准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组岩性对岩石力学特性的影响

李 鹏，熊 健，晏 奇，朱政文，刘向君，吴 俊，王振林，张 磊

1.中国石油 新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000;2.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500

随着能源需求的增加、勘探开发技术的进步，非常规油气资源的开发力度在不断加大，尤其是我国页岩气的商业化开采，极大促进了我国页岩油的勘探开发[1-5]。我国页岩油资源潜力巨大，其中，准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组页岩油的勘探前景较好[6-8]。目前，针对准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组储层进行了大量的研究，在沉积环境[9-10]、成岩作用特征[11-12]、储层特征及成藏控制因素[13-16]、储层预测[17]等方面取得了一定的成果与认识，有效推动了该层组页岩油的勘探开发。同时，地质工程一体化技术已经在玛湖凹陷致密砂砾岩油藏中得到推广应用，取得了良好的开发效果[18-20]，也在玛湖凹陷风城组页岩油勘探开发中得到应用[21]。储层地质力学参数在地质工程一体化中有着重要的作用，且岩石力学参数是储层地质力学研究的基础[22]。因此，有必要开展玛湖凹陷下二叠统风城组储层的岩石力学规律研究。

目前，学者们对煤岩、页岩、砂岩、碳酸盐岩、砂砾岩等不同岩性岩石的力学特性开展了大量研究工作，并取得显著的成果。闫长辉等[23]通过室内力学试验研究了川西须家河组致密砂岩变形特性和破裂特性；孙珂等[24]研究了古近系阜宁组砂岩粒度、石英含量、黏土矿物含量等对力学性质的影响；梁利喜等[25-26]研究了四川盆地龙马溪组页岩气储层岩石的力学特性和破坏特性；刘向君等[27]研究了玛湖凹陷百口泉组砂砾岩岩石的力学特性与裂缝扩展规律；李泽华等[28]研究了碳酸盐岩岩石的抗压特性、抗剪特性及其断裂特性；高阳等[29]研究了吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层的岩石力学特征；刘冬桥等[30]研究了节理煤岩在复杂应力条件下强度、变形行为和复杂破坏模式；李庆辉等[31]研究了超深层白垩系巴什基奇克组砂岩的抗压特性、抗张特性、抗剪特性以及破裂特性。然而，对准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组岩石力学特性和破坏模式等方面还有待开展深入研究。本文以玛湖凹陷下二叠统风城组储层岩石为研究对象，通过三轴压缩试验、巴西劈裂法和断裂韧性试验开展了风城组岩石的力学行为研究，探讨风城组储层不同岩性岩石的抗压特性、抗张特性等，从而揭示风城组储层不同岩性岩石的力学特性。在此基础上，讨论矿物组成对风城组储层岩石强度参数的影响，以期为玛湖凹陷风城组储层的安全高效钻进和高效压裂改造提供支撑。

1 实验样品

实验样品采自准噶尔盆地玛湖凹陷四口风险勘探井的下二叠统风城组储层井下岩心，岩性主要为白云质泥岩、白云质粉砂岩、白云质细砂岩、凝灰质细砂岩、熔结凝灰岩、灰质泥岩、安山岩等(表1)，以及凝灰质砂砾岩(MY1井，4 875.08～4 875.64 m)等，其中云质类岩性的储集层是风城组页岩油优质储层[6-17]。从表1可以看出，风城组的岩性较复杂，在纵向上、横向上的分布变化快、分布差异明显，说明风城组储层岩石具有较强的非均质性。从风城组岩样的XRD测试结果(图1)和岩样的典型薄片(图2)可看出，风城组岩样的矿物组成较复杂，包含有多种矿物成分，矿物含量的分布范围广，其中主要以石英、斜长石、白云石等为主，黏土矿物相对较少；石英含量分布在7.9%～79.4%，斜长石含量分布在5.2%～60.9%，白云石含量分布在3.4%～56.5%，而黏土矿物含量分布在0.5%～17.8%。相同岩性岩样的不同矿物含量分布范围也较广(表1，图1)。

