川南威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖力學(xué)性質(zhì)及可壓性評價

肖劍鋒, 胡棚杰, 韓烈祥, 沈建國, 李忠慧

1中國石油川慶鉆探工程有限公司 2長江大學(xué)石油工程學(xué)院 3長江大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏研究室

0 引言

威遠(yuǎn)區(qū)塊是四川盆地南部頁巖氣有利區(qū)，為國家級頁巖氣示范區(qū)。在四川盆地及周緣地區(qū)主要分布著大安寨段、須家河組、龍?zhí)督M、龍馬溪組、筇竹寺組、陡山沱組等6套富有機質(zhì)頁巖[1]，其中龍馬溪組和筇竹寺組頁巖在威遠(yuǎn)區(qū)塊最具有良好的勘探開發(fā)潛力。

目前，對威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)取得了豐富成果，徐中華等[2]通過對龍馬溪組頁巖有機質(zhì)成熟度的劃分，分析了不同有機成熟度頁巖的力學(xué)性能表現(xiàn)。劉洪等[3]通過龍馬溪組頁巖對不同溶液體系的吸水性研究，分析了頁巖水化作用對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。熊健等[4]通過對不同方位上的頁巖試驗，分析了龍馬溪組頁巖力學(xué)特性的各向異性特征。王斌等[5]通過對龍馬溪組頁巖礦物組分的分析，得到了頁巖動靜態(tài)彈性參數(shù)的變化規(guī)律。崔春蘭等[6]從測井資料出發(fā)，對龍馬溪組頁巖儲層特征和對巖石可壓性影響因素進(jìn)行了研究，并建立了相關(guān)的頁巖儲層可壓裂性的數(shù)學(xué)模型。

威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖巖石性質(zhì)研究很好地支撐了頁巖氣實現(xiàn)商業(yè)化開采，但筇竹寺組頁巖作為油氣產(chǎn)能重要接替層位的研究相對較少。白名崗等[7]通過對泥頁巖的礦物組分和微觀特征的綜合分析，得到了研究滇東曲靖地區(qū)筇竹寺組泥頁巖儲層特征及孔隙類型。王鵬萬等[8]通過對筇竹寺組頁巖元素地球化學(xué)特征及形成的古環(huán)境研究，認(rèn)為筇竹寺組一段相對于二、三段更具有開采價值。王瀚瑋等[9]通過隨鉆測井計算方法的研究，建立了筇竹寺組頁巖相關(guān)的脆性指數(shù)計算方法。據(jù)董大忠等[10]對威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣藏資源的研究表明，筇竹寺組是最有利頁巖氣藏勘探開發(fā)層段，值得進(jìn)一步深入研究，但頁巖基礎(chǔ)力學(xué)及可壓性研究仍不夠充分，因此開展相關(guān)研究對威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣持續(xù)高效開采具有重要意義。

以往對于筇竹寺組頁巖的研究主要偏向于對地質(zhì)儲量、甜點預(yù)測、成藏機理的研究，對力學(xué)特征的研究較少，對地層壓裂設(shè)計會產(chǎn)生影響。筆者對筇竹寺組進(jìn)行了礦物組分分析、抗壓和抗拉強度及地應(yīng)力大小測試，從微觀特征和力學(xué)特征的角度對筇竹寺組頁巖進(jìn)行了評價，并與龍馬溪組頁巖進(jìn)行了對比分析，并基于此進(jìn)行了可壓性分析評價，研究結(jié)果對筇竹寺組頁巖的高效開發(fā)起到一定的借鑒作用。

1 頁巖微觀特征研究

1.1 頁巖礦物組分特征

全巖礦物和黏土礦物X衍射分析采用Bruker D8 Advance 型 X 射線衍射儀測試，嚴(yán)格按SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》標(biāo)準(zhǔn)完成。測試結(jié)果顯示，威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖主要屬于硅質(zhì)頁巖，少部分屬于混合質(zhì)頁巖(圖1)，而龍馬溪組頁巖主要為混合質(zhì)頁巖。筇竹寺組和龍馬溪組頁巖礦物組分均以石英和黏土礦物為主，長石、方解石等脆性礦物次之，白云石、黃鐵礦等自生礦物最少(圖2)。

