夏遵義，馬海洋，房 堃

(1.北京大學 工學院，北京 100871；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

我國頁巖油氣資源分布廣泛，資源潛力巨大，是重要的非常規(guī)能源[1-4]。由于頁巖儲層自生自儲、低孔低滲的特征，極大增加了其開采難度，必須經(jīng)過體積壓裂改造才能達到工業(yè)開采的目的[5-7]。頁巖可壓裂性指的是頁巖儲層經(jīng)過水力壓裂后可以被有效改造的性質，在頁巖油氣開發(fā)中是一項重要的評價參數(shù)[8-9]。對于頁巖可壓裂性的研究，目前尚未有統(tǒng)一的評價標準，JARVIE等[10]以頁巖中石英的含量計算頁巖脆性，認為石英含量高的頁巖可壓裂性好；RICKMAN等[11]認為楊氏模量和泊松比可反映頁巖的脆性；刁海燕[12]結合力學參數(shù)和礦物成分對頁巖的可壓裂性進行評價；范宜仁等[13]考慮頁巖天然裂縫及力學特性，對頁巖的壓裂潛力進行綜合表征。由于頁巖可壓裂性反映的是頁巖儲層的綜合特征，不能僅考慮礦物組成或力學參數(shù)，而天然裂縫等因素由于量化難度和成本較大，且易產(chǎn)生誤差，無法有效應用。

本文以渤海灣盆地沾化凹陷始新統(tǒng)沙三下段陸相頁巖為研究對象，通過室內(nèi)實驗測試其礦物成分及巖石力學參數(shù)，并結合實際地質及生產(chǎn)情況，測試成巖作用及圍壓等因素對頁巖脆性的影響。綜合考慮頁巖礦物成分、力學參數(shù)、成巖作用及圍壓4個方面，建立可壓裂系數(shù)數(shù)學模型，為頁巖儲層可壓裂性的定量評價提供新方法。

1 實驗樣品

對沾化凹陷沙河街組沙三下段不同深度的27組頁巖進行礦物成分測試，選取8塊頁巖進行巖石力學實驗，其中Z1h、Z2h、Z3h、Z4h和Z5h樣品均為平行層理面取樣；Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v為垂直層理面取樣，與Z2h取自同一深度，為加熱處理樣品。8塊樣品基本信息如表1所示，有機碳含量(TOC)在1.54%～5.09%之間；鏡質體反射率(Ro)介于0.56%～0.90%之間，平均為0.72%，有機質熱演化程度處于低成熟—成熟階段；有機質類型主要是Ⅰ型和Ⅱ1型；孔隙度介于4.08%～7.04%之間，平均為5.40%，滲透率在(4.66～15.05)×10-3μm2之間，平均為6.99×10-3μm2，屬于低孔低滲儲層。

2 實驗方法

2.1 X射線衍射實驗

實驗利用美國伊諾斯公司研發(fā)的XRD Terra礦物成分測試儀完成。首先將樣品磨碎至粉末狀，利用篩網(wǎng)過篩，取適量粉末倒入樣品槽中進行實驗。實驗完成后將得到的圖譜峰值與數(shù)據(jù)庫卡片進行對比，找到各峰值對應的礦物成分，最后計算礦物成分比例。

表1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖樣品基礎信息

2.2 巖石力學實驗

實驗采用美國MTS公司生產(chǎn)的MTS816型巖石力學測試系統(tǒng)完成。系統(tǒng)最大垂向壓力1 000 kN，垂向活塞行程100 mm，最大圍壓140 MPa，圍壓室最高加熱溫度200 ℃。將頁巖樣品切割成Φ25 mm×H50 mm的標準圓柱巖樣，上下端面磨平且與中軸線垂直，對其進行單軸及不同圍壓條件下的加載破壞，得到應力—應變曲線，進而計算得到抗壓強度、楊氏模量和泊松比等巖石力學參數(shù)。

3 實驗結果與分析

3.1 全巖礦物衍射

3.1.1 頁巖礦物組成

對沾化凹陷沙三下段27塊頁巖樣品進行了全巖礦物組分分析，不同頁巖的礦物組成有一定的差異(圖1)。沙三下段泥頁巖礦物成分可分為3大類，分別為脆性礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物。脆性礦物主要包括石英、長石和黃鐵礦，其中石英和長石含量較多，分別為13%和12.1%；黃鐵礦平均含量為5.1%，脆性礦物的存在有利于頁巖的壓裂改造。碳酸鹽礦物主要包括方解石和白云石，方解石含量最高，平均為40.2%；白云石含量較少，平均為5.4%。黏土礦物主要包括伊利石、伊蒙混層、坡縷石、綠泥石和高嶺石等，除高嶺石含量較少外，其余成分含量差異較小；伊利石平均含量為8.1%，伊蒙混層含量平均為5.9%，綠泥石含量平均為5.8%，坡縷石含量平均為4.4%。黏土礦物主要表現(xiàn)為塑性，含量較多將不利于儲層壓裂改造。研究區(qū)碳酸鹽礦物含量最高，平均為45.6%，脆性礦物總量占比30.1%，高于黏土礦物的24.3%，表明沙三下段頁巖具有較高的儲層改造潛力。

