張菀喬，廖 禮

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 404100； 2.國(guó)投重慶頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，重慶 404100)

渝東北盆緣高陡頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特性

張菀喬1，廖 禮2

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 404100； 2.國(guó)投重慶頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，重慶 404100)

渝東北盆緣某區(qū)高陡頁(yè)巖儲(chǔ)層具有巖性復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)等特性，其力學(xué)性質(zhì)隨巖性變化差異較大。為探尋這一特殊的高陡頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，采用國(guó)外先進(jìn)的力學(xué)設(shè)備對(duì)渝東北盆緣某區(qū)X組頁(yè)巖開(kāi)展了多應(yīng)力路徑、單軸、巴西力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)果表明：黑色硅質(zhì)巖各向異性低于黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，兩者各向異性分別為位于一類(lèi)(碳酸鹽)與三類(lèi)(粉砂質(zhì)泥巖)之間。黑色硅質(zhì)巖具有較高的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量，分別為248.7 MPa和71724.1 MPa，屬中硬地層；黑色炭質(zhì)頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量均較低，分別為15.3 MPa和7006.8 MPa，且?guī)r石脆性差，均低于50%，壓裂過(guò)程中黑色炭質(zhì)頁(yè)巖形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度大。通過(guò)分析認(rèn)為，在該井的儲(chǔ)層改造中，以硅質(zhì)巖為主的層段壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，以炭質(zhì)頁(yè)巖為主的層段壓裂應(yīng)選擇以低黏度線(xiàn)性膠為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計(jì)原則應(yīng)為“大液量、大排量、小粒徑支撐劑、低砂濃度和轉(zhuǎn)向技術(shù)”，并選擇脆性指數(shù)高的地方進(jìn)行射孔。

渝東北盆緣；巖石力學(xué)試驗(yàn)；礦物組分；脆性指數(shù)；壓裂

渝東北地區(qū)處于四川盆地北部邊緣，后期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺斷裂發(fā)育，地層傾角大，構(gòu)造及地表?xiàng)l件復(fù)雜，油氣勘探程度較低。該區(qū)下古生界主要發(fā)育下寒武水井沱組合上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留龍馬溪2套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)巖富集條件優(yōu)越，但受沉積環(huán)境及后期構(gòu)造改造的影響，區(qū)內(nèi)頁(yè)巖發(fā)育展布變化較大。該區(qū)X組頁(yè)巖具有極低的基質(zhì)孔隙度和滲透率，需要大規(guī)模壓裂才能形成工業(yè)產(chǎn)能。除自身天然裂縫外，開(kāi)發(fā)過(guò)程中還應(yīng)考慮儲(chǔ)層是否容易改造。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)研究脆性是優(yōu)選高品質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的重要參數(shù)。國(guó)外學(xué)者和石油公司都非常重視頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)特性的評(píng)價(jià)，但對(duì)于大傾角頁(yè)巖儲(chǔ)層(60～70°)力學(xué)特性的評(píng)價(jià)尚未見(jiàn)到系統(tǒng)的研究成果[1-3]。

為了確定渝東北高陡頁(yè)巖的巖石力學(xué)特征，筆者采用國(guó)外先進(jìn)的力學(xué)設(shè)備對(duì)渝東北盆緣某區(qū)X組頁(yè)巖開(kāi)展了多應(yīng)力路徑、單軸、巴西力學(xué)行為研究。同時(shí)分析頁(yè)巖試樣的脆性特征，在此基礎(chǔ)上提出了該區(qū)X組頁(yè)巖儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)原則、壓裂模式和射孔位置，為該區(qū)X組頁(yè)巖成功改造提供了理論基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

渝東北某區(qū)內(nèi)構(gòu)造由一系列北西向緊密線(xiàn)形復(fù)式褶皺及斜沖斷層組成，構(gòu)成疊瓦狀逆掩推覆構(gòu)造。區(qū)塊以高幅抬升/強(qiáng)烈擠壓為特點(diǎn)，變形嚴(yán)重、破壞強(qiáng)烈，尤以仁河流域斷裂最為發(fā)育?，F(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為高陡狀褶皺，地層傾角大，60～70°比較普遍[2-3]。

