海陸過渡相不同頁巖巖相的巖石力學(xué)特性及能量演化特征

劉峻杰，吳建軍，熊 健，李 兵，劉向君，梁利喜

(1.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，四川 成都 610500;2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

中國頁巖油氣資源儲(chǔ)量豐富，其中，海陸過渡相頁巖氣具有良好的勘探開發(fā)前景，約占中國頁巖氣總資源量的1/4[1]。目標(biāo)區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣南北走向的條帶區(qū)域，區(qū)塊橫跨陜西與山西兩省，該區(qū)塊二疊系山西組沉積于三角洲前緣和濱海環(huán)境，為典型的海陸過渡相沉積環(huán)境[2]，二疊系山西組山23亞段沉積厚度約為20～40 m，夾層較少，是海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)的有利層段[3]。目前，對(duì)于海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層已進(jìn)行了大量的研究，前人的研究主要集中在開發(fā)前景評(píng)價(jià)[4]、沉積環(huán)境[2]、頁巖氣形成[5]、頁巖儲(chǔ)層特征[6]、孔隙結(jié)構(gòu)[7-8]、巖相劃分[3]等方面，研究主要停留在較為初期的階段，不能為后續(xù)的壓裂施工提供巖石力學(xué)、能量演化等方面的基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。為此，針對(duì)鄂爾多斯盆地東緣的二疊系山西組山23亞段海陸過渡相頁巖，基于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了不同頁巖巖相之間巖石力學(xué)特性的差異，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合能量演化理論，進(jìn)一步探討了山西組海陸過渡相不同頁巖巖相之間的能量演化差異。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方案

鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組山23亞段海陸過渡相頁巖的X射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：礦物組成主要為石英、黏土礦物、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦，以石英和黏土礦物為主。根據(jù)其礦物成分不同，可進(jìn)一步將其劃為3類典型頁巖相，即黏土質(zhì)頁巖相、混合質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)頁巖相。

表1 測(cè)試樣品礦物組成Table 1 The mineral composition of test samples

按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[8]的相關(guān)要求制樣，將制備好的巖樣通過聲波測(cè)試進(jìn)行篩選分組，把相同巖相且聲波時(shí)差相近的樣品選出，共19塊巖樣。單/三軸壓縮實(shí)驗(yàn)在TRC-100高溫高壓巖石三軸流變儀上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中所施加的圍壓為25 MPa，以0.2 mm/min的應(yīng)變加載速率在軸向上連續(xù)加載荷?；趹?yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算在連續(xù)加載過程中，實(shí)驗(yàn)巖樣的總能量、彈性能量和耗散能量。

當(dāng)巖樣所在的外部環(huán)境對(duì)巖樣施加相應(yīng)大小、方向的應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力將在巖樣形變的方向做功產(chǎn)生應(yīng)變能，從而達(dá)到外界對(duì)巖樣輸入能量的目的。總能量(由外界輸入)可分彈性應(yīng)變能和耗散能。各種能量在巖樣從受力到破壞的整個(gè)過程中均是同時(shí)存在的，只是在不同情況下所占的比例不同[9]。其能量的表達(dá)式為[10]：

U=Ue+Ud

(1)

在單軸壓縮的實(shí)驗(yàn)情況下，巖樣的總能量和彈性能表達(dá)式分別為[11]：

(2)

(3)

式中：U為總能量，J/cm3；Ue為彈性能，J/cm3；Ud為耗散能，J/cm3；σ1為軸向應(yīng)力，MPa；ε1為軸向應(yīng)變；σ1i為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上第i點(diǎn)的軸向應(yīng)力，MPa；ε1i為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上第i點(diǎn)的軸向應(yīng)變；n為總的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；E0為巖樣初始的彈性模量，MPa。

三軸壓縮的實(shí)驗(yàn)情況下，最初施加靜水壓力的階段，巖樣所受到的圍壓做功為正功；施加軸向載荷的壓縮過程中，巖樣所受到的軸向應(yīng)力做功為正功；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，徑向上的應(yīng)變會(huì)逐漸增大，此時(shí)巖樣需要克服圍壓做功，巖樣受到的圍壓做功為負(fù)功。

