模擬地層條件下泥巖三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及其油氣意義

李雙建，金之鈞，袁玉松，周　雁，孫冬勝

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；　2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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模擬地層條件下泥巖三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及其油氣意義

李雙建1，金之鈞1，袁玉松1，周雁2，孫冬勝1

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)既關(guān)系到了它能否成為良好的蓋層，也關(guān)系到它能否成為優(yōu)質(zhì)的頁巖氣儲層。為了明確地層條件下泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的變化特征及其影響因素，選取四川盆地南部典型的志留系龍馬溪組泥巖，進(jìn)行了20(常溫),50,100,130 ℃四個溫度點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)在0,10,20,40,60 MPa五種圍壓條件下的20個三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了泥巖巖石力學(xué)參數(shù)與溫度和圍壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明：在60 MPa圍壓范圍內(nèi)，泥巖的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加，基本呈線性關(guān)系；在130 ℃溫度范圍內(nèi)，泥巖的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度的變化與溫度變化沒有明顯的相關(guān)性，不同溫度下，同一圍壓條件下，泥巖的巖石力學(xué)參數(shù)保持相對一致。這說明泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)主要受埋藏深度(圍壓)的影響，溫度變化對其影響不大。從巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上還可以看出，隨著埋深的增加，即使是晚成巖階段的泥巖也有從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的趨勢。根據(jù)巖石峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出川南志留系龍馬溪組泥巖脆延轉(zhuǎn)變的臨界深度約為4 200～4 400 m。作為蓋層時(shí)，超過該臨界深度，泥巖不容易破裂，具有優(yōu)越的封閉性；作為頁巖氣儲層，超過該臨界深度，泥巖的可壓性變差。

脆性；塑性；可壓性；泥巖；志留系；頁巖氣；四川盆地

泥巖包括頁巖和粘土巖，是指超過50%的顆粒粒度小于2 μm的巖石[1]。它的典型造巖礦物包括粘土礦物，如伊利石、高嶺石、綠泥石、蒙脫石等；石英、長石和巖屑；方解石和白云石；黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)等。基于其細(xì)粒的屬性，泥巖的滲透率很低，一般在微達(dá)西-納達(dá)西數(shù)量級。傳統(tǒng)的石油地質(zhì)，一般將泥巖作為油氣蓋層進(jìn)行評價(jià)，將富有機(jī)質(zhì)的泥巖作為烴源巖進(jìn)行評價(jià)，近10年來，隨著頁巖氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，又將泥巖作為儲層進(jìn)行評價(jià)，因此，泥巖對油氣勘探的作用越來越重要，對它的巖石物理性質(zhì)的研究也越來越深入[2-8]。其中，泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)決定了巖石的脆塑性及其發(fā)生破裂的難易程度，既關(guān)系到泥巖是否具有塑性，能否成為優(yōu)質(zhì)的蓋層，又關(guān)系到它是否具有可壓性，能否成為優(yōu)質(zhì)的頁巖氣開采層位[9]。但由于泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)在沉積之后的成巖演化過程中會發(fā)生不斷的變化，其影響因素包括礦物組成、成巖演化程度、有機(jī)質(zhì)含量、含水量等等[3-5,10-12]，因此關(guān)于泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)一認(rèn)識較少。

相比其它因素，地層溫壓條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)對油氣勘探來講更為重要，這一點(diǎn)有別于傳統(tǒng)的工程地質(zhì)[13]，而且已有的研究也表明，隨著埋藏深度的增加，泥巖在圍壓和溫度都增加的條件下，巖石力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生較大變化，隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度會增加，但是其塑性也會增加，溫度的增加也會造成巖石塑性的增強(qiáng)[1,14]。但是目前為止，對泥巖進(jìn)行系統(tǒng)的不同溫壓條件下的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)較少，對深層泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的研究不夠，影響了對深層泥巖蓋層封閉性和泥巖儲層可壓性的評價(jià)。

本文選擇四川盆地典型的高演化泥巖，進(jìn)行了多組不同溫度和不同圍壓條件下的三軸力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)而探討了溫壓條件對泥巖韌脆性和可壓性的影響，以期為深層泥巖蓋層和儲層的評價(jià)提供必要的依據(jù)。