1.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層物性特征

渝東北某區(qū)寒武系、奧陶系及志留系發(fā)育2套黑色頁(yè)巖層系，其中X組頁(yè)巖有機(jī)碳含量高，厚度為300～400 m，頁(yè)巖總體呈北東-南西向展布，分布穩(wěn)定，是一套高效烴源巖。據(jù)取心資料分析結(jié)果顯示，該組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度在0.9%～6.7%之間，平均為4.2%；滲透率在1.66～162 nD之間。

1.3 頁(yè)巖巖石礦物成分

利用X 射線(xiàn)衍射分析某區(qū)頁(yè)巖氣井X組取心資料，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽類(lèi)、黃鐵礦、黏土礦物等(表1)。黃鐵礦普遍發(fā)育，揭示強(qiáng)還原環(huán)境，除炭質(zhì)泥巖外，硅質(zhì)巖段脆性礦物含量普遍較高。

表1 頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石礦物成分分析結(jié)果表Table 1 Analysis results of rock mineral composition of shale reservoir

2 頁(yè)巖巖石力學(xué)特性試驗(yàn)

為了開(kāi)展該區(qū)壓裂可壓性評(píng)價(jià)，選擇X組具有一定含氣性的黑色硅質(zhì)巖和黑色炭質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)行巖石力學(xué)特性試驗(yàn)，為后期的儲(chǔ)層改造方案提供合理的依據(jù)。

2.1 力學(xué)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用TerraTek公司的力學(xué)測(cè)試荷載儀，選取盡量不含天然層理面、天然裂縫的基質(zhì)巖心，采取垂直、45°或平行層理面3種方式取樣。巖樣加工成直徑為1.5 cm ，長(zhǎng)度為2.0 cm 的柱狀巖心，端面磨平，模擬儲(chǔ)層溫度、壓力條件，進(jìn)行多應(yīng)力路徑、單軸力學(xué)試驗(yàn)及巴西力學(xué)試驗(yàn)。

2.2 頁(yè)巖單軸力學(xué)試驗(yàn)

選取X組黑色硅質(zhì)巖和黑色炭質(zhì)頁(yè)巖兩種巖石樣品，采取垂直取樣方式，取樣4個(gè)，孔隙壓力在大氣壓值下進(jìn)行單軸抗壓力學(xué)對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，X組巖石樣品中的黑色硅質(zhì)巖抗壓強(qiáng)度平均為24.877×104kPa，黑色炭質(zhì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度平均為1.535×104kPa。黑色硅質(zhì)巖楊氏模量平均為1.04×107，泊松比平均為0.22；黑色炭質(zhì)頁(yè)巖楊氏模量平均為1.016×106，泊松比平均為0.25。其中黑色硅質(zhì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度約為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的10倍左右，在軸向模量變化相同的條件下，黑色硅質(zhì)頁(yè)巖需加載的單軸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黑色炭質(zhì)頁(yè)巖。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2，軸向應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示。

表2 頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試成果表Table 2 Results table of shale single axial compressive strength test

注：①1 kPa=0.145 psi。

圖1 樣品軸向應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.1 The relationship between axial stress difference and axial strain of the sample

2.3 多應(yīng)力路徑測(cè)試

選取X組黑色硅質(zhì)巖和黑色炭質(zhì)頁(yè)巖兩種巖石樣品，采取垂直、45°或平行層理面3種方式取樣，取樣6個(gè)，孔隙壓力在大氣壓值下進(jìn)行多應(yīng)力路徑對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，X組巖石樣品中黑色硅質(zhì)巖的楊氏模量和泊松比水平方向與垂直方向的比值分別為1.02和1.15，黑色炭質(zhì)頁(yè)巖的楊氏模量和泊松比水平方向與垂直方向的比值為分別為1.19和1.36，兩類(lèi)巖石各向異性表現(xiàn)均較弱。測(cè)試后黑色硅質(zhì)巖形成了復(fù)雜縫網(wǎng)，而炭質(zhì)頁(yè)巖僅形成了少數(shù)單一縫，在后期的儲(chǔ)層改造中，X組炭質(zhì)頁(yè)巖不利于體積縫的形成。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)試后兩種巖石樣品的圖片如圖2所示。

