四川威遠區(qū)塊井下與露頭龍馬溪組頁巖力學特征研究

劉修剛，郝世俊，劉修泰，薛 剛，申瑞臣，趙永哲

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.西安石油大學，陜西西安710065；3.延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安717500；4.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195）

頁巖儲層是非常規(guī)頁巖氣得以自生自儲的主要聚集基質[1]，現(xiàn)今，針對于四川威遠區(qū)塊頁巖礦物組成以及力學特征研究對象主要集中于井下頁巖，對于露頭頁巖研究卻很少，同時井下頁巖制取巖樣過程復雜、成本較高。因此，本文針對地面距離相距約五百至七百多米井下與露頭龍馬溪組頁巖進行力學特征研究，進行礦物組分、力學強度以及微觀納米壓痕測試，研究井下與露頭頁巖礦物組成之間差異性，力學強度特征遵循的同一性與差異性，微觀模量與宏觀模量在不同圍壓下之間關系，因此，工程上就可以通過測試露頭頁巖樣礦物組成、力學強度特征大致預測儲層頁巖礦物組成及力學強度特征，同時通過測試頁巖微觀模量預測頁巖宏觀模量。

1 頁巖礦物組分研究

本文利用X衍射實驗測試及分析井下與露頭龍馬溪組頁巖礦物組分，井下頁巖石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為55.38%、7.25%、12.63%、6.13%、2.5%、16.3%，見圖1a；露頭頁巖石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為49.57%、4.14%、26.12%、12%、1.86%、6.29%，見圖1b。井下石英、長石、黃鐵礦、粘土礦物平均含量均大于露頭，含量差值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%；井下方解石、白云石平均含量小于露頭，差值約分別為13.52%、5.88%，從頁巖整體脆性礦物組成分析發(fā)現(xiàn)，井下脆性礦物平均含量小于露頭，差值約為3.55%。

圖1 井下與露頭頁巖各種巖性礦物平均含量圖

2 頁巖力學特征研究

2.1 力學強度測試結果

選取25mm×50mm標準尺寸井下與露頭龍馬溪組頁巖樣為對象，利用MTS型巖石力學實驗設備進行頁巖力學強度測試研究[2-3]。分別對21塊井下與13塊露頭頁巖進行力學強度測試，所加載圍壓依次設定為1、5、10、20、25、30MPa，測試結果見表1。

表1 井下與露頭頁巖力學強度測試結果

2.2 力學強度測試結果分析

通過對井下與露頭頁巖力學強度測試研究發(fā)現(xiàn)，井下與露頭龍馬溪組頁巖抗壓強度與測試所加載圍壓均呈正相關性，測試加載圍壓越大，頁巖達到峰值破壞較為遲緩[4-5]，相同加載圍壓下，井下頁巖平均抗壓強度低于露頭頁巖平均抗壓強度，見圖2。

圖2 井下與露頭頁巖抗壓和圍壓之間關系曲線

井下與露頭頁巖彈性模量平均值隨著測試圍壓增大，其值均呈現(xiàn)增大趨勢，井下頁巖彈性模量隨測試圍壓變化幅度較大，露頭頁巖彈性模量隨測試圍壓變化幅度較小，見圖3a。井下與露頭頁巖泊松比與測試加載圍壓均呈無規(guī)律狀排列，它們之間存在一種不確定關系，見圖3b。

圖3 井下與露頭頁巖彈性模量和泊松比與圍壓之間關系曲線

3 頁巖微觀納米壓痕測試研究

3.1 微觀納米壓痕實驗設備及樣品

本文利用Keysight科技公司G200納米壓痕儀（納米壓痕儀器如圖4a）測試頁巖各種礦物組成的彈性模量，納米壓痕儀最大載荷500mN、載荷分辨率50nN、加載速率5～100N/min，位移測量范圍0～1.5mm，位移測量分辨率小于0.01nm[6]。

納米壓痕實驗巖樣分別選取力學強度測試之后的井下與露頭龍馬溪組頁巖屑，將小頁巖屑試樣鑲嵌并固化于環(huán)氧樹脂中，然后采用碳化硅研磨紙（0.5μm）和氧化鋁研磨膜（0.3～0.01μm）對小巖樣表面進行機械拋光，納米壓痕實驗樣見圖4b。