1　樣品制備及其巖石學(xué)特征

本次研究所用的樣品來自四川盆地南部長寧縣雙河鎮(zhèn)志留系龍馬溪組，剖面坐標(biāo)為(28°23′54.77″,104°54′22.74″)。剖面經(jīng)挖掘機(jī)深挖，露頭樣品比較新鮮，

未經(jīng)過大規(guī)模風(fēng)化，樣品成層性好，無天然裂縫發(fā)育。

為了滿足巖石力學(xué)試驗(yàn)的要求，本次取樣挑選層面平整，體積大，無裂縫的1塊泥巖，進(jìn)行了集中取樣，保證了將樣品本身巖性和非均質(zhì)性對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響降低到最低點(diǎn)。將本試驗(yàn)的巖樣加工成直徑20 mm，高45 mm 的圓柱體，試樣符合《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》DY—94 對巖樣尺寸的要求。試樣的加工時(shí)首先用立式鉆石機(jī)鉆取相同直徑的巖樣，然后用切割機(jī)截取相同高度巖樣，最后用雙端面磨石機(jī)將巖樣的兩個端面磨平，以改善測試結(jié)果的離散性，件加工精度按照國家《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—94)，共計(jì)制備試樣 25 塊。

在進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)之前，首先對其微觀巖石學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)觀察。由于都是在一塊巖石中取得的樣品，所以僅對取樣層位及其上下地層中的樣品進(jìn)行了巖石學(xué)分析和物性參數(shù)測試(表1)。全巖X-衍射分析表明，樣品中主要礦物為粘土、石英，含少量的斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦。其中粘土含量為45.4%，石英含量為31.4%，斜長石含量為6.8%，碳酸鹽礦物含量為10.8%。取樣層位上下20 m的10個巖石樣品的有機(jī)碳含量含量范圍為1.55%～4.53%，平均為2.53%，龍馬溪組炭質(zhì)泥巖的鏡質(zhì)體反射率(Ro)范圍為2.5%～3.4%，平均為3.0%，用于做試驗(yàn)的樣品的Ro為2.9%，為晚成巖階段的泥巖。巖石的物性參數(shù)測試顯示其孔滲性較差，含水量較低，作為蓋層的突破壓力值為30 MPa，具有較好的封閉性。

2　高演化泥巖巖石力學(xué)測試

2.1測試儀器

本次試驗(yàn)在西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，樣品測試儀器采用美國GCTS公司RTR-1000型靜(動)三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以有效的測量地層條件下測試巖石的力學(xué)參數(shù)，在石油地質(zhì)、石油工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：最大軸向加載1 000 kN、最大圍壓140 MPa、最高加熱溫度150 ℃；測試變形范圍：軸向應(yīng)變±2.5 mm、徑向應(yīng)變±2.5 mm；測試精度和數(shù)據(jù)采集

表1　四川盆地南部志留系泥巖巖石組分與物性特征Table 1　Rock composition and physical property of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basin

分析方法符合美國ASTM D2664—04標(biāo)準(zhǔn)和國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM推薦巖石三軸試驗(yàn)所有要求。

