龍馬溪組頁巖強度評價與分析

林永學， 高書陽， 曾義金

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

龍馬溪組頁巖強度評價與分析

林永學， 高書陽， 曾義金

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

準確全面地評價頁巖儲層的巖石強度，對頁巖水平井井壁穩(wěn)定性研究具有重要意義。針對龍馬溪組頁巖儲層的特性，采用抗壓法、屈曲硬度法和刻劃測試法等多種評價方法，對其頁巖抗壓強度進行了綜合評價與分析。評價表明，龍馬溪組頁巖的抗壓強度大體為100～300 MPa，平均為123.71 MPa；與水接觸后，頁巖微裂縫附近的抗壓強度可降低80%左右。研究表明，龍馬溪組頁巖的抗壓強度受礦物組分相對富集的影響較大，石英含量高、黏土礦物含量低的區(qū)域抗壓強度大；微裂隙對頁巖整體強度具有決定性影響；在頁巖水平井采用水基鉆井液鉆進時，必須加強對微裂隙的封堵能力，才能有效降低井壁失穩(wěn)的風險。

龍馬溪組 頁巖 礦物分析 刻劃測試 抗壓強度

與常規(guī)具有較強水敏性的膨脹性泥頁巖所帶來的井壁失穩(wěn)形式不同，頁巖油氣儲層水敏性黏土礦物含量一般較低，微裂縫和層理發(fā)育[1-3]，采用水基鉆井液鉆進時，易坍塌掉塊，引起井壁失穩(wěn)；加之目前頁巖油氣均采用長水平段水平井開發(fā)，致使井壁失穩(wěn)問題更加突出。因此，開展頁巖井壁穩(wěn)定性研究是非常必要的，而準確全面地評價頁巖儲層巖石強度特性，是研究頁巖水平井井壁穩(wěn)定性的關鍵。近年來，國內外學者[4-12]均采用抗壓或直剪方法進行頁巖強度研究，而這些方法都需預先制備巖樣，但制備過程中不可避免地會對巖樣造成損害，使評價結果產生較大誤差；且這些方法只可獲取某一深度點處的頁巖強度，無法反映整個地層的強度非均質性特征，因此也就難以全面有效地評價頁巖水平井井壁的穩(wěn)定性。龍馬溪組頁巖廣泛分布于我國南方川渝湘鄂等省市，是典型的頁巖儲層，具有廣泛的代表性。為此，筆者通過抗壓方法、屈曲硬度方法和刻劃測試方法等多種測試手段，對龍馬溪組頁巖與不同流體接觸后強度的變化情況進行了系統(tǒng)評價，并對其適用性進行了深入分析，以期為頁巖水平井井壁失穩(wěn)問題的研究提供借鑒。

1 頁巖儲層特性分析

下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為黑色頁巖，層理性強。巖心表面可見灰黑色含炭粉砂質頁巖與泥質粉砂巖呈條帶狀或條紋狀互層[13]。圖1為龍馬溪組頁巖的電鏡掃描照片。

從圖1可以看出，龍馬溪組頁巖平行層理和垂直層理面兩個方向的微觀結構具有顯著區(qū)別。平行層理面方向斷裂面較為光滑平整，各種礦物定向排列，且其排列方向與層理面平行；而垂直層理面方向斷裂面凹凸不平，可見大量的走向較為一致的微裂縫，且裂縫方向與層理面方向相同。

表1為涪陵、彭水區(qū)塊不同深度處184個龍馬溪組頁巖巖樣的礦物組分分析結果。

由表1可知，涪陵和彭水區(qū)塊的龍馬溪組頁巖礦物組成大體相當，均以石英和黏土礦物為主，含有少量的長石、方解石、白云石和黃鐵礦。其中，石英含量13.4%～73.1%，平均含量40.5%；黏土礦物含量16.6%～62.8%，平均含量37.0%。從表1也可發(fā)現，石英和黏土礦物含量都具有極大的分布區(qū)間，表明龍馬溪組頁巖本身具有較強的非均質性。