在假三軸實(shí)驗(yàn)中，水平方向上的主應(yīng)力相等，總能量表示為[11-12]：

(4)

施加靜水壓力的階段做功U0以及三軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下的彈性能Ue，可分別表示為[11]：

(5)

(6)

式中：U0為初始靜水壓力做功，J/cm3；U1為軸向應(yīng)力做正功，J/cm3；U2為圍壓做負(fù)功，J/cm3；υ為泊松比；σ3為圍壓，MPa；ε3為徑向應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖石力學(xué)特性參數(shù)

通過單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比(圖1)。由圖1a可知，相同實(shí)驗(yàn)條件下，同一巖相中各巖樣間的抗壓強(qiáng)度差異較小，而不同巖相間各巖樣的抗壓強(qiáng)度存在較大差異。

圖1 不同巖相巖樣的單軸和三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The uniaxial and triaxial experimental results of different lithofacies rock samples

在單軸實(shí)驗(yàn)條件下：黏土質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為14.48～21.95 MPa，平均值為17.87 MPa；混合質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為36.66～43.07 MPa，平均值為38.90 MPa；硅質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為56.61～60.01 MPa，平均值為58.50 MPa。在三軸實(shí)驗(yàn)條件下：黏土質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為50.05～56.26 MPa，平均值為53.15 MPa；混合質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為81.13～88.90 MPa，平均值為85.88 MPa；硅質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度為131.49～143.62 MPa，平均值為137.22 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)或三軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，硅質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度均為最大，其次為混合質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相。這與不同巖相間的礦物成分差異有關(guān)，黏土質(zhì)頁巖相中黏土礦物的含量較高但石英的含量較低，而硅質(zhì)頁巖相與之相反。這說明海陸過渡相儲(chǔ)層頁巖在宏觀上表現(xiàn)出的抗壓強(qiáng)度特性，受控于微觀上的礦物組成成分。

此外，根據(jù)部分學(xué)者的研究，陸相頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度為41.88～125.08 MPa[13-14]，海相頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度約為150.00 MPa[15]，由此可知，海陸過渡相頁巖的抗壓強(qiáng)度低于海相頁巖和陸相頁巖；這種力學(xué)強(qiáng)度上表現(xiàn)出的差異，結(jié)合海陸過渡相地層具有在縱向和橫向上變化快、且單層厚度小而累計(jì)厚度大的特征，將影響海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層不同層段的壓裂改造措施[16-26]。

由圖1b、c可知，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，硅質(zhì)頁巖相彈性模量值最大，平均值為24.92 GPa。泊松比最小，平均值為0.214；混合質(zhì)頁巖相彈性模量的平均值為19.11 GPa，泊松比的平均值為0.235；黏土質(zhì)頁巖相彈性模量值最小，平均值為11.89 GPa，泊松比最大，平均值為0.401。硅質(zhì)頁巖相具有較高的彈性模量以及較低的泊松比，可見山西組海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層中硅質(zhì)頁巖相有較好的可壓裂性。

2.2 變形特征

部分不同頁巖巖相樣品在單軸和三軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2a可知，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，不同頁巖巖相均有較長的彈性變形階段，且無明顯的壓縮階段，這可能與頁巖較為致密有關(guān)；僅硅質(zhì)頁巖相無塑性階段，均表現(xiàn)為較強(qiáng)的脆性。由圖2b可知，彈性變形階段均有縮短，而塑性變形階段有所增長。對(duì)于強(qiáng)度較低的黏土質(zhì)頁巖相和強(qiáng)度較高的硅質(zhì)頁巖相具有較長的塑性變形階段，而強(qiáng)度適中的混合質(zhì)頁巖相塑性變形階段較短?？傮w看來，在三軸圍壓狀態(tài)下巖樣的峰值強(qiáng)度提高，塑性增強(qiáng)，且峰值點(diǎn)處的應(yīng)變均大于0.004 0。表明巖樣的峰值強(qiáng)度、應(yīng)變隨圍壓的增大而增大，巖樣逐漸由脆性過渡到塑性。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 The stress-strain curve under different experimental conditions

