渤海灣盆地沾化凹陷陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征及可壓裂性研究

夏遵義，馬海洋，房 堃

(1.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

我國(guó)頁(yè)巖油氣資源分布廣泛，資源潛力巨大，是重要的非常規(guī)能源[1-4]。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層自生自儲(chǔ)、低孔低滲的特征，極大增加了其開采難度，必須經(jīng)過(guò)體積壓裂改造才能達(dá)到工業(yè)開采的目的[5-7]。頁(yè)巖可壓裂性指的是頁(yè)巖儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)水力壓裂后可以被有效改造的性質(zhì)，在頁(yè)巖油氣開發(fā)中是一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)參數(shù)[8-9]。對(duì)于頁(yè)巖可壓裂性的研究，目前尚未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，JARVIE等[10]以頁(yè)巖中石英的含量計(jì)算頁(yè)巖脆性，認(rèn)為石英含量高的頁(yè)巖可壓裂性好；RICKMAN等[11]認(rèn)為楊氏模量和泊松比可反映頁(yè)巖的脆性；刁海燕[12]結(jié)合力學(xué)參數(shù)和礦物成分對(duì)頁(yè)巖的可壓裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)；范宜仁等[13]考慮頁(yè)巖天然裂縫及力學(xué)特性，對(duì)頁(yè)巖的壓裂潛力進(jìn)行綜合表征。由于頁(yè)巖可壓裂性反映的是頁(yè)巖儲(chǔ)層的綜合特征，不能僅考慮礦物組成或力學(xué)參數(shù)，而天然裂縫等因素由于量化難度和成本較大，且易產(chǎn)生誤差，無(wú)法有效應(yīng)用。

本文以渤海灣盆地沾化凹陷始新統(tǒng)沙三下段陸相頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其礦物成分及巖石力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)及生產(chǎn)情況，測(cè)試成巖作用及圍壓等因素對(duì)頁(yè)巖脆性的影響。綜合考慮頁(yè)巖礦物成分、力學(xué)參數(shù)、成巖作用及圍壓4個(gè)方面，建立可壓裂系數(shù)數(shù)學(xué)模型，為頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性的定量評(píng)價(jià)提供新方法。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

對(duì)沾化凹陷沙河街組沙三下段不同深度的27組頁(yè)巖進(jìn)行礦物成分測(cè)試，選取8塊頁(yè)巖進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中Z1h、Z2h、Z3h、Z4h和Z5h樣品均為平行層理面取樣；Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v為垂直層理面取樣，與Z2h取自同一深度，為加熱處理樣品。8塊樣品基本信息如表1所示，有機(jī)碳含量(TOC)在1.54%～5.09%之間；鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于0.56%～0.90%之間，平均為0.72%，有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于低成熟—成熟階段；有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅰ型和Ⅱ1型；孔隙度介于4.08%～7.04%之間，平均為5.40%，滲透率在(4.66～15.05)×10-3μm2之間，平均為6.99×10-3μm2，屬于低孔低滲儲(chǔ)層。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 X射線衍射實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用美國(guó)伊諾斯公司研發(fā)的XRD Terra礦物成分測(cè)試儀完成。首先將樣品磨碎至粉末狀，利用篩網(wǎng)過(guò)篩，取適量粉末倒入樣品槽中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后將得到的圖譜峰值與數(shù)據(jù)庫(kù)卡片進(jìn)行對(duì)比，找到各峰值對(duì)應(yīng)的礦物成分，最后計(jì)算礦物成分比例。

表1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖樣品基礎(chǔ)信息

2.2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的MTS816型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)完成。系統(tǒng)最大垂向壓力1 000 kN，垂向活塞行程100 mm，最大圍壓140 MPa，圍壓室最高加熱溫度200 ℃。將頁(yè)巖樣品切割成Φ25 mm×H50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖樣，上下端面磨平且與中軸線垂直，對(duì)其進(jìn)行單軸及不同圍壓條件下的加載破壞，得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線，進(jìn)而計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 全巖礦物衍射

3.1.1 頁(yè)巖礦物組成

對(duì)沾化凹陷沙三下段27塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行了全巖礦物組分分析，不同頁(yè)巖的礦物組成有一定的差異(圖1)。沙三下段泥頁(yè)巖礦物成分可分為3大類，分別為脆性礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物。脆性礦物主要包括石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦，其中石英和長(zhǎng)石含量較多，分別為13%和12.1%；黃鐵礦平均含量為5.1%，脆性礦物的存在有利于頁(yè)巖的壓裂改造。碳酸鹽礦物主要包括方解石和白云石，方解石含量最高，平均為40.2%；白云石含量較少，平均為5.4%。黏土礦物主要包括伊利石、伊蒙混層、坡縷石、綠泥石和高嶺石等，除高嶺石含量較少外，其余成分含量差異較??；伊利石平均含量為8.1%，伊蒙混層含量平均為5.9%，綠泥石含量平均為5.8%，坡縷石含量平均為4.4%。黏土礦物主要表現(xiàn)為塑性，含量較多將不利于儲(chǔ)層壓裂改造。研究區(qū)碳酸鹽礦物含量最高，平均為45.6%，脆性礦物總量占比30.1%，高于黏土礦物的24.3%，表明沙三下段頁(yè)巖具有較高的儲(chǔ)層改造潛力。