表2為涪陵、彭水區(qū)塊龍馬溪組頁巖的黏土礦物組分分析結果。

由表2可知，龍馬溪組頁巖黏土礦物主要以伊/蒙混層和伊利石為主，且伊/蒙混層中混層比非常低，幾乎全部為伊利石，膨脹性較強的蒙脫石含量極少。因此，龍馬溪組頁巖總體活性較弱，膨脹性較差。

為深入了解各種礦物組分的局部分布情況，特選擇渝東南某井龍馬溪組頁巖巖心(以下記為巖心A)進行研究，在該巖心8個位置處取樣(見圖2)，分析了不同位置處的礦物組分，結果見表3。

通過觀察巖心，可發(fā)現不同深度處礦物組分與巖樣表面顏色變化具有較強的相關性。巖樣表面灰白色區(qū)域(②、④、⑥處)石英含量62.1%～72.3%，黏土礦物含量20.1%～23.0%，具有石英含量高、黏土含量低的特點；而黑色區(qū)域(①、③、⑤、⑦和⑧處)石英含量32.4%～39.3%，黏土含量41.5%～57.4%，具有黏土含量高、石英含量低的特點。

頁巖礦物的上述分布特征與常規(guī)泥頁巖相比差異明顯，或很大程度上影響鉆井過程中的井眼穩(wěn)定性。

2 頁巖強度測試方法評價與選擇

2.1 抗壓法

室內巖石抗壓試驗是研究巖石力學性質的常用方法[14]：根據巖樣受壓過程中的應力-應變曲線確定巖石強度及彈性等參數。但該方法所需巖心數量較大，一般的井下取心難以滿足,且抗壓試驗需要對巖樣進行取心、斷面磨平等深度加工[15]，使之形成一定規(guī)格的標準巖心之后才能進行測試。而在巖樣加工過程中，會對巖樣造成一定程度的損壞。特別是對于層理性強、微裂隙發(fā)育的頁巖來說，在加工過程中極易沿層理面發(fā)生斷裂。圖3為2個不同巖樣的三維結構掃描照片，雖然巖樣外觀均完好，但其內部已經形成大量貫通的裂縫，可見加工對巖樣所造成的損傷極大。采用這樣的巖心進行試驗，必然會對結果產生極大的影響。

表4為龍馬溪組頁巖力學抗壓測試結果。

從表4可以看出，頁巖抗壓強度結果分散，數值差別較大。

2.2 屈曲硬度法

屈曲硬度法可反映泥頁巖與流體作用后硬度的變化情況，間接反映頁巖水化后強度的變化。由于該方法對巖樣規(guī)格無特殊要求，因此大顆粒的巖屑及破碎的巖石均可作為試樣。試驗時將一定粒度的巖樣熱滾16 h，篩洗后放入測試儀中，通過轉動扭矩扳手施加壓力，使巖樣通過孔板擠出，測定與鉆井液作用后巖樣抗擠壓屈曲的扭矩[16]。試驗巖樣的硬度越大，扭矩也就越大。

圖4為龍馬溪組頁巖和川西X泥巖與老化去離子水、KCl聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液作用后的屈曲硬度試驗結果。由圖4可以看出，與龍馬溪組頁巖相比，X泥巖黏土礦物含量更高，且黏土礦物以蒙脫石和伊/蒙混層為主，為典型的膨脹性泥頁巖。通過對比，即可發(fā)現這兩種泥頁巖被流體浸泡后的顯著變化特征。

由圖4可知：老化流體對X泥巖硬度產生較大的影響，扭矩扳手轉動3轉后才有明顯的扭矩顯示，但隨著轉數的增加，4種流體作用后扭矩變化趨勢差別越明顯，且硬度差別較大；對于龍馬溪組頁巖而言，4種流體作用下扭矩都隨著轉速的增加而快速增大，趨勢相同，扭矩差值較小，說明龍馬溪組頁巖強度受流體浸泡作用較弱，采用該方法難以區(qū)分不同流體對龍馬溪組頁巖強度影響的強弱。

利用該方法測量的是試樣與流體作用后的硬度變化情況，因此可以間接反映不同流體對試樣水化的影響。但由于硬度無法轉化為強度參數，因此無法直接用于井眼力學穩(wěn)定性分析。

