張 宜

(建材成都地質(zhì)工程勘察院有限公司，四川 成都 610052)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)能源需求量日益增長(zhǎng)，能源缺口越來(lái)越大。由于環(huán)境污染的壓力，煤炭資源的利用愈益受到限制，煤改氣工作正在我國(guó)迅速推行，導(dǎo)致對(duì)天然氣的依存度越來(lái)越高。美國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的成功，引起了我國(guó)科技界與工業(yè)界對(duì)頁(yè)巖氣這種非常規(guī)天然氣的高度關(guān)注。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量達(dá)23.5×1013m3，與美國(guó)的28.3×1013m3大致相當(dāng)[1]。加快頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)對(duì)于我國(guó)社會(huì)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有著重大的戰(zhàn)略意義。

頁(yè)巖本身的低孔低滲特征，決定了只有經(jīng)過(guò)大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)能。頁(yè)巖氣藏由于其特殊的成藏機(jī)理、賦存環(huán)境、巖石物理性質(zhì)，使其壓裂增產(chǎn)過(guò)程與常規(guī)砂巖、碳酸鹽巖的壓裂有很多不同。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂最重要的是實(shí)現(xiàn)“體積壓裂”，即形成網(wǎng)狀裂縫。為了評(píng)估頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的可能性與可行性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出“可壓裂性”這一概念來(lái)表征頁(yè)巖在水力壓裂過(guò)程中能夠被有效壓裂的能力[2-4]。

頁(yè)巖可壓裂性評(píng)價(jià)工作對(duì)于前期壓裂可行性評(píng)估、優(yōu)選壓裂層段、預(yù)測(cè)壓裂效果有著重要意義。影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性的因素很多，如巖石脆性、天然裂縫發(fā)育程度、埋藏深度、水平應(yīng)力差、成巖程度等。各種影響因素之間互相關(guān)聯(lián)、互相作用，形成了復(fù)雜作用體系。研究認(rèn)為，頁(yè)巖的脆性不僅能夠顯著影響井壁穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)壓裂效果也有非常重要的影響[5-6]。

頁(yè)巖脆性好壞直接影響頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造誘導(dǎo)裂縫的形成。脆性越好, 改造中越易形成誘導(dǎo)裂縫。頁(yè)巖脆性程度可以用巖石力學(xué)參數(shù)表征, 也可以用脆性礦物含量表征。頁(yè)巖脆性礦物含量是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度、微裂縫發(fā)育和可壓性的重要因素, 石英或長(zhǎng)石等脆性礦物含量豐富有利于壓裂改造產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫[7]。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在研究巖石脆性時(shí)，提出了大量的脆性指數(shù)定義。Jarvie和Rickman等提出了礦物組分法[8-10]；Altindag、Hucka等提出了巖石抗壓抗拉強(qiáng)度法[11-13]；基于周輝、馮濤、Bishop、Hajiabdolmajid等從巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)[14-17]、Tarasov、Aubertin、Munoz、Baron等從巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線的能量關(guān)系[18-21]的角度，提出了應(yīng)力—應(yīng)變曲線法。

本文在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)巖石脆性的研究成果進(jìn)行了總結(jié)與綜述，以供我國(guó)從事油氣資源(特別是頁(yè)巖氣)勘探開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員借鑒與引用，促進(jìn)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

1 巖石脆性的力學(xué)性能表征法

脆性是指當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí)，材料發(fā)生無(wú)先兆的突然破壞,且破壞時(shí)無(wú)明顯塑性變形的性質(zhì)。1963年Heard提出了根據(jù)材料受力破壞前的總應(yīng)變大小及全應(yīng)力-應(yīng)變曲線上負(fù)坡的坡降大小來(lái)劃分脆性與塑性的方法：破壞前總應(yīng)變小、應(yīng)力-應(yīng)變曲線上負(fù)坡陡的為脆性；反之，破壞前總應(yīng)變大、應(yīng)力-應(yīng)變曲線上負(fù)坡緩的為塑性。Heard以3%和5%為界限，將總應(yīng)變<3%的劃為脆性巖石，總應(yīng)變?cè)?%～5%的劃為半脆性或者脆-塑性巖石，總應(yīng)變>5%的劃為塑性巖石。工程上一般以5%為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，總應(yīng)變>5%者為塑性材料，小于5%者為脆性材料[22]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究材料性能時(shí)，采用了許多力學(xué)性能參數(shù)來(lái)表征材料的脆性。