圖1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖礦物組成

將各樣品的脆性礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物組成制成三元圖(圖2)，根據(jù)礦物含量將其劃分為硅質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖和混合頁(yè)巖4類巖性。所測(cè)沙三下段頁(yè)巖樣品以混合頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖為主，且混合頁(yè)巖大部分偏向鈣質(zhì)頁(yè)巖區(qū)域，黏土質(zhì)頁(yè)巖僅有一個(gè)，沒(méi)有硅質(zhì)頁(yè)巖，表明碳酸鹽礦物對(duì)頁(yè)巖性質(zhì)的影響不可忽略。

3.1.2 基于頁(yè)巖礦物組成的脆性指數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦等是頁(yè)巖中最重要的脆性礦物，它們的含量在很大程度上決定了頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性和可壓裂性[14-18]。但隨著巖石物理學(xué)和礦物學(xué)的深入研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物也可以增加頁(yè)巖的脆性[14-15]，而研究區(qū)頁(yè)巖中碳酸鹽礦物含量高，因此，基于沙三下段頁(yè)巖礦物組成的脆性指數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖礦物組分三元圖

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖基于礦物組分的脆性指數(shù)

式中：B1為基于頁(yè)巖礦物組成的脆性指數(shù)；Cb為脆性礦物含量；Cc為碳酸鹽礦物含量；Ct為總礦物含量；所有變量均為無(wú)量綱。

由計(jì)算結(jié)果圖3可知，沙三下段頁(yè)巖基于礦物組分的脆性指數(shù)普遍較高，上下部分分布無(wú)明顯規(guī)律，介于0.49～0.88之間，平均為0.76。這說(shuō)明在礦物組分特征上，研究區(qū)頁(yè)巖具有較好的可壓裂性。

3.2 頁(yè)巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

3.2.1 單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖4a為頁(yè)巖單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，頁(yè)巖樣品在單軸壓縮下的脆性特征較為明顯，初始階段壓密上凹現(xiàn)象不明顯，很快進(jìn)入直線段，即線彈性變形階段，此階段頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，卸載后基本不受影響；未見明顯的塑性特征，屈服階段不明顯，直至達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度試樣破壞，峰后應(yīng)力迅速下降。

研究區(qū)樣品單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的巖石力學(xué)參數(shù)見表2，樣品抗壓強(qiáng)度范圍是43.61～125.08 MPa，平均為74.55 MPa，與砂巖或碳酸鹽巖相比較小(100 MPa左右)；楊氏模量介于34.25～53.05 GPa之間，平均為41.64 GPa；泊松比在0.20～0.33，平均為0.26。根據(jù)SONDERGELD等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)楊氏模量大于24 GPa,泊松比小于0.25時(shí)，有利于頁(yè)巖儲(chǔ)層形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。研究區(qū)頁(yè)巖的楊氏模量遠(yuǎn)大于該指標(biāo)，且泊松比也較為接近，表明該段可采用體積壓裂進(jìn)行改造。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

樣品編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa楊氏模量/GPa泊松比Z1h125.0834.250.22Z2h80.3039.660.20Z3h43.6153.050.33Z4h78.5346.120.29Z5h45.2235.110.26平均值74.5541.640.26

3.2.2 不同成熟度頁(yè)巖單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了研究成巖作用對(duì)頁(yè)巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，將同一深度取心的巖樣Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v經(jīng)過(guò)加熱處理，溫度分別為321.6，336，360.4 ℃，對(duì)應(yīng)成熟度Ro為0.71%，0.73%，0.74%，獲得單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖4b)，其中Z2h為平行于層理面取樣，Z2-1v、Z2-2v和Z2-3v為垂直于層理面取樣。與Z2h不同，其余3個(gè)柱樣初始?jí)好茈A段較為明顯，可能是由于層理縫受壓閉合導(dǎo)致的；線彈性階段較長(zhǎng)，軸向應(yīng)變普遍偏大，且屈服應(yīng)力點(diǎn)較為明顯。

表3為不同成熟度頁(yè)巖單軸壓縮的巖石力學(xué)參數(shù)，3組樣品的抗壓強(qiáng)度介于99.04～142.02 MPa，平均為121.99 MPa。研究發(fā)現(xiàn)垂直樣的抗壓強(qiáng)度一般為水平樣的2倍左右[20]，Z2h樣品的抗壓強(qiáng)度為80.30 MPa，明顯高于另外三組垂直樣抗壓強(qiáng)度的1/2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高成熟度會(huì)使抗壓強(qiáng)度下降。另外，楊氏模量和泊松比也都隨著Ro的增大而減小。

