四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層上下亞段脆性差異

陸益祥，潘仁芳，唐小玲，武文競(jìng)，鄢杰

（1.油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油華北油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552）

四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層上下亞段脆性差異

陸益祥1，潘仁芳1，唐小玲2，武文競(jìng)1，鄢杰1

（1.油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油華北油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552）

頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性有一定要求。現(xiàn)今，我國(guó)頁(yè)巖氣的重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)層位位于四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組。前人研究表明，龍馬溪組具有明顯的二分性，其上段和下段頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性存在差異。目前，針對(duì)這方面的研究還比較少，筆者擬從礦物組分含量分析、脆性指數(shù)、彈性模量、泊松比、三軸壓力實(shí)驗(yàn)等方面來(lái)比較龍一段和龍二段的儲(chǔ)層脆性差異。結(jié)果表明：龍一段比龍二段的脆性礦物含量更高，且脆性指數(shù)較大；相比龍二段，龍一段的巖石物理特征是彈性模量更高，泊松比更低；巖心的三軸壓力實(shí)驗(yàn)表明，龍一段的應(yīng)力—應(yīng)變負(fù)坡曲線的斜率的絕對(duì)值較大。綜合以上結(jié)論可以得出，龍一段的脆性要比龍二段好，開(kāi)發(fā)壓裂效果更好。

脆性差異；彈性模量；泊松比；威遠(yuǎn)地區(qū)；龍馬溪組

我國(guó)頁(yè)巖氣資源量豐富，曾祥亮［1］、黃金亮［2］等研究表明，四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖開(kāi)發(fā)潛力巨大。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層相比，具有明顯的低孔、低滲特征，儲(chǔ)層壓裂后才能形成經(jīng)濟(jì)效益。其中，頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性是壓裂過(guò)程中必須考慮的關(guān)鍵因素。Chen［3］、白志強(qiáng)［4］等研究發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁(yè)巖的巖性具有明顯的二分性，可分為龍馬溪組頁(yè)巖上段和龍馬溪組頁(yè)巖下段。龍馬溪組頁(yè)巖的二分性特點(diǎn)在脆性方面也同樣存在，但目前針對(duì)二分性特點(diǎn)的研究還較少。前人對(duì)頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)大多采用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)［5-6］的方法，該方法費(fèi)錢(qián)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、以點(diǎn)代面，具有較大的偶然性。筆者擬從礦物組分、脆性指數(shù)、巖石物理特征（彈性模量、泊松比）、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)（三軸壓力實(shí)驗(yàn)）等幾個(gè)方面來(lái)比較威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組一段和龍馬溪組二段頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性差異，對(duì)這幾種方法使用的利弊進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明，并討論形成這種差異的原因。

1　地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川省威遠(yuǎn)、榮縣和內(nèi)江市境內(nèi)，為頁(yè)巖氣國(guó)家重點(diǎn)示范區(qū)，面積約8 940 km2。威遠(yuǎn)構(gòu)造屬于川中隆起區(qū)的川西南低陸褶皺帶，有威遠(yuǎn)、興隆場(chǎng)、靈音寺等多個(gè)構(gòu)造（見(jiàn)圖1）。威遠(yuǎn)構(gòu)造為巨型的穹隆背斜，該背斜西北翼平緩、東南翼以基底斷裂為界產(chǎn)狀較陡，西南側(cè)與老龍場(chǎng)構(gòu)造以基底斷裂為界呈鞍狀相連，東北側(cè)與磨溪—安平店構(gòu)造以北西走向的基底斷裂帶相隔［7］。

威遠(yuǎn)地區(qū)志留系地層由于加里東運(yùn)動(dòng)，缺失石牛欄組和韓家店組，所以志留系地層只有龍馬溪組。總體看來(lái)，四川地區(qū)龍馬溪組沉積以淺水陸棚相為主，從西向東沉積相類型依次為古隆起、泥質(zhì)淺水陸棚、泥質(zhì)深水陸棚、砂泥質(zhì)淺水陸棚、泥質(zhì)淺水陸棚。

2　頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組分分析

根據(jù)工區(qū)鉆遇地層情況，結(jié)合取心、測(cè)井、地震等資料，將龍馬溪組劃分為龍馬溪組一段 （3 612～3 703 m）、龍馬溪組二段（3 251～3 612 m）（以下簡(jiǎn)稱龍一段、龍二段）。

X射線衍射分析龍一段和龍二段的樣品可知，頁(yè)巖樣品礦物組分以石英礦物和黏土礦物為主，含有部分的碳酸鹽巖及少量長(zhǎng)石和黃鐵礦（見(jiàn)圖2）。

Woodford與Barnett頁(yè)巖的脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般要大于40%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)要少于30%，才具工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值［8-9］。相比龍二段，龍一段脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)要更高、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低，且龍一段脆性礦物和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)都達(dá)到了北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的要求，從這方面來(lái)看，龍一段的開(kāi)發(fā)壓裂潛力要好。

