頁巖儲層的巖石力學(xué)特性

摘 要

1頁巖儲層物性特征及礦物組分1.1頁巖儲層物性特征四川盆地某區(qū)寒武系、志留系發(fā)育多套黑色頁巖層系，其中M組頁巖有機碳含量高，分布穩(wěn)定，是一套高效烴源巖[1-3]。據(jù)取心資料分析
1頁巖儲層物性特征及礦物組分
1.1頁巖儲層物性特征
四川盆地某區(qū)寒武系、志留系發(fā)育多套黑色頁巖層系，其中M組頁巖有機碳含量高，分布穩(wěn)定，是一套高效烴源巖[1-3]。據(jù)取心資料分析結(jié)果，該組頁巖儲屋孔隙度分布在2%～5%，原地應(yīng)力條件下測得基質(zhì)滲透率介于0.01-0.001mD級別或更低，但是由于頁巖氣藏受裂縫因素的影響，其局部滲透率可以達到較高的水平。
1·2 頁巖巖石礦物成分
利用x射線衍射分析某區(qū)頁巖氣井M組取心資料，頁巖礦物組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物為主，其中石英礦物含量占43.41%，黏土礦物含量占22.52%，碳酸鹽巖礦物含量占16.67%。黏士礦物中主要以伊利石、綠泥石為主(圖1)。

2頁巖巖石力學(xué)實驗
2.1 力學(xué)實驗條件
實驗利用MTS815型巖石力學(xué)試驗儀，選取M組不含天然層理面、天然裂縫的基質(zhì)巖心，采取垂直或平行層理面2種方式取樣。巖樣加工成直徑為2.54cm，長度為5.50 cm的柱狀巖心，端面磨平，模擬儲層溫度、壓力條件，進行三軸、單軸力學(xué)實驗；巖樣加工成直徑為3.80 cm，長度為l.O0 cm的柱狀巖心，端面磨平，進行巴西力學(xué)實驗。
2.2頁巖三軸力學(xué)實驗
    選取M組不含天然層理面、天然裂縫的基質(zhì)巖心，平行于層理面加工實驗樣品。
    通過三軸巖石力學(xué)實驗，該頁巖儲層基質(zhì)巖石，抗壓強度分布在250～300 MPa，平均抗壓強度為265.75 MPa，平均楊氏模量為4.59×104 MPa，平均泊松比為0.25(表1)，三軸力學(xué)實驗應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖2所示。

 

 
2.3頁巖單軸力學(xué)實驗
    選取M組巖石樣品，采取平行、垂直層理面2種取樣方式，其中水平取樣2個，垂直取樣3個，進行單軸抗壓力學(xué)對比實驗。
    實驗結(jié)果表明，水平方向取樣的巖樣平均楊氏模量為4.70×104 MPa，抗壓強度為69.18 MPa，平均泊松比為0.227；垂直方向取樣的巖樣平均楊氏模量為2.99×104MPa，抗壓強度為l51.92 MPa，平均泊松比為0.175(表2)。
 

 
2.4頁巖巴西力學(xué)實驗
    選取頁巖基質(zhì)巖石樣品，通過實驗測量，頁巖樣品抗張強度介于2～4 MPa，平均為2.94 MPa(表3)。
 
 

3實驗結(jié)果討論
    通過對頁巖儲層巖石力學(xué)特征參數(shù)研究表明，頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)與致密砂巖有相似之處。四川盆地某區(qū)上三疊統(tǒng)須二段致密砂巖儲層巖石力學(xué)實驗結(jié)果表明，抗壓強度平均為235.75 MPa，平均彈性模量為2.94×104 MPa(23個樣品)，與致密砂巖巖石樣品對比，頁巖同樣具有較高的三軸抗壓強度及彈性模量，屬于中硬地層。
    頁巖儲層層理發(fā)育，取樣方式的不同對單軸抗壓力學(xué)實驗結(jié)果影響較大。M組單軸巖石力學(xué)實驗表明，水平方向取樣的巖樣平均楊氏模量為4.70×104MPa，抗壓強度為69.18 MPa；垂直方向取樣的巖樣平均楊氏模量為2.99×104 MPa，抗壓強度為151.92MPa。垂向抗壓強度是水平向抗壓強度的2.2倍，分析認(rèn)為頁巖儲層本身水平層理面發(fā)育，頁巖巖性較脆，易順層理面脆裂，導(dǎo)致水平方向取樣抗壓強度低。
    通過巖石力學(xué)特征參數(shù)、頁巖脆性礦物成分含量結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)，計算了JIf南某區(qū)塊x井頁巖M儲層巖石脆性指數(shù)，X井?dāng)M改造段2 440～2 540 m儲層脆性指數(shù)都超過50(圖3)。根據(jù)國外已有的頁巖開發(fā)經(jīng)驗，巖石脆性與壓裂液和支撐劑選取有重要聯(lián)系，隨著巖石脆性的增高，壓裂液選擇從交聯(lián)壓裂液逐步向滑溜水壓裂液過渡，形成的裂縫也由雙翼對稱裂縫向復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫過渡；在支撐劑的選取上，巖石脆性指數(shù)越高，液體體積用量越大，支撐劑的用量越少，支撐劑濃度越低[4-7]。
 通過綜合分析，X井M組頁巖儲層巖石脆性情況，該組巖石屬于脆性巖石，壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計原則應(yīng)為“大液量、大排量、高前置液比、小粒徑支撐劑、低砂濃度”。
4 結(jié)論
    1)四川盆地M組頁巖礦物組分主要以石英礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物為主，其中石英礦物含量占43.41%，黏土礦物含量占22.52%，碳酸鹽巖礦物含量占l6.67%。黏土礦物中主要以伊利石、綠泥石為主。
    2)巖石三軸力學(xué)實驗表明，頁巖基質(zhì)巖石抗壓強度分布在250～300 MPa，平均抗壓強度為265.75MPa，平均楊氏模量為4.59×104 MPa，平均泊松比為0.25，屬于中硬地層；單軸力學(xué)實驗表明，水平方向取樣的巖樣抗壓強度為69.18 MPa，垂直方向取樣的巖樣抗壓強度為l51.92 MPa，兩者相差2.2倍；巴西力學(xué)實驗揭示，頁巖抗張強度較低，平均為2.94 MPa。
3)通過綜合分析頁巖儲層脆性指數(shù)，表明四川盆地M組頁巖屬于脆性巖石，儲層脆性指數(shù)均超過50，壓裂應(yīng)選擇以滑溜水為主的體積壓裂模式，壓裂設(shè)計應(yīng)遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒徑支撐劑、低砂濃度”的原則。
 
參考文獻
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本文作者：楊建 付永強 陳鴻飛 曾立新 李金穗
作者單位：中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院