李 鵬，熊 健，晏 奇，朱政文，劉向君，吳 俊，王振林，張 磊

1.中國石油 新疆油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000;2.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500

隨著能源需求的增加、勘探開發(fā)技術(shù)的進步，非常規(guī)油氣資源的開發(fā)力度在不斷加大，尤其是我國頁巖氣的商業(yè)化開采，極大促進了我國頁巖油的勘探開發(fā)[1-5]。我國頁巖油資源潛力巨大，其中，準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖油的勘探前景較好[6-8]。目前，針對準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組儲層進行了大量的研究，在沉積環(huán)境[9-10]、成巖作用特征[11-12]、儲層特征及成藏控制因素[13-16]、儲層預測[17]等方面取得了一定的成果與認識，有效推動了該層組頁巖油的勘探開發(fā)。同時，地質(zhì)工程一體化技術(shù)已經(jīng)在瑪湖凹陷致密砂礫巖油藏中得到推廣應用，取得了良好的開發(fā)效果[18-20]，也在瑪湖凹陷風城組頁巖油勘探開發(fā)中得到應用[21]。儲層地質(zhì)力學參數(shù)在地質(zhì)工程一體化中有著重要的作用，且?guī)r石力學參數(shù)是儲層地質(zhì)力學研究的基礎(chǔ)[22]。因此，有必要開展瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組儲層的巖石力學規(guī)律研究。

目前，學者們對煤巖、頁巖、砂巖、碳酸鹽巖、砂礫巖等不同巖性巖石的力學特性開展了大量研究工作，并取得顯著的成果。閆長輝等[23]通過室內(nèi)力學試驗研究了川西須家河組致密砂巖變形特性和破裂特性；孫珂等[24]研究了古近系阜寧組砂巖粒度、石英含量、黏土礦物含量等對力學性質(zhì)的影響；梁利喜等[25-26]研究了四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層巖石的力學特性和破壞特性；劉向君等[27]研究了瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖巖石的力學特性與裂縫擴展規(guī)律；李澤華等[28]研究了碳酸鹽巖巖石的抗壓特性、抗剪特性及其斷裂特性；高陽等[29]研究了吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層的巖石力學特征；劉冬橋等[30]研究了節(jié)理煤巖在復雜應力條件下強度、變形行為和復雜破壞模式；李慶輝等[31]研究了超深層白堊系巴什基奇克組砂巖的抗壓特性、抗張?zhí)匦浴⒖辜籼匦砸约捌屏烟匦?。然而，對準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組巖石力學特性和破壞模式等方面還有待開展深入研究。本文以瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組儲層巖石為研究對象，通過三軸壓縮試驗、巴西劈裂法和斷裂韌性試驗開展了風城組巖石的力學行為研究，探討風城組儲層不同巖性巖石的抗壓特性、抗張?zhí)匦缘?，從而揭示風城組儲層不同巖性巖石的力學特性。在此基礎(chǔ)上，討論礦物組成對風城組儲層巖石強度參數(shù)的影響，以期為瑪湖凹陷風城組儲層的安全高效鉆進和高效壓裂改造提供支撐。

1 實驗樣品

實驗樣品采自準噶爾盆地瑪湖凹陷四口風險勘探井的下二疊統(tǒng)風城組儲層井下巖心，巖性主要為白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)細砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、安山巖等(表1)，以及凝灰質(zhì)砂礫巖(MY1井，4 875.08～4 875.64 m)等，其中云質(zhì)類巖性的儲集層是風城組頁巖油優(yōu)質(zhì)儲層[6-17]。從表1可以看出，風城組的巖性較復雜，在縱向上、橫向上的分布變化快、分布差異明顯，說明風城組儲層巖石具有較強的非均質(zhì)性。從風城組巖樣的XRD測試結(jié)果(圖1)和巖樣的典型薄片(圖2)可看出，風城組巖樣的礦物組成較復雜，包含有多種礦物成分，礦物含量的分布范圍廣，其中主要以石英、斜長石、白云石等為主，黏土礦物相對較少；石英含量分布在7.9%～79.4%，斜長石含量分布在5.2%～60.9%，白云石含量分布在3.4%～56.5%，而黏土礦物含量分布在0.5%～17.8%。相同巖性巖樣的不同礦物含量分布范圍也較廣(表1，圖1)。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組巖樣的礦物組成