3.2.3 頁(yè)巖三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了獲得巖樣在真實(shí)地層條件下的巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)取樣深度，確定加載圍壓為40 MPa。圖4c為40 MPa圍壓下巖樣三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，由于圍壓的影響，無(wú)初始?jí)好茈A段，曲線后部逐漸變彎呈現(xiàn)塑性特征，屈服段較長(zhǎng)，屈服應(yīng)力點(diǎn)較為明顯，不同巖樣破壞時(shí)應(yīng)變差異較大。

沙三下段頁(yè)巖在不同圍壓下的巖石力學(xué)參數(shù)(表4)與單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)(表2)相比，三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度平均值從74.55 MPa增大到148.66 MPa，增大了近1倍；另外，從單軸到圍壓40 MPa，楊氏模量及泊松比均不同程度增大?？梢妵鷫簩?duì)頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)影響較大。

圖5顯示頁(yè)巖樣品在單軸和三軸(40MPa)壓縮下的破裂形態(tài)完全不同。分析認(rèn)為，由于頁(yè)巖層理明顯且微裂縫發(fā)育，單軸壓縮時(shí)容易從薄弱的層理面或微裂縫產(chǎn)生破壞，抗壓強(qiáng)度小，容易從多處起裂，以劈裂式破壞為主；加圍壓后，由于圍壓的作用，巖樣的層理或微裂縫被壓緊，對(duì)巖樣的破壞影響變小，抗壓強(qiáng)度增大，巖樣多以剪切破壞為主。

表3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段不同成熟度頁(yè)巖單軸壓縮的巖石力學(xué)參數(shù)

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖破裂形態(tài)

樣品編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa楊氏模量/GPa泊松比Z1h254.5647.890.34Z2h166.8577.740.41Z3h68.0560.780.42Z4h118.9869.940.43Z5h134.8458.010.43平均值148.6662.870.41

3.2.4 基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)

基于巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算頁(yè)巖脆性指數(shù)的方法有很多，一般涉及到楊氏模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和斷裂韌性等參數(shù)[12,15,21-25]。常用的彈性參數(shù)法認(rèn)為楊氏模量越高，泊松比越小，頁(yè)巖的脆性越高[11]，式(2)～(4)為其具體計(jì)算方法。

(2)

(3)

(4)

式中：EB2為歸一化楊氏模量；Emin、Emax為研究區(qū)楊氏模量最小值和最大值；μB2為歸一化泊松比；μmax和μmin為研究區(qū)泊松比最大值和最小值；B2為基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)；所有變量均為無(wú)量綱。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6a可以看出，隨著Ro的增大，頁(yè)巖的脆性指數(shù)也相應(yīng)增大。分析認(rèn)為[8,26]，在Ro值較低時(shí)，由于黏土礦物成分之間的轉(zhuǎn)化等作用，容易造成孔隙、裂縫的充填，不利于壓裂；隨著成熟度增加，巖石礦物會(huì)向更脆且穩(wěn)定的組分轉(zhuǎn)化增加頁(yè)巖的脆性，另外有機(jī)質(zhì)熱裂解產(chǎn)氣還會(huì)增加頁(yè)巖孔隙度，頁(yè)巖氣在頁(yè)巖內(nèi)部產(chǎn)生壓力造成微裂縫，這一系列的作用使頁(yè)巖的可壓裂性得到提高。由圖6b可見，從單軸壓縮到40 MPa圍壓的三軸壓縮，沙三下段頁(yè)巖的脆性指數(shù)均有不同程度下降。結(jié)合圖5可知，由于圍壓條件抑制了微裂縫的擴(kuò)張，不易產(chǎn)生多裂縫，使頁(yè)巖的可壓裂性降低。

圖6 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖脆性指數(shù)影響因素

4 頁(yè)巖可壓裂性評(píng)價(jià)

頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性評(píng)價(jià)涉及諸多因素，主要包括頁(yè)巖中脆性礦物含量、巖石力學(xué)性質(zhì)、成巖作用和天然裂縫等，需要對(duì)各因素在可壓裂性評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重問(wèn)題進(jìn)行研究。由于天然裂縫難以量化，人為因素對(duì)結(jié)果影響較大，因此其參考意義具有局限性。壓裂施工是在真實(shí)地層條件下進(jìn)行的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，圍壓對(duì)頁(yè)巖可壓裂性的影響較大，考慮圍壓更符合實(shí)際生產(chǎn)情況。因此，需綜合考慮頁(yè)巖的礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓等因素。首先利用極差變換法將各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，再采用層次分析法確定各因素對(duì)頁(yè)巖可壓裂性影響所占的權(quán)重，最后通過(guò)線性加權(quán)得到可壓裂系數(shù)數(shù)學(xué)模型。