1967年，Bishop采用應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試方法，用峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度來(lái)表征脆性，用兩者的差值與峰值強(qiáng)度的比值作為脆性指數(shù)[15]，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)：

B=(τp-τr)/τp

(1)

式中：B——脆性指數(shù)；τp——峰值強(qiáng)度；τr——?dú)堄鄰?qiáng)度。

1974年，Hucka和Das總結(jié)對(duì)比不同巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，提出了5種不同的脆性指數(shù)表征方法與計(jì)算方法[12]。

(1)用可恢復(fù)應(yīng)變與總應(yīng)變的比值表征脆性指數(shù)：

B=εr/εt

(2)

式中：εr——可恢復(fù)應(yīng)變；εt——總應(yīng)變。

(2)用可恢復(fù)應(yīng)變能與總應(yīng)變能的比值表征脆性指數(shù)：

B=Wr/Wt

(3)

式中：Wr——可恢復(fù)應(yīng)變能；Wt——總應(yīng)變能。

(3)用抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值表征脆性指數(shù)：

B=σc/σt

(4)

式中：σc——抗壓強(qiáng)度；σt——抗拉強(qiáng)度。

(4)用抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之差和抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之和的比值表征脆性指數(shù)：

B=(σc-σt)/(σc+σt)

(5)

式中：σc——抗壓強(qiáng)度；σt——抗拉強(qiáng)度。

(5)過(guò)莫爾應(yīng)力圓計(jì)算巖石內(nèi)摩擦角，用內(nèi)摩擦角的正弦值表征脆性指數(shù)：

B=sinφ

(6)

式中：φ——內(nèi)摩擦角。

1979年，Lawn和Marshall在研究巖石的硬度、韌性與脆性關(guān)系時(shí)，提出基于硬度和韌性的脆性測(cè)試方法，用硬度和斷裂韌度的比值表征脆性指數(shù)[23]：

B=H/KIC

(7)

式中：B——脆性指數(shù)；H——硬度；KIC——斷裂韌度。

1997年Quinn和Quinn通過(guò)對(duì)陶制材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，引入彈性模量這一參數(shù)來(lái)表征脆性，認(rèn)為裂縫的形成能力與彈性模量在一定程度成正比，與斷裂韌度成反比，并給出了脆性指數(shù)的具體計(jì)算方法[24]：

B=HE/KIC2

(8)

式中：H——硬度；E——彈性模量；KIC——斷裂韌度。

1999年，Ingram和Urai以土力學(xué)為基礎(chǔ)，引入超固結(jié)率的概念，即歷史最大垂向有效應(yīng)力與現(xiàn)今最大垂向有效應(yīng)力的比值，用固結(jié)率來(lái)表征脆性指數(shù)[25]:

B=(σvmax/σv)b

(9)

式中：σvmax——?dú)v史最大垂向有效應(yīng)力；σv——現(xiàn)今最大垂向有效應(yīng)力；b——指數(shù)常數(shù)。

2003年，Hajiabdolmajid和Kaiser在莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，采用CWFS模型解釋巖石的脆性破壞過(guò)程，并用應(yīng)變值作為脆性表征參數(shù)。該模型很好地反映了巖石破壞過(guò)程中粘聚力的弱化和內(nèi)摩擦力的強(qiáng)化機(jī)理[17]：

B=(εfp-εcp)/εcp

(10)

