渝西地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)性特征
——以Z-3 井為例

魏 源，趙迪斐, ，焦偉偉 ，張海杰

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3.山東科技大學(xué) 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；4.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 401120；5.重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，重慶 401121）

1 研究背景

巖石的力學(xué)脆性特征是影響儲(chǔ)層壓裂效果的核心因素，脆性越好的儲(chǔ)層越容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，儲(chǔ)層改造效果越理想[1-3]。頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的小尺度非均質(zhì)性，各層段之間的物質(zhì)組分與巖石結(jié)構(gòu)差異決定其力學(xué)性質(zhì)的不同，這為有利層段優(yōu)選提供了重要參考[4-6]。

目前，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的力學(xué)脆性研究方面，學(xué)者們已經(jīng)在頁(yè)巖脆性室內(nèi)評(píng)價(jià)方法、頁(yè)巖脆性特征、儲(chǔ)層力學(xué)脆性評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了許多相關(guān)研究，形成幾十種脆性表征方法與破壞機(jī)制基礎(chǔ)上定義的頁(yè)巖脆性[4]。近年來(lái)，對(duì)頁(yè)巖脆性的研究正在向量化、全面、機(jī)理的方向加深，在脆性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)結(jié)果之外，也研究了巖石層理、強(qiáng)度參數(shù)、圍壓等對(duì)力學(xué)脆性的影響，加深了對(duì)力學(xué)脆性影響因素的認(rèn)識(shí)[7-8]。但是，對(duì)不同脆性評(píng)價(jià)方法的局限性、微觀沉積特征對(duì)不同評(píng)價(jià)方法的影響等力學(xué)脆性特征與評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)有待進(jìn)一步深入。不同評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)力學(xué)脆性的反映真實(shí)性、力學(xué)脆性的多尺度影響因素以及頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)特征等還需要進(jìn)一步深入研究[9-10]。近年來(lái)，非常規(guī)能源勘探開(kāi)發(fā)向“深地”發(fā)展，對(duì)深度儲(chǔ)層特征的表征及其不同之處的研究，將成為非常規(guī)油氣地質(zhì)研究的新難點(diǎn)。

該研究在前人的研究基礎(chǔ)上，以渝西地區(qū)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層為例，通過(guò)不同埋深下礦物組分與含量的關(guān)系和儲(chǔ)層發(fā)育過(guò)程中的沉積分異作用，結(jié)合儲(chǔ)層分析手段的力學(xué)脆性參數(shù)，對(duì)比評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的力學(xué)脆性特征。同時(shí)綜合脆性評(píng)價(jià)結(jié)果，討論儲(chǔ)層力學(xué)脆性的影響因素，總結(jié)該區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)特征，并基于儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)特征提出一套進(jìn)行力學(xué)脆性評(píng)價(jià)的新思路、新方法，為研究區(qū)頁(yè)巖氣探勘開(kāi)發(fā)與儲(chǔ)層優(yōu)選提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與測(cè)試方法

2.1 測(cè)試樣品

研究區(qū)位于四川盆地川東地區(qū)渝西區(qū)塊，如圖1所示。對(duì)川東地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的研究，主要集中在渝中涪陵地區(qū)、渝東南、渝東北等地區(qū)，對(duì)渝西地區(qū)的研究仍然相對(duì)較少。研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層穩(wěn)定發(fā)育，手標(biāo)本觀測(cè)顯示，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層主要發(fā)育碳質(zhì)頁(yè)巖、灰黑色泥頁(yè)巖與粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖，其中，五峰組—龍馬溪組底部頁(yè)巖儲(chǔ)層顏色較深，具有發(fā)育的富筆石水平層理沉積構(gòu)造，薄片下粒度細(xì)小，陸源碎屑顆粒含量較低，龍馬溪組由底部向上陸源碎屑含量增多，水平層理發(fā)育變差，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育程度增高。測(cè)試樣品選自渝西地區(qū)Z-3 井，在五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)不同層段共選取代表性樣品90 塊，以充分表征儲(chǔ)層物質(zhì)組分、巖石結(jié)構(gòu)與物性特征的層段性差異。