4.1 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各因素的量綱不同，需采用極差變換法將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[26]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將影響因素分為正向指標(biāo)，即與可壓裂性呈正相關(guān)的參數(shù)，包括礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)脆性指數(shù)和成巖作用；負(fù)向指標(biāo)主要是圍壓，即與可壓裂性呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)。計(jì)算方法如式(5)和(6)所示。

正向指標(biāo)：

(5)

負(fù)向指標(biāo)：

(6)

式中：S為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值；X為參數(shù)值；Xmin為參數(shù)最小值；Xmax為參數(shù)最大值。參數(shù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，數(shù)值均介于0～1之間，無(wú)量綱，數(shù)值越大越好。

4.2 層次分析法確定權(quán)重

各因素對(duì)可壓裂性的影響程度需要進(jìn)行量化，才能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)頁(yè)巖的可壓裂性，利用層次分析法(AHP)可以確定各參數(shù)的權(quán)重。AHP是將研究的問(wèn)題分成若干影響因素，并對(duì)各因素進(jìn)行層次劃分，對(duì)每一層的因素兩兩對(duì)比，確定各因素的相對(duì)重要性并給出相應(yīng)的標(biāo)度，建立矩陣求取權(quán)重[27-29]。具體步驟是將礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓劃分為同一層，兩兩比較，依據(jù)SAATY的1～9標(biāo)度法[24]對(duì)各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行賦值，建立判斷矩陣；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定判斷矩陣取值(表5)，然后通過(guò)和積法對(duì)判斷矩陣的最大特征值和特征向量進(jìn)行求解，最后利用最大特征值檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。

求得判斷矩陣的特征向量為W=(0.29,0.52,0.12,0.07)，即礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)脆性指數(shù)、成巖作用和圍壓在可壓裂性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型中的權(quán)重分別為0.29,0.52,0.12,0.07，且判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)系數(shù)為0.013<0.1，符合一致性要求。

4.3 可壓裂系數(shù)數(shù)學(xué)模型

依據(jù)層次分析法求得的各影響因子的權(quán)重，經(jīng)過(guò)加權(quán)得到可壓裂系數(shù)計(jì)算公式：

F=0.29B1+0.52B2+0.12D+0.07C

(7)

式中：F為頁(yè)巖可壓裂系數(shù)；B1為標(biāo)準(zhǔn)化礦物脆性

表5 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖儲(chǔ)層判斷矩陣取值

指數(shù)；B2為標(biāo)準(zhǔn)化巖石力學(xué)脆性指數(shù)；D為成巖作用，以標(biāo)準(zhǔn)化Ro值為參數(shù)；C為標(biāo)準(zhǔn)化圍壓值，均為無(wú)量綱。

利用頁(yè)巖可壓裂系數(shù)數(shù)學(xué)模型對(duì)沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖的可壓裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Z1h、Z2h、Z3h、Z4h和Z5h的可壓裂系數(shù)分別為0.290,0.853,0.445,0.396,0.410。沙三下段頁(yè)巖可壓裂系數(shù)介于0.290～0.853，平均為0.479。不同層位可壓裂性差異較大，其中以Z2h樣品所在層位可壓裂系數(shù)最大，為0.853，單從可壓裂性來(lái)看，可優(yōu)選其作為壓裂層段。

5 結(jié)論

(1)沾化凹陷沙三下段頁(yè)巖礦物成分中碳酸鹽礦物含量最高，平均為44.93%，脆性礦物含量次之，為30.98%，黏土礦物最少，平均為24.09%；以混合頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖為主，該區(qū)礦物成分特點(diǎn)有利于頁(yè)巖的壓裂。

(2)單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中沙三下段頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度與砂巖或碳酸鹽巖相比較小，平均為74.55 MPa，楊氏模量和泊松比平均值分別為41.64 GPa和0.26，以多裂縫的劈裂式破壞為主；加圍壓后抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比均有增大，為剪切式破裂，可壓裂性降低；隨著熱成熟度增高，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比均有降低，可壓裂性增強(qiáng)。

(3)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際地質(zhì)情況，綜合考慮頁(yè)巖的礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)脆性指數(shù)、成巖作用及圍壓等因素，利用層次分析法確定各因素對(duì)頁(yè)巖可壓裂性影響的權(quán)重分別為0.29,0.52,0.12,0.07；據(jù)此建立頁(yè)巖可壓裂系數(shù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到沙三下段頁(yè)巖可壓裂系數(shù)平均為0.479，不同層位存在一定差異，需經(jīng)過(guò)優(yōu)選才能進(jìn)行壓裂改造。