周順林， 尹 帥， 王鳳琴， 李 東， 易 旺

(1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州貴陽 550081；2.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽 550081；3.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065)

?測井錄井?

應(yīng)力對泥頁巖儲層脆性影響的試驗分析及應(yīng)用

周順林1,2， 尹 帥3， 王鳳琴3， 李 東2， 易 旺2

(1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州貴陽 550081；2.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽 550081；3.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065)

隨著地層埋深增加，巖石脆性降低，逐漸由硬脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性，而常規(guī)礦物組分法評價泥頁巖脆性時沒有考慮地層應(yīng)力(埋深)的影響，因此評價結(jié)果存在一定誤差。為此，從巖石脆性的最初定義出發(fā)，在不同圍壓條件下對陸相泥頁巖巖樣進行了力學測試，并利用應(yīng)變法分析了泥頁巖的脆性特征。結(jié)果表明：隨著圍壓升高，泥頁巖的彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變均增大，而脆性指數(shù)降低；泥頁巖的彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變具有非常好的正相關(guān)性。對于文中所研究區(qū)塊，埋深1 250.00，2 500.00和3 500.00 m處及埋深3 500.00～5 000.00 m和5 000.00～6 000.00 m范圍內(nèi)的泥頁巖脆性指數(shù)分別約降低5.97%,8.55%,10.74%,14.00%和18.00%；當泥頁巖儲層中脆性礦物含量分別大于65%,60%,55%和小于50%時，其開發(fā)埋深下限分別為6 000.00，5 000.00和3 000.00 m以及基本不具備商業(yè)開發(fā)價值。研究結(jié)果表明，將應(yīng)力(埋深)對泥頁巖脆性的影響定量化，可以對采用礦物組分法計算的泥頁巖脆性指數(shù)進行校正，為優(yōu)選可壓裂層段提供依據(jù)。

地層應(yīng)力；埋深；泥頁巖；脆性指數(shù)；巖石力學試驗；應(yīng)變

頁巖氣儲層通常具有超低孔、特低滲特征，需要采取水平井水力壓裂的方式進行開發(fā)[1]。水力壓裂時應(yīng)選擇脆性較高的層段，以形成復雜縫網(wǎng)系統(tǒng)，提高頁巖氣井的產(chǎn)量[2-7]。因此，要高效開發(fā)頁巖氣，準確評價泥頁巖儲層的脆性非常重要。目前，多采用脆性指數(shù)(B)來描述巖石的脆性特征。國內(nèi)外有超過20種巖石脆性指數(shù)的定義及計算方法，但在具體評價中，通常只選用其中的一種。文獻[8]給出了常用的巖石脆性指數(shù)計算模型，這些模型主要考慮了應(yīng)變、應(yīng)變能、強度、內(nèi)摩擦角、地應(yīng)力、彈性參數(shù)及礦物組分等因素。

在應(yīng)力加載過程中，泥頁巖先期表現(xiàn)為線彈性或脆性變形特征，之后逐漸發(fā)生塑性變形。通常認為，巖石的塑性變形不可逆[9]。單軸條件下，泥頁巖通常表現(xiàn)為脆性變形，即塑性變形段不明顯；而在高圍壓條件下，泥頁巖的脆性變形段所占比例要明顯小于塑性變形段所占比例[10]。巖石脆性是基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最初定義為巖石破裂前且在發(fā)生韌性或塑性變形前的變形行為[11]。脆性指數(shù)主要表征巖石脆性變形段或線彈性變形段的分布信息。偏脆性的巖石在受力過程中更利于應(yīng)力傳遞及裂縫擴展，儲層壓裂改造的體積更大[1-2]。大量巖石力學研究表明，隨著埋深增加，巖石會逐漸由脆性向韌性轉(zhuǎn)變，這主要與應(yīng)力、溫度及地層水等因素有關(guān)[8-9]。而應(yīng)力主要由埋深所決定，可見埋深是影響泥頁巖儲層脆性差異的重要因素。對于埋深較深的泥頁巖儲層，由于巖石偏塑性，不利于進行體積壓裂。同時，一些脆性計算方法(如礦物組分法)由于沒有考慮地層應(yīng)力(埋深)的影響，其脆性計算結(jié)果可能會存在一定偏差。為此，筆者從巖石脆性最初的定義出發(fā)[11]，對泥頁巖加載不同圍壓，測試了其應(yīng)變，分析了泥頁巖應(yīng)變與軸向應(yīng)力的關(guān)系，利用應(yīng)變法計算了泥頁巖的脆性，同時探討了應(yīng)力對泥頁巖脆性的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 泥頁巖樣品