2.2 測(cè)試方法

針對(duì)研究目標(biāo)，采用手標(biāo)本觀測(cè)、巖石薄片觀測(cè)、掃描電鏡觀測(cè)、X 射線衍射（XRD）、單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、三軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巴西抗拉強(qiáng)度等儲(chǔ)層分析手段展開(kāi)分析測(cè)試研究。首先，通過(guò)手標(biāo)本研究、巖石薄片觀察與掃描電鏡分別在厘米/ 毫米/微米尺度上對(duì)儲(chǔ)層的物質(zhì)組分及分布特征展開(kāi)觀測(cè)研究，重點(diǎn)是對(duì)儲(chǔ)層中的沉積構(gòu)造與力學(xué)薄弱面及其層段性差異展開(kāi)觀測(cè)研究。X 射線衍射測(cè)試依據(jù)SY/T 5163—2010 標(biāo)準(zhǔn)，使用儀器為D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀，將樣品研磨后真空處理24h 去除水分。單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、三軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巴西抗拉強(qiáng)度等力學(xué)測(cè)試完成于西南石油大學(xué)，依據(jù)ASTM-D-7012—2014 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用GCTS RTR—2000 巖石力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為避免水平向力學(xué)薄弱面對(duì)儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的影響，均對(duì)樣品進(jìn)行垂向鉆取。

圖1 研究區(qū)及五峰組—龍馬溪組代表性樣品取樣位置Fig.1 Sampling location of representative samples in the study area and Wufeng-Longmaxi formation

3 儲(chǔ)層力學(xué)脆性特征

3.1 儲(chǔ)層礦物組分特征

由測(cè)試結(jié)果可知，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層各層段物質(zhì)組分類(lèi)型相對(duì)一致，各層段含量與比例存在差異（見(jiàn)表1），研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的微觀物相主要由石英+黏土礦物構(gòu)成，石英是主要的脆性礦物類(lèi)型，黏土礦物則主要是伊利石、混層礦物的少量存在，示儲(chǔ)層演化程度較高，達(dá)到了晚成巖作用階段，而尚未達(dá)到極低級(jí)變質(zhì)作用階段[11]。黏土礦物組合屬于伊利石+綠泥石+混層礦物，在黏土礦物演化序列中屬于正常演化型（I 型）[3,11]。這樣的微觀物相組合，說(shuō)明儲(chǔ)層受到了埋藏與構(gòu)造控制下的成巖作用深度改造。

表1 代表性頁(yè)巖儲(chǔ)層樣品的礦物組分類(lèi)型及含量比例特征Table 1 mineral composition type and content proportion characteristics of representative shale reservoir samples

續(xù)表1

五峰組石英礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.3%～83.5%，平均含量59.7%，略低于龍馬溪組底部?jī)?chǔ)層；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.9%～45.2%，平均含量為25.3%，長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.1%和9.4%，黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%。龍馬溪組底部?jī)?chǔ)層石英和黏土礦物含量變化明顯，石英含量顯著高于黏土礦物含量，在五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中此層段石英平均含量達(dá)到最高，石英礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.6%～80.6%，平均含量增至66.3%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%～18.5%，平均含量減少到14.7%。長(zhǎng)石、碳酸鹽和黃鐵礦平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.1%，12.5%和3.7%。

龍馬溪組下部石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.2%～71.7%，均值為56%，與龍馬溪組中部相比，石英含量明顯增加。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.0%～33.1%，均值為23.8%，含量占比有所減少；長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物均值分別為8.1%和9.4%，黃鐵礦均值為3.4%。龍馬溪組中部石英礦物比例高于黏土礦物，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.5%～54.3%，均值為41.5%，黏土礦物為20.7%～57.9%，均值為32.8%，較龍馬溪組上部石英含量有所增加而黏土礦物明顯減少；碳酸鹽礦物也較為發(fā)育，均值為15.1%，為龍馬溪組含量最高層段；黃鐵礦和長(zhǎng)石均值分別為5.9%和7.3%。龍馬溪組上部黏土礦物和石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致相同，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.1%～49.7%，均值為42.8%，黏土礦物占39.9%～50.1%，均值為54.7%，黃鐵礦均值為2.4%，長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.6%，碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%。

