摘 要

　　　　　——以四川盆地W區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例摘　要：頁巖儲層的脆性特性對頁巖氣的開發(fā)效果具有重要影響，脆性頁巖有利于天然裂縫的發(fā)育和壓裂后形成具有一定

　　　　　——以四川盆地W區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例

摘　要：頁巖儲層的脆性特性對頁巖氣的開發(fā)效果具有重要影響，脆性頁巖有利于天然裂縫的發(fā)育和壓裂后形成具有一定導流能力的網狀復雜裂縫，從而提高頁巖產氣量。為了探尋頁巖脆性特征，彌補單一學科技術評價頁巖脆性存在的不足，提出了一種利用x射線衍射、計算彈性參數(shù)和室內巖石力學測試3種技術來綜合評價頁巖脆性的方法，即通過分析頁巖礦物組分含量、泊松比、楊氏模量、橫縱波比參數(shù)和巖石應力、應變性質，對頁巖儲層的脆性特征進行綜合評價。將該方法應用于四川盆地W區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖的脆性評價，結果表明：該區(qū)龍馬溪組二段脆性好于龍馬溪組一段，龍馬溪組二段在1535～1541m層段時，具有高的石英含量，較低的泊松比、橫縱波比和較高的楊氏模量值；深度在l541m時巖樣的應力、應變曲線負坡較陡，頁巖儲層的脆性指數(shù)大于50％，有利于對頁巖儲層進行壓裂改造。實踐證明：該方法具有較高的有效性，與實際壓裂測試結果吻合較好，可作為壓裂選層的重要依據。

關鍵詞：頁巖儲層  脆性  綜合評價方法  彈性參數(shù)  巖石力學  礦物組分  早志留世  四川盆地

A comprehensive evaluation methodology of shale brittleness：A case study from the Lower Silurian Longmaxi Fm in Block W，Sichuan Basin

Abstract：The brittleness of shale formation has an important impact on shale gas extraction．Brittle shale is favorable for the formation of natural fractures and the creation of complex fracture networks with good conductivity through fracturing，thus enhancing shale gas productivity．In order to understand shale brittleness，and to overcome the disadvantages of brittleness evaluation with a single technique，we proposed a comprehensive evaluation method that integrates X-ray diffraction，calculated elastic parameters and laboratory rock mechanics tests，i．e．comprehensively evaluating shale brittleness based on the analysis of mineral components，Poisson¢s ratio，Young¢s modulus and S/P ratio as well as rock stress and strain characteristics．This comprehensive evaluation method was applied to brittleness evaluation of the black shale in the Lower Silurian Longmaxi Fm in Block W，Sichuan Basin．The following resuits were obtained．The brittleness of the second member of Longmaxi Fm is better than that of the first member．The shale in the interval of l535-1541m has a high content of quartz，a low Poisson¢s ratio，a low S／P ratio，and a high Young¢s modulus．The shale sampled at a burial depth of l541 m has a relatively steep negative slope in its stress-strain curve，and its brittleness index is greater than 50％，being favorable for fracturing stimulation．Practices show that this method is highly effective and the evaluation results are in good consistence with the real fracturing test results，thus shale brittleness can be used as one of the major bases for fracturing optimization．

Keywords：shale reservoir，brittleness，comprehensive evaluation method，elastic parameter，rock mechanics，mineral composition，Early Silurian，Sichuan Basin

頁巖的脆性特征是儲層是否易于改造的重要參數(shù)^[1-4]。目前，國內外學者研究頁巖脆性參數(shù)的方法主要有以下4種：①在實驗室對礦物含量進行實測；②用地球物理方法及測井資料求取彈性力學參數(shù)，其中楊氏模量和泊松比最常用來作為表征巖石脆性的參數(shù)^[5]；③在實驗室進行巖石力學實驗，通過應力—應變特征進行評價^[6-8]；④從常規(guī)壓裂試驗手段進行研究。根據國外Barnett頁巖和Woodford頁巖成功壓裂開采效果可知，當脆性礦物含量高、脆性指數(shù)高(均大于40％)時，有利于頁巖氣的壓裂開采。筆者以四川盆地W區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖樣品為例，通過實驗室力學實測方法、礦物成分檢測和地球物理測井計算彈性參數(shù)手段3個方面分析了Wx井的脆性特征，根據脆性特征確定了擬壓裂改造的深度范圍，以此說明頁巖脆性對壓裂改造的指導意義及研究頁巖脆性的重要性。