泥頁巖樣品取自四川盆地川西坳陷中部新場地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組須五段，川西地區(qū)須五段地層為濱淺湖沉積，主要發(fā)育湖泥及灘壩微相，其厚度一般為500.00～580.00 m，最厚超過了700.00 m。須五段地層以泥頁巖、粉砂巖、巖屑砂巖及細砂巖為主，具有致密砂巖及泥頁巖頻繁互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[12]。巖石顏色以灰色、灰黑色為主，反映沉積期為弱還原性沉積環(huán)境[13]。

1.2 物性測試

巖樣取自川西地區(qū)的XYHF-2井、X503井、XYHF-1井和X33井，將其編成6組，編號分別為X1，X2，…，X6；每組4個巖樣，編號分別為X1-1—X1-4，X2-1—X2-4，…，X6-1—X6-4。所取6組巖樣具有典型性和代表性：1)巖樣均為完整巖樣，無明顯裂縫；2)巖樣均取自大段泥頁巖段，單層泥頁巖厚度大于5.00 m，周圍無致密砂巖分布及影響；3)須五段地層沉積特征較為簡單，為濱淺湖相，屬構(gòu)造寧靜期體系域[12]。

采用常規(guī)物性測試方法測試6組泥頁巖巖樣的物性，結(jié)果見表1。

表1 泥頁巖巖樣的物性測試結(jié)果

Table 1 Physical properties of shale samples determined through tests

組號井號取心深度/m密度/(g·cm-3)孔隙度，%X1XYHF?23084 78～3085 542 5363 06X2XYHF?23089 63～3092 222 5413 92X3X5032780 37～2780 472 5651 56X4X5033185 43～3185 912 5612 99X5XYHF?13028 30～3032 332 5681 84X6X333353 68～3355 082 5602 40

從表1可以看出，各組巖樣的密度為2.536～2.568 g/cm3，平均密度為2.555 g/cm3，孔隙度為1.56%～3.92%，平均孔隙度為2.63%，表明巖樣具有致密及低孔特征。

1.3 力學測試

采用MTS巖石物理測試系統(tǒng)對巖樣進行力學測試，位移傳感器量程為-50.0～50.0 mm，壓力傳感器誤差小于1%，應(yīng)變量精度為0.000 1 mm，巖樣尺寸為φ25.0 mm×50.0 mm。川西地區(qū)須五段地層存在超壓層段，壓力系數(shù)主要分布在1.5～2.0[14]，施加有效圍壓不超過32 MPa可以有效評價埋深不超過3 500.00 m的泥頁巖地層。因此，各組巖樣飽和地層鹽水后，分別施加0，12，22和32 MPa有效圍壓進行力學測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖1為6組巖樣在不同圍壓條件下的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1可以看出：隨著圍壓升高，X1—X4組巖樣的軸向峰值應(yīng)力逐漸增大；但對于X5組和X6組巖樣，圍壓為22 MPa時，其對應(yīng)的軸向峰值應(yīng)力要略小于圍壓為12 MPa時所對應(yīng)的軸向峰值應(yīng)力，表明圍壓為22 MPa時X5和X6組巖樣內(nèi)部可能產(chǎn)能微裂縫或弱面，造成巖石三軸強度降低。

圖1 泥頁巖巖樣在不同圍壓下的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Axial stress-strain curve of shale samples

2.2 應(yīng)變法圖解分析

筆者采用應(yīng)變法計算泥頁巖的脆性指數(shù)，計算公式為：

(1)

式中：B為泥頁巖的脆性指數(shù)，%；εel為彈性應(yīng)變；εtot為總應(yīng)變。

圖2 X2組巖樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變分析圖解Fig.2 Axial stress-strain analysis diagram of samples in the Group X2

以X2組巖樣為例,介紹采用應(yīng)變法計算泥頁巖脆性指數(shù)的過程，X2組巖樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。由圖2可知，在應(yīng)力加載過程中，初始加載段曲線呈線彈性變化特征，即軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變測試數(shù)據(jù)的擬合線基本為一條直線。將該擬合線延長，其與軸向峰值應(yīng)力水平線間的交點處所對應(yīng)的巖石應(yīng)變即為彈性應(yīng)變εel，峰值應(yīng)力點所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣舤ot，將其代入式(1)即可計算出泥頁巖的脆性指數(shù)。

泥頁巖塑性應(yīng)變計算公式為：

(2)