圖2 準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組樣品典型薄片

表1 準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組巖樣的取樣信息

為了達到研究目的，鉆取多種巖性巖樣，分別設(shè)計了單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗和巴西人字形切槽圓盤試驗(斷裂韌性試驗)。基于試驗結(jié)果，重點分析了不同巖性巖樣的單軸抗壓強度、三軸抗壓強度、彈性模量和泊松比、抗張強度、斷裂韌性等強度參數(shù)的差異。試驗中巖樣的制取依據(jù)《工程巖體試驗方法標準：GB/T50266—2013》的相關(guān)要求制樣，單軸/三軸壓縮實驗樣品尺寸為φ25 mm×50 mm，巴西劈裂實驗樣品尺寸為φ25 mm×20～25 mm，巴西人字形切槽圓盤實驗樣品尺寸為φ50 mm×20 mm。單/三軸壓縮試驗在TRC-100高溫高壓巖石三軸流變儀上進行，實驗過程中采用位移控制模式，以0.2 mm/min的應變加載速率進行軸向載荷加載，且連續(xù)施加載荷直至巖樣破壞，并獲取應力—應變曲線，從而計算獲得巖樣的抗壓強度、彈性模量和泊松比。巴西劈裂試驗和斷裂韌性試驗在50 kN拉壓機上進行，實驗過程中采用位移控制模式，以1.0 mm/min的應變加載速率進行軸向載荷加載，且連續(xù)施加載荷直至巖樣破壞，并獲取位移—載荷曲線，從而計算獲得巖樣的抗張強度、斷裂韌性。

2 實驗結(jié)果

為了研究瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組儲層巖石的力學特性，鉆取不同巖性的巖樣，分別進行了三軸壓縮測試、巴西劈裂測試和斷裂韌性測試，其中單軸壓縮測試17組，三軸壓縮測試15組，巴西劈裂法測試27組，斷裂韌性測試16組。在實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，分別獲取了巖石抗壓強度、彈性模量、泊松比、抗張強度和斷裂韌性等參數(shù)。

2.1 巖石力學特性

巖樣的單軸、三軸壓縮試驗結(jié)果如圖3至圖5所示。從圖3中可看出，風城組不同巖性巖樣抗壓強度表現(xiàn)有差異，相同巖性巖樣抗壓強度具有明顯的離散性，其中白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r的單軸抗壓強度平均值分別為113.3，68.2，130.5，102.6，54.4 MPa。這說明了瑪湖凹陷風城組儲層巖石單軸抗壓強度存在較明顯的非均質(zhì)性。同時，圖4、圖5中還可發(fā)現(xiàn)，風城組不同巖性巖樣的彈性模量、泊松比的差異較明顯，且與圍壓之間無明顯的相關(guān)性。總體上看，云質(zhì)類巖石(白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)細砂巖)彈性模量大于凝灰質(zhì)類(凝灰質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r)，而云質(zhì)類巖石的泊松比小，這說明云質(zhì)類巖石的脆性指數(shù)強于凝灰質(zhì)類巖石(圖6)?，敽枷蒿L城組儲層不同巖性巖石力學特性差異將影響儲層不同巖性層段的井壁失穩(wěn)預防措施和壓裂改造措施。

圖3 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性巖樣單軸和三軸抗壓強度對比

圖4 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性巖樣彈性模量對比

圖5 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性巖樣泊松比對比

圖6 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性巖樣脆性指數(shù)對比

高陽等[29]通過室內(nèi)實驗總結(jié)了準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層地層條件下(3 030～3 120 m)不同巖性巖石的抗壓強度(表2)，其中白云質(zhì)砂巖抗壓強度為227.67 MPa，泥巖抗壓強度為293.35 MPa，泥質(zhì)粉砂巖抗壓強度為161.84 MPa，灰質(zhì)砂巖抗壓強度為223.76 MPa，粉砂質(zhì)泥巖抗壓強度為269.64 MPa。然而準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組頁巖油儲層地層條件下不同巖性巖石抗壓強度(圖3)明顯大于蘆草溝組，反映地層條件下風城組不同巖性巖石破裂強度大，儲層起裂難度更大。這說明了蘆草溝組頁巖油儲層的壓裂改造措施可能不適用于風城組儲層的壓裂改造。蘆草溝組和風城組巖石抗壓強度差異與其埋藏深度、沉積環(huán)境、成巖作用等有關(guān)。

表2 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖巖樣的抗張強度[29]

從巖樣的抗張強度測試結(jié)果(圖7)可看出，不同巖性巖樣抗張強度表現(xiàn)有差異，相同巖性巖樣抗張強度具有明顯的離散性，其中白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)細砂巖、白云質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)細砂巖和熔結(jié)凝灰?guī)r抗張強度范圍分別為8.03～17.77，6.16～13.67，10.62～11.62，6.73～11.3，5.66～6.26 MPa。同時，從巖樣的斷裂韌性測試結(jié)果(圖8)可看出，不同巖性巖石斷裂韌性有差異，且每類巖性的斷裂韌性值具有明顯的離散性，其中白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r斷裂韌性值范圍分別為0.55～1.24，0.68～0.79，0.62～0.82，0.47～0.7 MPa·m1/2。這說明了風城組儲層不同巖性巖樣抗張強度、斷裂韌性值存在較明顯的差異，其中云質(zhì)類巖石抗張強度、斷裂韌性值略大。