1　地質特征及巖石礦物組成

1．1　地質特征

四川盆地W區(qū)處于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶皺帶，東及東北與安岳南江低褶皺帶相鄰，南界新店子向斜接自流井凹陷構造群，北西界金河向斜與龍泉山構造帶相望，西南與壽保場構造鞍部相接。該區(qū)龍馬溪組為1套淺海相碎屑巖，發(fā)育多套黑色頁巖層系，有機碳含量高(TOC介于0.35％～l8.4％，平均為2.52％)、厚度大(黑色頁巖厚度介于20～260m)，熱演化成熟度高(R。介于1.8％～3.6％)，是l套高效烴源巖^[9]。據取心資料分析結果，龍馬溪組頁巖儲層孔隙度分布在4.78％～6.14％，平均為5.5％；滲透率介于0.0897～0.00555mD。據此推斷，龍馬溪組頁巖儲層屬于低孔隙度、低滲透率儲集巖，有具備儲集頁巖氣的良好地質條件。

由于四川盆地龍馬溪組受加里東運動抬升影響，致使西南向東南厚度分布不均(0～200m)，W區(qū)圍繞樂山—龍女寺古隆往東南方向變厚；龍馬溪組由上至下巖性顏色加深、砂質減少、有機質含量增高。根據實際井巖心描述以及測井巖電特征，將龍馬溪組分為龍馬溪組一段(深度介于l379～1505m)和龍馬溪組二段(深度介于l505～1545m)。

1．2　巖石礦物組成

頁巖的礦物組成主要分為硅酸鹽巖類、碳酸鹽巖類和黏土類3種。脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素^[10-16]。頁巖中黏土礦物含量越低，硅酸鹽巖中石英、長石和碳酸鹽巖中方解石等脆性礦物含量越高，巖石脆性越強^[17-19]，有利于誘導裂縫的產生，形成網狀裂縫，易于實現(xiàn)體積改造^[20-21]，提高頁巖氣單井產量。而高黏土礦物含量的頁巖塑性強，吸收能量，以形成平面裂縫為主，不利于頁巖體積改造。目前美國成功開發(fā)的Barnett頁巖和Woodford頁巖脆性礦物含量高(大于40％)，黏土礦物含量低(小于30％)。四川盆地龍馬溪組頁巖的礦物組成情況見圖l。

 

2　頁巖脆性綜合評價法

2．1　X射線衍射分析

利用X射線衍射分析W區(qū)Wx井龍馬溪組的取心資料(圖1)，整體地層礦物組分有相當明顯的變化。水敏性黏土含量低，混層伊利石—蒙脫石含量比重為1％～2％。綠泥石在深度介于l422.5～l515.6m的范圍內含量高，比重為5％～l8％，并隨著鐵質白云巖含量的增加而減少，伊利石和綠泥石的趨勢相同。大量的鐵白云巖存在于深度為l521.5～1533.3m的樣品中，比重為l5％～38％；在其他深度的樣品中，鐵白云巖含量低?？傮w上龍馬溪組一段(深度介于l379～1505m)綠泥石、伊利石類黏土礦物含量所占比重與石英和少量碳酸鹽巖含量相當；龍馬溪組二段(深度介于1505～1545m)方解石、鐵質白云石類碳酸鹽巖含量隨著深度的變化而增加，巖樣深度l541m時，石英含量最高，為75％。整體評價龍馬溪組二段較一段脆性好，根據巖心礦物分析計算Wx井脆性指數(shù)為30％～75％，龍馬溪組二段深度介于l535～1541m時脆性指數(shù)大于50％，適合進行壓裂改造。