2.2測試結(jié)果

本次研究采用變圍壓三軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層埋藏過程中蓋層的破裂過程，將地層埋藏深度折算成圍壓，將最大水平應(yīng)力設(shè)置成軸壓，通過改變圍壓模擬不同埋深條件，在恒定圍壓條件下，通過增加軸壓模擬水平應(yīng)力不斷增大的擠壓構(gòu)造背景。本次試驗(yàn)對晚成巖階段的泥巖進(jìn)行了20(常溫)，50，100，130 ℃四個溫度點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)0，10，20，40，60 MPa五種圍壓條件下的20個三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由泥巖的三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的溫度和圍壓條件，泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)都表現(xiàn)出一種非典型的脆性和塑性特征，屬于彈-延-蠕變形曲線,應(yīng)力應(yīng)變曲線在低軸壓時(shí)有一段近似直線，當(dāng)軸壓增加到一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線向下彎曲，而且隨著軸壓的增加，曲線的斜率越來越小。當(dāng)軸壓進(jìn)一步增加到某一數(shù)值時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)小幅震蕩變化，應(yīng)變不斷增加，即樣品在達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度后，沒有立即破壞，而是經(jīng)歷了一系列微裂紋擴(kuò)展，明顯的具有變形量累加。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出典型的5個階段變形(圖2)。①近似線彈性階段：該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈一條斜直線，隨著軸向應(yīng)力的增加，該階段為巖石壓實(shí)階段，巖石內(nèi)部微裂紋閉合及微孔隙收縮。②微裂紋演化階段：該階段巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始偏離直線發(fā)展，軸壓的進(jìn)一步增加，使得巖石內(nèi)部裂紋開始發(fā)育。③裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段：該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下彎曲，微裂紋擴(kuò)展進(jìn)入到非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，在該階段末，巖樣的承載能力達(dá)到最大，即峰值強(qiáng)度。④應(yīng)變軟化階段：該階段為下降曲線段，巖樣承載力達(dá)到峰值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)負(fù)剛度現(xiàn)象，試樣承載能力迅速下降，巖石裂紋大量形成，裂紋不斷擴(kuò)展、延伸、交匯并形成宏觀裂隙。⑤殘余強(qiáng)度階段：巖樣經(jīng)過應(yīng)變軟化階段后，軸向應(yīng)力降低到一恒定的殘余強(qiáng)度值或應(yīng)力降低為零，巖樣變形以裂隙巖塊的錯位滑移為主。⑥塑性變形階段：在巖石抗壓強(qiáng)度到峰值之后，在一定形變范圍內(nèi)，應(yīng)力變化很小能夠引起較大的形變，應(yīng)變曲線近于水平，該階段巖石發(fā)生塑性變形，微裂紋增多，但整體保持完整。

圖2可以看出，在所有溫度條件下，泥巖的抗壓強(qiáng)度均隨著圍壓的增加而增加，低圍壓條件下，泥巖多表現(xiàn)為脆性破裂，即軸壓達(dá)到巖石抗壓強(qiáng)度之后，巖石的應(yīng)變曲線迅速跌落，隨著圍壓的增高，巖石逐漸向延性和塑性轉(zhuǎn)變，即在巖石破裂之前，有明顯的變形累積量，樣品在應(yīng)變2.5%時(shí)，仍不被破壞，表現(xiàn)出典型的蠕變特征，表明此時(shí)巖石具有較好的塑性。

圖1　四川盆地南部志留系泥巖不同溫度和圍壓下泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　Stess-strian curves of mudstone under different temperatures and pressures of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basina.20℃；b.50℃；c.100℃；d.130℃

圖2　四川盆地南部志留系泥巖典型應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε) 曲線階段性形變特征Fig.2　Stage deformation features of typical stress-strain curves of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basin ①彈性變形階段；②微裂紋演化階段；③微裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段； ④應(yīng)變軟化階段；⑤殘余強(qiáng)度階段；⑥塑性變形階段

3　討論

3.1溫度、壓力對泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)受巖石礦物組成、孔隙大小和結(jié)構(gòu)、成巖作用程度、含水量等多種因素影響，本文選擇了同一塊樣品，做了一系列的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，最大程度上減小了以上由于巖石樣品不同造成的誤差，專門討論了溫壓條件對泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，重點(diǎn)分析了泥巖的峰值抗壓強(qiáng)度、殘余抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比4個參數(shù)隨溫壓條件變化的關(guān)系。

由圖3a,b可以看出，在60 MPa圍壓范圍內(nèi)，泥巖的彈性模量和泊松比隨著圍壓的增加而增加，基本呈線性關(guān)系，說明隨著圍壓(地層埋深)的增加，泥巖的剛性越好，越不容易變形，這與一般的巖石變形特征是一致的。但是從變化趨勢上看，彈性模量和泊松比在圍壓由40 MPa升到60 MPa之間的增加幅度較40 MPa之前明顯變緩，說明在60 MPa之后，泥巖的剛性已經(jīng)趨于接近其極限，不會隨圍壓的增大而無限的增加下去。由圖3c，d可以看出巖石抗壓強(qiáng)度隨圍壓的變化趨勢，與彈性模量和泊松比的變化趨勢一致，泥巖的峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度都隨圍壓的增加而增加，但高圍壓時(shí)增加幅度變緩。這種泥巖巖石力學(xué)參數(shù)隨圍壓變化而變化的趨勢，在其他地區(qū)也有顯示，澳大利亞和北海的油氣探井中泥巖的三軸力學(xué)試驗(yàn)獲得了同樣的結(jié)論[2,6]，不同的是它們的峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度更低，因?yàn)樗麄兊某蓭r作用相對較弱，泥巖的塑性特征表現(xiàn)的更為明顯。

