頁(yè)巖氣田巖石彈性模量及破碎機(jī)理研究*

王均，陶操

（1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長(zhǎng)慶油田分公司采油三廠，陜西西安710000）

工程師園地

頁(yè)巖氣田巖石彈性模量及破碎機(jī)理研究*

王均1，陶操2

（1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長(zhǎng)慶油田分公司采油三廠，陜西西安710000）

焦石壩頁(yè)巖氣資源豐富，已成為國(guó)家非常規(guī)油氣的重要來(lái)源，但頁(yè)巖高靈敏性制約著鉆進(jìn)安全和成本，因此，研究本地區(qū)頁(yè)巖的物化性質(zhì)和巖石力學(xué)特征至關(guān)重要。該文采用X-射線掃描、單軸壓縮、浸泡、顯微成像技術(shù)和分散實(shí)驗(yàn)等技術(shù)方法，對(duì)頁(yè)巖的礦物成分、巖石力學(xué)性能、水化膨脹能力和頁(yè)巖在清水中的回收率作了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：頁(yè)巖脆性礦物含量豐富，蒙脫石含量低，不易水化膨脹；分散性差，在清水中回收率較高；頁(yè)巖具備有硬脆性特征，主要沿著層理破碎。該項(xiàng)研究結(jié)論為本地區(qū)頁(yè)巖層段的鉆進(jìn)提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

頁(yè)巖；浸泡；分散；回收率

頁(yè)巖地層鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液的作用至關(guān)重要，不合適的鉆井流體會(huì)使頁(yè)巖與其發(fā)生強(qiáng)烈作用，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，而頁(yè)巖的礦物成分、水化膨脹能力、分散性等是選擇鉆井液的依據(jù)[1-6]。國(guó)外在這方面的技術(shù)較成熟，對(duì)墨西哥、挪威和馬來(lái)西亞等國(guó)家或地區(qū)的頁(yè)巖開(kāi)展過(guò)深入研究，相應(yīng)的鉆井技術(shù)也日趨成熟。近年來(lái)，我國(guó)正大力開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源，但對(duì)頁(yè)巖礦物特征、頁(yè)巖巖石力學(xué)性能以及巖石的破碎機(jī)理等方面的研究較少[7]。

焦石壩地區(qū)頁(yè)巖層段位于上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組，為深水陸棚相沉積，發(fā)育厚度約90m，以黑色粉砂質(zhì)和炭質(zhì)泥頁(yè)巖為主[8]。本文以此為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展衍射實(shí)驗(yàn)、力學(xué)性能評(píng)價(jià)、浸泡實(shí)驗(yàn)和分散實(shí)驗(yàn)研究以及成像技術(shù)分析，得到該地區(qū)頁(yè)巖的礦物成分、頁(yè)巖回收率和巖石破碎機(jī)理。

1 頁(yè)巖氣

目前，頁(yè)巖氣已成為非常規(guī)油氣的重要組成部分，頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)受到廣泛關(guān)注[9，10]。頁(yè)巖氣是指以吸附或游離狀態(tài)存在于低孔、低滲、富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中的天然氣，可以生成于有機(jī)成因的各種階段；主體上以吸附狀態(tài)存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，以游離狀態(tài)存在于裂縫、孔隙及其他儲(chǔ)集空間，極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中[11-14]。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，全球頁(yè)巖氣資源量多達(dá)456×1012m3，是天然氣的1.4倍，相當(dāng)于煤層氣與致密砂巖氣資源量的總和，占3種主要非常規(guī)天然氣（煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣）總資源量的50%左右［15］。根據(jù)2012年國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、國(guó)土資源部和國(guó)家能源局發(fā)布的《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011~2015年）》，探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量6000億m3，到2015年，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將達(dá)65億m3。我國(guó)頁(yè)巖氣資源非常豐富，僅四川盆地下志留系烴源巖即有60×108m3左右的資源量，但目前對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)還處于探索階段，尚需要深入研究［16］。

2 頁(yè)巖礦物特征分析

2.1 頁(yè)巖的礦物成分分析

對(duì)于本次取焦石壩地區(qū)自志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖巖心，利用DX-2700型號(hào)X-射線掃描儀對(duì)其展開(kāi)衍射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，分析其礦物成分。見(jiàn)表1。

