣品（丹寨南皋和麻江羊跳）的抗壓強(qiáng)度明顯小于井下樣品。在不同圍壓條件下，巖石抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增高而增大；水介質(zhì)對(duì)于儲(chǔ)層的壓裂有著積極的作用，能夠降低泥頁(yè)巖的強(qiáng)度，增大巖石的破壞程度；巖石樣品方向不是影響巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，不同方向抗壓強(qiáng)度近似存在Z≈X≈Y的變化規(guī)律；巖石的抗壓強(qiáng)度與埋深沒(méi)有明確的相關(guān)性，與巖石彈性模量呈正相關(guān)，與TOC含量、脆性礦物含量、孔隙度和密度呈明顯負(fù)相關(guān)。

c.巖石抗壓強(qiáng)度與沉積背景具有一定的相關(guān)性。Barnett頁(yè)巖沉積于深水盆地，其抗壓強(qiáng)度明顯高于淺水沉積環(huán)境中的Haynesville頁(yè)巖和金石1井頁(yè)巖。金石1井處于淺水陸棚環(huán)境，但其抗壓強(qiáng)度要明顯高于深水陸棚環(huán)境中的金頁(yè)1井、麻江羊跳和丹寨南皋。

d.巖石礦物組成也是影響抗壓強(qiáng)度的另一主要因素。地表樣品的脆性礦物含量高、彈性模量低，井下樣品脆性礦物含量較低、彈性模量高、泊松比低，而井下樣品的抗壓強(qiáng)度范圍和平均值都要明顯高于地表樣品。

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