圖7 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性巖樣抗張強度對比

圖8 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組不同巖性樣品斷裂韌性對比

抗張強度、斷裂韌性是涉及儲層壓裂改造的重要參數(shù)，其中巖石抗張強度越大，地層越不易形成拉張型裂縫，或者巖石斷裂韌性值越大，地層中抵抗裂縫延伸能力越強，造成裂縫越不易延伸。通常地層壓裂改造中形成的裂縫主要以拉張型裂縫為主，抗張強度或斷裂韌性增大，造成地層需要更高的縫內(nèi)凈壓力才能形成人工裂縫[32]?，敽枷蒿L城組儲層不同巖性巖石抗張強度或斷裂韌性值的差異將為風城組地層壓裂改造帶來挑戰(zhàn)。風城組儲層段壓裂改造設(shè)計與實施需要考慮巖性差異的影響，總體而言，云質(zhì)類巖石儲層壓裂改造過程起裂需要更高的泵壓和排量。

2.2 巖石的破壞模式

從單軸和三軸壓縮條件下試樣破壞模式(圖9)可看出，單軸壓縮條件下，風城組儲層不同巖性巖樣破壞形式以拉張劈裂為主，巖樣表面形成一條或多條與巖樣軸向近似平行的貫穿裂縫，且?guī)r樣的破裂面較為規(guī)整。劉向君等[27]認為單軸壓縮條件下巖樣出現(xiàn)的劈裂裂縫主要是因為在巖樣軸向持續(xù)加載作用下，應力達到峰值后伴隨著能量的突然釋放，因無側(cè)向力的束縛造成巖樣表面形成了拉伸破裂面。同時，從圖9中還可注意到，高圍壓條件下(60 MPa)，熔結(jié)凝灰?guī)r巖樣的破壞較復雜，表現(xiàn)為雙剪切破壞，其他巖性巖樣的破壞都表現(xiàn)為單剪切破壞，巖樣外觀整體比較完整，巖樣表面形成與巖樣軸線呈一定夾角貫穿巖樣的斜向裂縫，且?guī)r樣的破裂面較為規(guī)整，未形成復雜縫網(wǎng)。

圖9 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組單軸(a-e)和三軸(a′-e′)壓縮試驗條件下巖樣的破壞模式

從巴西劈裂條件下巖樣的破壞模式(圖10)可看出，巴西劈裂試驗后，風城組不同巖性巖樣的破壞形態(tài)和劈裂效果整體差異不明顯，巖樣形成的破壞主要表現(xiàn)為拉張型裂縫，裂縫縱向貫穿整個巖樣。從斷裂韌性測試條件下巖樣的破壞模式(圖11)可看出，斷裂韌性測試后，風城組不同巖性巖樣的破壞形態(tài)和劈裂效果整體差異不明顯，巖樣形成的裂縫主要沿著人字形切槽方向延伸，或者裂縫主要沿著預制裂縫方向延伸，形成的裂縫貫穿整個巖樣。

圖10 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組巴西劈裂條件下巖樣的破壞模式

圖11 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組斷裂韌性測試條件下巖樣的破壞模式

2.3 巖石的變形特征

單軸和三軸壓縮條件下不同巖性巖樣應力—應變曲線(圖12)顯示，單軸和三軸壓縮條件下，不同巖性巖樣應力—應變曲線幾乎未觀察到初始壓密階段，彈性變形階段相對較長；單軸和三軸壓縮條件下，不同巖性巖樣的軸向變形均大于徑向變形，且高圍壓(60 MPa)條件下不同巖性巖樣的軸向應力和軸向峰值應變明顯大于單軸壓縮條件下測得的值，其中圍壓從0 MPa增加到60 MPa時，白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r巖樣的軸向峰值應變分別從0.58%增大到1.16%，從0.49%增大到1.07%，從0.52%增大到1.56%，從0.42%增大到1.27%，從0.18%增大到0.51%(圖12b)。這說明了隨著圍壓增大，風城組儲層巖石強度和破壞變形量增大，抵抗破壞的能力隨之增強。單軸條件下，風城組巖石巖樣表現(xiàn)為較明顯的脆性特性，而在圍壓60 MPa條件下，除了熔結(jié)凝灰?guī)r巖樣外，白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)細砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖等巖樣整體破壞前的軸向峰值應變均大于1%，這些巖性巖樣的脆性明顯減弱而延性顯著增強。這說明了地層條件下風城組儲層不同巖性巖石的脆性減弱，而延性增強，這與李慶輝等[31]的研究結(jié)論一致，其研究結(jié)果表明隨著圍壓增大，致密砂巖巖樣的力學行為逐漸由脆性向延性過渡。