圖4顯示了泥巖巖石力學(xué)參數(shù)隨溫度變化而變化的趨勢，可以看出在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，泥巖的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度的變化與溫度變化沒有明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系，不同溫度下，同一圍壓條件下，泥巖的巖石力學(xué)參數(shù)保持相對一致。說明在150 ℃左右的范圍內(nèi)，溫度對泥巖的巖石力學(xué)參數(shù)沒有明顯影響。Zhang Lianying(2014)[15]通過高溫試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，泥巖的礦物相會發(fā)生轉(zhuǎn)變，它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生明顯的調(diào)整，其巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生徹底轉(zhuǎn)變，這一溫度遠(yuǎn)大于油氣勘探所觸及的地溫范圍。因此，在油氣勘探深度范圍內(nèi)的地溫條件下，泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)主要受埋深及周圍地應(yīng)力變化的影響，溫度的影響較小。

3.2深埋條件下泥巖脆塑性變化的油氣意義

研究泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的一項(xiàng)重要任務(wù)就是評價(jià)其脆塑性，因?yàn)樵谟蜌獾刭|(zhì)和工程中，泥巖脆塑性的評價(jià)涉及到油氣成藏中蓋層封蓋性評價(jià)、油氣鉆井過程中井壁穩(wěn)定性的評價(jià)以及開發(fā)過程中壓裂效果的評價(jià)等多個方面。

從蓋層封閉性的角度來說，泥巖的脆塑性關(guān)系到了天然裂縫形成的難易程度，一般認(rèn)為隨著成巖作用的加深，泥巖的塑性減弱、脆性增強(qiáng)，不同的學(xué)者對泥巖由脆性變塑性的深度認(rèn)識不一。前蘇聯(lián)學(xué)者F.M.烏斯認(rèn)為，埋深為4 000～6 000 m時(shí)，泥質(zhì)蓋層處于高溫高壓下發(fā)生壓縮脫水作用，塑性降低，巖石變脆，產(chǎn)生裂縫，封閉性能減弱[16]。付廣和姜振學(xué)(1994)[17]認(rèn)為，埋深大于3 500 m，泥巖壓實(shí)接近極限，進(jìn)入不可壓縮階段，脆性增加，含水量減小，產(chǎn)生微裂縫后很難愈合，封閉性變差。張樹林和田世澄(1993)[18]認(rèn)為泥巖蓋層的最佳狀態(tài)為其埋藏深度在1 500～3 500 m的時(shí)期。周文等(1994)[19]認(rèn)為，當(dāng)泥巖埋深超過1 500 m后達(dá)到一定的成巖階段，巖石塑性降低而脆性增加，在超壓和其它地應(yīng)力作用下易產(chǎn)生微裂縫，從而降低了其排驅(qū)壓力。本文的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，即使鏡質(zhì)體反射率(Ro)到3.0%的晚成巖階段的泥巖仍然具有可塑性，特別是隨著埋藏深度的增加，這種可塑性逐步加強(qiáng)。所以，籠統(tǒng)的說泥巖在經(jīng)過一定埋深后封閉性能變差，是不符合其巖石力學(xué)性質(zhì)的論述。在深埋條件下，受側(cè)向擠壓作用時(shí)，泥巖蓋層不易產(chǎn)生貫通性破裂，油氣的滲漏主要是通過不連續(xù)的微破裂進(jìn)行，這會大大降低油氣藏破壞規(guī)模和破壞速度，如果蓋層足夠厚，這種順層的滑動不會造成油氣的滲漏。