2.3 刻劃測試法

刻劃測試是20世紀90年代以來國外建立的一種新型巖石強度測試技術[17-18]，該方法利用金剛石刀片沿巖石表面以一定的橫切面積和速率刻劃，即可獲取巖石抗壓強度等巖石力學參數，具有選樣靈活、對巖樣損壞程度小、準確便捷、利用率高等特點[19]。

采用美國TerraTek公司的全尺寸巖石強度連續(xù)刻劃測試系統(tǒng)，對龍馬溪組頁巖的強度剖面及水化對強度的影響進行了分析。該系統(tǒng)主要由刻劃驅動裝置、載荷測量儀、深度測量儀、水平位移測量儀、刻劃刀、巖樣固定裝置和計算機采集控制裝置組成。試驗時，刻劃刀以某一恒定的速度和深度對巖樣表面進行刻劃，計算機實時采集刻劃刀的位移和受力等數據，并將數據代入刻劃理論模型計算得到巖石的抗壓強度。刻劃過程中刀片受力模型如圖5所示(水平方向定義為S，垂直方向定義為N；F為刻劃過程中刀片受到的力，N；v為刻劃速度，mm/s；d為刻劃深度，mm；θ為刀片后傾角，(°)；ψ為界面摩擦角，(°))。

3 頁巖強度連續(xù)刻劃試驗結果與分析

3.1 頁巖抗壓強度連續(xù)剖面

圖6為龍馬溪組頁巖巖心A的抗壓強度連續(xù)剖面。從圖6可以看出，頁巖抗壓強度隨其埋深變化劇烈，但大體為100～300 MPa，平均為123.71 MPa。高強度點(②、④、⑥處)抗壓強度可達250～320 MPa，低強度點(①、③、⑤和⑦處)抗壓強度80～150 MPa。

通過對比圖6和圖2可發(fā)現,頁巖抗壓強度與其本身顏色的變化具有極強的相關性，即灰白色區(qū)域巖石強度較大，黑色區(qū)域巖石強度普遍較低。進而可確定出頁巖抗壓強度與礦物組分之間的對應關系：石英含量高、黏土礦物含量低的灰白色區(qū)域抗壓強度大；黏土礦物含量高、石英含量低的黑色區(qū)域抗壓強度小。換言之，石英或黏土等礦物的相對富集對該位置處頁巖的強度具有重要影響。

同時，采用連續(xù)刻劃的方式可精準確定巖石中薄弱面或微裂縫的位置。如巖心A位置⑧處存在一肉眼難以看清的微裂縫，而在巖心A的抗壓強度剖面中，可發(fā)現位置⑧處巖石抗壓強度要遠遠小于其他位置處(見表5)。

表5 巖心A不同位置處的抗壓強度

Table 5 Compressive strength at different points of core A

3.2 水化對不同深度處頁巖抗壓強度的影響

圖7為龍馬溪組頁巖巖心A在去離子水中常溫常壓下浸泡48 h前后的抗壓強度曲線，其中紅色為浸泡前的抗壓強度σ1，藍色為浸泡后的抗壓強度σ2。

從圖7可以看出，用去離子水浸泡48 h后，不同埋深處巖心的抗壓強度均出現一定程度的降低。

為進一步分析水化對不同埋深處頁巖抗壓強度的影響程度，特對水化后抗壓強度的降低率η進行計算，公式為：

(1)

用去離子水浸泡48 h后頁巖抗壓強度的降低率計算結果見圖8。

從圖8可以看出，頁巖抗壓強度的降低率整體變化較為劇烈(在0～40%間不斷變化)，平均降低率為20.49%。通過深入分析圖8中曲線，可以確定頁巖抗壓強度的降低率主要由頁巖礦物組分所決定:石英含量高、黏土礦物含量低的區(qū)域(②、④、⑥處)頁巖抗壓強度降低程度較小，僅有不到10%；黏土礦物含量高、石英含量低的區(qū)域(①、③、⑤和⑦處)頁巖抗壓強度降低率為40%～50%；頁巖抗壓強度降低率最大點出現在埋深2 115.610 m處(即⑧處)，降低率達80%以上，說明流體浸泡對頁巖微裂縫處的強度影響極大。因此，在采用水基鉆井液進行頁巖水平井鉆進時，必須提高鉆井液的封堵性能，加強對微裂隙的封堵能力，才能有效降低井壁失穩(wěn)的風險。綜合上述分析，可以發(fā)現頁巖黏土礦物的含量對頁巖水化后抗壓強度的影響較大。黏土礦物含量越高，抗壓強度降低率也就越大。