式中：εfp——破壞時(shí)塑性切應(yīng)變；εcp——破壞后殘余塑性切應(yīng)變。

Copur在通過(guò)貫入實(shí)驗(yàn)研究巖石的切削性質(zhì)和巖性之間關(guān)系時(shí)，提出用荷載增量與荷載減量作為脆性表征參數(shù)，用二者的比值作為脆性指數(shù)[26]：

B=Pinc/Pdec

(11)

式中：Pinc——荷載增量；Pdec——荷載減量。

2 巖石脆性的礦物含量表征法

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為，巖石的脆性是巖石力學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)，而礦物成分又是影響力學(xué)性質(zhì)的最主要因素，因此在礦物成分與脆性之間必然存在直接的相關(guān)性。在其他條件相似的情況下，石英、方解石、菱鐵礦等脆性礦物含量的增大會(huì)使巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈上升趨勢(shì)，而泊松比則呈下降趨勢(shì)；隨粘土礦物含量增加，巖樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量會(huì)明顯降低，泊松比則呈上升趨勢(shì)[27]。

2012年，才博等通過(guò)全巖分析實(shí)驗(yàn)分析頁(yè)巖巖石中的各種礦物成分，認(rèn)為一般儲(chǔ)層中礦物組分主要有粘土礦物(高嶺石、伊利石和蒙脫石等)，石英、方解石、長(zhǎng)石、白云石等礦物。當(dāng)巖石中石英、碳酸巖等礦物含量較高時(shí)，表明脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，巖石的脆性特征強(qiáng)；當(dāng)粘土礦物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)較高時(shí)，巖石表現(xiàn)出塑性特征強(qiáng)。他提出用石英質(zhì)量含量與石英、粘土、碳酸鹽巖三者質(zhì)量之和的比值作為脆性指數(shù)[28](見(jiàn)式12):

(12)

式中：v石英——泥頁(yè)巖中的石英含量；v碳酸鹽巖——泥頁(yè)巖中的碳酸鹽巖含量；v粘土——泥頁(yè)巖中的粘土含量。

2013年，陳吉等在研究南方古生界下寒武統(tǒng)、上奧陶-下志留統(tǒng)、上二疊統(tǒng)三套頁(yè)巖時(shí)指出，南方古生界頁(yè)巖礦物組成較為復(fù)雜，在計(jì)算脆性指數(shù)時(shí)采用(石英+長(zhǎng)石+方解石+白云石)/(石英+長(zhǎng)石+方解石+白云石+粘土礦物)的方法[29]。李鉅源在研究東營(yíng)凹陷泥頁(yè)巖礦物組分時(shí)，將石英/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為石英脆性指數(shù)，將碳酸鹽/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為碳酸鹽脆性指數(shù)，將(石英+碳酸鹽)/(石英+碳酸鹽+粘土礦物)定名為總脆性指數(shù)。通過(guò)對(duì)比碳酸鹽脆性指數(shù)、石英脆性指數(shù)與總脆性指數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽脆性指數(shù)與總脆性指數(shù)相關(guān)性明顯高于石英，說(shuō)明碳酸鹽巖是決定此地區(qū)頁(yè)巖脆性的主要因素[30]。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性不僅與所含礦物類(lèi)型有關(guān)，還與礦物含量多少有關(guān)。張新華等在分析研究鄂西渝東三口頁(yè)巖井的頁(yè)巖時(shí)，采用X熒光元素錄井技術(shù)對(duì)巖屑粉末進(jìn)行元素檢測(cè)，考慮到元素檢測(cè)成本，選擇與所要解釋的物質(zhì)含量呈正相關(guān)的元素來(lái)計(jì)算該物質(zhì)的含量，即用Si元素含量代表砂質(zhì)含量，用K+Al+Fe元素含量代表泥質(zhì)含量，用Ca元素代表灰質(zhì)含量。除去具有特殊巖性(煤、石膏、火成巖等)的井段，其他頁(yè)巖段默認(rèn)為泥質(zhì)含量+砂質(zhì)含量+灰質(zhì)含量=100%。通過(guò)對(duì)比分析X熒光元素檢測(cè)結(jié)果與ECS測(cè)井、X衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)三者具有較好的相關(guān)性[27]，這為利用礦物組成進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)提供了另一種方法。