關(guān)于泥巖脆塑性評價(jià)的另一個主要應(yīng)用在頁巖氣的開發(fā)方面。過去的10～15年里，水平井和水力壓力技術(shù)的應(yīng)用，使得之前無法經(jīng)濟(jì)開采的頁巖氣資源得以大規(guī)模開發(fā)[20]。評價(jià)頁巖能否有效得到壓裂的重要指標(biāo)就是頁巖的脆性，在頁巖氣地質(zhì)評價(jià)中，大多數(shù)學(xué)者應(yīng)用脆性礦物的含量評價(jià)頁巖的脆性[21-25]，在頁巖氣工程壓裂實(shí)施中，更多的應(yīng)用彈性模量和泊松比來評價(jià)頁巖的脆性[26]。通過本實(shí)驗(yàn)的研究表明，應(yīng)用脆性礦物含量評價(jià)頁巖的可壓性是片面的，因?yàn)轫搸r的脆性是隨著埋深的增加而降低的，所以，可壓性的評價(jià)必須考慮目的層的埋深。以川東志留系龍馬溪組頁巖氣壓裂為例，隨著埋深的增加，地層可壓性明顯降低，直接表現(xiàn)為壓裂液的反排率增加，丁頁2井在4 300 m處，壓裂液反排率為37.2%，而焦頁1井在2 400 m處的壓裂液反排率僅為37.6%，在原始含氣量相差不大的情況下，由于丁頁2井，壓裂效果較差，其天然氣產(chǎn)量很快由日產(chǎn)10×104m3/d，跌落到2×104m3/d以下。泥巖三軸力學(xué)試驗(yàn)還顯示，用靜態(tài)彈性模量和泊松比評價(jià)地層可壓性也具有片面性，原因是泥巖的彈性模量和泊松比隨埋深的增加也發(fā)生顯著的變化，建議用實(shí)際地層條件下的動態(tài)彈性模量和泊松比參數(shù)進(jìn)行可壓性評價(jià)。

圖3　四川盆地南部志留系泥巖巖石物性與圍壓關(guān)系Fig.3　Relationships between physical properties and confining pressure of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basina.彈性模量與圍壓關(guān)系；b.泊松比與圍壓關(guān)系；c.峰值抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系；d.殘余抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系

3.3泥巖脆塑性的定量表征

目前地質(zhì)和工程上用于評價(jià)巖石脆性的指標(biāo)有20多種[8]，基于泥巖巖石力學(xué)特性，采用巖石的峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度兩個參數(shù)來表征泥巖的脆塑性，泥巖完全脆性時(shí)，其殘余強(qiáng)度為0，應(yīng)變曲線表現(xiàn)為由峰值抗壓強(qiáng)度點(diǎn)直接跌落，泥巖完全為塑性時(shí)，峰值抗壓強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度相同，應(yīng)變曲線表現(xiàn)為由峰值抗壓強(qiáng)度點(diǎn)向殘余抗壓強(qiáng)度點(diǎn)水平延伸。由于峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度均為圍壓的函數(shù)，且隨著圍壓的增加，峰值抗壓強(qiáng)度與殘余抗壓強(qiáng)度之差逐漸減小，當(dāng)兩者之差為0時(shí)，巖石表現(xiàn)為塑性，該點(diǎn)圍壓對應(yīng)的埋藏深度即為泥巖的脆延轉(zhuǎn)換點(diǎn)[27]。根據(jù)對川南志留系龍馬溪組泥巖的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)，求得該套泥巖的脆延轉(zhuǎn)化圍壓為71 Ma，取四川盆地志留系上覆地層的密度為2.6～2.7 g/cm3，地層水密度為1.03 g/cm3，則志留系龍馬溪組泥巖脆延轉(zhuǎn)化的臨界埋深為4 180～4 430 m。

圖4　四川盆地南部志留系泥巖巖石物性與溫度關(guān)系Fig.4　Relationships between physical properties and temperatures of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basina.彈性模量與溫度關(guān)系；b.泊松比與溫度關(guān)系；c.峰值抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系；d.殘余抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系

圖5　四川盆地南部志留系泥巖脆-延轉(zhuǎn)換圍壓Fig.5　Confining pressure for brittle-ductile transition of the Silurian mudstone in southern Sichuan Basin