由礦物含量測(cè)試數(shù)據(jù)可知，各層段之間含量和比例有明顯差異。以石英和長(zhǎng)石礦物為主的脆性礦物含量隨深度增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，石英在龍馬溪組底部和五峰組含量最高，龍馬溪組下部至頂部層段，石英含量整體向上降低；碳酸鹽類(lèi)礦物在龍馬溪組底部含量最高。黏土礦物中，伊利石和綠泥石含量隨深度增大變化與石英相反，呈先減后增的趨勢(shì)，在龍馬溪組底部和五峰組達(dá)到最低。各層段中黃鐵礦普遍發(fā)育，黃鐵礦在龍馬溪組上部略有增加，其他層段含量占比變化不大。長(zhǎng)石含量略有波動(dòng)，層段性差異不顯著?？傮w來(lái)說(shuō)，Z-3 井五峰組—龍馬溪組各層段之間礦物含量和比例存在明顯的差異性，顯示了較強(qiáng)的非均質(zhì)性特征。

3.2 儲(chǔ)層沉積分異特征

在基于脆性礦物比例等的儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)方法里，巖石的微觀結(jié)構(gòu)、粒度、沉積分異、非均質(zhì)性對(duì)儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的影響沒(méi)有得到體現(xiàn)，影響了儲(chǔ)層的精細(xì)評(píng)價(jià)與對(duì)優(yōu)質(zhì)壓裂性能層段的優(yōu)選效果，也引發(fā)了不同頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性特征間的選用爭(zhēng)議[15]。

巖石的小尺度結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造也是影響儲(chǔ)層力學(xué)脆性的重要因素[16]，在受到不均一的應(yīng)力加載時(shí)，巖石中的小尺度結(jié)構(gòu)可能造成在不同方向抵御應(yīng)力的能力存在差異，同時(shí)，沉積構(gòu)造與礦物組分沉積分異等可以在儲(chǔ)層中形成大量的力學(xué)薄弱面，這些力學(xué)薄弱面在加載時(shí)更容易開(kāi)裂[3-4]。薄片觀測(cè)顯示，Z-3 井五峰組頁(yè)巖儲(chǔ)層與下伏臨湘組瘤狀灰?guī)r-灰泥頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)差異顯著（如圖2a 所示），五峰組頁(yè)巖儲(chǔ)層不含鈣質(zhì)碎屑，微觀觀測(cè)顯示其在部分層段沉積分異顯著形成粉砂質(zhì)-泥質(zhì)層理，可見(jiàn)黃鐵礦等（如圖2b所示），部分層段放射蟲(chóng)等硅質(zhì)化石極為富集，構(gòu)成硅質(zhì)-泥質(zhì)層理（如圖2c 所示），因此，五峰組頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)特征反映其在沉積時(shí)受到多環(huán)境因素的干擾，脆性礦物的來(lái)源包含陸源碎屑與生物源硅質(zhì)[17]。

龍馬溪組底部層段的薄片觀測(cè)顯示，該層段顯微沉積特征與其他層段差異顯著，沉積粒度極為細(xì)小，層理密集發(fā)育，但由于小尺度沉積分異并不顯著，層理相對(duì)不明顯（如圖2d 和圖2e 所示）。龍馬溪組底部厚度較薄，至龍馬溪組下部頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物粒度迅速增大，出現(xiàn)顯著的粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層，向上具有陸源碎屑礦物整體增加、礦物粒度整體變大的趨勢(shì)（如圖2f 和圖2g 所示），微觀尺度下礦物粒度差異較大，分選差（如圖2h 所示）。龍馬溪組上部除了透鏡狀粉砂質(zhì)紋層、夾層等，沉積分異更加顯著（如圖2i 所示），指示水體受到動(dòng)力沉積作用的影響，水體進(jìn)一步變淺[18]。

圖2 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組代表性樣品的巖石薄片與掃描電鏡特征Fig.2 Thin slice and SEM characteristics of representative samples of Wufeng-Longmaxi formation

3.3 儲(chǔ)層力學(xué)脆性測(cè)試參數(shù)