表1 頁(yè)巖樣品粘土相對(duì)含量（%）Tab.1Relative content of clay shale samples

由表1可見(jiàn)，粘土礦物主要有石英、伊利石、綠泥石、云母和沸石，有少量的正長(zhǎng)石、石棉、蛇紋石、輝石、錳礦和大隅石等。伊利石含量最高，云母次之，其他礦物含量較少；亦即焦石壩頁(yè)巖水化膨脹性弱，脆性礦物含量高，硬脆性特征明顯。

2.2 頁(yè)巖巖石力學(xué)性能評(píng)價(jià)

對(duì)頁(yè)巖巖心開(kāi)展單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及力學(xué)性質(zhì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖氣田巖石力學(xué)性能參數(shù)測(cè)定Tab.2Shale rock mechanics performance parameters determination

3 頁(yè)巖破碎機(jī)理研究

3.1 頁(yè)巖浸泡實(shí)驗(yàn)

鉆井過(guò)程中，循環(huán)流體長(zhǎng)時(shí)間與井壁頁(yè)巖接觸，導(dǎo)致其破裂、膨脹和分散[4，17]；不同地區(qū)的頁(yè)巖強(qiáng)度不一，跟流體的作用速率也有差別，不同地區(qū)的頁(yè)巖浸泡在同一種液體中，有的僅幾分鐘就破裂分散，而有些巖石浸泡幾天都無(wú)明顯變化[5，18]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖的浸泡實(shí)驗(yàn)研究較少，康毅力等人模擬油基鉆井液的濾液對(duì)彭水地區(qū)的頁(yè)巖開(kāi)展過(guò)浸泡實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[19]，尚未有人直接用淡水和鹽水體系來(lái)浸泡頁(yè)巖巖心，而加拿大、美國(guó)等鉆井技術(shù)人員開(kāi)展過(guò)類(lèi)似研究，見(jiàn)圖2。

圖2馬來(lái)西亞頁(yè)巖浸泡在淡水后的情況Fig.2Shale in Malaysia after immersion in water

本文將焦石壩頁(yè)巖樣品浸泡在淡水和10%的無(wú)機(jī)鹽水中，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析；整個(gè)浸泡過(guò)程利用水浴鍋加熱，維持80℃（模擬地層的實(shí)際溫度）的恒溫，持續(xù)浸泡數(shù)天。浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)型:KH2PO4和K2HPO4；鹽水濃度：10%無(wú)機(jī)鉀鹽（KH2PO4∶K2HPO4=1∶1），

圖3焦石壩頁(yè)巖浸泡在淡水后的情況Fig.3Shale of jiaoshiba after immersion in water

圖4焦石壩頁(yè)巖浸泡在鹽水后的情況Fig.4Shale of jiaoshiba soak in salt water

從圖2~4可知，不同地區(qū)的頁(yè)巖跟流體作用后差別較大，馬來(lái)西亞頁(yè)巖浸泡在淡水后僅幾分鐘就破裂分散，焦石壩頁(yè)巖在淡水中浸泡14d后，只有巖石表面少量分散，于10%的鹽水中浸泡2周，無(wú)機(jī)鉀鹽獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改進(jìn)流體與頁(yè)巖之間的相互作用，對(duì)巖石分散起到一定抑制作用，但也未見(jiàn)明顯分散現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明：該地區(qū)頁(yè)巖蒙脫石含量低，不易吸水膨脹和水化造漿，與表1中頁(yè)巖樣品的礦物成分分析結(jié)果相符。

3.2 頁(yè)巖破碎機(jī)理研究

頁(yè)巖具有較強(qiáng)的層理構(gòu)造，分散不是頁(yè)巖與流體之間的相互作用，而是沿著層理面斷裂擴(kuò)展[2，17]；頁(yè)巖中伊利石含量較高，蒙脫石含量低，而低蒙脫石含量的頁(yè)巖在流體中活性小，沿著層理面的破裂或者沿著原生裂縫分離開(kāi)是其在流體中的主要變形機(jī)制，這些裂縫可導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