作為蓋層，超過該臨界深度，巖石不容易破裂，具有優(yōu)越的封閉性。作為頁巖氣儲層，超過該臨界深度，巖石的可壓性變差。事實(shí)上，在頁巖氣開發(fā)比較成熟的北美地區(qū)，頁巖氣井很少有超過4 000 m的深井，盡管Haynesville頁巖現(xiàn)今的埋藏深度可達(dá)5 000～6 000 m，而且深層存在異常超壓，但是大數(shù)鉆井深度在1 500～4 000 m[28]。深度除了增加了鉆井成本以外，深部巖石的可壓性變差是一個重要影響因素[29-30]?？蓧盒宰儾畹牧硪环矫嬖蚴悄鄮r裂縫在深層容易閉合，本文對4塊來自同一巖心的泥巖做了應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，表現(xiàn)為無論原始裂縫開啟度多大，在20～25 MPa的低圍壓狀態(tài)下，即大幅度閉合，而且閉合以后，再次開啟的能力較弱(圖6)。泥巖的這一特性，對壓裂施工是一個不利的因素，但對油氣的保存和頁巖氣的形成是一個有利的因素，因?yàn)槟鄮r能在在一次油氣滲漏或者排烴之后迅速愈合，保證了下覆油氣藏保存或自身頁巖中儲存大量未排出的油氣，轉(zhuǎn)化為頁巖氣勘探的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6　四川盆地南部志留系泥巖圍壓-滲透率測試曲線Fig.6　Permeability test curves of the Silurian mudstone under confining pressure in southern Sichuan Basina.巖樣泥-1；b.巖樣泥-2；c.巖樣泥-3；d.巖樣泥-4

4　結(jié)論

1)由于泥巖由非均一礦物組成，而且不同成巖階段的礦物組成會產(chǎn)生變化，因此其巖石力學(xué)性質(zhì)在不同埋深的地層中有較大不同。通過不同溫壓條件下的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在油氣勘探的中淺層范圍內(nèi)，泥巖的巖石力學(xué)性質(zhì)主要受埋藏深度的影響，溫度變化對其影響不大。

2)隨著埋深的增加，即使是晚成巖階段的泥巖也有從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的趨勢，根據(jù)巖石峰值抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出川南志留系龍馬溪組泥巖脆延轉(zhuǎn)變的臨界深度為4 180～4 430 m。對不同礦物含量和成巖程度的泥巖，其脆延轉(zhuǎn)變深度存在差異，但是針對某一特定的泥巖，其脆延轉(zhuǎn)變深度應(yīng)該是趨于一致的，本文所限定的泥巖脆延轉(zhuǎn)變深度，對四川盆地志留系龍馬溪組的蓋層封閉性和頁巖的可壓性評價(jià)具有參考意義。

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(編輯張亞雄)

Triaxial stress experiment of mudstone under simulated geological conditions and its petroleum significance

Li Shuangjian1,Jin Zhijun1,Yuan Yusong1,Zhou Yan2,Sun Dongsheng1

(1.Exploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China；2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasAccumulationMechanismandtheEffectiveDevelopment,Beijing100083,China)

Mechanical properties of mudstone largely determines both their quality as cap rocks and the quality as shale gas reservoirs.In this study,the typical mudstone in the Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin was selected for triaxial mechanical tests,so as to understand the variations of mechanical properties of the mudstone and their affecting factors.A total of 20 sets of experiments were carried out at confining pressures of 0,10,20,40,and 60 MPa,and at temperatures of 20,50,100,and 130 ℃,respectively.The relationships between the mechanical properties of mudstone,temperature,and confining pressure were established.The results showed that there is basically a positive linear relationship between the confining pressure and elastic modulus,Poisson’s ratio,compressive strength,and residual strength of the mudstone within the confining pressure range of less than 60 MPa.There is no clear correlation between temperature and those mechanical properties of mudstone within the temperature range of lower than 130 ℃.However,those mechanical parameters of mudstone remained relatively consistent under the same confining pressure and different temperatures,indicating that burial depth (confining pressure),instead of temperature,determines the mechanical parameters of mudstone.The stress-strain curves of mudstone also indicated that even the mudstone at the late diagenetic stage tends to transit from brittle to ductile with the increase of buried depth.According to the relationship between the peak and the residual compressive strengths,the critical burial depth for brittle-ductile transition of the Silurian mudstone in Sichuan Basin is determined approximately at 4 200-4 400 m.Beyond this critical depth,the mudstone is less prone to fracture and thus has greater sealing ability as cap rocks,while has poor fracability as shale gas reservoirs.

brittleness,ductility,fracability,mudstone,Silurian,shale gas,Sichuan Basin

2015-02-03;

2016-06-20。

李雙建(1978—)，男，高級工程師，含油氣盆地分析。E-mail:lishuangjian.syky @sinopec.com。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB412800);國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05005-001)。

0253-9985(2016)04-0598-08

10.11743/ogg20160418

TE122.2

A