趙志紅 郭建春 楊經(jīng)棟 王杏尊 鮑文輝

（1.西南石油大學(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，四川成都 610500；2.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘 062552；3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津塘沽 300450）

水力壓裂是頁(yè)巖儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［1-9］，然而，在宏觀上形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫溝通較大儲(chǔ)層體積的同時(shí)，在水力裂縫壁面上能否形成大量微裂縫以及水力裂縫壁面的平整程度，對(duì)進(jìn)一步增大改造儲(chǔ)層體積，改善頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲流環(huán)境具有較大的影響。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層破裂面特征的研究極其重要。李華［10］利用EPM-180 掃描電鏡對(duì)劈裂后的巖樣進(jìn)行了掃描分析，結(jié)果表明，長(zhǎng)石主要是脆性解理斷裂，其斷口形貌有山脊?fàn)?、河流狀、舌狀等。劉京紅［11］利用CT掃描分析了巖石破裂過(guò)程裂紋分形特征，揭示巖石裂紋從萌生、擴(kuò)展到貫通的細(xì)觀破損機(jī)理。筆者利用四川盆地和濟(jì)陽(yáng)凹陷頁(yè)巖巖樣，通過(guò)3D掃描儀和電子顯微鏡，研究了不同礦物含量的頁(yè)巖破裂面特征和微觀形態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)源于四川盆地和環(huán)渤海灣盆地泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的劈裂破壞巖樣，利用X射線衍射儀分析樣品的礦物組成（表1），巖樣主要由方解石、石英和黏土礦物組成，且各巖樣的礦物組成差異較大。巖樣1#～5#中，黏土和石英含量規(guī)律性不強(qiáng)，而方解石含量逐漸增大。

表1 巖樣礦物成分

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與分析方法

為了進(jìn)一步分析劈裂破壞巖樣破裂面的形態(tài)，采用意大利杰士公司生產(chǎn)的XSM-LC桌面型多功能3D激光掃描儀對(duì)巖樣破裂面進(jìn)行激光掃描。將巖樣破裂面與水平面呈平行放置，設(shè)置掃描精度為0.1 mm。通過(guò)對(duì)破裂面的掃描得到破裂面上間隔為0.1 mm的每點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，以每塊巖樣的Z坐標(biāo)最小值為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)巖樣Z坐標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一。將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Surfer8.0中繪制破裂面高度等值線圖，該圖可形象表征破裂面的平整程度。

2 礦物對(duì)細(xì)觀破裂面影響分析

將5個(gè)巖樣用三軸巖石力學(xué)測(cè)試裝置進(jìn)行破裂實(shí)驗(yàn)后，利用3D掃描儀對(duì)破裂面進(jìn)行激光掃描。掃描得到的三維數(shù)據(jù)用Surfer8.0軟件繪制的破裂面高度等值線圖見(jiàn)圖1～5。

圖1 1#巖樣破裂面高度等值線圖

圖2 2#巖樣破裂面高度等值線圖

圖3 3#巖樣破裂面高度等值線圖

圖4 4#巖樣破裂面高度等值線圖

圖5 5#巖樣破裂面高度等值線圖

分析圖中的等值高度線分布特征，認(rèn)識(shí)到：方解石含量較高的4#和5#巖樣破裂剖面等高線分布更有規(guī)律，而方解石含量較低的1#、2#和3#巖樣等高線分布比較雜亂，說(shuō)明方解石含量對(duì)破裂面形態(tài)有較大影響。方解石含量越高，破裂面等高線分布越規(guī)律。

對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層剪切破裂自支撐裂縫，粗糙破裂面不同的粗糙程度必然影響支撐裂縫的導(dǎo)流能力，相對(duì)規(guī)則的破裂面有利于錯(cuò)動(dòng)后形成類似多條微裂縫的滲流通道，對(duì)改善儲(chǔ)層的滲流能力更有利。

3 礦物對(duì)微觀破裂形態(tài)影響分析

3.1 微觀破裂面裂縫

利用掃描電鏡觀察樣品的破裂面，發(fā)現(xiàn)方解石含量相對(duì)較低的1#、2#和3#巖樣的破裂面上沒(méi)有微裂縫，而方解石含量較高的4號(hào)和5號(hào)巖樣的破裂面上產(chǎn)生了微裂縫，且黏土含量更低的5號(hào)巖樣上的微裂縫發(fā)育程度更高（圖6～10）。