表3 多應(yīng)力路徑測(cè)試成果表Table 3 Multi-stress path test results table

圖2 樣品測(cè)試后圖片F(xiàn)ig.2 Sample pictures after test

2.4 巴西法抗張強(qiáng)度測(cè)試

選取X組黑色硅質(zhì)巖和黑色炭質(zhì)頁(yè)巖兩種巖石樣品，采取垂直和平行層理面2種方式取樣，取樣4個(gè)，進(jìn)行巴西法抗張強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，X組巖石樣品中的黑色硅質(zhì)巖抗張強(qiáng)度平均為1.896×104kPa，黑色炭質(zhì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度平均為0.185×104kPa。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 間接抗張測(cè)試(巴西法)結(jié)果Table 4 Results of indirect tensile test (Brazilian method)

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

X組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征參數(shù)研究表明，該儲(chǔ)層黑色硅質(zhì)巖和黑色炭質(zhì)頁(yè)巖巖石力學(xué)特性差別較大。黑色硅質(zhì)巖具有較高的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量，屬中硬地層。多應(yīng)力路徑測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，X組黑色硅質(zhì)巖非常堅(jiān)硬，其楊氏模量和泊松比水平方向與垂直方向的比值分別為1.02和1.15，楊氏模量和泊松比水平方向與垂直方向的比值位于一類(lèi)(碳酸鹽)與二類(lèi)(鈣質(zhì)/灰質(zhì)泥巖)之間，各向異性程度很低，基本可以認(rèn)為是各向同性的介質(zhì)。而炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度很低，其楊氏模量和泊松比水平方向與垂直方向的比值分別1.19和1.36，比值位于二類(lèi)(鈣質(zhì)/灰質(zhì)泥巖)與三類(lèi)(粉砂質(zhì)泥巖)之間，屬各向異性較低的介質(zhì)，在壓裂設(shè)計(jì)中若沒(méi)有其他資料可以按各向同性介質(zhì)考慮[4-6]。

通過(guò)巖石力學(xué)特征參數(shù)、頁(yè)巖脆性礦物成分含量，結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算了渝東北某區(qū)X組M井儲(chǔ)層擬改造層段1600～2600 m巖石的脆性指數(shù)，M井炭質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)大部分低于50，黑色硅質(zhì)巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)高于50。根據(jù)國(guó)外已有的頁(yè)巖開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，巖石脆性與壓裂液和支撐劑選取有重要關(guān)系，隨著巖石脆性的增高，壓裂液選擇從交聯(lián)壓裂液逐步向滑溜水壓裂液過(guò)渡，形成的裂縫也由雙翼對(duì)稱(chēng)裂縫向復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫過(guò)渡；在支撐劑的選取上，巖石脆性指數(shù)越高，液體體積用量越大，支撐劑的用量越少，支撐劑濃度越低[7-9]。頁(yè)巖氣壓裂目的層脆性指數(shù)是重要的可壓性分析指標(biāo)，美國(guó)巴肯頁(yè)巖資源開(kāi)發(fā)中經(jīng)過(guò)多年摸索和試驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)在巴肯脆性指數(shù)高的地方射孔和布水平井，其壓后產(chǎn)量要比在有機(jī)質(zhì)含量高的上、下巴肯顯著提高，因此脆性指數(shù)越高，越容易起裂，越有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)和降低支撐劑嵌入地層的風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是，在相同的地質(zhì)條件下，在脆性指數(shù)相對(duì)高的位置射孔并壓裂，壓后產(chǎn)量也會(huì)提高[10-16]。