式中：εpl為泥頁巖的塑性應(yīng)變。

按照上述步驟識別出6組巖樣的εel,εpl和εtot，代入式(1)計算出各組巖樣的脆性指數(shù)，結(jié)果見表2。

2.3 圍壓對應(yīng)變的影響

圖3為不同圍壓下，各組泥頁巖巖樣的彈性應(yīng)變εel與塑性應(yīng)變εpl之間的關(guān)系。從圖3可以看出，不同圍壓條件下，泥頁巖巖樣的εel與εpl具有非常好的正相關(guān)性，εpl較大的巖樣εel也較大。在單軸應(yīng)力加載過程中，泥頁巖總應(yīng)變εtot較小時即發(fā)生破裂；而在高圍壓下，泥頁巖εtot較大εel也較大。同時，從表2可以看出，在不同圍壓條件下，泥頁巖巖樣的εel均大于εpl。

圖4為泥頁巖彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和總應(yīng)變與圍壓的關(guān)系。從圖4可以看出，除X5組泥頁巖巖樣在32 MPa圍壓條件下的εel，εpl及εtot有明顯降低外，其余5組泥頁巖巖樣的εel,εpl及εtot均隨圍壓升高而逐漸增大。分析認為，在32 MPa圍壓條件下，X5組泥頁巖巖樣各應(yīng)變明顯降低的原因是巖樣內(nèi)部有裂縫等缺陷，造成巖樣發(fā)生較小應(yīng)變即發(fā)生破裂。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：圍壓從0 MPa升至12 MPa時，巖樣εel及εpl的增加幅度最大，εel的平均增加幅度為145%，εpl的平均增加幅度為252%；圍壓從12 MPa升至32 MPa時，巖樣各應(yīng)變的增加幅度相對較小。例如，圍壓從12 MPa升至22 MPa時，εel的平均增加幅度為22.7%，εpl的平均增加幅度為67.9%；圍壓從22 MPa升至32 MPa時，εel的平均增加幅度為17.96%，εpl的平均增加幅度為63.63%。這主要是因為在不加圍壓條件下，泥頁巖發(fā)生較小應(yīng)變即發(fā)生破裂，εel及εpl均較小，單軸破裂具有明顯的脆性破裂特征(見圖2)，而隨著圍壓升高，泥頁巖的韌性特征越來越顯著(見圖2)。

表2 6組巖樣的應(yīng)變及脆性指數(shù)

Table 2 Strain and brittleness indices of shale samples in 6 Groups

巖樣圍壓/MPaεel，%εpl，%εtot，%B，%X1?100 2300 1100 34067 65X1?2120 3500 1730 52366 92X1?3220 3400 2200 56060 71X1?4320 3800 3900 77049 35X2?100 0800 0200 10080 00X2?2120 3000 1000 40075 00X2?3220 2700 1400 41065 85X2?4320 3000 1600 46065 22X3?100 1100 0140 12488 71X3?2120 3880 0830 47182 38X3?3220 4800 2250 70568 09X3?4320 5000 3750 87557 14X4?100 2450 1000 34571 01X4?2120 3100 1300 44070 45X4?3220 3900 1400 53073 58X4?4320 4500 3200 77058 44X5?100 1210 0490 17071 18X5?2120 2600 1300 39066 67X5?3220 4000 3000 70057 14X5?4320 3100 2400 55056 36X6?100 1420 0330 17581 14X6?2120 3500 1530 50369 58X6?3220 4200 2000 62067 74X6?4320 6000 3500 95063 16

圖3 泥頁巖巖樣εel與εpl間的關(guān)系Fig.3 Relationship between εel and εpl of shale samples

圖4 圍壓對εel，εpl及εtot的影響Fig.4 Effect of the confining pressures on εel,εpl and εtot

2.4 圍壓對脆性的影響

圖5為不同圍壓下6組泥頁巖巖樣的脆性指數(shù)試驗結(jié)果。從圖5可以看出，除X4組巖樣在22 MPa圍壓下的脆性指數(shù)比在12 MPa圍壓下有較為明顯的升高趨勢外，其他5組巖樣的脆性指數(shù)均隨圍壓升高而降低。當圍壓從0 MPa升至12 MPa時，各組泥頁巖巖樣脆性指數(shù)的降低幅度為0.79%～14.25%，平均為5.97%；當圍壓從12 MPa升至22 MPa時，各組泥頁巖巖樣脆性指數(shù)的降低幅度為-4.44%～17.35%，平均為8.55%；當圍壓從22 MPa升至32 MPa時，各組泥頁巖巖樣脆性指數(shù)的降低幅度為0.97%～20.58%，平均為10.74%。由此可知，隨著圍壓逐步增大，泥頁巖脆性指數(shù)的降低幅度有逐漸增大的趨勢。因此，在采用礦物組分法評價泥頁巖脆性時，如不考慮地層埋深或地應(yīng)力的影響，會高估泥頁巖的脆性。

