劉修剛，郝世俊，劉修泰，薛 剛，申瑞臣，趙永哲

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安717500；4.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

頁(yè)巖儲(chǔ)層是非常規(guī)頁(yè)巖氣得以自生自儲(chǔ)的主要聚集基質(zhì)[1]，現(xiàn)今，針對(duì)于四川威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖礦物組成以及力學(xué)特征研究對(duì)象主要集中于井下頁(yè)巖，對(duì)于露頭頁(yè)巖研究卻很少，同時(shí)井下頁(yè)巖制取巖樣過(guò)程復(fù)雜、成本較高。因此，本文針對(duì)地面距離相距約五百至七百多米井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行力學(xué)特征研究，進(jìn)行礦物組分、力學(xué)強(qiáng)度以及微觀納米壓痕測(cè)試，研究井下與露頭頁(yè)巖礦物組成之間差異性，力學(xué)強(qiáng)度特征遵循的同一性與差異性，微觀模量與宏觀模量在不同圍壓下之間關(guān)系，因此，工程上就可以通過(guò)測(cè)試露頭頁(yè)巖樣礦物組成、力學(xué)強(qiáng)度特征大致預(yù)測(cè)儲(chǔ)層頁(yè)巖礦物組成及力學(xué)強(qiáng)度特征，同時(shí)通過(guò)測(cè)試頁(yè)巖微觀模量預(yù)測(cè)頁(yè)巖宏觀模量。

1 頁(yè)巖礦物組分研究

本文利用X衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分，井下頁(yè)巖石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為55.38%、7.25%、12.63%、6.13%、2.5%、16.3%，見(jiàn)圖1a；露頭頁(yè)巖石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為49.57%、4.14%、26.12%、12%、1.86%、6.29%，見(jiàn)圖1b。井下石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、粘土礦物平均含量均大于露頭，含量差值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%；井下方解石、白云石平均含量小于露頭，差值約分別為13.52%、5.88%，從頁(yè)巖整體脆性礦物組成分析發(fā)現(xiàn)，井下脆性礦物平均含量小于露頭，差值約為3.55%。

圖1 井下與露頭頁(yè)巖各種巖性礦物平均含量圖

2 頁(yè)巖力學(xué)特征研究

2.1 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

選取25mm×50mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖樣為對(duì)象，利用MTS型巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試研究[2-3]。分別對(duì)21塊井下與13塊露頭頁(yè)巖進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試，所加載圍壓依次設(shè)定為1、5、10、20、25、30MPa，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井下與露頭頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)井下與露頭頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度與測(cè)試所加載圍壓均呈正相關(guān)性，測(cè)試加載圍壓越大，頁(yè)巖達(dá)到峰值破壞較為遲緩[4-5]，相同加載圍壓下，井下頁(yè)巖平均抗壓強(qiáng)度低于露頭頁(yè)巖平均抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。

圖2 井下與露頭頁(yè)巖抗壓和圍壓之間關(guān)系曲線

井下與露頭頁(yè)巖彈性模量平均值隨著測(cè)試圍壓增大，其值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，井下頁(yè)巖彈性模量隨測(cè)試圍壓變化幅度較大，露頭頁(yè)巖彈性模量隨測(cè)試圍壓變化幅度較小，見(jiàn)圖3a。井下與露頭頁(yè)巖泊松比與測(cè)試加載圍壓均呈無(wú)規(guī)律狀排列，它們之間存在一種不確定關(guān)系，見(jiàn)圖3b。

圖3 井下與露頭頁(yè)巖彈性模量和泊松比與圍壓之間關(guān)系曲線

3 頁(yè)巖微觀納米壓痕測(cè)試研究

3.1 微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

本文利用Keysight科技公司G200納米壓痕儀（納米壓痕儀器如圖4a）測(cè)試頁(yè)巖各種礦物組成的彈性模量，納米壓痕儀最大載荷500mN、載荷分辨率50nN、加載速率5～100N/min，位移測(cè)量范圍0～1.5mm，位移測(cè)量分辨率小于0.01nm[6]。

納米壓痕實(shí)驗(yàn)巖樣分別選取力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試之后的井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖屑，將小頁(yè)巖屑試樣鑲嵌并固化于環(huán)氧樹(shù)脂中，然后采用碳化硅研磨紙（0.5μm）和氧化鋁研磨膜（0.3～0.01μm）對(duì)小巖樣表面進(jìn)行機(jī)械拋光，納米壓痕實(shí)驗(yàn)樣見(jiàn)圖4b。

圖4 微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

3.2 納米壓痕測(cè)試結(jié)果及微觀彈性模量研究

利用微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)大量井下與露頭龍馬溪組頁(yè)巖樣進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，同時(shí)基于納米壓痕測(cè)試獲得原始數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出：頁(yè)巖硅質(zhì)礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質(zhì)礦物彈性模量為44.85～61.37，粘土礦物彈性模量為30.89～35.89。