通過(guò)綜合分析M井X組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石情況，該組少部分黑色硅質(zhì)巖屬脆性巖石，但大部分黑色炭質(zhì)頁(yè)巖脆性不夠，因此以硅質(zhì)巖為主的層段壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，以炭質(zhì)頁(yè)巖為主的層段壓裂則選擇以低黏度線(xiàn)性膠為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計(jì)原則應(yīng)為“大液量、大排量、小粒徑支撐劑、低砂濃度和轉(zhuǎn)向技術(shù)”。M井X組縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)，巖性復(fù)雜，含氣性好的層位脆性不足，不適合射孔，因此該井選擇脆性指數(shù)高的地方射孔。

4 結(jié)論

(1)渝東北某區(qū)X組頁(yè)巖礦物組分主要以石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽類(lèi)、黃鐵礦、黏土礦物為主。其中各組分平均含量分別為：石英礦物20.0% ，黏土礦物18.0%，碳酸鹽巖礦物57.0%，黃鐵礦礦物5.0%；黃鐵礦普遍發(fā)育，揭示強(qiáng)還原環(huán)境，除炭質(zhì)泥巖外，硅質(zhì)巖段脆性礦物含量普遍較高。

(2)巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)表明，黑色硅質(zhì)巖各向異性低于黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，但兩者各向異性都較低，位于一類(lèi)(碳酸鹽)與三類(lèi)(粉砂質(zhì)泥巖)之間。黑色硅質(zhì)巖具有較高的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量，屬中硬地層；黑色炭質(zhì)頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量均較低，且?guī)r石脆性差，壓裂過(guò)程中黑色炭質(zhì)頁(yè)巖形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度大。

(3)綜合分析M井X組巖石脆性指數(shù)的結(jié)果表明，在該井的儲(chǔ)層改造中，以硅質(zhì)巖為主的層段壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，以炭質(zhì)頁(yè)巖為主的層段壓裂則選擇以低黏度線(xiàn)性膠為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計(jì)原則應(yīng)為“大液量、大排量、小粒徑支撐劑、低砂濃度和轉(zhuǎn)向技術(shù)”。M井應(yīng)選擇脆性指數(shù)高的地方進(jìn)行射孔。

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TheMechanicalPropertiesofRocksinHighandSteepShaleReservoir,ChongqingNortheastBasinEdge

Zhang Wanqiao1, Liao li2

(1.ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources,Chongqing404100,China；2.SDICChongqingShaleGasDevelopmentandUtilizationCo.,Ltd.,Chongqing404100,China)

The high and steep shale reservoirs district in Chongqing northeast basin edge has complex lithology and strong heterogeneity characteristics, its mechanical properties vary greatly with lithological variation. To explore the special high and steep rock mechanics properties of shale, this article have adopt overseas advanced mechanical equipment to carry out more stress path, uniaxial and mechanics test in Brazil for X group in Chongqing northeast basin edge shale district. The results showed that the black siliceous rock anisotropy below black carbonaceous shale and the anisotropic respectively located in category (carbonate) and between the three categories (silty mudstone). Black siliceous rocks with high uniaxial compressive strength(248.7 MPa) and modulus of elasticity(71724.1 MPa) belong to medium hard formation. The black carbonaceous shale is difficult to form complex network in the process of fracturing because of the low compressive strength(15.3 MPa) and elastic modulus(7006.8 MPa) of the black carbon shale and the poor rock brittleness(≤50%). It was suggested that the siliceous rock should chose silk water for hydraulic fracturing and the reservoir reconstruction should chose low viscosity linear glue for hydraulic fracturing and the fracturing design principle should be “l(fā)arge liquid volume, large displacement, small particle size support agent, low sand concentration and steering technology” and the perforation of the perforation is selected where the hole of the perforation is high.

Chongqing northeast basin edge; mechanics experiments of rocks; the mineral composition; brittleness index; fracturing

張菀喬(1982—)，工程師，2008年碩士畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)，主要從事頁(yè)巖巖樣分析檢測(cè)工作。郵箱：4615974@qq.com.

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