頁巖儲(chǔ)層脆性特征及其影響因素探討

趙迪斐,郭英海,陳 蕾,秦 巖,屈 浩,曠 凌,王雪蓮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221116; 2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008)

頁巖儲(chǔ)層脆性特征及其影響因素探討

趙迪斐1,2,郭英海1,2,陳 蕾1,秦 巖1,屈 浩1,2,曠 凌1,王雪蓮1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221116; 2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008)

礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)是頁巖儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的核心影響因素,利用X射線衍射、掃描電鏡、能譜、力學(xué)測(cè)試及薄片觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段,分析了重慶南川三泉剖面泉淺一井龍馬溪組下段頁巖儲(chǔ)層、五峰組頁巖儲(chǔ)層樣品的物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)與脆性特征。結(jié)果表明,頁巖主要由脆性礦物與黏土礦物組成;儲(chǔ)集空間由孔隙—微裂隙—裂隙3級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成;應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出了較強(qiáng)的脆性特征,力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)法與礦物組分法的脆性評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異;脆性礦物含量高的層段微裂隙發(fā)育程度更高。沉積環(huán)境與成巖作用共同影響著龍馬溪組頁巖脆性的變化特征,龍馬溪組下部頁巖儲(chǔ)層自生石英與大顆粒的陸源碎屑石英等一起構(gòu)成頁巖剛性力學(xué)結(jié)構(gòu)。頁巖力學(xué)脆性研究應(yīng)從評(píng)價(jià)方法向優(yōu)質(zhì)脆性的形成機(jī)理深入。

頁巖儲(chǔ)層;脆性評(píng)價(jià);礦物組分;微觀結(jié)構(gòu);沉積環(huán)境

頁巖氣具有自生自儲(chǔ)、低孔低滲的特點(diǎn),壓裂效果的優(yōu)劣對(duì)頁巖氣開發(fā)效果影響極大。頁巖儲(chǔ)層的脆性越好,壓裂時(shí)越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò),頁巖氣產(chǎn)能越高;而脆性越差,頁巖塑性特征越明顯,壓裂時(shí)會(huì)吸收更多的能量,形成的裂縫形態(tài)簡單,導(dǎo)致壓裂效果不佳[1-2]。因此,頁巖脆性評(píng)價(jià)是目前頁巖氣儲(chǔ)層研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

在進(jìn)行頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,還需要深入探討頁巖儲(chǔ)層脆性的影響因素和致脆機(jī)理。目前,對(duì)頁巖儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)控制因素的研究還較少。肖賢明等認(rèn)為頁巖儲(chǔ)層中脆性礦物的含量需要適度,適度的脆性有利于頁巖氣儲(chǔ)集和開發(fā),并以石英∕(石英+碳酸鹽+黏土)為指標(biāo),評(píng)價(jià)其與壓裂性能的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)石英含量超過20％時(shí),頁巖氣產(chǎn)量明顯增加[3];但單一的礦物組分評(píng)價(jià)指標(biāo)忽略了成巖作用、構(gòu)造作用、風(fēng)化作用、微觀組構(gòu)差異等所產(chǎn)生的影響,可能存在誤差[4-5]。趙斌等[5]對(duì)巖石材料力學(xué)性質(zhì)與礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系展開研究,但未以頁巖儲(chǔ)層為對(duì)象。李慶輝等改進(jìn)了頁巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法,但并未涉及脆性影響因素研究。本文以重慶南川三泉剖面、泉淺一井和綦江觀音橋剖面龍馬溪組、五峰組頁巖樣品為對(duì)象,基于X射線衍射、力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡、能譜分析、薄片觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段,探究頁巖儲(chǔ)層礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,并討論了其對(duì)頁巖儲(chǔ)層脆性的影響。

1 測(cè)試與結(jié)果

1.1 頁巖礦物組分

X射線衍射實(shí)驗(yàn)(XRD)是量化研究儲(chǔ)層礦物組分的重要方法。實(shí)驗(yàn)在中國礦業(yè)大學(xué)完成,采用德國布魯克(BRUKER)公司D8 ADVANCE型號(hào)的X射線衍射儀。測(cè)試條件:Cu靶、Kα輻射(Cu Target,Kαradiation)、X射線管、電壓40kV、電流30mA。實(shí)驗(yàn)獲取樣品X射線衍射圖譜(圖1),并與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粉末的X射線衍射圖譜對(duì)比分析。物相分析標(biāo)準(zhǔn):粉末衍射聯(lián)合會(huì)國際數(shù)據(jù)中心(JCPDS—ICDD)提供的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粉末衍射資料(PDF)。