選取6 組樣品，分別為五峰組、龍馬溪組下部、龍馬溪組中部取樣各1 個(gè)，龍馬溪組底部取樣2 個(gè)。對(duì)選取的6 組樣品進(jìn)行單軸、三軸抗壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)及巴西抗拉力學(xué)實(shí)驗(yàn)。這6 組樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 渝西地區(qū)Z-3 井五峰組—龍馬溪組單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Uniaxial mechanical experiment from Wufeng—Longmaxi formation shale of well Z-3 in western Chongqing area

從巖心應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系曲線看出，五峰組—龍馬溪組各層位巖心在到達(dá)破裂壓力時(shí)，巖心均未立即破裂。五峰組巖心在初始加載過(guò)程中彈性變形特征較明顯（如圖3a 所示）。龍馬溪組底部頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心初始加載過(guò)程中彈性變形特征明顯，與五峰組巖心相比，龍馬溪組底部頁(yè)巖儲(chǔ)層單軸最大應(yīng)變值略大，脆性特征略弱。龍馬溪組下部頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心初始加載過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象。龍馬溪組下部頁(yè)巖儲(chǔ)層與底部的單軸最大應(yīng)變值相對(duì)較大。龍馬溪組中部頁(yè)巖儲(chǔ)層在初始加載過(guò)程中彈性變形特征明顯，與下部巖心相比，中部頁(yè)巖的單軸最大應(yīng)變值相近。龍馬溪組上部頁(yè)巖儲(chǔ)層在初始加載過(guò)程中塑性變形階段明顯，與龍馬溪組中部巖心相比，龍馬溪組上部頁(yè)巖的單軸最大應(yīng)變值更小。

圖3 五峰組—龍馬溪組各層段代表性樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of representative samples from Wufeng —Longmaxi formation

4 儲(chǔ)層力學(xué)脆性特征綜合評(píng)價(jià)

4.1 基于礦物組成的力學(xué)脆性指數(shù)

根據(jù)礦物組成特征，Jarvie 等[6]認(rèn)為石英具有顯著的高楊氏模量和低泊松比特性，脆性程度最高，提出以石英含量所占比例表征頁(yè)巖脆性特征。測(cè)試頁(yè)巖礦物組成主要為石英和黏土礦物，石英是該區(qū)最主要脆性礦物的礦物組成，大多數(shù)層段石英含量占比超過(guò)了總礦物含量的一半，而碳酸鹽類(lèi)礦物平均含量不足10%，黃鐵礦平均含量不足5%，因此以石英含量所占比例表征頁(yè)巖脆性特征，適用于研究區(qū)各層段礦物脆性指數(shù)的表征：

其中，B1為礦物脆性指數(shù)，W石英，W碳酸鹽，W黏土分別指代石英、碳酸鹽礦物、黏土礦物的比例，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3 所示。各層段脆性指數(shù)相差較大，隨深度增大，脆性指數(shù)先增后減，龍馬溪組底部的脆性指數(shù)最高。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，脆性指數(shù)與儲(chǔ)層力學(xué)脆性呈正相關(guān)。因此，龍馬溪組底部的頁(yè)巖脆性最優(yōu)，五峰組及龍馬溪組下部的頁(yè)巖脆性較好。

表3 渝西地區(qū)Z-3 井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成和脆性特征Table 3 Mineral composition and brittleness characteristics from Wufeng —Longmaxi formation shale of well Z-3 in western Chongqing area

4.2 基于彈性參數(shù)的力學(xué)脆性指數(shù)

泊松比可以反映頁(yè)巖在應(yīng)力下破裂的能力；楊氏模量反映頁(yè)巖維持裂縫的能力[22]。因此，基于泊松比、楊氏模量參數(shù)的區(qū)域歸一化數(shù)值可以表征頁(yè)巖的力學(xué)脆性[21]，即

式中：B2為基于泊松比、楊氏模量區(qū)域歸一化數(shù)值的脆性評(píng)價(jià)參數(shù)；E為楊氏模量；Emax為楊氏模量的最大值，100 GPa；Emin為楊氏模量的最小值，0 GPa；V為泊松比；Vmax為泊松比的最大值，0.4；Vmin為泊松比的最小值，0。

