渝东北盆缘高陡页岩储层的岩石力学特性

张菀乔，廖 礼

(1.重庆地质矿产研究院，重庆 404100； 2.国投重庆页岩气开发利用有限公司，重庆 404100)

渝东北盆缘高陡页岩储层的岩石力学特性

张菀乔1，廖 礼2

(1.重庆地质矿产研究院，重庆 404100； 2.国投重庆页岩气开发利用有限公司，重庆 404100)

渝东北盆缘某区高陡页岩储层具有岩性复杂、非均质性强等特性，其力学性质随岩性变化差异较大。为探寻这一特殊的高陡页岩的岩石力学性质，采用国外先进的力学设备对渝东北盆缘某区X组页岩开展了多应力路径、单轴、巴西力学试验。结果表明：黑色硅质岩各向异性低于黑色炭质页岩，两者各向异性分别为位于一类(碳酸盐)与三类(粉砂质泥岩)之间。黑色硅质岩具有较高的单轴抗压强度及弹性模量，分别为248.7 MPa和71724.1 MPa，属中硬地层；黑色炭质页岩单轴抗压强度及弹性模量均较低，分别为15.3 MPa和7006.8 MPa，且岩石脆性差，均低于50%，压裂过程中黑色炭质页岩形成复杂缝网的难度大。通过分析认为，在该井的储层改造中，以硅质岩为主的层段压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，以炭质页岩为主的层段压裂应选择以低黏度线性胶为主的体积压裂模式，压裂设计原则应为“大液量、大排量、小粒径支撑剂、低砂浓度和转向技术”，并选择脆性指数高的地方进行射孔。

渝东北盆缘；岩石力学试验；矿物组分；脆性指数；压裂

渝东北地区处于四川盆地北部边缘，后期构造活动强烈，褶皱断裂发育，地层倾角大，构造及地表条件复杂，油气勘探程度较低。该区下古生界主要发育下寒武水井沱组合上奥陶统五峰组-下志留龙马溪2套富有机质页岩，页岩富集条件优越，但受沉积环境及后期构造改造的影响，区内页岩发育展布变化较大。该区X组页岩具有极低的基质孔隙度和渗透率，需要大规模压裂才能形成工业产能。除自身天然裂缝外，开发过程中还应考虑储层是否容易改造。研究发现，通过力学试验研究脆性是优选高品质页岩储层的重要参数。国外学者和石油公司都非常重视页岩储层力学特性的评价，但对于大倾角页岩储层(60～70°)力学特性的评价尚未见到系统的研究成果[1-3]。

为了确定渝东北高陡页岩的岩石力学特征，笔者采用国外先进的力学设备对渝东北盆缘某区X组页岩开展了多应力路径、单轴、巴西力学行为研究。同时分析页岩试样的脆性特征，在此基础上提出了该区X组页岩储层改造设计原则、压裂模式和射孔位置，为该区X组页岩成功改造提供了理论基础。

1 地质概况

1.1 构造特征

渝东北某区内构造由一系列北西向紧密线形复式褶皱及斜冲断层组成，构成叠瓦状逆掩推覆构造。区块以高幅抬升/强烈挤压为特点，变形严重、破坏强烈，尤以仁河流域断裂最为发育。现今构造形态表现为高陡状褶皱，地层倾角大，60～70°比较普遍[2-3]。

1.2 页岩储层物性特征

渝东北某区寒武系、奥陶系及志留系发育2套黑色页岩层系，其中X组页岩有机碳含量高，厚度为300～400 m，页岩总体呈北东-南西向展布，分布稳定，是一套高效烃源岩。据取心资料分析结果显示，该组页岩储层孔隙度在0.9%～6.7%之间，平均为4.2%；渗透率在1.66～162 nD之间。

1.3 页岩岩石矿物成分

利用X 射线衍射分析某区页岩气井X组取心资料，矿物成分主要为石英、长石、碳酸盐类、黄铁矿、黏土矿物等(表1)。黄铁矿普遍发育，揭示强还原环境，除炭质泥岩外，硅质岩段脆性矿物含量普遍较高。

表1 页岩储层岩石矿物成分分析结果表Table 1 Analysis results of rock mineral composition of shale reservoir