2．2　地球物理測井方砝

頁巖地球物理測井方法為優(yōu)化頁巖氣鉆井及儲層壓裂改造部署提供必要的技術支撐^[22-24]，為水平井的著落點和后期的完井作業(yè)提供有效的指導參數(shù)。借鑒國外頁巖氣勘探開發(fā)的成功經驗，通過測井資料計算得到的楊氏模量和泊松比^[25-26]作為評價頁巖脆性的主要依據。Rickman等人在2007年針對Barnett頁巖進行了經驗總結，認為低泊松比、高彈性模量的頁巖意味著其脆性(可壓裂性)越強^[5]。貝克休斯和哈里伯頓公司應用橫縱波時差來計算巖石的楊氏模量和泊松比，以此評價頁巖的脆性程度^[5，27]；斯倫貝謝公司通過應用縱橫波時差和最小水平應力的各向異性模型來計算最小水平應力，通過最小水平應力來優(yōu)選水平著陸點和壓裂／射孔層段。圖2是四川盆地龍馬溪組Wx井泊松比、橫縱波時差比和楊氏模量預測圖。依據下列公式^[28]：

 

 

 

式(1)中DTs、DTc分別為地層橫波時差，縱波時差；v為泊松比。根據公式(1)推導出公式(2)，求出橫縱波時差比，并與泊松比變化相比較，從而確定頁巖的脆性程度。公式(3)中rb為體積密度；E為楊氏模量。

整體龍馬溪組楊氏模量介于l×10⁴～3.5×10⁴MPa，平均為2.3×10⁴MPa；泊松比介于0.1～0.37，平均為0.24。通過圖3可以看出，龍馬溪組一段楊氏模量平均值為1.4×10⁴MPa，泊松比平均值為0.3；龍馬溪組二段楊氏模量平均值為l.8×10⁴MPa，泊松比平均值為0.23。龍馬溪組二段較龍馬溪組一段具有低泊松比，高楊氏模量，說明其脆性優(yōu)于一段。圖4為橫縱波時差比和泊松比的交會圖，可以看出龍馬溪組二段的橫縱波時差比明顯低于一段，說明低橫縱波時差比參數(shù)用于表征頁巖的脆性程度是有效的。

 

 

2．3　頁巖巖石力學實驗

通過對Wx井的脆性研究，可知龍馬溪組二段脆性條件優(yōu)于龍馬溪組一段，且龍馬溪組二段在深度l535～l541m時最具叮壓裂性，為進一步證明其可行性，進行了巖石力學實驗。

2．3．1準備條件

選取的2塊巖心均來自Wx井龍馬溪組二段，圖2中紫紅色和藍色點所處位置，取樣深度分別為l52lm和l54lm。為了更好地進行力學實驗，從巖心樣品切割獲得1個柱狀巖心栓，利用磨平機磨平兩端，使根部接地互相平行于彼此，以保證樣品端面平滑。通過巖石力學實驗儀，模擬儲層溫度、圍壓，進行三維壓縮實驗。

2．3．2三維壓縮實驗結果分析

通過巖石力學實驗，龍馬溪組二段頁巖儲層基質巖石，抗壓強度分布在91～152MPa，平均抗壓強度為121.98MPa，平均楊氏模量為2.15×10⁴MPa，平均泊松比為0.23(表1)。測試數(shù)據分析結果可知，巖樣2對比巖樣l具有低泊松比和高楊氏模量的特征，說明龍馬溪組二段在深度1541m時，頁巖脆性程度最優(yōu)，與先前的礦物分析和脆性指數(shù)得到的結論相符。

 