評(píng)價(jià)結(jié)果如表4 所示，龍馬溪組底部層段脆性指數(shù)B2最低，五峰組次之，龍馬溪組下部至頂部則較高?；诓此杀?、楊氏模量區(qū)域歸一化數(shù)值的脆性評(píng)價(jià)結(jié)果與脆性礦物評(píng)價(jià)結(jié)果相左。

表4 基于泊松比、楊氏模量區(qū)域歸一化數(shù)值的脆性評(píng)價(jià)Table 4 Brittleness evaluation based on Poisson"s ratio and Young"s modulus regional normalized value

4.3 基于強(qiáng)度的力學(xué)脆性指數(shù)

強(qiáng)度比值法利用抗壓和抗拉強(qiáng)度的差異性評(píng)價(jià)脆性[4]?；趶?qiáng)度比值的力學(xué)脆性表征方法[23]基于抗壓和抗拉強(qiáng)度的差異評(píng)價(jià)脆性，即

式中：B3為基于強(qiáng)度比值的脆性評(píng)價(jià)參數(shù)；δc為抗壓強(qiáng)度；δt為抗拉強(qiáng)度。

由單軸抗壓實(shí)驗(yàn)與巴西抗拉試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2），可知龍馬溪組底部的強(qiáng)度比值脆性指數(shù)為0.78，五峰組的強(qiáng)度比值脆性指數(shù)為0.73，兩者脆性指數(shù)相差不大，龍馬溪組底部略高于五峰組。

4.4 基于全應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評(píng)價(jià)方法

全應(yīng)力-應(yīng)變的脆性評(píng)價(jià)方法根據(jù)力學(xué)破壞在單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的表現(xiàn)評(píng)價(jià)脆性[22]，可以同時(shí)表征峰前和峰后的力學(xué)特征，全應(yīng)力-應(yīng)變特征表征脆性的公式為：

式中：IB為全應(yīng)力-應(yīng)變特征脆性表征參數(shù)；B1為峰值應(yīng)變指數(shù)；B2為峰后形態(tài)形成指數(shù)。

IB越大，脆性相對(duì)越優(yōu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由結(jié)果可知，全應(yīng)力-應(yīng)變表征的力學(xué)脆性指數(shù)縱向上由淺到深脆性逐漸增大，與礦物組分表征的脆性指數(shù)在深度上的變化規(guī)律大致相似。

表5 基于全應(yīng)力-應(yīng)變的頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)Table 5 Shale reservoir brittleness evaluation based on total stress-strain

綜合對(duì)比以上多種評(píng)價(jià)參數(shù)可知，單軸和三軸的楊氏模量、泊松比都不能用于優(yōu)選五峰組和龍馬溪組優(yōu)質(zhì)脆性儲(chǔ)層?；趩屋S應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過(guò)峰前和峰后曲線特征的脆性指數(shù)并綜合脆性礦物比例參數(shù)，可以優(yōu)選出龍馬溪組底部為最優(yōu)層段。應(yīng)用三軸應(yīng)力曲線，基于五峰組、龍馬溪組底部的抗壓強(qiáng)度和五峰組、龍馬溪組底部的巴西抗拉強(qiáng)度，以強(qiáng)度比值法可以合理評(píng)價(jià)不同層位的力學(xué)脆性指數(shù)。綜合峰前峰后數(shù)值和強(qiáng)度比值法，龍馬溪組底部脆性特征最好，五峰組次之，其他層段力學(xué)脆性特征顯著變差。