頁巖樣品采自重慶南川三泉剖面、泉淺一井與觀音橋剖面龍馬溪組,從上至下間隔取樣,共取樣14份,約50～100g。粉碎后取約5g樣品,放入研磨缽中研磨至300目,并將研磨好的樣品分為兩份,一份實(shí)驗(yàn)用(0.5～1.0g),一份備用。

南川三泉剖面龍馬溪組7個(gè)頁巖樣品的XRD分析測(cè)試(表1)表明,樣品主要礦物類型為黏土礦物與石英等脆性礦物。各樣品在礦物種類和含量上沒有明顯差異,反映該剖面龍馬溪組縱向上巖性較為穩(wěn)定。黏土礦物主要為伊利石、綠泥石,伊利石含量為32％～36％,均值為34％;綠泥石含量為21％～27％,均值為24％。石英是脆性礦物的主要組分,含量為16％～20％,均值為18.3％,脆性礦物的平均含量約30.5％,低于黏土礦物。黃鐵礦在7個(gè)樣品中普遍存在,含量為1.3％～2.1％,均值為1.7％。菱鐵礦只在4號(hào)樣品中出現(xiàn),含量很低,只有0.5％。

表1 南川三泉剖面龍馬溪組頁巖礦物含量表Table1 Shale mineral content of Lower Longmaxi Formation in Nanchuan Sanquan Profile單位:％

礦物成分對(duì)頁巖儲(chǔ)層脆性具有顯著的控制作用:①脆性礦物含量增加可顯著改善頁巖脆性,有助于形成微觀剛性構(gòu)架;②黏土礦物、黏土—有機(jī)復(fù)合體等組分的增加顯著增強(qiáng)塑性,對(duì)頁巖脆性具有負(fù)作用;③黏土礦物中蒙皂石等礦物具有遇水膨脹的特點(diǎn),也對(duì)儲(chǔ)層塑性具有一定影響;④頁巖儲(chǔ)層礦物的接觸關(guān)系、膠結(jié)類型也對(duì)脆性具有顯著影響。

泉淺一井龍馬溪組頁巖樣品礦物含量與南川三泉剖面差別較大,頁巖脆性礦物中石英含量最高,占60％以上,長石次之,占30％左右(圖2)。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)

頁巖氣存在于孔隙—微裂隙—裂隙3級(jí)系統(tǒng)中,其中又以孔隙為主。壓裂時(shí)氣體主要自孔隙、微裂隙中釋放,并經(jīng)由微裂隙—裂隙(含壓裂裂隙)運(yùn)移,微裂隙的存在對(duì)頁巖儲(chǔ)層滲流能力非常重要。頁巖孔隙主要是納米級(jí)孔隙,以有機(jī)納米孔、黏土礦物晶間孔等最為發(fā)育(圖3a、b)。微裂隙成因復(fù)雜(圖3c、d),大體可分為構(gòu)造成因微裂隙與非構(gòu)造成因微裂隙。構(gòu)造微裂隙常常發(fā)育在脆性礦物(圖3e、f)富集位置或脆性礦物附近;若脆性礦物含量增大,構(gòu)造微裂隙會(huì)延伸,使半封閉孔隙及封閉孔隙成為開放孔隙[7]。在成巖作用過程中,一些非構(gòu)造作用如脫水作用、干縮作用、礦物相變作用或熱力收縮等會(huì)造成巖石體積縮小,形成與層面近乎平行的非構(gòu)造成因微裂隙。龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中,水平層理及層間縫極為發(fā)育,構(gòu)成一個(gè)特殊的力學(xué)體系(圖3g、h)。

1.3 力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

為了與礦物組分法的脆性評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)比,在泉淺一井龍馬溪組(Sil)巖心中鉆取了兩個(gè)高度為10cm、直徑約5cm的樣品,并取五峰組(O3w)樣品1份,進(jìn)行單軸壓縮應(yīng)力測(cè)試,得到頁巖基本力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(表2)及應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖(圖4)。由表2可知,樣品破壞載荷為45.75～99.95MPa;由圖4可知,應(yīng)變?cè)?.04之前為壓密階段,應(yīng)變?cè)?.04～0.08之間為彈性變形階段,應(yīng)變?yōu)?.08到峰值階段為屈服變形階段,峰值強(qiáng)度以后為殘余變形階段,應(yīng)力值峰值為20～50MPa,樣品的峰值應(yīng)變約為0.075～0.085。

表2 頁巖樣品單軸壓縮應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)表Table2 Single axis stress test data of shale samples

1.4 脆性評(píng)價(jià)

分別基于礦物組分法與力學(xué)性質(zhì)法進(jìn)行頁巖脆性評(píng)價(jià)。

礦物組分法公式為[1]:

式中 B20——礦物組分脆性指標(biāo);