圖1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖礦物組成

將各樣品的脆性礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物組成制成三元圖(圖2)，根據(jù)礦物含量將其劃分為硅質頁巖、鈣質頁巖、黏土質頁巖和混合頁巖4類巖性。所測沙三下段頁巖樣品以混合頁巖和鈣質頁巖為主，且混合頁巖大部分偏向鈣質頁巖區(qū)域，黏土質頁巖僅有一個，沒有硅質頁巖，表明碳酸鹽礦物對頁巖性質的影響不可忽略。

3.1.2 基于頁巖礦物組成的脆性指數(shù)

一般來說，石英、長石和黃鐵礦等是頁巖中最重要的脆性礦物，它們的含量在很大程度上決定了頁巖儲層的脆性和可壓裂性[14-18]。但隨著巖石物理學和礦物學的深入研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物也可以增加頁巖的脆性[14-15]，而研究區(qū)頁巖中碳酸鹽礦物含量高，因此，基于沙三下段頁巖礦物組成的脆性指數(shù)計算公式為：

(1)

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖礦物組分三元圖

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖基于礦物組分的脆性指數(shù)

式中：B1為基于頁巖礦物組成的脆性指數(shù)；Cb為脆性礦物含量；Cc為碳酸鹽礦物含量；Ct為總礦物含量；所有變量均為無量綱。

由計算結果圖3可知，沙三下段頁巖基于礦物組分的脆性指數(shù)普遍較高，上下部分分布無明顯規(guī)律，介于0.49～0.88之間，平均為0.76。這說明在礦物組分特征上，研究區(qū)頁巖具有較好的可壓裂性。

3.2 頁巖巖石力學實驗

3.2.1 單軸力學實驗

圖4a為頁巖單軸壓縮的應力應變曲線，可以看出，頁巖樣品在單軸壓縮下的脆性特征較為明顯，初始階段壓密上凹現(xiàn)象不明顯，很快進入直線段，即線彈性變形階段，此階段頁巖力學性質穩(wěn)定，卸載后基本不受影響；未見明顯的塑性特征，屈服階段不明顯，直至達到最大抗壓強度試樣破壞，峰后應力迅速下降。

研究區(qū)樣品單軸壓縮實驗獲得的巖石力學參數(shù)見表2，樣品抗壓強度范圍是43.61～125.08 MPa，平均為74.55 MPa，與砂巖或碳酸鹽巖相比較小(100 MPa左右)；楊氏模量介于34.25～53.05 GPa之間，平均為41.64 GPa；泊松比在0.20～0.33，平均為0.26。根據(jù)SONDERGELD等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，當楊氏模量大于24 GPa,泊松比小于0.25時，有利于頁巖儲層形成縫網(wǎng)結構。研究區(qū)頁巖的楊氏模量遠大于該指標，且泊松比也較為接近，表明該段可采用體積壓裂進行改造。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖應力應變曲線

樣品編號抗壓強度/MPa楊氏模量/GPa泊松比Z1h125.0834.250.22Z2h80.3039.660.20Z3h43.6153.050.33Z4h78.5346.120.29Z5h45.2235.110.26平均值74.5541.640.26

3.2.2 不同成熟度頁巖單軸力學實驗

為了研究成巖作用對頁巖巖石力學性質的影響，將同一深度取心的巖樣Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v經(jīng)過加熱處理，溫度分別為321.6，336，360.4 ℃，對應成熟度Ro為0.71%，0.73%，0.74%，獲得單軸壓縮應力應變曲線(圖4b)，其中Z2h為平行于層理面取樣，Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v為垂直于層理面取樣。與Z2h不同，其余3個柱樣初始壓密階段較為明顯，可能是由于層理縫受壓閉合導致的；線彈性階段較長，軸向應變普遍偏大，且屈服應力點較為明顯。

表3為不同成熟度頁巖單軸壓縮的巖石力學參數(shù)，3組樣品的抗壓強度介于99.04～142.02 MPa，平均為121.99 MPa。研究發(fā)現(xiàn)垂直樣的抗壓強度一般為水平樣的2倍左右[20]，Z2h樣品的抗壓強度為80.30 MPa，明顯高于另外三組垂直樣抗壓強度的1/2。實驗結果表明，高成熟度會使抗壓強度下降。另外，楊氏模量和泊松比也都隨著Ro的增大而減小。