圖12 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組單軸和三軸壓縮條件下不同巖性巖樣的應力—應變曲線

3 礦物組成對巖石力學特性的影響

根據(jù)巖石礦物組成測試結(jié)果可知風城組巖樣的礦物組成較復雜，包含有多種礦物成分，每種礦物相對含量的分布范圍廣。為了探究礦物組成對風城組巖石強度參數(shù)的影響，將風城組巖石礦物組成分成三類：硅質(zhì)礦物(包括石英和長石)、鈣質(zhì)礦物(方解石和白云巖)和黏土礦物?；趯嶒灲Y(jié)果，建立了礦物組成與風城組不同巖性巖石的單軸/三軸抗壓強度、抗張強度、斷裂韌性值的關(guān)系圖(圖13-圖16)。

從圖13、圖14可看出，風城組巖石單軸抗壓強度與硅質(zhì)礦物含量呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.680 6，而與鈣質(zhì)礦物含量、黏土礦物含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.240 3和0.567 7；同時，風城組巖石的三軸抗壓強度與硅質(zhì)礦物含量呈顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.831 4，而與鈣質(zhì)礦物含量呈較好的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.725 9，與黏土礦物含量不存在較明顯的相關(guān)性。該研究結(jié)論與前人研究結(jié)果[33-37]有相似的，也有不一致的。HUGMAN等[33]研究發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖抗壓強度與白云石和微晶碳酸鹽巖含量呈正相關(guān)，而與石英含量呈負相關(guān)；FAHY等[34]研究發(fā)現(xiàn)砂巖抗壓強度與石英含量無明顯的相關(guān)性；GUNSALLUS等[35]研究發(fā)現(xiàn)巖石的抗壓強度與石英含量呈正相關(guān)；孟召平等[36]研究發(fā)現(xiàn)煤系泥巖單軸抗壓強度與石英含量呈正相關(guān)；黃波等[37]研究發(fā)現(xiàn)吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層巖石中高含量白云巖造成巖石的高強度。這說明了不同巖性巖石的抗壓強度與礦物組成間關(guān)系較復雜，并沒有取得統(tǒng)一的認識。

圖13 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組礦物組成對巖樣單軸抗壓強度的影響

圖14 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組礦物組成對巖樣三軸抗壓強度(60 MPa)的影響

風城組巖石的抗張強度與硅質(zhì)礦物含量呈負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.549 1，而與鈣質(zhì)礦物含量呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.318 5，與黏土礦物含量不存在較明顯的相關(guān)性(圖15)，該研究結(jié)論與MERRIAM等[38]的研究結(jié)果具有一定可比性，其研究結(jié)果表明花崗巖的抗張強度與石英含量呈反比。此外，風城組巖石的斷裂韌性與硅質(zhì)礦物含量呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.539 8，而與鈣質(zhì)礦物含量、黏土礦物含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.545 9和0.419 5(圖16)。這是因為巖石中硅質(zhì)礦物(石英)含量占比增大，巖石的脆性增大，造成巖石易于形成裂縫。該研究結(jié)果有助于根據(jù)風城組儲層巖石中硅質(zhì)含量與鈣質(zhì)含量的剖面定性分析儲層巖石的相對可壓裂性。

圖15 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組礦物組成對巖樣抗張強度的影響

圖16 準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組礦物組成對巖樣斷裂韌性的影響

綜上所述，隨著硅質(zhì)礦物含量的增加，風城組儲層巖石的抗壓強度、抗張強度、斷裂韌性呈減小的趨勢；而隨著鈣質(zhì)礦物含量的增加，風城組儲層巖石的抗壓強度、抗張強度、斷裂韌性呈增大的趨勢；黏土礦物對風城組儲層巖石的抗壓強度、抗張強度、斷裂韌性的影響規(guī)律不一。

4 結(jié)論

(1)準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組儲層巖石具有較強的非均質(zhì)性，造成不同巖性巖石力學特性存在較明顯的差異，其中云質(zhì)類巖石的力學強度、彈性模量較大而泊松比較小，導致風城組不同巖性層段的井壁失穩(wěn)預防措施和壓裂改造措施不同。

(2)風城組儲層巖石的破壞形式較單一，其中單軸條件下，巖樣脆性較強，表現(xiàn)為拉張破壞特征；而高圍壓條件下，巖樣脆性減弱、延性增強，主要表現(xiàn)為單剪切破壞特征。

(3)風城組儲層巖石的抗壓強度、抗張強度、斷裂韌性值隨著硅質(zhì)礦物含量的增加呈減小的趨勢，而隨著鈣質(zhì)礦物含量的增加呈增大的趨勢。