本文通過(guò)引入微觀彈性模量力學(xué)參數(shù)，以此研究微觀納米壓痕測(cè)試所得頁(yè)巖各種礦物組分彈性模量與力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量之間的相關(guān)性，頁(yè)巖微觀彈性模量是指頁(yè)巖各種礦物組分彈性模量與相應(yīng)各種礦物組分含量乘積之和，能夠表征頁(yè)巖力學(xué)特性的參數(shù)，計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：Wi——頁(yè)巖中i礦物百分含量；

Ei——頁(yè)巖中i礦物組分彈性模量，GPa。

此處將頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量視為宏觀彈性模量，同時(shí)引入彈性模量差異性系數(shù)作為反映微觀彈性模量與宏觀彈性模量之間差異性大小的量度，彈性模量差異性系數(shù)表達(dá)式如下：

式中：E宏——頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量，GPa。

選取上述力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試井下與露頭頁(yè)巖在圍壓1、5、10、15、20、25、30、35MPa下獲取的宏觀彈性模量，然后分別利用公式（1）與（2）計(jì)算出井下與露頭頁(yè)巖在不同加載圍壓下所對(duì)應(yīng)的彈性模量差異性系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表2。針對(duì)頁(yè)巖不同圍壓與所對(duì)應(yīng)彈性模量差異性系數(shù)進(jìn)行線性擬合分析，經(jīng)擬合分析發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖彈性模量差異性系數(shù)與加載圍壓存在一定線性關(guān)系，擬合曲線關(guān)系見(jiàn)圖5。

表2 頁(yè)巖不同圍壓下對(duì)應(yīng)的彈性模量差異系數(shù)結(jié)果

圖5 頁(yè)巖彈性模量差異系數(shù)與圍壓之間關(guān)系圖

從圖5可得，頁(yè)巖彈性模量差異系數(shù)隨著圍壓增大而減小，同時(shí)表明隨著加載圍壓增大，宏觀模量與微觀模量差異性也逐漸減小，主要原因在于：針對(duì)同一塊頁(yè)巖樣，其微觀彈性模量主要由頁(yè)巖各礦物組分含量以及各礦物彈性模量決定，因此微觀模量是一定值，然而頁(yè)巖宏觀彈性模量主要受控于力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所加載圍壓，因此針對(duì)不同加載圍壓，宏觀彈性模量不定值，其值隨著圍壓增加而增大，所以頁(yè)巖彈性模量差異系數(shù)與所加載圍壓呈負(fù)相關(guān)性。從圖5發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖彈性模量差異系數(shù)在圍壓30MPa之后，其值變化幅度極小，主要原因可能在于：頁(yè)巖宏觀彈性模量隨著所加載圍壓增大，其值增大幅度減小，甚至不產(chǎn)生變化。同時(shí)可得出頁(yè)巖彈性模量差異系數(shù)始終大于1。

基于頁(yè)巖彈性模量差異性系數(shù)與所加載圍壓曲線關(guān)系擬合研究，因此在工程上可以通過(guò)測(cè)試獲取頁(yè)巖微觀彈性模量，然后計(jì)算頁(yè)巖在不同圍壓情況下的宏觀彈性模量，其計(jì)算公式如下：

式中：Pc——所加載圍壓，MPa。

由于頁(yè)巖礦物組分含量與頁(yè)巖儲(chǔ)層圍壓均可以通過(guò)測(cè)井解釋獲取，頁(yè)巖礦物組分彈性模量可以通過(guò)鉆井返出井底巖屑獲取，因此可通過(guò)測(cè)井解釋獲取頁(yè)巖微觀彈性模量以預(yù)測(cè)宏觀模量，因此最能夠表征頁(yè)巖力學(xué)特征的宏觀模量就可以實(shí)時(shí)隨鉆測(cè)得。

4 結(jié)論

（1）四川威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組井下與露頭頁(yè)巖石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、粘土礦物、方解石、白云石等含量具有較大差異性，差異值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。

（2）井下與露頭頁(yè)巖彈性模量平均值與測(cè)試圍壓均呈正相關(guān)性，井下頁(yè)巖彈性模量均值隨測(cè)試圍壓變化幅度大于露頭頁(yè)巖，井下與露頭頁(yè)巖泊松比與圍壓均呈無(wú)規(guī)律狀排列。

（3）基于頁(yè)巖微觀納米壓痕測(cè)試得出頁(yè)巖硅質(zhì)礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質(zhì)礦物彈性模量為44.85～61.37GPa，粘 土 礦 物 彈 性 模 量 為 30.89～35.89GPa。

（4）研究得出頁(yè)巖宏觀與微觀模量在不同圍壓下之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試的彈性模量。

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