頁巖儲層微觀破裂特征實驗研究

趙志紅 郭建春 楊經棟 王杏尊 鮑文輝

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.華北油田勘探開發研究院，河北任丘 062552；3.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津塘沽 300450）

水力壓裂是頁巖儲層勘探開發的關鍵技術［1-9］，然而，在宏觀上形成復雜網狀裂縫溝通較大儲層體積的同時，在水力裂縫壁面上能否形成大量微裂縫以及水力裂縫壁面的平整程度，對進一步增大改造儲層體積，改善頁巖儲層的滲流環境具有較大的影響。因此，頁巖儲層破裂面特征的研究極其重要。李華［10］利用EPM-180 掃描電鏡對劈裂后的巖樣進行了掃描分析，結果表明，長石主要是脆性解理斷裂，其斷口形貌有山脊狀、河流狀、舌狀等。劉京紅［11］利用CT掃描分析了巖石破裂過程裂紋分形特征，揭示巖石裂紋從萌生、擴展到貫通的細觀破損機理。筆者利用四川盆地和濟陽凹陷頁巖巖樣，通過3D掃描儀和電子顯微鏡，研究了不同礦物含量的頁巖破裂面特征和微觀形態。

1 實驗樣品與方法

1.1 樣品

實驗樣品來源于四川盆地和環渤海灣盆地泥頁巖儲層的劈裂破壞巖樣，利用X射線衍射儀分析樣品的礦物組成（表1），巖樣主要由方解石、石英和黏土礦物組成，且各巖樣的礦物組成差異較大。巖樣1#～5#中，黏土和石英含量規律性不強，而方解石含量逐漸增大。

表1 巖樣礦物成分

1.2 實驗儀器與分析方法

為了進一步分析劈裂破壞巖樣破裂面的形態，采用意大利杰士公司生產的XSM-LC桌面型多功能3D激光掃描儀對巖樣破裂面進行激光掃描。將巖樣破裂面與水平面呈平行放置，設置掃描精度為0.1 mm。通過對破裂面的掃描得到破裂面上間隔為0.1 mm的每點三維數據，以每塊巖樣的Z坐標最小值為坐標原點，對巖樣Z坐標的數據進行統一。將三維數據導入軟件Surfer8.0中繪制破裂面高度等值線圖，該圖可形象表征破裂面的平整程度。

2 礦物對細觀破裂面影響分析

將5個巖樣用三軸巖石力學測試裝置進行破裂實驗后，利用3D掃描儀對破裂面進行激光掃描。掃描得到的三維數據用Surfer8.0軟件繪制的破裂面高度等值線圖見圖1～5。

圖1 1#巖樣破裂面高度等值線圖

圖2 2#巖樣破裂面高度等值線圖

圖3 3#巖樣破裂面高度等值線圖

圖4 4#巖樣破裂面高度等值線圖

圖5 5#巖樣破裂面高度等值線圖

分析圖中的等值高度線分布特征，認識到：方解石含量較高的4#和5#巖樣破裂剖面等高線分布更有規律，而方解石含量較低的1#、2#和3#巖樣等高線分布比較雜亂，說明方解石含量對破裂面形態有較大影響。方解石含量越高，破裂面等高線分布越規律。

對于頁巖儲層剪切破裂自支撐裂縫，粗糙破裂面不同的粗糙程度必然影響支撐裂縫的導流能力，相對規則的破裂面有利于錯動后形成類似多條微裂縫的滲流通道，對改善儲層的滲流能力更有利。

3 礦物對微觀破裂形態影響分析

3.1 微觀破裂面裂縫

利用掃描電鏡觀察樣品的破裂面，發現方解石含量相對較低的1#、2#和3#巖樣的破裂面上沒有微裂縫，而方解石含量較高的4號和5號巖樣的破裂面上產生了微裂縫，且黏土含量更低的5號巖樣上的微裂縫發育程度更高（圖6～10）。

圖6 1#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖7 2#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖8 3#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖9 4#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

圖10 5#巖樣破裂面低倍電鏡掃描圖

研究表明：方解石含量較高的頁巖儲層破裂面上易形成微裂縫，能較好地溝通基質，形成復雜的裂縫網絡，有利于頁巖儲層改造。

3.2 微觀斷裂特征

巖樣微觀斷裂形式包括沿晶斷裂、穿晶斷裂、剪切斷裂。沿晶斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶粒間界所發生的一種低能吸收過程的斷裂；穿晶斷裂是指穿過晶粒發生斷裂，又稱為解理斷裂，其主要特征是在斷面形成河流狀花樣、臺階狀花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、根狀花樣；剪切斷裂的明顯特征是出現平行滑移線花樣和蛇行滑動花樣［11］。

由高倍電鏡掃描實驗觀察到：方解石含量低、黏土含量較高的1#巖樣主要是穿晶斷裂，在方解石含量中等、黏土含量較低的2#和3#巖樣存在穿晶斷裂和剪切斷裂2種形式，而在方解石含量較高、黏土含量低的4#巖樣，主要為剪切斷裂（圖11～14）。

圖11 1#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖12 2#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖13 3#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

圖14 4#巖樣破裂面高倍電鏡掃描圖

研究結果表明，方解石含量越高，越易產生剪切斷裂，而剪切斷裂是頁巖儲層形成網狀裂縫的主要形式，因此，方解石含量高、黏土含量低的儲層更易產生網狀裂縫。

4 結論

（1）本文嘗試從礦物的角度分析泥頁巖的破裂形態，并建立了從微觀到宏觀的分析方法，為頁巖破裂特征分析提供了一種新方法。

（2）通過實驗分析，初步認識了方解石和黏土含量對泥頁巖破裂形態的影響規律，方解石含量越高、黏土含量越低的泥頁巖儲層，越易產生剪切斷裂，并在破裂面上越易產生微裂縫，對頁巖儲層形成網狀裂縫越有利，因此，頁巖儲層縫網壓裂時應考慮選擇方解石含量較高的層段壓裂。

（3）本文僅對有限的劈裂破壞的巖樣進行分析，建議后續對多種破裂形式、更多區域巖石和礦物進行分析。

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