圖5 不同圍壓下泥頁巖巖樣的脆性指數(shù)Fig.5 Brittleness indices of shale samples under different confining pressures

研究區(qū)塊的垂向應(yīng)力梯度約為2.4 MPa/100m，假設(shè)目的層的地層壓力系數(shù)為1.5，則該區(qū)塊泥頁巖地層垂向應(yīng)力、地層壓力及有效應(yīng)力與埋深的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出：12，22和32 MPa圍壓下約分別對應(yīng)埋深1 250.00，2 500.00和3 500 m處的有效應(yīng)力，結(jié)合上面的試驗結(jié)果可知，在埋深1 250.00，2 500.00和3 500 m處，頁巖的脆性指數(shù)約分別降低5.97%，8.55%和10.74%。由此可知，泥頁巖脆性指數(shù)的平均降低幅度與埋深基本呈線性關(guān)系，即埋深越大，泥頁巖脆性的降低幅度也越大。按此推算，埋深3 500.00～5 000.00 m的泥頁巖其脆性指數(shù)平均約降低14.00%，埋深5 000.00～6 000.00 m的泥頁巖其脆性指數(shù)約降低18.00%。

2.5 脆性礦物含量對頁巖氣開發(fā)極限深度的影響

圖6 研究區(qū)塊泥頁巖地層各應(yīng)力與埋深的關(guān)系Fig.6 Relationship between stress and buried depths of shale formations in the concerned area

對于脆性礦物含量不同的泥頁巖儲層，當其埋深接近地表時，巖石脆性不受埋深(應(yīng)力)的影響。此時，巖石相當于處于單軸應(yīng)力條件下，泥頁巖的脆性指數(shù)與其脆性礦物含量相等，以此作為地表條件下泥頁巖儲層的初始脆性指數(shù)。根據(jù)上述試驗結(jié)果，獲得各埋深范圍內(nèi)泥頁巖脆性指數(shù)的降低幅度，計算不同埋深下泥頁巖儲層的脆性指數(shù)，結(jié)果見圖7。筆者以脆性指數(shù)50%作為頁巖氣開發(fā)的下限[15-16]，這主要是因為，當脆性指數(shù)低于50%時，泥頁巖的可壓裂性較差，且隨埋深增加，頁巖氣的開發(fā)成本過高，較低脆性的頁巖不具備商業(yè)開發(fā)價值[17-18]。

圖7 不同脆性礦物含量泥頁巖的脆性指數(shù)分布圖版Fig.7 Distribution of brittleness indices of shale with different contents of brittle minerals

從圖7可以看出：當泥頁巖儲層中的脆性礦物含量大于65%時，其開發(fā)埋深下限可超過6 000.00 m；當脆性礦物含量為60%時，其開發(fā)埋深下限約為5 000.00 m；當脆性礦物含量為55%時，其開發(fā)埋深下限約為3 000.00 m。

在明確所研究區(qū)塊泥頁巖儲層中脆性礦物含量的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖7可以對其脆性及開發(fā)價值進行初步判定。

本刊研究與試驗報告的印刷版一般為3～4頁，約5000～6000字；綜述與評論的印刷版一般為4～8頁，不超過8000字。

3 應(yīng)用實例

研究區(qū)塊X503井上三疊統(tǒng)須五段地層發(fā)育大段泥頁巖及致密砂巖儲層，其埋深為2 830.00～2 940.00 m。根據(jù)ECS元素俘獲測井資料分析可知，泥頁巖及致密砂巖儲層中的礦物組分主要為石英、黏土、方解石、煤、黃鐵礦及少量特殊礦物。應(yīng)用礦物組分法計算目的層頁巖儲層的脆性指數(shù)時，認為脆性礦物包括石英、方解石及黃鐵礦。剔除儲層中的致密砂巖儲層，首先應(yīng)用礦物組分法計算埋深2 830.00～2 940.00 m泥頁巖的脆性指數(shù)，再根據(jù)上文得到的埋深與脆性指數(shù)的關(guān)系進行校正，得到X503井泥頁巖地層脆性指數(shù)剖面(見圖8)。從圖8可以看出：礦物組分法計算的泥頁巖儲層的脆性指數(shù)為35.0%～78.0%，平均為55.9%；利用埋深與脆性指數(shù)關(guān)系校正后的泥頁巖儲層的脆性指數(shù)為31.0%～70.0%，平均為49.9%。