3　頁(yè)巖脆性綜合評(píng)價(jià)法

針對(duì)頁(yè)巖的脆性參數(shù)研究方法主要有3種：實(shí)測(cè)頁(yè)巖礦物成分含量，得出脆性礦物含量和黏土礦物含量，利用脆性公式計(jì)算頁(yè)巖脆性指數(shù)；利用地球物理的方法及測(cè)井資料求取巖石彈性力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比）；采用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，如三軸壓力實(shí)驗(yàn)［9］。

3.1X射線衍射分析

X射線衍射分析研究區(qū)龍馬溪組龍一段、龍二段的取心資料（見(jiàn)圖2a），根據(jù)Jarvie［10］脆性計(jì)算式：

式中：BRIT為巖石脆性指數(shù)；V為礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；下標(biāo)s，t，f，n分別代表石英、碳酸鹽、方解石、黏土。

由式（1）得出，龍二段脆性指數(shù)為0.42，龍一段為0.56，說(shuō)明龍一段脆性要好于龍二段。Jarvie方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且容易操作，然而實(shí)際情況下頁(yè)巖的礦物成分是多種多樣的，從精確性的角度來(lái)看，單從礦物組分來(lái)評(píng)價(jià)顯得不夠，而且這種方法需要大量巖心分析資料，使用起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以筆者決定采用文獻(xiàn)［10］中的加入礦物彈性模量和泊松比的新公式，來(lái)計(jì)算巖石的脆性指數(shù)。

式中：E為彈性模量，GPa；PR為泊松比。

巖石礦物分析表明，石英、方解石和伊利石是主要的礦物成分，3種礦物的彈性模量和泊松比見(jiàn)表1。

根據(jù)圖2和表1中的數(shù)據(jù)，利用式（2）得出，龍二段脆性指數(shù)為84.44，龍一段為86.57?？芍堃欢蔚拇嘈愿?。從脆性指數(shù)處理結(jié)果來(lái)看，新方法比Jarvie方法更加符合實(shí)際。

3.2地球物理測(cè)井方法

通過(guò)有效方法獲得頁(yè)巖的泊松比和彈性模量［11-12］可以作為主要依據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性。Rickman等人對(duì)美國(guó)福特沃斯盆地Barnett頁(yè)巖彈性模量和泊松比進(jìn)行了總結(jié)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高彈性模量、低泊松比的頁(yè)巖脆性更強(qiáng)［12］。Halliburton和Baker Hughes利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的橫縱波時(shí)差計(jì)算巖石的泊松比和彈性模量，并以此結(jié)果作為評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性程度的依據(jù)［13-14］。

3.2.1Rickman等人的方法

對(duì)龍一段和龍二段樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)出樣品彈性模量和泊松比，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，龍一段彈性模量38.21～49.27 GPa，平均為44.17 GPa；龍二段彈性模量30.20～39.52 GPa，平均為35.31 GPa。龍一段泊松比0.18～0.33，平均為0.24；龍二段泊松比0.28~0.40，平均為0.36。說(shuō)明龍一段具有更高的彈性模量和更低的泊松比，脆性更好，可壓裂性更強(qiáng)。

3.2.2BakerHughes和Halliburton的方法

由龍馬溪組的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（見(jiàn)圖4）中縱、橫波時(shí)差，計(jì)算彈性模量和泊松比，評(píng)價(jià)頁(yè)巖的脆性。利用參考文獻(xiàn)［11］中的公式：

式中：ΔTp，ΔTs分別表示縱、橫波時(shí)差，μs·m-1；ρb為體積密度，g/cm3。

利用式（3）代入橫、縱波時(shí)差，得到泊松比；同理，利用式（5）得到彈性模量。利用求出的彈性模量和泊松比評(píng)價(jià)巖石的脆性。

據(jù)圖5可看出，龍一段彈性模量平均23 GPa，泊松比平均0.22；龍二段彈性模量平均18 GPa，泊松比平均0.32。由此可知：龍一段具有較低泊松比和更高的彈性模量，龍一段的脆性更好。由式（3）可以推算出式（4），說(shuō)明，橫縱波時(shí)差比值和泊松比有一定相關(guān)性。觀察圖6可知，龍二段的橫縱波時(shí)差比明顯高于龍一段，證明頁(yè)巖的脆性用低橫縱波時(shí)差比表示也是可行的。