圖1 筇竹寺組頁巖礦物組分三元圖

圖2 全巖礦物組分相對含量直方圖

兩組頁巖脆性礦物含量(石英+長石+方解石)均大于50%，高于行業(yè)認(rèn)可的壓裂標(biāo)準(zhǔn)(脆性礦物含量≥40%)，具備產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)的基本條件，主要差異性體現(xiàn)在長石和方解石含量上的不同。筇竹寺組頁巖長石含量遠(yuǎn)高于龍馬溪組長石含量，長石的硬度和脆性都大于方解石，宏觀上可能反映出頁巖強度較大但易碎的特征。從礦物組分的角度上看，筇竹寺組頁巖脆性大于龍馬溪組，但具體壓裂情況還要取決于壓裂施工壓力及原始裂縫的分布。

1.2 頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征

頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征分析采用FEI Quanta 250掃描電子顯微鏡掃描，依據(jù)SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》標(biāo)準(zhǔn)完成。根據(jù)測試結(jié)果顯示，筇竹寺組頁巖礦物顆粒之間為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度中等，孔隙發(fā)育較差，但存在大量形態(tài)各異的微裂縫。根據(jù)裂縫形態(tài)統(tǒng)計分類，筇竹寺組頁巖裂縫主要存在高角度填充縫、低角度順層縫、多角度剪切縫、粒間張開縫等四種裂縫。其中以低角度順層縫(圖3b)和多角度剪切縫(圖3c)最為發(fā)育，約占總裂縫的72%，其次為高角填充度(圖3a)和粒間張開縫(圖3d)，約占總裂縫的24%，其余裂縫形態(tài)無明顯規(guī)律性。

圖3 筇竹寺組頁巖空間結(jié)構(gòu)特征圖

根據(jù)裂縫是否被填充分為完全填充縫、部分填充縫和張開縫三類，其中完全填充縫約占26%，部分填充縫約占10%，張開縫約占64%，常見填充物有方解石和黃鐵礦，其中方解石占所有填充材料的95%以上，為絕對主導(dǎo)的填充物。而前人[11-12]對龍馬溪組裂縫發(fā)育情況研究表明，龍馬溪組天然裂縫主要以多角度剪切縫為主，且多按雁列式排列，裂縫寬度集中分布在 1 mm 以內(nèi)，裂縫填充程度較高，其中完全充填裂縫占裂縫總數(shù)的65%, 半充填裂縫占26%, 張開裂縫僅為9%，填充物仍以方解石為主要填充物。

從微觀結(jié)構(gòu)特征來說，威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖天然裂縫發(fā)育程度較高，發(fā)育種類豐富，且裂縫有效性較好，完全填充縫僅占26%，低于龍馬溪組裂縫填充程度，當(dāng)施工壓力達(dá)到巖石強度后，相較于龍馬溪組頁巖更容易產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)。

2 頁巖力學(xué)特征研究

2.1 抗拉強度測試

地層裂縫的產(chǎn)生是巖石拉伸破壞的表現(xiàn)，當(dāng)頁巖受到的拉應(yīng)力超過頁巖抗拉強度時就會發(fā)生拉伸破壞。除此以外，當(dāng)?shù)貙恿芽p閉合后將裂縫再次開啟需要克服地層巖石的抗拉強度，因此，抗拉強度是頁巖壓裂的重要參數(shù)。抗拉強度采用巴西劈裂法間接測量，采用TAW-2000型巖石三軸試驗儀完成，測試結(jié)果如表1所示。

表1 威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖巴西劈裂試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，筇竹寺組頁巖抗拉強度在3.16～4.67 MPa之間，均值為3.82 MPa，龍馬溪組頁巖抗拉強度在1.42～2.29 MPa，均值為1.65 MPa。巖石抗拉強度較小、差異性不大。筇竹寺組頁巖地層天然微裂縫發(fā)育，天然裂縫的抗拉強度小于巖石的抗拉強度，因此在壓裂時裂縫會優(yōu)先連通天然裂縫，使壓裂裂縫走向不再嚴(yán)格按照最大主應(yīng)力方向拓展，但地應(yīng)力仍主導(dǎo)著裂縫走向，對地層壓裂的影響較小。

2.2 抗壓強度測試

頁巖單軸壓縮試驗采用TAW-2000型巖石三軸試驗儀測試，根據(jù)DZ/T0276.18—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)完成。測試樣品為層理面內(nèi)，以水平主應(yīng)力方向為起始，以30°為增量鉆取的0°、30°、60°、90°巖樣，主要進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)表

通常情況下，彈性模量越高，巖石在破碎后維持破碎形態(tài)的能力越強[13]，泊松比越低，脆性破壞的可能越大，兩組頁巖彈性模量差異性不大，但筇竹寺組頁巖泊松比低于龍馬溪組，由此認(rèn)為筇竹寺組頁巖脆性條件優(yōu)于龍馬溪組頁巖。

2.3 地應(yīng)力差異系數(shù)

