昭通淺層頁巖氣儲層巖石力學性質(zhì)研究

朱俊星，冷元昊

（1.國家管網(wǎng)集團中原儲氣庫有限責任公司，河南 濮陽 457000；2.遼寧大學 環(huán)境學院，沈陽 110036）

四川盆地南部昭通區(qū)塊五峰組-龍馬溪組具有儲層厚度優(yōu)質(zhì)、有機碳硅質(zhì)含量高等優(yōu)點，資源潛力巨大，是我國頁巖氣壓裂改造的主力開發(fā)區(qū)。頁巖氣儲層作為一種非常規(guī)油氣藏，儲層低孔低滲，常規(guī)方式難以開采，要對其進行體積壓裂改造并形成復雜的裂縫網(wǎng)絡才能夠使產(chǎn)能穩(wěn)定。這主要取決于頁巖氣儲層形成復雜縫網(wǎng)的能力即可壓性，評價其可壓性就要對其巖石的力學性質(zhì)進行研究[1-3]。

前人憑借各種資料和方法對昭通區(qū)塊的巖石特征、沉積背景、形成環(huán)境及賦存機制等方面開展了大量的研究[4-6]，WU 等[7]對四川盆地及周緣五峰組-龍馬溪組頁巖有機質(zhì)宏微觀賦存機制進行了研究；吳藍宇等[8]研究了上揚子區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組沉積期火山活動對頁巖有機質(zhì)富集程度的影響；王玉滿等[9]探究了四川盆地東部五峰組-龍馬溪組斑脫巖發(fā)育特征及地質(zhì)意義；王濡岳等[10]研究了五峰組-龍馬溪組頁巖儲層特征與演化機制；梁超等[11]探究了四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖巖相及儲集空間特征；邱小松等[12]對五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征作了研究，但目前針對該儲層的巖石力學性質(zhì)的研究還較少。

本文以昭通上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組淺層頁巖氣儲層巖心為研究對象，結(jié)合實驗室數(shù)據(jù)，綜合儲層脆性、抗壓強度、層理發(fā)育程度及儲層地應力，獲得了昭通淺層頁巖氣巖石力學性質(zhì)、水力裂縫擴展主控因素及縫網(wǎng)形成能力，為研究區(qū)下一步的工程措施實施提供了有效的技術(shù)支持。

1 地區(qū)巖層概況及礦物組成

昭通示范區(qū)淺層頁巖氣儲層地表以云貴高原山地地貌為特征，構(gòu)造位置上處于四川盆地川南低陡褶皺帶與滇黔北坳陷過渡部位[13-15]。區(qū)內(nèi)發(fā)育有海相與陸相2 套地層，海相頁巖主要有下震旦統(tǒng)陡山沱組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組及上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組3套，以五峰組-龍馬溪組為現(xiàn)實的頁巖氣主要勘探目的層系[16-20]。五峰組-龍馬溪組龍一1 亞段東西方向發(fā)育穩(wěn)定，而南北方向有變化，厚度整體呈現(xiàn)由北向南減薄趨勢。五峰組由泥質(zhì)介殼灰?guī)r、黑色筆石頁巖組成，厚度較薄，一般為2.0~6.0 m；龍馬溪組龍一1 亞段以炭質(zhì)頁巖與黑色硅質(zhì)頁巖為主，富含筆石化石和黃鐵礦，厚20.0~40.0 m。依據(jù)電性、巖性和筆石化石特征，在縱向上可劃分出龍馬溪組一段和龍馬溪組二段2 個巖性段。

選取各井不同層位的巖心樣品11 組進行X-射線衍射分析，實驗結(jié)果如圖1 所示。實驗結(jié)果表明，礦物組分中脆性礦物石英和長石的含量在27.5%~58.6%，平均為46.25%，黏土礦物含量在15.1%~35.3%之間，平均為26.68%，巖心樣品中的白云石和方解石含量為10.7%~42.7%，平均為27.07%，此外還含有少量的黃鐵礦，總體上石英和長石所占比例較高，脆性整體較好。此外，又選取了13 組巖心樣品進行了TOC 含量檢測，實驗結(jié)果表明，儲層整體TOC 含量在1.3%~6.72%，平均為3.37%，整體屬于較高水平?？傮w來看，昭通頁巖氣儲層整體脆性礦物含量較高，TOC 含量較高，巖石脆性整體屬于較高水平，有利于壓裂改造。

圖1 昭通區(qū)塊儲層巖石礦物組分

2 巖樣三軸壓縮力學參數(shù)研究

2.1 實驗樣品及實驗裝置

實驗樣品來自昭通區(qū)塊三口直井的五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層巖心。樣品沿垂直地層取心，切割成25 mm 直徑，高度為直徑的2 倍，約為50 mm 的標準巖心。試件制備的精度，在試件整個高度上，直徑誤差不超過0.3 mm。兩端面的不平行度最大不超過0.02 mm。端面應垂直于試件軸線，最大偏差不超過0.25°（圖2）。開展三軸巖石力學實驗的設備為電液伺服高壓動態(tài)巖石三軸測試系統(tǒng)-GCTS 壓機（圖3），型號為RTR-1500。RTR 高壓巖石綜合測試系統(tǒng)是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置，用于簡便快速的進行巖石試樣實驗。該設備圍壓最高可達140 MPa，分辨率約為0.01 MPa，軸壓最高可達1 500 kN，能夠模擬地層在高壓條件下測試巖石的三軸壓縮實驗，測試得到巖石的楊氏模量、泊松比、抗壓強度等力學參數(shù)，為設計水力壓裂提供參考。樣品深度都位于2 000 m 以內(nèi)，主要來自龍一2、龍一11、龍一12、龍一14和五峰層位的巖心樣品，取心情況見表1。