3.2.3 頁巖三軸力學實驗

為了獲得巖樣在真實地層條件下的巖石力學參數(shù)，根據(jù)取樣深度，確定加載圍壓為40 MPa。圖4c為40 MPa圍壓下巖樣三軸壓縮應力應變曲線，由于圍壓的影響，無初始壓密階段，曲線后部逐漸變彎呈現(xiàn)塑性特征，屈服段較長，屈服應力點較為明顯，不同巖樣破壞時應變差異較大。

沙三下段頁巖在不同圍壓下的巖石力學參數(shù)(表4)與單軸力學實驗(表2)相比，三軸力學實驗的抗壓強度平均值從74.55 MPa增大到148.66 MPa，增大了近1倍；另外，從單軸到圍壓40 MPa，楊氏模量及泊松比均不同程度增大?？梢妵鷫簩搸r的巖石力學性質影響較大。

圖5顯示頁巖樣品在單軸和三軸(40MPa)壓縮下的破裂形態(tài)完全不同。分析認為，由于頁巖層理明顯且微裂縫發(fā)育，單軸壓縮時容易從薄弱的層理面或微裂縫產(chǎn)生破壞，抗壓強度小，容易從多處起裂，以劈裂式破壞為主；加圍壓后，由于圍壓的作用，巖樣的層理或微裂縫被壓緊，對巖樣的破壞影響變小，抗壓強度增大，巖樣多以剪切破壞為主。

表3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段不同成熟度頁巖單軸壓縮的巖石力學參數(shù)

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖破裂形態(tài)

樣品編號抗壓強度/MPa楊氏模量/GPa泊松比Z1h254.5647.890.34Z2h166.8577.740.41Z3h68.0560.780.42Z4h118.9869.940.43Z5h134.8458.010.43平均值148.6662.870.41

3.2.4 基于巖石力學參數(shù)的脆性指數(shù)

基于巖石力學參數(shù)計算頁巖脆性指數(shù)的方法有很多，一般涉及到楊氏模量、泊松比、抗壓強度、抗張強度、抗剪強度和斷裂韌性等參數(shù)[12,15,21-25]。常用的彈性參數(shù)法認為楊氏模量越高，泊松比越小，頁巖的脆性越高[11]，式(2)～(4)為其具體計算方法。

(2)

(3)

(4)

式中：EB2為歸一化楊氏模量；Emin、Emax為研究區(qū)楊氏模量最小值和最大值；μB2為歸一化泊松比；μmax和μmin為研究區(qū)泊松比最大值和最小值；B2為基于巖石力學參數(shù)的脆性指數(shù)；所有變量均為無量綱。

計算結果如圖6所示。由圖6a可以看出，隨著Ro的增大，頁巖的脆性指數(shù)也相應增大。分析認為[8,26]，在Ro值較低時，由于黏土礦物成分之間的轉化等作用，容易造成孔隙、裂縫的充填，不利于壓裂；隨著成熟度增加，巖石礦物會向更脆且穩(wěn)定的組分轉化增加頁巖的脆性，另外有機質熱裂解產(chǎn)氣還會增加頁巖孔隙度，頁巖氣在頁巖內(nèi)部產(chǎn)生壓力造成微裂縫，這一系列的作用使頁巖的可壓裂性得到提高。由圖6b可見，從單軸壓縮到40 MPa圍壓的三軸壓縮，沙三下段頁巖的脆性指數(shù)均有不同程度下降。結合圖5可知，由于圍壓條件抑制了微裂縫的擴張，不易產(chǎn)生多裂縫，使頁巖的可壓裂性降低。

圖6 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖脆性指數(shù)影響因素

4 頁巖可壓裂性評價

頁巖儲層的可壓裂性評價涉及諸多因素，主要包括頁巖中脆性礦物含量、巖石力學性質、成巖作用和天然裂縫等，需要對各因素在可壓裂性評價中所占的權重問題進行研究。由于天然裂縫難以量化，人為因素對結果影響較大，因此其參考意義具有局限性。壓裂施工是在真實地層條件下進行的，根據(jù)實驗結果得知，圍壓對頁巖可壓裂性的影響較大，考慮圍壓更符合實際生產(chǎn)情況。因此，需綜合考慮頁巖的礦物脆性指數(shù)、巖石力學脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓等因素。首先利用極差變換法將各參數(shù)標準化，再采用層次分析法確定各因素對頁巖可壓裂性影響所占的權重，最后通過線性加權得到可壓裂系數(shù)數(shù)學模型。