3.3頁(yè)巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

從龍一段和龍二段各取一塊巖心，取心位置為圖4中紅色點(diǎn)（1號(hào)巖心，取樣深度為3 655 m）和藍(lán)色點(diǎn)（2號(hào)巖心，取樣深度為3 460 m）。模擬巖心地下溫度、壓力環(huán)境，進(jìn)行三軸壓力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層平均抗壓強(qiáng)度為241.10 MPa，平均彈性模量為16.84 GPa，平均泊松比為0.28（見(jiàn)表2）。由此可知，相比2號(hào)巖心，1號(hào)巖心的彈性模量更高和泊松比更低，證明龍一段比龍二段的脆性要好。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線的負(fù)坡斜率絕對(duì)值大小可以劃分巖石脆性好壞。負(fù)坡斜率絕對(duì)值較大者脆性較好；反之脆性較差。由圖7、圖8可知：1號(hào)巖心在應(yīng)力為262.01 MPa，應(yīng)變?yōu)?.008時(shí)破碎；2號(hào)巖心在應(yīng)力為199.96 MPa，應(yīng)變?yōu)?.012時(shí)破碎。1號(hào)巖心負(fù)坡斜率絕對(duì)值較大，故其脆性優(yōu)于2號(hào)巖心，即龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。

3.4綜合分析

通過(guò)對(duì)龍一段和龍二段的礦物成分分析，結(jié)合脆性指數(shù)、彈性模量、泊松比及三軸壓力實(shí)驗(yàn)等比較結(jié)果，都彼此相互證明龍一段比龍二段脆性要好，具有更好的水力壓裂效果。

龍一段和龍二段兩段彼此相鄰，所受?chē)鷫?、溫度、埋藏時(shí)間等外界因素對(duì)頁(yè)巖脆性影響大致相當(dāng)［15］。龍一段以深水陸棚上的沉積的灰黑色、黑色頁(yè)巖為主；龍二段以淺水陸棚上沉積的灰色、深灰色頁(yè)巖和粉砂質(zhì)泥巖為主［16-18］。龍一段和龍二段脆性差異主要是由巖性差異引起的，而巖性差異是由沉積環(huán)境所決定的。所以，造成龍一段和龍二段脆性差異的根本原因是沉積環(huán)境不同。

4　結(jié)論

1）龍一段的脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%。根據(jù)美國(guó)Barnett和Woodford頁(yè)巖成功的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，龍一段都達(dá)到了開(kāi)發(fā)條件，相比龍二段，龍一段的開(kāi)發(fā)潛力大。龍二段巖石脆性指數(shù)為84.44，龍一段為86.57，證明龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。龍一段比龍二段具有更高的彈性模量和更低的泊松比，說(shuō)明龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。龍一段負(fù)坡斜率絕對(duì)值較大，故脆性較優(yōu)。沉積環(huán)境的不同是造成龍一段和龍二段脆性差異的根本原因。

2）Jarvie方法單從礦物組分含量來(lái)評(píng)價(jià)脆性，從精確性角度來(lái)看不夠；新脆性公式要比Jarvie方法結(jié)果更加符合實(shí)際。Baker Hughes和Halliburton方法在原狀地層中獲得數(shù)據(jù)值，精確度相比與Rickman等人的方法要高；三軸壓力實(shí)驗(yàn)是直接測(cè)量巖心脆性的一種重要手段。

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（編輯趙旭亞）

Brittleness comparison between upper and lower sub-sections of Longmaxi Formation shale reservoir in Weiyuan Area，Sichuan Basin

LU Yixiang1，PAN Renfang1，TANG Xiaoling2，WU Wenjing1，YAN Jie1
（1.MOE Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Research Institute of Exploration and Development，Huabei Oilfield Company，PetroChina，Renqiu 062552，China）

The development of shale gas has a certain demand for the brittleness of shale reservoir.Today，shale gas exploration and development focuses on the Lower Silurian Longmaxi Formation in Sichuan Basin，China.Previous studies showed that the Longmaxi Formation has two different properties obviously，and the brittleness of the upper and lower sections of Longmaxi Formation shale reservoirs are different.At present，few researches are focused on this aspect.The author intends to analyze the composition of the mineral，the brittleness index，Young′s modulus，Poisson′s ratio，and the three axis pressure to compare the difference of brittleness between the Long 1 and Long 2.The results show that the content of brittle mineral of Long 1 is higher than that of Long 2，so is the brittle index；comparing with Long 2，Young′s modulus of the Long 1 is higher and Poisson′s ratio is lower；three axis pressure test shows that the absolute value of the slope of stress-strain curve for Long 1 is larger.Comprehensive conclusion is that the brittleness of Long 1 is better than that of Long 2，which has a better fracturing effect.

brittlenessdifference；Young′smodulus；Poisson′sratio；WeiyuanArea；LongmaxiFormation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖油、氣甜點(diǎn)構(gòu)成要素比較研究”（41472123）

TE122.2+3

A

10.6056/dkyqt201604005

2015-12-19；改回日期：2016-04-15。

陸益祥，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事非常規(guī)頁(yè)巖油氣的儲(chǔ)層特性研究。E-mail：1069363009@qq.com。

引用格式：陸益祥，潘仁芳，唐小玲，等.四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層上下亞段脆性差異［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：429-433.

LU Yixiang，PAN Renfang，TANG Xiaoling，et al.Brittleness comparison between upper and lower sub-sections of Longmaxi Formation shale reservoir in Weiyuan，Sichuan Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：429-433.