Wqtz——石英礦物含量;

Wcarb——碳酸鹽礦物含量;

Wtotal——總礦物含量。

B20為脆性礦物含量(Wqtz+Wcarb)與總礦物含量Wtotal之比,得到泉淺一井各龍馬溪組樣品與五峰組頁巖樣品的脆性指標(biāo),并與Barnett頁巖進(jìn)行對(duì)比(圖5)。結(jié)果可見,Barnett頁巖脆性更優(yōu),泉淺一井龍馬溪組頁巖(井樣A、井樣B、井樣C、井樣D)、五峰組頁巖(五峰頁巖)礦物組分脆性指標(biāo)比Barnett頁巖低30％。

力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)表明(圖6),Barnett頁巖的最大峰值應(yīng)變參數(shù)、最小峰值應(yīng)變參數(shù)分別為2.10％、0.40％;泉淺一井龍馬溪組頁巖的峰值應(yīng)變參數(shù)為0.8％～0.85％,表明其脆性略差于Barnett頁巖。在相同技術(shù)條件下,泉淺一井龍馬溪組頁巖力學(xué)性質(zhì)脆性參數(shù)與Barnett頁巖相仿,具備壓裂可行性。

力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)法與礦物組分法所獲得的脆性評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異,說明單一方法可能存在誤差,需要進(jìn)行誤差分析,從而進(jìn)行校正。

2 討 論

2.1 兩種評(píng)價(jià)方法差異分析

兩種脆性評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異,其原因可能在于礦物組分法僅考慮礦物組分對(duì)脆性的影響,忽略了成巖作用、構(gòu)造作用、異常壓力等因素;也忽略了礦物顆粒本身的影響,如顆粒大小、相互接觸關(guān)系等。在這些影響因素中,成巖作用的影響最為重要。聶海寬研究認(rèn)為石英含量、鈣質(zhì)含量、硅質(zhì)含量高的頁巖脆性強(qiáng),孔隙、裂隙也更為發(fā)育,但不同礦物增加的孔隙或裂隙類型與機(jī)理不同[8]。趙斌等[4]也指出碎屑巖的力學(xué)性質(zhì)與巖石的膠結(jié)類型、膠結(jié)物成分有關(guān)。

龍馬溪組下部頁巖中除含陸源碎屑石英外,還有部分石英是成巖作用過程中由礦物轉(zhuǎn)化形成的自生石英[9],自生石英粒度小,一般發(fā)育在黏土礦物附近,破壞了頁巖的微觀塑性特征,與顆粒更大的陸源碎屑石英等一起構(gòu)成剛性力學(xué)結(jié)構(gòu)。

頁巖的脆性是一種力學(xué)性質(zhì)的表征,是礦物組分和膠結(jié)(物)類型、構(gòu)造等多因素綜合作用的結(jié)果,應(yīng)結(jié)合多因素綜合分析。

2.2 沉積環(huán)境與成巖作用

龍馬溪組沉積早期(魯?shù)そM沉積時(shí)期)處于岡瓦納大陸冰川消融期,全球海平面迅速上升,在重慶南川地區(qū)形成深水陸棚環(huán)境,沉積了富含有機(jī)質(zhì)的黑色、深灰色含碳質(zhì)泥頁巖;隨后相對(duì)海平面開始下降,沉積水體變淺,沉積物主要為灰色、灰綠色粉砂質(zhì)泥頁巖及泥質(zhì)粉砂巖[10]。龍馬溪組上部陸源輸入量增加,大顆粒石英礦物含量增加,但儲(chǔ)層脆性仍然以底部的深海陸棚相最優(yōu)。原因是底部層段形成了大量的自生石英,雖然陸源輸入量小于上部,但具有更好的剛性構(gòu)架和脆性礦物含量。總的來說,石英礦物含量的相對(duì)變化和微觀剛性構(gòu)架的差異,是龍馬溪組頁巖脆性存在差異的主要影響因素。

2.3 頁巖脆性評(píng)價(jià)發(fā)展方向

頁巖脆性評(píng)價(jià)目前已形成了多套方法,但仍然以礦物組分法和力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)法應(yīng)用最為廣泛,也有學(xué)者開始進(jìn)行頁巖脆性綜合評(píng)價(jià)的研究。頁巖脆性也具有非均質(zhì)性[11-12],脆性評(píng)價(jià)應(yīng)優(yōu)先向優(yōu)質(zhì)脆性的成因,即宏觀—微觀脆性的形成機(jī)理上傾斜,在論證脆性機(jī)理及其控制因素后,充分了解頁巖脆性與微觀組構(gòu)、非均質(zhì)性等其他因素的相互關(guān)系,進(jìn)而展開頁巖脆性最優(yōu)評(píng)價(jià)方法的研究。