圖4 微觀納米壓痕實驗設備及樣品

3.2 納米壓痕測試結果及微觀彈性模量研究

利用微觀納米壓痕實驗設備對大量井下與露頭龍馬溪組頁巖樣進行了相關測試，同時基于納米壓痕測試獲得原始數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)理統(tǒng)計分析得出：頁巖硅質礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質礦物彈性模量為44.85～61.37，粘土礦物彈性模量為30.89～35.89。

本文通過引入微觀彈性模量力學參數(shù)，以此研究微觀納米壓痕測試所得頁巖各種礦物組分彈性模量與力學強度測試所得彈性模量之間的相關性，頁巖微觀彈性模量是指頁巖各種礦物組分彈性模量與相應各種礦物組分含量乘積之和，能夠表征頁巖力學特性的參數(shù)，計算表達式如下：

式中：Wi——頁巖中i礦物百分含量；

Ei——頁巖中i礦物組分彈性模量，GPa。

此處將頁巖力學強度測試所得彈性模量視為宏觀彈性模量，同時引入彈性模量差異性系數(shù)作為反映微觀彈性模量與宏觀彈性模量之間差異性大小的量度，彈性模量差異性系數(shù)表達式如下：

式中：E宏——頁巖力學強度測試所得彈性模量，GPa。

選取上述力學強度測試井下與露頭頁巖在圍壓1、5、10、15、20、25、30、35MPa下獲取的宏觀彈性模量，然后分別利用公式（1）與（2）計算出井下與露頭頁巖在不同加載圍壓下所對應的彈性模量差異性系數(shù)，其結果見表2。針對頁巖不同圍壓與所對應彈性模量差異性系數(shù)進行線性擬合分析，經(jīng)擬合分析發(fā)現(xiàn)，頁巖彈性模量差異性系數(shù)與加載圍壓存在一定線性關系，擬合曲線關系見圖5。

表2 頁巖不同圍壓下對應的彈性模量差異系數(shù)結果

圖5 頁巖彈性模量差異系數(shù)與圍壓之間關系圖

從圖5可得，頁巖彈性模量差異系數(shù)隨著圍壓增大而減小，同時表明隨著加載圍壓增大，宏觀模量與微觀模量差異性也逐漸減小，主要原因在于：針對同一塊頁巖樣，其微觀彈性模量主要由頁巖各礦物組分含量以及各礦物彈性模量決定，因此微觀模量是一定值，然而頁巖宏觀彈性模量主要受控于力學強度測試所加載圍壓，因此針對不同加載圍壓，宏觀彈性模量不定值，其值隨著圍壓增加而增大，所以頁巖彈性模量差異系數(shù)與所加載圍壓呈負相關性。從圖5發(fā)現(xiàn)頁巖彈性模量差異系數(shù)在圍壓30MPa之后，其值變化幅度極小，主要原因可能在于：頁巖宏觀彈性模量隨著所加載圍壓增大，其值增大幅度減小，甚至不產(chǎn)生變化。同時可得出頁巖彈性模量差異系數(shù)始終大于1。

基于頁巖彈性模量差異性系數(shù)與所加載圍壓曲線關系擬合研究，因此在工程上可以通過測試獲取頁巖微觀彈性模量，然后計算頁巖在不同圍壓情況下的宏觀彈性模量，其計算公式如下：

式中：Pc——所加載圍壓，MPa。

由于頁巖礦物組分含量與頁巖儲層圍壓均可以通過測井解釋獲取，頁巖礦物組分彈性模量可以通過鉆井返出井底巖屑獲取，因此可通過測井解釋獲取頁巖微觀彈性模量以預測宏觀模量，因此最能夠表征頁巖力學特征的宏觀模量就可以實時隨鉆測得。

4 結論

（1）四川威遠區(qū)塊龍馬溪組井下與露頭頁巖石英、長石、黃鐵礦、粘土礦物、方解石、白云石等含量具有較大差異性，差異值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。

（2）井下與露頭頁巖彈性模量平均值與測試圍壓均呈正相關性，井下頁巖彈性模量均值隨測試圍壓變化幅度大于露頭頁巖，井下與露頭頁巖泊松比與圍壓均呈無規(guī)律狀排列。

（3）基于頁巖微觀納米壓痕測試得出頁巖硅質礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質礦物彈性模量為44.85～61.37GPa，粘 土 礦 物 彈 性 模 量 為 30.89～35.89GPa。

（4）研究得出頁巖宏觀與微觀模量在不同圍壓下之間的轉換關系，因此，通過測井數(shù)據(jù)可以預測頁巖力學強度實驗測試的彈性模量。

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