2.3 巖樣破壞模式

不同頁巖巖相樣品實(shí)驗(yàn)后的破壞照片如圖3所示。在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，以劈裂破壞模式為主，硅質(zhì)頁巖相巖樣在破壞后相較于其他巖樣更為破碎，形成了更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)出了較強(qiáng)的脆性。在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，以剪切破壞模式為主，除黏土質(zhì)頁巖相形成的裂縫較簡(jiǎn)單外，硅質(zhì)頁巖相與混合質(zhì)頁巖相產(chǎn)生的裂縫為低角度剪切縫，兩者可以形成較為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，相較于劈裂破壞，巖樣較為完整。該結(jié)果與圖2吻合，即隨圍壓增加，塑性增強(qiáng)，峰值點(diǎn)處的應(yīng)變也隨之增大。

圖3 不同頁巖巖相單軸、三軸實(shí)驗(yàn)壓后破壞圖Fig.3 The failure diagram of different shale lithofacies after uniaxial and triaxial experiments

2.4 能量演化特征

通過單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制能量演化特征曲線，由于篇幅有限，僅展示部分巖樣的能量演化特征曲線，如圖4所示。 通過對(duì)巖樣的能量演化特征曲線與軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)合分析，將能量演化過程分為彈性階段、塑性階段、破壞階段3個(gè)階段。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)條件下不同頁巖巖相能量演化特征Fig.4 The energy evolution characteristics of different shale lithofacies under different experimental conditions

①彈性階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈斜線段。總能量、彈性能隨加載的進(jìn)行快速上升，2條曲線呈相互平行的趨勢(shì)；耗散能的值較小，但其曲線隨應(yīng)變的增大幾乎呈水平發(fā)展。在該階段內(nèi)，由外界輸入的總能量，主要以彈性能的方式儲(chǔ)存起來，耗散的能量少。

②塑性階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈曲線發(fā)展，應(yīng)力增大的速率逐漸減小直至峰值強(qiáng)度點(diǎn)處?？偰芰侩S加載過程中應(yīng)變?cè)黾佣黾樱瑥椥阅茉黾拥乃俾手饾u放緩，此時(shí)耗散能上升；總能量曲線與彈性能曲線不再保持平行，耗散能曲線上升。在該階段內(nèi)，隨著應(yīng)變的增大逐漸出現(xiàn)新裂縫并慢慢延伸，導(dǎo)致耗散能增加，而輸入的能量逐漸不利用于巖石以彈性能儲(chǔ)存。

③破壞階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度點(diǎn)后以斜率為負(fù)發(fā)展。在該階段內(nèi)，巖石內(nèi)部的微裂縫貫穿造成其發(fā)生失穩(wěn)破壞；此時(shí)，輸入的總能量用于巖石破壞，不能以彈性能的方式繼續(xù)儲(chǔ)存能量，且在之前儲(chǔ)存的彈性能得到釋放，表現(xiàn)出彈性能減小，耗散能增大。

將單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下不同頁巖巖相間的峰前總能量、峰前彈性能分別進(jìn)行對(duì)比(圖5)。整體上看，不同頁巖巖相的峰前總能量、峰前彈性能的變化趨勢(shì)相同。對(duì)于峰前總能量，隨著外界應(yīng)力和巖樣應(yīng)變的逐漸增大，不斷由外界向系統(tǒng)內(nèi)輸入能量，但不同頁巖巖相在相同應(yīng)變處所對(duì)應(yīng)的總能量不同，應(yīng)變約為0.001 5時(shí)，黏土質(zhì)頁巖相、混合質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)頁巖相的總能量分別為5.79×10-3、8.85×10-3、12.62×10-3J/cm3；同時(shí)，在峰值點(diǎn)處的總能量也不相同。對(duì)于峰前彈性能，隨著外界能量的持續(xù)輸入，巖樣吸收儲(chǔ)存的能量越來越多，不同頁巖巖相在相同應(yīng)變條件下以及在峰值點(diǎn)處的彈性能不相同。這表明不同頁巖巖相對(duì)外界輸入能量的接收能力以及儲(chǔ)存能力不同。圖5反映了海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層的不同頁巖巖相在峰前的能量演化過程中存在差異，致使在發(fā)生破壞時(shí)用于消耗的能量不同，從而導(dǎo)致對(duì)不同層段進(jìn)行壓裂改造時(shí)，其所需消耗的能量不同。