三維壓縮實驗應力  應變曲線如圖5、6所示。巖石材料的塑性與脆性可根據應力、應變曲線上負坡的坡降大小來劃分。負坡較陡者為脆性，反之為塑性。由圖5、6可知：巖樣1和巖樣2在應力分別為l2000psi(1psi＝6.895kPa)和20000psi時，應變?yōu)?span lang="EN-US">0.01、0.009時破碎，屬于脆性巖石，且?guī)r樣2應力、應變曲線上的負坡較陡，故其脆性優(yōu)于巖樣1。

 

 

2．4　綜合分析及效果

上述方法對W區(qū)龍馬溪組脆性的深化研究，從礦物組成分析認為龍馬溪組二段隨深度增加石英、碳酸鹽巖含量增加，在深度l541m時石英含量占比重最大，脆性表現(xiàn)最優(yōu)且脆性指數(shù)大于50％。測井資料計算彈性參數(shù)值與2塊巖樣實測彈性參數(shù)值具有很高的吻合性(圖2)。

結合巖樣應力、應變結果，認為龍馬溪組二段在深度1541m左右時脆性最優(yōu)，對比3種方法綜合評價結果認為適合壓裂改造深度為1535～1541m。根據目前掌握壓裂測試資料得知，龍馬溪組二段目的層在深度l523m開始出現(xiàn)壓力異?，F(xiàn)象，測井解釋結果顯示在深度1523～l541m有含氣顯示。依據脆性礦物含量高、黏土含量低的特點，壓裂選擇滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂分為3段，射孔總厚度為9m，加砂量為l20m³，壓裂液和支撐劑注入的改造效果通過微地震裂縫監(jiān)測系統(tǒng)觀測證實形成了具有導流的網狀復雜裂縫，試氣初期，頁巖氣產量為2000～3000m³／d，頁巖氣無硫化氫，甲烷含量超過98％，氣質非常純凈。結果表明，綜合脆性評價方法有較高的有效性，與實際壓裂測試結果吻合較好，同時也說明脆性評價研究對頁巖氣開發(fā)生產具有重要的指導意義。

3　結論

1)龍馬溪組一段主要以伊利石和綠泥石類的黏土礦物為主，石英類的硅酸鹽巖礦物和碳酸鹽巖礦物次之，龍馬溪組二段石英類的硅酸鹽巖礦物和碳酸鹽巖礦物含量高，整體上，龍馬溪組二段的脆性優(yōu)于龍馬溪組一段。龍馬溪組二段在深度為l541m時石英含量為75％，脆性指數(shù)在深度為l535～l541m時大于50％，適于壓裂改造。礦物含量組分的不同，導致儲層巖石的脆性不同。石英含量越高，頁巖的脆性指數(shù)越大；碳酸鹽巖類含量也是頁巖儲層中的易脆組分，同時也是判斷裂縫是否發(fā)育的一項重要指標。

2)測井預測和巖石力學分析表明，龍馬溪組二段較一段有相對低的泊松比、橫縱波比和較高的楊氏模量值，巖樣在深度l541m時脆性條件最優(yōu)。與礦物分析和計算的脆性指數(shù)在深度l535～1541m時分析的脆性結果相符。力學實驗不僅可以通過測得彈性參數(shù)值對頁巖的脆性進行評價，也可以從應力—應變特征進行評價，為壓裂選層和設計改造提供參考依據。

3)滑溜水為主的體積壓裂模式，是針對頁巖氣藏改造的技術，尤其對儲層脆性較高、天然裂縫發(fā)育地層適用。其特點可提高形成一定導流能力的網狀縫，進而產生較大裂縫與地層的接觸面積從而提高產量，相對其他傳統(tǒng)壓裂模式成本低。壓裂技術的提高對于頁巖氣儲層成功開發(fā)起著決定性作用，應給予足夠重視。

 

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本文作者：王鵬  紀友亮  潘仁芳  王志章  伍媛

作者單位：中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室

  長江大學油氣資源與勘查技術教育部重點實驗室