昭通淺層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)研究

朱俊星，冷元昊

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)中原儲(chǔ)氣庫(kù)有限責(zé)任公司，河南 濮陽(yáng) 457000；2.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110036）

四川盆地南部昭通區(qū)塊五峰組-龍馬溪組具有儲(chǔ)層厚度優(yōu)質(zhì)、有機(jī)碳硅質(zhì)含量高等優(yōu)點(diǎn)，資源潛力巨大，是我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂改造的主力開(kāi)發(fā)區(qū)。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層作為一種非常規(guī)油氣藏，儲(chǔ)層低孔低滲，常規(guī)方式難以開(kāi)采，要對(duì)其進(jìn)行體積壓裂改造并形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)才能夠使產(chǎn)能穩(wěn)定。這主要取決于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層形成復(fù)雜縫網(wǎng)的能力即可壓性，評(píng)價(jià)其可壓性就要對(duì)其巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究[1-3]。

前人憑借各種資料和方法對(duì)昭通區(qū)塊的巖石特征、沉積背景、形成環(huán)境及賦存機(jī)制等方面開(kāi)展了大量的研究[4-6]，WU 等[7]對(duì)四川盆地及周緣五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)宏微觀賦存機(jī)制進(jìn)行了研究；吳藍(lán)宇等[8]研究了上揚(yáng)子區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組沉積期火山活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖有機(jī)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(yè)巖儲(chǔ)層特征與演化機(jī)制；梁超等[11]探究了四川盆地五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖巖相及儲(chǔ)集空間特征；邱小松等[12]對(duì)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及含氣性特征作了研究，但目前針對(duì)該儲(chǔ)層的巖石力學(xué)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(yè)巖氣儲(chǔ)層巖心為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，綜合儲(chǔ)層脆性、抗壓強(qiáng)度、層理發(fā)育程度及儲(chǔ)層地應(yīng)力，獲得了昭通淺層頁(yè)巖氣巖石力學(xué)性質(zhì)、水力裂縫擴(kuò)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(shí)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(yè)巖氣儲(chǔ)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(guò)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(yè)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(shí)的頁(yè)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(shì)。五峰組由泥質(zhì)介殼灰?guī)r、黑色筆石頁(yè)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(yè)巖與黑色硅質(zhì)頁(yè)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(gè)巖性段。

選取各井不同層位的巖心樣品11 組進(jìn)行X-射線衍射分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，礦物組分中脆性礦物石英和長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)行了TOC 含量檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲(chǔ)層整體TOC 含量在1.3%~6.72%，平均為3.37%，整體屬于較高水平。總體來(lái)看，昭通頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(chǔ)層巖石礦物組分

2 巖樣三軸壓縮力學(xué)參數(shù)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自昭通區(qū)塊三口直井的五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)巖心。試件制備的精度，在試件整個(gè)高度上，直徑誤差不超過(guò)0.3 mm。兩端面的不平行度最大不超過(guò)0.02 mm。端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不超過(guò)0.25°（圖2）。開(kāi)展三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備為電液伺服高壓動(dòng)態(tài)巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)-GCTS 壓機(jī)（圖3），型號(hào)為RTR-1500。RTR 高壓巖石綜合測(cè)試系統(tǒng)是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置，用于簡(jiǎn)便快速的進(jìn)行巖石試樣實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備圍壓最高可達(dá)140 MPa，分辨率約為0.01 MPa，軸壓最高可達(dá)1 500 kN，能夠模擬地層在高壓條件下測(cè)試巖石的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)試得到巖石的楊氏模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)水力壓裂提供參考。樣品深度都位于2 000 m 以內(nèi)，主要來(lái)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(jiàn)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(cè)試系統(tǒng)-GCTS 壓機(jī)