圖6 1#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖7 2#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖8 3#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖9 4#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖10 5#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

研究表明：方解石含量較高的頁(yè)巖儲(chǔ)層破裂面上易形成微裂縫，能較好地溝通基質(zhì)，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于頁(yè)巖儲(chǔ)層改造。

3.2 微觀斷裂特征

巖樣微觀斷裂形式包括沿晶斷裂、穿晶斷裂、剪切斷裂。沿晶斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶粒間界所發(fā)生的一種低能吸收過(guò)程的斷裂；穿晶斷裂是指穿過(guò)晶粒發(fā)生斷裂，又稱為解理斷裂，其主要特征是在斷面形成河流狀花樣、臺(tái)階狀花樣、舌狀花樣、魚(yú)骨狀花樣、根狀花樣；剪切斷裂的明顯特征是出現(xiàn)平行滑移線花樣和蛇行滑動(dòng)花樣［11］。

由高倍電鏡掃描實(shí)驗(yàn)觀察到：方解石含量低、黏土含量較高的1#巖樣主要是穿晶斷裂，在方解石含量中等、黏土含量較低的2#和3#巖樣存在穿晶斷裂和剪切斷裂2種形式，而在方解石含量較高、黏土含量低的4#巖樣，主要為剪切斷裂（圖11～14）。

圖11 1#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖12 2#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖13 3#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖14 4#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

研究結(jié)果表明，方解石含量越高，越易產(chǎn)生剪切斷裂，而剪切斷裂是頁(yè)巖儲(chǔ)層形成網(wǎng)狀裂縫的主要形式，因此，方解石含量高、黏土含量低的儲(chǔ)層更易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫。

4 結(jié)論

（1）本文嘗試從礦物的角度分析泥頁(yè)巖的破裂形態(tài)，并建立了從微觀到宏觀的分析方法，為頁(yè)巖破裂特征分析提供了一種新方法。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，初步認(rèn)識(shí)了方解石和黏土含量對(duì)泥頁(yè)巖破裂形態(tài)的影響規(guī)律，方解石含量越高、黏土含量越低的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，越易產(chǎn)生剪切斷裂，并在破裂面上越易產(chǎn)生微裂縫，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層形成網(wǎng)狀裂縫越有利，因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂時(shí)應(yīng)考慮選擇方解石含量較高的層段壓裂。

（3）本文僅對(duì)有限的劈裂破壞的巖樣進(jìn)行分析，建議后續(xù)對(duì)多種破裂形式、更多區(qū)域巖石和礦物進(jìn)行分析。

［1］ 董大忠，鄒才能，楊樺，等.中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展與發(fā)展前景［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（S0）：107-114.

［2］ 賈承造，鄭民，張永峰.中國(guó)非常規(guī)油氣資源與勘探開(kāi)發(fā)前景［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2012，39（2）：129-136.

［3］ 李建忠，鄭民，張國(guó)生，等.中國(guó)常規(guī)與非常規(guī)天然氣資源潛力及發(fā)展前景［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（S0）：89-98.

［4］ GUO Jianchun, ZHAO Zhihong. China vigorously promoting shale gas exploration, Development ［J］. Oil& Gas Journal, 2012, 110（3）: 60-65.

［5］ 趙金洲，王松，李勇明.頁(yè)巖氣藏壓裂改造難點(diǎn)與技術(shù)關(guān)鍵［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：46-49.

［6］ 孫贊東，賈承造，李相方，等.非常規(guī)油氣勘探與開(kāi)發(fā)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［7］ 陳作，薛承瑾，蔣廷學(xué)，等.頁(yè)巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用建議［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：1-3.

［8］ 吳奇，胥云，劉玉章，等.美國(guó)頁(yè)巖氣體積改造技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：1-6.

［9］ WU Qi, XU Yun, WANG Xiaoquan, et al. Volumefracturing technology of unconventional reservoirs: connotation,design optim ization and implementation ［J］. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39（3）: 377-384.

［10］ 李華，石振明.熱沖擊后花崗巖劈裂面的微觀特征［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，1993，8（4）：259-260.

［11］ 劉京紅，姜耀東，趙毅鑫，等.基于CT圖像的巖石破裂過(guò)程裂紋分形特征分析［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（4）：104-107.

［12］ 楊衛(wèi).宏微觀斷裂力學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.