一般來說，泥頁巖儲層的脆性指數(shù)大于55.0%才能獲得較好的壓裂效果[15-16]。從圖8可以看出，利用礦物組分法計算的2 845.00～2 865.00 m和2 890.00～2 902.00 m井段的脆性指數(shù)均大于55.0%，但經(jīng)過校正后，這2個井段的脆性指數(shù)均小于55.0%。因此，不建議將這2個井段作為最佳的壓裂層段。

圖8 X503井泥頁巖地層脆性指數(shù)剖面Fig.8 Profile of brittleness indices of shale formation in the Well X503

4 結(jié) 論

1) 隨著圍壓升高，泥頁巖的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變均增大，而其脆性指數(shù)降低，降低幅度與埋深(圍壓)近似呈線性關(guān)系，且泥頁巖的彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變具有非常好的正相關(guān)性。

2) 簡單以脆性礦物含量作為泥頁巖脆性的量度，當泥頁巖儲層中脆性礦物含量為大于65%，60%，55%和小于50%時，其開發(fā)埋深下限分別為6 000.00，5 000.00和3 000.00 m以及基本不具備商業(yè)開發(fā)價值。

3) 將埋深對泥頁巖脆性的影響進行了量化，利用其對常規(guī)礦物組分法評價結(jié)果進行校正，使評價結(jié)果考慮的因素更為全面，從而為泥頁巖壓裂層段的優(yōu)選提供幫助。

4) 應(yīng)用礦物組分法計算單軸條件下泥頁巖脆性指數(shù)時，未考慮泥頁巖自身結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的影響，建議充分考慮這些因素進行泥頁巖脆性的評價研究。

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[編輯 劉文臣]

Experimental Analysis of the Effect of Stress on Shale Reservoir Brittleness and Its Application

ZHOU Shunlin1，2，YIN Shuai3，WANG Fengqin3，LI Dong2，YI Wang2

(1.GuizhouCoalMineGeologicalEngineeringConsultingandGeologicalEnvironmentMonitoringCenter,Guiyang,Guizhou,550081,China;2.GuizhouProvincialCBMandShaleGasEngineeringResearchCenter,Guiyang,Guizhou,550081,China;3.SchoolofEarthScienceandEngineering,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an,Shaanxi,710065,China)

As well depth increases,formation rocks brittleness may be reduced and consequently manifest as ductile behavior.Conventional mineral composition can be used to assess the brittleness of shales.Because it does not take the impact of confining pressures (burial depths) into account,one arrives at less than satisfactory assessment conclusions.Under such circumstances,mechanical tests were conducted with continental deposit shale samples under different confining pressures and a strain method was deployed in a tested result analysis to highlight brittleness features of the shale.Research results showed that both elastic and plastic strains may increase with confining pressures while the brittleness index may decrease.Within the concerned Block,the brittleness index of shale at the depths of 1 250.00 m,2 500.00 m,3 500.00 m and between the interval of 3 500.00～5 000.00 m and 5 000.00～6 000.00 m fell approximately 5.97%,8.55%,10.74%,14.00% and 18.00%,respectively.With brittle minerals content in these shale reservoir formations over 65%,60%,55% and below 50%,the formation depth limitation for economic development of those reservoirs are determined to be 6 000.00 m,5 000.00 m,2 500.00 m and no commercial value,respectively.So the shale brittleness index determined from conventional mineral composition can be calibrated through quantification of impacts of stresses (burial depths) and it can provide help in the identification of intervals for staged hydraulic fracturing.

confining pressure;burial depth;shale;brittleness index;rock mechanical test;strain

2016-08-15；改回日期：2017-03-13。

周順林(1981—)，男，貴州興義人，2005年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學環(huán)境科學專業(yè)，工程師,主要從事煤田地質(zhì)勘查及煤層氣、頁巖氣勘查與開發(fā)工作。E-mail： 33505563@qq.com。

尹帥，speedysys@163.com。

國家科技重大專項“盤縣-金沙地區(qū)海陸交互相頁巖氣勘查評價應(yīng)用試驗”(編號：2016ZX05034004-007)部分研究內(nèi)容。

10.11911/syztjs.201703020

P313.1

A

1001-0890(2017)03-0113-08