5 頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)性特征及影響因素

受控于沉積環(huán)境與儲(chǔ)層成巖演化，頁(yè)巖儲(chǔ)層具有顯著的小尺度非均質(zhì)性[9,24]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，頁(yè)巖儲(chǔ)層的力學(xué)脆性非均質(zhì)特征主要體現(xiàn)在脆性礦物含量、儲(chǔ)層沉積分異和力學(xué)性質(zhì)等方面。對(duì)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的力學(xué)脆性評(píng)價(jià)對(duì)比來(lái)看，由礦物組成表征的力學(xué)脆性指數(shù)，在縱向上隨深度加深呈先增后減的趨勢(shì)，在龍馬溪組底部達(dá)到最高，因此，基于儲(chǔ)層礦物組成評(píng)價(jià)，龍馬溪組底部為力學(xué)脆性好的層位，五峰組、龍馬溪組下部?jī)?chǔ)層次之。在基于強(qiáng)度的力學(xué)脆性評(píng)價(jià)中，運(yùn)用強(qiáng)度比值法比較了龍馬溪組底部與五峰組的力學(xué)脆性，龍馬溪組底部略高于五峰組，因此龍馬溪組底部與五峰組力學(xué)脆性基本相似，略優(yōu)于五峰組頁(yè)巖；同時(shí)，隨深度增加，全應(yīng)力-應(yīng)變特征表征的龍馬溪組力學(xué)脆性指數(shù)逐漸增加，在龍馬溪組底部達(dá)到最高。對(duì)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的科學(xué)評(píng)價(jià)，需要綜合不同指標(biāo)[25]。

綜上所述，在研究區(qū)內(nèi)，五峰組— 龍馬溪組頁(yè)巖力學(xué)脆性的層段性差異具有普遍性[3,15-16,22,26-27]，頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)性特征表現(xiàn)如下：①五峰組— 龍馬溪組不同層段的沉積環(huán)境存在差異，研究區(qū)內(nèi)五峰組頁(yè)巖沉積期古地理環(huán)境較為閉塞，水體相對(duì)較淺，頁(yè)巖脆性礦物來(lái)源受到陸源碎屑與水體生物源硅質(zhì)的共同影響，脆性礦物含量較為豐富，龍馬溪組底部則在海平面快速上升的背景上沉積粒度極細(xì)、生物源硅質(zhì)豐富的富筆石頁(yè)巖，至龍馬溪組底部開(kāi)始，水體逐漸變淺，陸源碎屑影響程度上升，生物源硅質(zhì)顯著減少[28]；②儲(chǔ)層沉積分異的非均質(zhì)性體現(xiàn)在各層位巖石小尺度結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造的不同，在沉積環(huán)境的控制下，研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組底部具有最高的脆性礦物含量指數(shù)，五峰組次之，五峰組與龍馬溪組底部共同構(gòu)成脆性礦物比例最優(yōu)層段；③受沉積環(huán)境與水體水動(dòng)力條件的影響，五峰組— 龍馬溪組不同層段所發(fā)育的主要沉積構(gòu)造存在差異，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層下部發(fā)育富筆石水平層理，龍馬溪組中上部發(fā)育粉砂質(zhì)紋層、夾層[29]；④在儲(chǔ)層成巖作用改造下，五峰組— 龍馬溪組底部具有豐富的生物源硅質(zhì)與蒙脫石等黏土礦物，生物源硅質(zhì)與黏土礦物通過(guò)礦物轉(zhuǎn)化作用形成豐富的自生脆性礦物，增加了頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性礦物比例[11]；⑤由于五峰組— 龍馬溪組底部具有較高的原始脆性礦物比例，自生脆性礦物增加作用顯著，富筆石水平層理發(fā)育，巖石兼具較好的力學(xué)脆性與豐富的力學(xué)薄弱面，有利于頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂與頁(yè)巖氣的滲流釋放[30]，成為層系內(nèi)具有最優(yōu)脆性的層段；⑥龍馬溪組底部— 中上部陸源碎屑礦物豐富，沉積構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)橐环凵百|(zhì)紋層、夾層為主，脆性礦物含量降低，力學(xué)薄弱面發(fā)育程度降低。因此，受沉積環(huán)境、礦物組分與沉積分異、差異成巖作用等因素的控制，五峰組— 龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層具有力學(xué)脆性非均質(zhì)性，尤其是其橫向穩(wěn)定的層段性差異可以作為頁(yè)巖氣壓裂層段優(yōu)選的科學(xué)依據(jù)。