4.1 參數(shù)標準化處理

由于各因素的量綱不同，需采用極差變換法將其進行標準化處理[26]。根據(jù)實驗結果將影響因素分為正向指標，即與可壓裂性呈正相關的參數(shù)，包括礦物脆性指數(shù)、巖石力學脆性指數(shù)和成巖作用；負向指標主要是圍壓，即與可壓裂性呈負相關的參數(shù)。計算方法如式(5)和(6)所示。

正向指標：

(5)

負向指標：

(6)

式中：S為參數(shù)標準化處理后的值；X為參數(shù)值；Xmin為參數(shù)最小值；Xmax為參數(shù)最大值。參數(shù)經(jīng)過標準化處理后，數(shù)值均介于0～1之間，無量綱，數(shù)值越大越好。

4.2 層次分析法確定權重

各因素對可壓裂性的影響程度需要進行量化，才能準確地評價頁巖的可壓裂性，利用層次分析法(AHP)可以確定各參數(shù)的權重。AHP是將研究的問題分成若干影響因素，并對各因素進行層次劃分，對每一層的因素兩兩對比，確定各因素的相對重要性并給出相應的標度，建立矩陣求取權重[27-29]。具體步驟是將礦物脆性指數(shù)、巖石力學脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓劃分為同一層，兩兩比較，依據(jù)SAATY的1～9標度法[24]對各因素的相對重要性進行賦值，建立判斷矩陣；根據(jù)實驗結果確定判斷矩陣取值(表5)，然后通過和積法對判斷矩陣的最大特征值和特征向量進行求解，最后利用最大特征值檢驗判斷矩陣的一致性。

求得判斷矩陣的特征向量為W=(0.29,0.52,0.12,0.07)，即礦物脆性指數(shù)、巖石力學脆性指數(shù)、成巖作用和圍壓在可壓裂性評價數(shù)學模型中的權重分別為0.29,0.52,0.12,0.07，且判斷矩陣的一致性檢驗系數(shù)為0.013<0.1，符合一致性要求。

4.3 可壓裂系數(shù)數(shù)學模型

依據(jù)層次分析法求得的各影響因子的權重，經(jīng)過加權得到可壓裂系數(shù)計算公式：

F=0.29B1+0.52B2+0.12D+0.07C

(7)

式中：F為頁巖可壓裂系數(shù)；B1為標準化礦物脆性

表5 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖儲層判斷矩陣取值

指數(shù)；B2為標準化巖石力學脆性指數(shù)；D為成巖作用，以標準化Ro值為參數(shù)；C為標準化圍壓值，均為無量綱。

利用頁巖可壓裂系數(shù)數(shù)學模型對沾化凹陷沙三下段頁巖的可壓裂性進行評價。根據(jù)計算結果，Z1h、Z2h、Z3h、Z4h和Z5h的可壓裂系數(shù)分別為0.290,0.853,0.445,0.396,0.410。沙三下段頁巖可壓裂系數(shù)介于0.290～0.853，平均為0.479。不同層位可壓裂性差異較大，其中以Z2h樣品所在層位可壓裂系數(shù)最大，為0.853，單從可壓裂性來看，可優(yōu)選其作為壓裂層段。

5 結論

(1)沾化凹陷沙三下段頁巖礦物成分中碳酸鹽礦物含量最高，平均為44.93%，脆性礦物含量次之，為30.98%，黏土礦物最少，平均為24.09%；以混合頁巖和鈣質頁巖為主，該區(qū)礦物成分特點有利于頁巖的壓裂。

(2)單軸力學實驗中沙三下段頁巖抗壓強度與砂巖或碳酸鹽巖相比較小，平均為74.55 MPa，楊氏模量和泊松比平均值分別為41.64 GPa和0.26，以多裂縫的劈裂式破壞為主；加圍壓后抗壓強度、楊氏模量和泊松比均有增大，為剪切式破裂，可壓裂性降低；隨著熱成熟度增高，頁巖的抗壓強度、楊氏模量和泊松比均有降低，可壓裂性增強。

(3)結合實驗結果和實際地質情況，綜合考慮頁巖的礦物脆性指數(shù)、巖石力學脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓等因素，利用層次分析法確定各因素對頁巖可壓裂性影響的權重分別為0.29,0.52,0.12,0.07；據(jù)此建立頁巖可壓裂系數(shù)數(shù)學模型，計算得到沙三下段頁巖可壓裂系數(shù)平均為0.479，不同層位存在一定差異，需經(jīng)過優(yōu)選才能進行壓裂改造。