2.2 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

昭通區(qū)塊儲(chǔ)層埋深較淺，小于2 000 m，淺層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層所處的地應(yīng)力較小，相應(yīng)的其抗壓強(qiáng)度以及彈性模量偏低。抗壓強(qiáng)度作為儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)以及可壓性評(píng)價(jià)的因素之一，由三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圍壓小于50 MPa 的條件下，巖石的抗壓強(qiáng)度在106.31~233.37 MPa，整體不超過(guò)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(qiáng)度和彈性模量符合中等偏低的特征。

圖4 三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

各井各層位之間，抗壓強(qiáng)度隨圍壓升高都有增大的趨勢(shì)，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(shì)，且相比于抗壓強(qiáng)度，其增長(zhǎng)幅度及速率較小（圖6）；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯（圖7）。

圖5 圍壓與抗壓強(qiáng)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(chǔ)層巖心的抗壓強(qiáng)度本身較低，但不同深度儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度還是存在一定差異，整體較低的抗壓強(qiáng)度有利于儲(chǔ)層壓裂改造。

并且在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)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(chǔ)層的層理發(fā)育，有利于儲(chǔ)層的壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

圖8 巖心壓后裂縫形態(tài)

3 波速測(cè)量

巖石的沉積過(guò)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(xiàng)力學(xué)性質(zhì)會(huì)直接影響到聲波在巖石中的傳播速度，所以可對(duì)不同巖心進(jìn)行聲波測(cè)試，利用能夠同時(shí)發(fā)射和接收縱波與橫波信號(hào)的儀器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)理論公式對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，得出各巖心動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比。

利用Panametrics 5077PR 巖石聲波儀分別測(cè)試巖樣的徑向及軸向的縱波和橫波波速，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9 所示。

圖9 波速測(cè)量示意圖

巖石聲波測(cè)試時(shí)以聲波在巖石中的傳播特性與巖石的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定聲波在巖石中的傳播特性參數(shù)，得到巖石本身動(dòng)態(tài)力學(xué)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(dòng)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(dòng)態(tài)進(jìn)行代替。但動(dòng)、靜態(tài)彈性模量之間有著明顯的界限，無(wú)論是在高應(yīng)力或者低應(yīng)力加載狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)模量都要大于靜態(tài)彈性模量，所以不進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換將會(huì)對(duì)描述地層性質(zhì)、計(jì)算地應(yīng)力等有很大的影響。通過(guò)計(jì)算可以得到巖樣彈性模量的動(dòng)靜態(tài)關(guān)系為：E靜=0.34E動(dòng)+7.99，如圖11 所示。

圖10 縱橫波速比

圖11 動(dòng)靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系

層理以及天然裂隙是儲(chǔ)層在水力壓裂后能夠形成復(fù)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(chǔ)層改造體積，所以儲(chǔ)層的層理和裂隙的發(fā)育對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。可通過(guò)波速應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)得到巖心樣品微裂隙的發(fā)育程度，以此作為儲(chǔ)層天然裂隙發(fā)育程度的評(píng)價(jià)參數(shù)。巖心應(yīng)力敏感參數(shù)如圖12 所示。

圖12 巖心應(yīng)力敏感參數(shù)

從實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力敏感系數(shù)來(lái)看，儲(chǔ)層整體的應(yīng)力敏感系數(shù)在20.93~69.93 之間，平均為38.8，應(yīng)力敏感程度較高，由此可知昭通區(qū)塊儲(chǔ)層的天然裂隙較發(fā)育，有利于進(jìn)行壓裂改造。

4 結(jié)論

1）儲(chǔ)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(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深小于2 000 m，屬于淺層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，整體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度有利于儲(chǔ)層的壓裂改造。

2）抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨圍壓升高都有增大的趨勢(shì)，且速率逐漸降低；泊松比隨圍壓升高整體呈上升趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯；各井之間Q1 井力學(xué)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(xué)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(yīng)力差較小，有利于裂縫的穿過(guò)，其次為五峰組，裂縫可在內(nèi)部擴(kuò)展。

3）儲(chǔ)層整體的應(yīng)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(fù)雜縫網(wǎng)的形成。