地應(yīng)力是評價頁巖儲層可壓性的關(guān)鍵參數(shù)之一，地應(yīng)力大小影響著壓裂裂縫的主要形態(tài)，地應(yīng)力差異性影響著裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度[14]。地應(yīng)力測試采用DS5-16B全信息聲發(fā)射儀測試，根據(jù)聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測量，地應(yīng)力測試結(jié)果如表3所示。通常情況下，其中一個水平應(yīng)力最小時，壓裂生成垂直裂縫，反之生成水平裂縫。當(dāng)生成垂直裂縫時，水平地應(yīng)力的差異性越小，越容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。根據(jù)測試結(jié)果顯示，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖均為水平地應(yīng)力最小，壓裂時產(chǎn)生垂直裂縫，水平地應(yīng)力差異系數(shù)在0.10～0.21之間，一般認(rèn)為地應(yīng)力差異系數(shù)小于0.3時，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的可能性越大，因此研究區(qū)筇竹寺組地層壓裂容易產(chǎn)生復(fù)雜垂直縫網(wǎng)。

表3 威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組地應(yīng)力測試結(jié)果

3 頁巖儲層可壓性評價

頁巖儲層的可壓性好壞代表頁巖儲層被有效壓裂的難易程度，影響可壓性的因素眾多，如脆性、斷裂韌性、天然裂縫、層理面、壓裂液排量和黏度等，其中脆性是頁巖儲層的本質(zhì)屬性，它對可壓性的影響也最大。從屬性方面來講，頁巖的脆性特征即是儲層可壓性特征，因此，本文將用脆性來表征筇竹寺組頁巖儲層可壓性。

目前關(guān)于頁巖脆性的定義尚未有一致性認(rèn)識，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。根據(jù)前人研究的目的[15]，大致可分為基于礦物組分、強度特征、全應(yīng)力應(yīng)變曲線、能量、碎屑含量等脆性評價方法。本文結(jié)合頁巖微觀特征和力學(xué)特征，主要以礦物組分、抗拉抗壓強度比及地應(yīng)力差異系數(shù)三個方面綜合評價儲層脆性特征。評價結(jié)果見表4。

可壓性綜合系數(shù)計算公式為：

B=αB1+βB2+γB3

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

式中：B—可壓性綜合系數(shù)；B1—礦物組分，%；B2—抗拉抗壓強度比；B3—地應(yīng)力差異系數(shù)；α、β、γ—分別為三種脆性評價值的權(quán)重參數(shù)，無量綱；CX—礦物組分X的體積分?jǐn)?shù)，%；σc—巖石抗壓強度，MPa；σt—巖石抗拉強度，MPa；σH—最大水平主應(yīng)力，MPa；σh—最小水平主應(yīng)力，MPa。

可壓性綜合評價系數(shù)為礦物組分、抗拉抗壓強度比、地應(yīng)力差異系數(shù)這三個脆性值的加權(quán)，式中α+β+r=1，權(quán)重系數(shù)根據(jù)實際情況選擇，在這里取α=β=r=1/3，綜合評價結(jié)果如表4所示，筇竹寺組頁巖可壓性整體優(yōu)于龍馬溪組頁巖，其中筇二段頁巖可壓性最好，是優(yōu)質(zhì)可壓裂層位。

表4 頁巖脆性綜合評價表

4 結(jié)論

(1)威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖主要屬于硅質(zhì)頁巖，少部分屬于混合質(zhì)頁巖，而龍馬溪組頁巖屬于混合質(zhì)頁巖。筇竹寺組頁巖脆性礦物含量高于龍馬溪組，具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。

(2)威遠(yuǎn)區(qū)塊筇竹寺組頁巖孔隙不發(fā)育，但天然微裂縫發(fā)育程度高，存在高角度填充縫、低角度順層縫、多角度剪切縫、粒間張開縫等四種裂縫，裂縫填充度低于龍馬溪組，裂縫有效性好，具有良好的儲層改造條件。

(3)研究區(qū)筇竹寺組力學(xué)性能較好。彈性模量大，均值為32.5 GPa；泊松比小，均值為0.189；抗拉/抗壓強度比值高，地應(yīng)力差異性系數(shù)小，在0.10～0.23之間，容易形成復(fù)雜人工縫網(wǎng)的垂直裂縫，具備產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)的力學(xué)條件。

(4)可壓性綜合評價結(jié)果顯示，筇竹寺組頁巖可壓性整體高于龍馬溪組，其中筇二段可壓性最好，屬于優(yōu)質(zhì)可壓裂層位，具有一定頁巖氣勘探開發(fā)和壓裂改造的潛力。