基于目前對(duì)儲(chǔ)層力學(xué)脆性特征研究的現(xiàn)狀，頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性研究將可能在以下幾個(gè)方向取得進(jìn)一步深入研究：①頁(yè)巖中的特殊結(jié)構(gòu)，或因特殊構(gòu)造位置、特殊改造事件影響的頁(yè)巖力學(xué)脆性特征[31]；②頁(yè)巖微尺度力學(xué)脆性特征；③通過(guò)力學(xué)脆性模擬探究?jī)?chǔ)層力學(xué)脆性特征成因，如細(xì)觀力學(xué)模型等；④力學(xué)脆性研究成果在地下工程等其他領(lǐng)域的應(yīng)用[32]。從對(duì)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的單井解剖來(lái)看，垂向力學(xué)脆性非均質(zhì)性受到了特殊成巖作用等因素的影響而減弱，中淺層頁(yè)巖儲(chǔ)層中穩(wěn)定發(fā)育的層段性力學(xué)薄弱面結(jié)構(gòu)差異也因此減弱，因此，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層必須考慮物質(zhì)基礎(chǔ)之上的儲(chǔ)層成巖作用等對(duì)力學(xué)脆性的影響，同時(shí)需要格外注意的是，中-淺層頁(yè)巖儲(chǔ)層中較為適用的礦物組分法等，可能在深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中因特殊的儲(chǔ)層成巖作用而不再適用。

6 結(jié)論

1）研究區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組分類(lèi)型穩(wěn)定，儲(chǔ)層礦物含量與比例均有層段性差異；儲(chǔ)層礦物組分主要為石英和黏土礦物，同時(shí)含有少量長(zhǎng)石、碳酸鹽類(lèi)礦物和黃鐵礦，石英、碳酸鹽和長(zhǎng)石為主要脆性礦物，黏土礦物組合由伊利石+綠泥石+伊蒙混層構(gòu)成；龍馬溪組底部脆性礦物含量最高，五峰組次之；微觀物相顯示儲(chǔ)層受到了成巖作用的深度改造。

2）單軸楊氏模量在龍馬溪組中部最大，其他層位大小相近，泊松比波動(dòng)明顯，龍馬溪組下部降至最??；強(qiáng)度比值通過(guò)抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的差異判斷龍馬溪組底部和五峰組力學(xué)脆性顯示，龍馬溪組底部與五峰組相差不大，龍馬溪組底部力學(xué)脆性略好；應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)合峰前和峰后的力學(xué)特征評(píng)價(jià)，認(rèn)為龍馬溪組頁(yè)巖力學(xué)脆性隨深度增大，在龍馬溪組底部的頁(yè)巖脆性最好。

3）儲(chǔ)層礦物組分表征的力學(xué)脆性指數(shù)評(píng)價(jià)得出龍馬溪組底部為力學(xué)脆性最優(yōu)層位，龍馬溪組下部和五峰組的脆性略差于底部；基于強(qiáng)度的脆性評(píng)價(jià)，強(qiáng)度比值法得出龍馬溪組底部與五峰組的力學(xué)脆性大體相同，龍馬溪組底部相對(duì)較好，而全應(yīng)力-應(yīng)變特征表征的該儲(chǔ)層龍馬溪組頁(yè)巖力學(xué)脆性指數(shù)在龍馬溪組底部最高，因此龍馬溪組底部在各層段中脆性最高。綜合儲(chǔ)層各層段基于礦物組分、彈性參數(shù)和強(qiáng)度的力學(xué)脆性指數(shù)可得，龍馬溪組底部在該研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層中脆性最高，為儲(chǔ)層最優(yōu)層段。

4）儲(chǔ)層力學(xué)脆性的非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在脆性礦物含量、儲(chǔ)層沉積分異和力學(xué)性質(zhì)等的層段性差異。受沉積環(huán)境、礦物組分與沉積分異、差異成巖作用等因素的控制，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層具有力學(xué)脆性非均質(zhì)性，表現(xiàn)為橫向穩(wěn)定的層段性差異，可以作為頁(yè)巖氣壓裂層段優(yōu)選與勘探開(kāi)發(fā)的科學(xué)依據(jù)。深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的力學(xué)脆性評(píng)價(jià)必須考慮物質(zhì)基礎(chǔ)之上的儲(chǔ)層成巖作用等對(duì)力學(xué)脆性的影響，中-淺層頁(yè)巖儲(chǔ)層中較為適用的礦物組分法等可能在深層頁(yè)巖儲(chǔ)層中因特殊的儲(chǔ)層成巖作用而不再適用。