3.3 不同流體浸泡對頁巖平均抗壓強度的影響

通過試驗分析了流體和浸泡時間對頁巖強度的影響程度。4種流體分別為去離子水、KCl聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液。試驗條件為常溫常壓，巖樣取自渝東南某井龍馬溪組頁巖。分別測定浸泡0，0.5，1.0，2.0，12.0，24.0和48.0 h后的巖樣強度，通過對比確定頁巖巖樣平均抗壓強度的降低程度，結果見圖9。

由圖9可知：隨著浸泡時間的延長，各種流體浸泡后頁巖抗壓強度的均值都有所降低,其中油基鉆井液條件下48 h降低率最小(7.0%)，高性能水基鉆井液次之(10.5%)，KCl聚合物鉆井液條件下的降低率為12.8%，去離子水條件下降低率最大(20.49%)。

圖10為評價流體抑制能力常用的頁巖滾動回收試驗結果。

由圖10可知，不同流體中龍馬溪組頁巖的滾動回收率都在97.5%以上，難以有效判定流體抑制能力的強弱。對比圖9、圖10可以發(fā)現，通過測定強度的降低程度，結合刻劃方法可較好地判別不同流體對頁巖水化的抑制性能。

4 結 論

1) 與其他方法相比，巖石強度連續(xù)刻劃方法具有準確、便捷、對巖樣損壞程度小的特點，可有效反映頁巖強度非均質性的特點。

2) 局部區(qū)域黏土礦物的相對富集對頁巖強度及水化后強度的降低程度影響較大；黏土礦物含量高的區(qū)域，強度相對較小，水化后強度的降低率也就越大。

3) 采用連續(xù)刻劃方法測定頁巖抗壓強度的降低程度，可有效評價不同流體抑制頁巖水化的能力，可區(qū)分程度高于常規(guī)的滾動試驗方法。

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[編輯 令文學]

Evaluation and Analysis of Rock Strength for the Longmaxi Shale

Lin Yongxue, Gao Shuyang, Zeng Yijin

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)

In order to study the hole stability of horizontal wells in a shale formation, it is necessary to accurately and completely evaluate the rock strength in shale reservoirs. Based on the characteristics of shale reservoirs in the Longmaxi Formation, multiple evaluation methods (e.g. compression test, buckle hardness test and scratch test) were used to evaluate and analyze the compressive strength of shale. It is shown that the compressive strength of Longmaxi shale is generally in the range of 100-300 MPa, with an average of 123.71 MPa. After the shale has a contact with water, its compressive strength around the micro cracks fall by about 80%. Research showed that the compressive strength of Longmaxi shale was more influenced by the relative enrichment of mineral composition,the formations with high content of quartz and low content of clay mineral have higher compressive strength.The effect of micro cracks on strength of shale is a dominant characteristic. When water based drilling fluids are used for drilling horizontal wells in shale formation, it is necessary to strengthen the sealing capacity in micro cracks so as to effectively lower the risk of hole instability.

Longmaxi formation; shale; mineral analysis; scratch test; compressive strength

2015-07-15；改回日期：2015-09-06。

林永學(1963—)，男，山東乳山人，1984年畢業(yè)于華東石油學院鉆井工程專業(yè)，2001年獲石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)工學碩士學位，教授級高級工程師，從事鉆井液技術研究及管理工作。

國家自然科學基金重大項目“頁巖油氣高效開發(fā)基礎理論研究”(編號：51490650)資助。

?頁巖油氣高效開發(fā)專題?

10.11911/syztjs.201505004

TE21

A

1001-0890(2015)05-0020-06

聯系方式：(010)84988158，linyx.sripe@sinopec.com。