3 結(jié) 論

(1)龍馬溪組下部頁巖、五峰組頁巖主要由黏土礦物與脆性礦物組成;微觀儲(chǔ)集空間由孔隙—微裂隙—裂隙3級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成;應(yīng)力—應(yīng)變曲線顯示其具有一定脆性;但礦物組分法與力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)法得到的脆性結(jié)果具有較大差異;

(2)沉積環(huán)境與成巖作用共同影響著龍馬溪組頁巖脆性的變化特征,龍馬溪組下部頁巖儲(chǔ)層自生石英破壞了原本由黏土礦物形成的微觀塑性特征,與大顆粒的陸源碎屑石英等一起構(gòu)成剛性力學(xué)結(jié)構(gòu);

(3)頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行宏觀—微觀力學(xué)脆性的形成機(jī)理研究,充分論證脆性機(jī)理及其控制因素后,再開展脆性評(píng)價(jià)方法的研究。

[1] 李慶輝,陳勉,金衍,等.頁巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法及改進(jìn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31 (8):1680-1685.

[2] 李慶輝,陳勉,金衍,等.頁巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性及脆性評(píng)價(jià)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4): 17-22.

[3] 肖賢明,宋之光,朱炎銘,等.北美頁巖氣研究及對(duì)我國下古生界頁巖氣開發(fā)的啟示[J].煤炭學(xué)報(bào), 2013,38(5):721-727.

[4] 孟召平,劉翠麗,紀(jì)懿明.煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(5): 728-736.

[5] 趙斌,王芝銀,伍錦鵬.礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與巖石材料力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系[J].煤田地質(zhì)與勘探, 2013,41(3):59-63,67.

[6] 陳吉,肖賢明.南方古生界3套富有機(jī)質(zhì)頁巖礦物組成與脆性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(5): 822-826.

[7] 陳尚斌,夏筱紅,秦勇,等.川南富集區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38 (5):760-765.

[8] 趙迪斐,郭英海,朱炎銘,毛瀟瀟,曹磊,冶正陽,郭曉宇.龍馬溪組頁巖氣復(fù)電阻率勘探的理論依據(jù)[J].非常規(guī)油氣,2016,03:15-20.

[9] 趙迪斐,郭英海,楊玉娟,等.渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)集層成巖作用及其對(duì)孔隙發(fā)育的影響[J].古地理學(xué)報(bào),2016,18(05):843-856.

[10] 張春明,張維生,郭英海.川東南—黔北地區(qū)龍馬溪組沉積環(huán)境及對(duì)烴源巖的影響[J].地學(xué)前緣, 2012,19(1):136-145.

[11] 趙迪斐,解德錄,臧俊超,等.頁巖儲(chǔ)層礦物成分及相關(guān)討論[J].煤炭技術(shù),2014,33(4):92-95.

[12] 郭英海,趙迪斐.微觀尺度海相頁巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,44 (2):300-307.

Discussion on Brittleness Characteristics and Influencing Factors of Shale Gas Reservoirs

Zhao Difei1,2,Guo Yinghai1,2,Chen Lei1,Qin Yan1,Qu Hao1,2,Kuang Ling1,Wang Xuelian1,2
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process,the Ministry of Education, China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Mineral composition and microstructure are the key factors influencing the mechanical properties of shale reservoirs.Characteristics of material composition,microstructure and brittleness of lower Longmaxi Formation and Wufeng Foemation shale samples from Quanqian1 well and Sanquan profile in Chongqing Nanchuan were analysed by experimental methods including X-ray diffraction,scanning electron microscope,energy spectrum,mechanical test and thin section observation,et al.The results show that the mineral components of the test samples are mainly composed of brittle minerals and clay minerals;the reservoir space is composed of three stages including pores,microfractures and fractures;the stress -strain curves show a strong characteristic of brittleness;there exist a certain difference between the mechanical test method and the mineral component method;the development degree of the microfractures with high brittle mineral content is higher.Based on the test results of mechanical brittle characteristics,mineral compositions and reservoir space,the relationship between the mineral composition and the microstructure of the shale gas reservoir and the influence mechanism of sedimentary environment and diagenesis on the brittleness of reservoir is discussed.The research of mechanical brittleness should be made from the evaluation method to the formation mechanism.

Shale reservoir;Brittleness evaluation;Mineral composition;Microstructure;Sedimentary environment

TE122

:A

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2012CB214702);煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(2015-007);中國礦業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(DC201621)。

趙迪斐(1991年生),男,博士,研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣地質(zhì)學(xué)與納米地球科學(xué)。郵箱:diffidiffi@ 126.com。