圖5 單軸條件下不同頁巖巖相峰前的總能量與彈性能Fig.5 The total energy and elastic energy before different shale facies peaks under uniaxial conditions

將不同實(shí)驗(yàn)條件下全部巖樣峰值點(diǎn)處的不同能量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。由表2可知，三軸壓縮條件下，不同頁巖巖相的不同能量參數(shù)相較于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件均有提升，如硅質(zhì)頁巖相、混合質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相的平均總能量分別提高了4.57、2.89、7.26倍。這說明在同一圍壓下，對(duì)不同頁巖巖相的影響作用不同。不同頁巖巖相的彈性能與總能量之比不同，且在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下其比值有所下降。

表2 峰值點(diǎn)處能量參數(shù)Table 2 The energy parameters at the peak point

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，不同頁巖巖相的平均Ue/U分別為：硅質(zhì)頁巖相為0.976，混合質(zhì)頁巖相為0.905，黏土質(zhì)頁巖相為0.896。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，不同頁巖巖相的平均Ue/U分別為：硅質(zhì)頁巖相為0.846，混合質(zhì)頁巖相為0.797，黏土質(zhì)頁巖相為0.614。這說明圍壓的增大，在提高峰值強(qiáng)度處總能量和彈性能的同時(shí)，也因圍壓的作用使巖樣塑性提升，在塑性階段內(nèi)有較多的能量被消耗(圖4)，導(dǎo)致在峰值點(diǎn)處的彈性能占比下降；在單軸條件下彈性能占比較高，巖樣發(fā)生破壞時(shí)釋放的彈性能相對(duì)較大，釋放速率較快，巖樣破壞更加激烈。三軸條件下，圍壓延緩彈性能的釋放，減輕巖樣的破壞。這與圖3中巖樣的破壞結(jié)果相吻合，如硅質(zhì)頁巖相在單軸壓縮條件下的峰值點(diǎn)處彈性能占比最高，發(fā)生破壞時(shí)彈性能的釋放速度快，巖樣最為破碎。

同時(shí)，根據(jù)溫韜[16]、張萍等[17]、曾韋等[18]的研究成果可知，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，海相龍馬溪組頁巖露頭在峰值點(diǎn)處的總能量分布范圍為0.327 5～0.612 0 J/cm3，平均值為0.456 0 J/cm3；表2中單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，海陸過渡相山西組頁巖在峰值點(diǎn)處的總能量分布范圍為0.010 0～0.077 0 J/cm3，平均值為0.041 2 J/cm3。將兩者進(jìn)行比較可知，海相龍馬溪組頁巖在發(fā)生破壞時(shí)所需的能量遠(yuǎn)大于海陸過渡相山西組頁巖所需的能量。因此，相較于龍馬溪組頁巖，海陸過渡相山西組儲(chǔ)層壓裂施工改造時(shí)，可降低排量，以達(dá)到安全施工、降低成本的目的。

3 結(jié) 論

(1) 不同頁巖巖相的力學(xué)特性差異較大，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，硅質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相的抗壓強(qiáng)度平均值分別為58.5、17.9 MPa，彈性模量平均值分別為24.9、11.9 GPa。

(2) 單軸壓縮條件下，不同頁巖巖相均有較強(qiáng)的脆性且為劈裂破壞，隨圍壓增大，塑性增強(qiáng)且為剪切破壞，硅質(zhì)頁巖相破壞最為嚴(yán)重。因此，在后期的開發(fā)過程中，對(duì)硅質(zhì)頁巖相儲(chǔ)層段進(jìn)行水力壓裂施工，可能會(huì)獲得較好的裂縫網(wǎng)格。

(3) 不同頁巖巖相在峰值強(qiáng)度點(diǎn)處的能量有較大差異且受圍壓影響程度不同，單軸壓縮條件下，硅質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相、混合質(zhì)頁巖相的平均總能量分別為：0.071 0、0.016 0、0.044 0 J/cm3。三軸壓縮條件下，硅質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相、混合質(zhì)頁巖相的平均總能量分別為：0.118 0、0.127 0、0.322 7 J/cm3。因此，在對(duì)硅質(zhì)頁巖相儲(chǔ)層段進(jìn)行壓裂施工時(shí)可能需要更高的泵壓。