該文通過(guò)對(duì)頁(yè)巖展開(kāi)薄片成像技術(shù)研究，結(jié)果表明：裂縫沿著頁(yè)巖的層理生長(zhǎng)，且頁(yè)巖具有較強(qiáng)的層理構(gòu)造；結(jié)合上述“頁(yè)巖蒙脫石含量低”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，其與流體之間的主要作用機(jī)理不是分散，而是沿著層理面斷裂擴(kuò)展。鉆井過(guò)程中，鉆井流體會(huì)沿微裂縫、微節(jié)理滲入頁(yè)巖內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生物理、化學(xué)的反應(yīng)，裂縫沿著巖石的邊界生長(zhǎng)和擴(kuò)展，破壞原始力學(xué)狀態(tài)的平衡，導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的變化，引起層理破裂[2，3]。

4 頁(yè)巖分散實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

泥頁(yè)巖滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)是用于評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖分散性最常用的實(shí)驗(yàn)方法。該方法利用滾動(dòng)模擬巖屑在井下運(yùn)移情況，實(shí)驗(yàn)溫度可調(diào)節(jié)為井下溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般為16h[3]。本次實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將龍馬溪組頁(yè)巖粉碎，篩選取6~10目的巖樣碎屑，在烘箱中（105℃條件下）烘干4h，冷卻至室溫[3]；

（2）精確稱(chēng)取6~10目的巖樣碎屑50.0g，裝入盛有350mL清水的老化罐中，擰緊杯蓋，確保密封良好[3]；

（3）將老化罐放入滾子加熱爐中，在80℃的恒溫條件下，熱滾16h，取出老化罐冷卻至室溫[3]；

（4）將老化罐內(nèi)的巖樣碎屑和清水過(guò)30目篩網(wǎng)，并用自來(lái)水沖洗1min，將篩子內(nèi)的碎屑放到烘箱中（105℃條件下）烘干4h，取出巖樣碎屑冷卻至室溫并靜放24h后稱(chēng)重，記為Mg。

圖5頁(yè)巖分散實(shí)驗(yàn)Fig.5Shale dispersion experiment

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：將巖樣回收率記為R30；

表3 分散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3Scattered experimental data

頁(yè)巖在清水中的回收率為99.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了浸泡實(shí)驗(yàn)中頁(yè)巖僅在表面出現(xiàn)輕微分散現(xiàn)象；分散性較差，印證了衍射實(shí)驗(yàn)蒙脫石含量低的結(jié)果。

5 結(jié)論

該文首次對(duì)焦石壩頁(yè)巖開(kāi)展巖性特征、破碎機(jī)理和分散實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

（1）頁(yè)巖不易水化膨脹、分散性差，在淡水中的回收率較高；蒙脫石含量低，具備硬脆性礦物特征。

（2）頁(yè)巖具有較強(qiáng)的層理構(gòu)造，裂縫沿著層理生長(zhǎng)或擴(kuò)展，是其破碎的主要方式。

（3）鉆進(jìn)焦石壩頁(yè)巖地層大多采用油基鉆井液體系，該文研究結(jié)果為水基鉆井液在該地區(qū)的應(yīng)用提供了部分理論依據(jù)。

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Rock elastic modulus and breaking mechanism in shale gas field*

WANG Jun1，TAO Cao2
（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China; 2.Changqing Oilfield Company Oil Production Factory,Xi′an 710000,China）

Rich shale gas resources has become a important national source of unconventional oil-gas.However,drilling safety and cost is restricted by shale high sensitivity.Therefore,it is critical to study chemical and physical properties and the characteristics of rock mechanics in this area.It studies in-depth about shale mineral composition,mechanical properties of rock，shale hydration expansion capability and recovery in water using X-ray scanning，compression，soaking，microscopic imaging techniques and dispersing experimental methods and other techniques in this paper.Experimental results shows that shale has rich brittle mineral，low montmorillonite content，poor dispersion，higher recoveries in water and is not easy hydration expansion,there have brittle shale characteristics and the main crushing along bedding.The conclusion of the study provides a theoretical basis and technical reference when drilling shale section in the region.

shale;infusion;disperse;recouery rate

TE122.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170564

2017-02-24

重慶市教委基金項(xiàng)目“適于頁(yè)巖氣地層的新型鉆井液技術(shù)研究”（No.KJ131406）

王均（1980-），男，漢族，碩士，講師，主要從事鉆井液技術(shù)方面研究。