2013年，刁海燕對(duì)比巖石力學(xué)脆性評(píng)價(jià)方法和礦物成分脆性評(píng)價(jià)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巖石破裂時(shí)體積變形量隨楊氏模量的增加而減小、隨泊松比的增加而增大，即巖石脆性隨楊氏模量的增加而增加、隨泊松比的增加而減小。為了更加突出脆性強(qiáng)的巖石，提出了彈性參數(shù)與礦物成分組合法的脆性指數(shù)計(jì)算方法[31]：

(13)

式中：v*——各種礦物的體積含量；YM*——各種礦物的楊氏模量；PR*——各種礦物的泊松比。

用該計(jì)算方法處理得到的脆性指數(shù)比礦物組分法的結(jié)果偏大。

3 礦物成分對(duì)脆性影響研究現(xiàn)狀

不同礦物的物理力學(xué)性質(zhì)有很大差異，而礦物組成是巖石力學(xué)表現(xiàn)的內(nèi)在成因。以石英、方解石和伊利石為例，石英的泊松比明顯低于方解石和伊利石，但楊氏模量卻明顯高于方解石和伊利石(參見(jiàn)表1)。

表1 3種礦物的彈性參數(shù)Table 1 Elastic parameters of three minerals

2008年，Rickman等通過(guò)對(duì)Barnett頁(yè)巖礦物組分進(jìn)行XRD/LIBS分析，將礦物組分分為3類(lèi)[10]：石英礦物、碳酸鹽礦物和粘土礦物，其中石英礦物包括石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦，碳酸鹽礦物包括方解石、白云石和菱鐵礦，粘土礦物包括所有的粘土。圖1是4口Barnett頁(yè)巖井礦物組成的三元圖。圖中1號(hào)井頁(yè)巖礦物組成中不含碳酸鹽礦物，以石英和粘土礦物為主。2號(hào)井頁(yè)巖礦物組成中以碳酸鹽礦物為主，含少量石英和粘土礦物。3號(hào)井頁(yè)巖礦物組成中以石英為主，含少量碳酸鹽礦物和粘土礦物。4號(hào)井頁(yè)巖礦物組成中以石英和粘土礦物為主，碳酸鹽礦物含量變化范圍比較大。

圖1 Barnett頁(yè)巖礦物成分三元圖(據(jù)Rickman,2008)Fig.1 Ternary diagram of mineral constituent of Barnett shale(after Rickman, 2008)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[10]：隨著石英礦物含量的增多，脆性指數(shù)增大；隨著粘土礦物含量的增多，脆性指數(shù)減小；隨著碳酸鹽礦物的增多，脆性指數(shù)在一個(gè)適中的范圍內(nèi)變化。也即碳酸鹽礦物對(duì)脆性指數(shù)的影響小于石英礦物。

刁海燕在研究大慶油田齊家-古龍地區(qū)青山口組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)和脆性評(píng)價(jià)時(shí)，采用數(shù)值模擬的方法模擬了楊氏模量和泊松比隨石英和方解石含量變化的規(guī)律[31](參見(jiàn)圖2)。結(jié)果顯示隨石英含量增加，楊氏模量增加，泊松比減小，意味著脆性越來(lái)越強(qiáng)；隨方解石含量增加，楊氏模量減小，泊松比增加，意味著脆性越來(lái)越弱。因此，頁(yè)巖的脆性主要由石英含量來(lái)體現(xiàn)。