表1 各井各層位取心情況 m

圖2 昭通地區(qū)巖心樣品

圖3 巖石三軸測試系統(tǒng)-GCTS 壓機

2.2 三軸壓縮實驗結(jié)果

昭通區(qū)塊儲層埋深較淺，小于2 000 m，淺層頁巖氣儲層所處的地應力較小，相應的其抗壓強度以及彈性模量偏低?？箟簭姸茸鳛閮恿W性質(zhì)以及可壓性評價的因素之一，由三軸壓縮實驗結(jié)果表明，圍壓小于50 MPa 的條件下，巖石的抗壓強度在106.31~233.37 MPa，整體不超過250 MPa（圖4）。彈性模量在10.3~28.4 GPa，泊松比在0.2~0.39，整體表現(xiàn)出的抗壓強度和彈性模量符合中等偏低的特征。

圖4 三軸壓縮應力應變曲線

各井各層位之間，抗壓強度隨圍壓升高都有增大的趨勢，且速率逐漸降低（圖5）；彈性模量隨圍壓升高都有增大的趨勢，且相比于抗壓強度，其增長幅度及速率較小（圖6）；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢，但趨勢并不明顯（圖7）。

圖5 圍壓與抗壓強度關(guān)系曲線

圖6 圍壓與彈性模量關(guān)系曲線

圖7 圍壓與泊松比關(guān)系曲線

綜上，由于層理及微裂隙的影響，儲層巖心的抗壓強度本身較低，但不同深度儲層的抗壓強度還是存在一定差異，整體較低的抗壓強度有利于儲層壓裂改造。

并且在三軸壓縮實驗后，觀察發(fā)現(xiàn)巖心裂縫形態(tài)呈現(xiàn)出許多水平裂隙（圖8），顯示出儲層的層理發(fā)育，有利于儲層的壓裂改造形成復雜縫網(wǎng)。

圖8 巖心壓后裂縫形態(tài)

3 波速測量

巖石的沉積過程、孔隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)成成分等物理特性，以及巖石的各項力學性質(zhì)會直接影響到聲波在巖石中的傳播速度，所以可對不同巖心進行聲波測試，利用能夠同時發(fā)射和接收縱波與橫波信號的儀器采集實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應理論公式對所得數(shù)據(jù)進行進一步處理，得出各巖心動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比。

利用Panametrics 5077PR 巖石聲波儀分別測試巖樣的徑向及軸向的縱波和橫波波速，實驗裝置如圖9 所示。

圖9 波速測量示意圖

巖石聲波測試時以聲波在巖石中的傳播特性與巖石的物理力學參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過測定聲波在巖石中的傳播特性參數(shù)，得到巖石本身動態(tài)力學參數(shù)：軸向縱波波速范圍為3.81~4.91 km/s，軸向橫波范圍1.61~4.92 km/s；徑向縱波波速范圍為2.2~3.52 km/s，徑向橫波范圍0.98~2.93 km/s，縱橫波速比Vp/Vs 平均為1.56（圖10）。動態(tài)泊松比和靜態(tài)泊松比一般相差較小，所以一般并不轉(zhuǎn)換成靜態(tài)，直接用動態(tài)進行代替。但動、靜態(tài)彈性模量之間有著明顯的界限，無論是在高應力或者低應力加載狀態(tài)下，動態(tài)模量都要大于靜態(tài)彈性模量，所以不進行動靜態(tài)轉(zhuǎn)換將會對描述地層性質(zhì)、計算地應力等有很大的影響。通過計算可以得到巖樣彈性模量的動靜態(tài)關(guān)系為：E靜=0.34E動+7.99，如圖11 所示。

圖10 縱橫波速比

圖11 動靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系

層理以及天然裂隙是儲層在水力壓裂后能夠形成復雜縫網(wǎng)的重要因素之一，層理及天然裂縫越發(fā)育，越有可能形成較大的儲層改造體積，所以儲層的層理和裂隙的發(fā)育對巖石的力學性質(zhì)有著重要的影響?？赏ㄟ^波速應力敏感實驗得到巖心樣品微裂隙的發(fā)育程度，以此作為儲層天然裂隙發(fā)育程度的評價參數(shù)。巖心應力敏感參數(shù)如圖12 所示。

圖12 巖心應力敏感參數(shù)

從實驗得到的應力敏感系數(shù)來看，儲層整體的應力敏感系數(shù)在20.93~69.93 之間，平均為38.8，應力敏感程度較高，由此可知昭通區(qū)塊儲層的天然裂隙較發(fā)育，有利于進行壓裂改造。

4 結(jié)論

1）儲層整體上，昭通上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組淺層頁巖氣儲層埋深小于2 000 m，屬于淺層頁巖氣儲層，整體抗壓強度和彈性模量較低，礦物成分中以石英、黏土礦物為主，脆性較好，TOC 含量高。巖石整體較高的脆性以及較低的抗壓強度有利于儲層的壓裂改造。

2）抗壓強度、彈性模量隨圍壓升高都有增大的趨勢，且速率逐漸降低；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢，但趨勢并不明顯；各井之間Q1 井力學性質(zhì)及可壓性最好，其次是S8，最次是S7；層位之間龍一11和龍一12巖石力學性質(zhì)及可壓性較好，脆性礦物含量較高，脆性指數(shù)較高，層間應力差較小，有利于裂縫的穿過，其次為五峰組，裂縫可在內(nèi)部擴展。

3）儲層整體的應力敏感程度較高，其水平層理以及天然裂隙較為發(fā)育，有利于壓裂后復雜縫網(wǎng)的形成。