2 页岩岩石力学特性试验

为了开展该区压裂可压性评价，选择X组具有一定含气性的黑色硅质岩和黑色炭质页岩进行岩石力学特性试验，为后期的储层改造方案提供合理的依据。

2.1 力学试验条件

试验使用TerraTek公司的力学测试荷载仪，选取尽量不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心，采取垂直、45°或平行层理面3种方式取样。岩样加工成直径为1.5 cm ，长度为2.0 cm 的柱状岩心，端面磨平，模拟储层温度、压力条件，进行多应力路径、单轴力学试验及巴西力学试验。

2.2 页岩单轴力学试验

选取X组黑色硅质岩和黑色炭质页岩两种岩石样品，采取垂直取样方式，取样4个，孔隙压力在大气压值下进行单轴抗压力学对比试验。

试验结果表明，X组岩石样品中的黑色硅质岩抗压强度平均为24.877×104kPa，黑色炭质页岩抗压强度平均为1.535×104kPa。黑色硅质岩杨氏模量平均为1.04×107，泊松比平均为0.22；黑色炭质页岩杨氏模量平均为1.016×106，泊松比平均为0.25。其中黑色硅质页岩抗压强度约为黑色炭质页岩抗压强度的10倍左右，在轴向模量变化相同的条件下，黑色硅质页岩需加载的单轴压力远远高于黑色炭质页岩。测试数据结果见表2，轴向应力差与轴向应变的关系如图1所示。

表2 页岩单轴抗压强度测试成果表Table 2 Results table of shale single axial compressive strength test

注：①1 kPa=0.145 psi。

图1 样品轴向应力差与轴向应变关系Fig.1 The relationship between axial stress difference and axial strain of the sample

2.3 多应力路径测试

选取X组黑色硅质岩和黑色炭质页岩两种岩石样品，采取垂直、45°或平行层理面3种方式取样，取样6个，孔隙压力在大气压值下进行多应力路径对比试验。

试验结果表明，X组岩石样品中黑色硅质岩的杨氏模量和泊松比水平方向与垂直方向的比值分别为1.02和1.15，黑色炭质页岩的杨氏模量和泊松比水平方向与垂直方向的比值为分别为1.19和1.36，两类岩石各向异性表现均较弱。测试后黑色硅质岩形成了复杂缝网，而炭质页岩仅形成了少数单一缝，在后期的储层改造中，X组炭质页岩不利于体积缝的形成。测试数据结果见表3，测试后两种岩石样品的图片如图2所示。

表3 多应力路径测试成果表Table 3 Multi-stress path test results table

图2 样品测试后图片Fig.2 Sample pictures after test

2.4 巴西法抗张强度测试

选取X组黑色硅质岩和黑色炭质页岩两种岩石样品，采取垂直和平行层理面2种方式取样，取样4个，进行巴西法抗张强度对比试验。

试验结果表明，X组岩石样品中的黑色硅质岩抗张强度平均为1.896×104kPa，黑色炭质页岩抗压强度平均为0.185×104kPa。测试数据结果见表4。

表4 间接抗张测试(巴西法)结果Table 4 Results of indirect tensile test (Brazilian method)

3 试验结果讨论

X组页岩储层岩石力学特征参数研究表明，该储层黑色硅质岩和黑色炭质页岩岩石力学特性差别较大。黑色硅质岩具有较高的单轴抗压强度及弹性模量，属中硬地层。多应力路径测试试验结果表明，X组黑色硅质岩非常坚硬，其杨氏模量和泊松比水平方向与垂直方向的比值分别为1.02和1.15，杨氏模量和泊松比水平方向与垂直方向的比值位于一类(碳酸盐)与二类(钙质/灰质泥岩)之间，各向异性程度很低，基本可以认为是各向同性的介质。而炭质页岩强度很低，其杨氏模量和泊松比水平方向与垂直方向的比值分别1.19和1.36，比值位于二类(钙质/灰质泥岩)与三类(粉砂质泥岩)之间，属各向异性较低的介质，在压裂设计中若没有其他资料可以按各向同性介质考虑[4-6]。