4 問(wèn)題與建議

(1)從理論上講，應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了巖石在外力作用下從開(kāi)始變形到破壞的全過(guò)程，每段曲線的物理意義明確?？梢酝ㄟ^(guò)曲線形態(tài)來(lái)描述巖石受力特性，利用能量關(guān)系對(duì)巖石脆性破裂過(guò)程進(jìn)行衡量。但是曲線形態(tài)不能完備地對(duì)巖石脆性進(jìn)行描述；應(yīng)力-應(yīng)變曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義還存在爭(zhēng)議。因此，應(yīng)用應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)表征巖石脆性時(shí)可能會(huì)得出與實(shí)際情況相矛盾的結(jié)論。建議通過(guò)更深入的研究建立完備的簡(jiǎn)化模型描述復(fù)雜的實(shí)際曲線，統(tǒng)一應(yīng)力-應(yīng)變曲線下每一部分面積所代表能量的物理意義。

(2)采用抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度表征脆性指數(shù)的方法，計(jì)算方法簡(jiǎn)單。但由于巖石的抗壓與抗拉強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，即抗壓強(qiáng)度大的巖石，抗拉強(qiáng)度也大。因此計(jì)算數(shù)值差異小、定量計(jì)算不敏感。因此，建議采用特殊的數(shù)學(xué)處理方法來(lái)擴(kuò)大計(jì)算數(shù)值差異，提高定量計(jì)算的敏感度。

(3)利用彈性模量表征巖石脆性的方法，數(shù)據(jù)獲取比較容易，可分別通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得、或利用聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或超聲波測(cè)量計(jì)算得到楊氏模量。但由于楊氏模量的最大值、最小值具有明顯的地域局限性，因此建議在采用這種方法時(shí)，需區(qū)分地域進(jìn)行大量樣本實(shí)驗(yàn)和參數(shù)的歸納與分析。

(4)巖石脆性的礦物含量表征法計(jì)算方法簡(jiǎn)單已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外一些地區(qū)取得了一定程度的應(yīng)用效果，但是這種方法忽略了成巖作用的影響。在不同的地區(qū)，即使礦物成分完全相同，由于成巖壓力、孔隙結(jié)構(gòu)等的不同，脆性指數(shù)也可能存在較大差異。因此建議研究不同成巖作用下相同礦物含量巖石的脆性差異，完善礦物含量表征法。

圖2彈性參數(shù)隨石英、方解石含量的變化(據(jù)刁海燕，2013)
Fig.2Elastic parameters versus quartz & calcite content (after DIAO Haiyan,2013)

(5)裂縫發(fā)育程度對(duì)脆性評(píng)價(jià)影響的相關(guān)研究比較少。裂縫往往構(gòu)成巖體的結(jié)構(gòu)弱面，能大幅降低巖體的強(qiáng)度，降低幅度甚至可以達(dá)到50%。同時(shí)在壓裂過(guò)程中，通過(guò)控制合理的施工工藝可以有效利用天然裂縫誘導(dǎo)產(chǎn)生次生裂縫，形成體積壓裂。裂縫的發(fā)育程度不僅影響巖體力學(xué)強(qiáng)度，也影響壓裂過(guò)程裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。

(6)地應(yīng)力環(huán)境(埋深)對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等物理性質(zhì)的影響作用缺乏系統(tǒng)研究。頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深通常在數(shù)百米至數(shù)千米范圍內(nèi)，上覆巖石產(chǎn)生的巨大壓力和高地應(yīng)力環(huán)境、以及大埋深產(chǎn)生的高溫環(huán)境對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大影響。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，而國(guó)外相關(guān)方面研究系統(tǒng)成果也鮮見(jiàn)報(bào)道。就我國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，其埋深比北美地區(qū)更深，不僅給勘探開(kāi)發(fā)增加了難度，另一方面也對(duì)儲(chǔ)層脆性的科學(xué)評(píng)價(jià)提出了挑戰(zhàn)。