通过岩石力学特征参数、页岩脆性矿物成分含量，结合测井数据，计算了渝东北某区X组M井储层拟改造层段1600～2600 m岩石的脆性指数，M井炭质页岩储层脆性指数大部分低于50，黑色硅质岩储层脆性指数高于50。根据国外已有的页岩开发经验，岩石脆性与压裂液和支撑剂选取有重要关系，随着岩石脆性的增高，压裂液选择从交联压裂液逐步向滑溜水压裂液过渡，形成的裂缝也由双翼对称裂缝向复杂的网络裂缝过渡；在支撑剂的选取上，岩石脆性指数越高，液体体积用量越大，支撑剂的用量越少，支撑剂浓度越低[7-9]。页岩气压裂目的层脆性指数是重要的可压性分析指标，美国巴肯页岩资源开发中经过多年摸索和试验，最后发现在巴肯脆性指数高的地方射孔和布水平井，其压后产量要比在有机质含量高的上、下巴肯显著提高，因此脆性指数越高，越容易起裂，越有利于形成复杂缝网和降低支撑剂嵌入地层的风险。最重要的是，在相同的地质条件下，在脆性指数相对高的位置射孔并压裂，压后产量也会提高[10-16]。

通过综合分析M井X组页岩储层岩石情况，该组少部分黑色硅质岩属脆性岩石，但大部分黑色炭质页岩脆性不够，因此以硅质岩为主的层段压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，以炭质页岩为主的层段压裂则选择以低黏度线性胶为主的体积压裂模式，压裂设计原则应为“大液量、大排量、小粒径支撑剂、低砂浓度和转向技术”。M井X组纵向上非均质性强，岩性复杂，含气性好的层位脆性不足，不适合射孔，因此该井选择脆性指数高的地方射孔。

4 结论

(1)渝东北某区X组页岩矿物组分主要以石英、长石、碳酸盐类、黄铁矿、黏土矿物为主。其中各组分平均含量分别为：石英矿物20.0% ，黏土矿物18.0%，碳酸盐岩矿物57.0%，黄铁矿矿物5.0%；黄铁矿普遍发育，揭示强还原环境，除炭质泥岩外，硅质岩段脆性矿物含量普遍较高。

(2)岩石三轴力学试验表明，黑色硅质岩各向异性低于黑色炭质页岩，但两者各向异性都较低，位于一类(碳酸盐)与三类(粉砂质泥岩)之间。黑色硅质岩具有较高的单轴抗压强度及弹性模量，属中硬地层；黑色炭质页岩单轴抗压强度及弹性模量均较低，且岩石脆性差，压裂过程中黑色炭质页岩形成复杂缝网的难度大。

(3)综合分析M井X组岩石脆性指数的结果表明，在该井的储层改造中，以硅质岩为主的层段压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，以炭质页岩为主的层段压裂则选择以低黏度线性胶为主的体积压裂模式，压裂设计原则应为“大液量、大排量、小粒径支撑剂、低砂浓度和转向技术”。M井应选择脆性指数高的地方进行射孔。

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TheMechanicalPropertiesofRocksinHighandSteepShaleReservoir,ChongqingNortheastBasinEdge

Zhang Wanqiao1, Liao li2

(1.ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources,Chongqing404100,China；2.SDICChongqingShaleGasDevelopmentandUtilizationCo.,Ltd.,Chongqing404100,China)

The high and steep shale reservoirs district in Chongqing northeast basin edge has complex lithology and strong heterogeneity characteristics, its mechanical properties vary greatly with lithological variation. To explore the special high and steep rock mechanics properties of shale, this article have adopt overseas advanced mechanical equipment to carry out more stress path, uniaxial and mechanics test in Brazil for X group in Chongqing northeast basin edge shale district. The results showed that the black siliceous rock anisotropy below black carbonaceous shale and the anisotropic respectively located in category (carbonate) and between the three categories (silty mudstone). Black siliceous rocks with high uniaxial compressive strength(248.7 MPa) and modulus of elasticity(71724.1 MPa) belong to medium hard formation. The black carbonaceous shale is difficult to form complex network in the process of fracturing because of the low compressive strength(15.3 MPa) and elastic modulus(7006.8 MPa) of the black carbon shale and the poor rock brittleness(≤50%). It was suggested that the siliceous rock should chose silk water for hydraulic fracturing and the reservoir reconstruction should chose low viscosity linear glue for hydraulic fracturing and the fracturing design principle should be “large liquid volume, large displacement, small particle size support agent, low sand concentration and steering technology” and the perforation of the perforation is selected where the hole of the perforation is high.

Chongqing northeast basin edge; mechanics experiments of rocks; the mineral composition; brittleness index; fracturing

张菀乔(1982—)，工程师，2008年硕士毕业于西南石油大学化学工程与工艺专业，主要从事页岩岩样分析检测工作。邮箱：4615974@qq.com.

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