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组岩样的矿物组成

图2 准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组样品典型薄片

表1 准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组岩样的取样信息

为了达到研究目的，钻取多种岩性岩样，分别设计了单轴压缩试验、三轴压缩试验、巴西劈裂试验和巴西人字形切槽圆盘试验(断裂韧性试验)。基于试验结果，重点分析了不同岩性岩样的单轴抗压强度、三轴抗压强度、弹性模量和泊松比、抗张强度、断裂韧性等强度参数的差异。试验中岩样的制取依据《工程岩体试验方法标准：GB/T50266—2013》的相关要求制样，单轴/三轴压缩实验样品尺寸为φ25 mm×50 mm，巴西劈裂实验样品尺寸为φ25 mm×20～25 mm，巴西人字形切槽圆盘实验样品尺寸为φ50 mm×20 mm。单/三轴压缩试验在TRC-100高温高压岩石三轴流变仪上进行，实验过程中采用位移控制模式，以0.2 mm/min的应变加载速率进行轴向载荷加载，且连续施加载荷直至岩样破坏，并获取应力—应变曲线，从而计算获得岩样的抗压强度、弹性模量和泊松比。巴西劈裂试验和断裂韧性试验在50 kN拉压机上进行，实验过程中采用位移控制模式，以1.0 mm/min的应变加载速率进行轴向载荷加载，且连续施加载荷直至岩样破坏，并获取位移—载荷曲线，从而计算获得岩样的抗张强度、断裂韧性。

2 实验结果

为了研究玛湖凹陷下二叠统风城组储层岩石的力学特性，钻取不同岩性的岩样，分别进行了三轴压缩测试、巴西劈裂测试和断裂韧性测试，其中单轴压缩测试17组，三轴压缩测试15组，巴西劈裂法测试27组，断裂韧性测试16组。在实验结果基础上，分别获取了岩石抗压强度、弹性模量、泊松比、抗张强度和断裂韧性等参数。

2.1 岩石力学特性

岩样的单轴、三轴压缩试验结果如图3至图5所示。从图3中可看出，风城组不同岩性岩样抗压强度表现有差异，相同岩性岩样抗压强度具有明显的离散性，其中白云质泥岩、白云质细砂岩、凝灰质细砂岩、凝灰质砂砾岩和熔结凝灰岩的单轴抗压强度平均值分别为113.3，68.2，130.5，102.6，54.4 MPa。这说明了玛湖凹陷风城组储层岩石单轴抗压强度存在较明显的非均质性。同时，图4、图5中还可发现，风城组不同岩性岩样的弹性模量、泊松比的差异较明显，且与围压之间无明显的相关性。总体上看，云质类岩石(白云质泥岩、白云质细砂岩)弹性模量大于凝灰质类(凝灰质细砂岩、凝灰质砂砾岩和熔结凝灰岩)，而云质类岩石的泊松比小，这说明云质类岩石的脆性指数强于凝灰质类岩石(图6)。玛湖凹陷风城组储层不同岩性岩石力学特性差异将影响储层不同岩性层段的井壁失稳预防措施和压裂改造措施。

图3 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性岩样单轴和三轴抗压强度对比

图4 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性岩样弹性模量对比

图5 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性岩样泊松比对比

图6 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性岩样脆性指数对比

高阳等[29]通过室内实验总结了准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层地层条件下(3 030～3 120 m)不同岩性岩石的抗压强度(表2)，其中白云质砂岩抗压强度为227.67 MPa，泥岩抗压强度为293.35 MPa，泥质粉砂岩抗压强度为161.84 MPa，灰质砂岩抗压强度为223.76 MPa，粉砂质泥岩抗压强度为269.64 MPa。然而准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩油储层地层条件下不同岩性岩石抗压强度(图3)明显大于芦草沟组，反映地层条件下风城组不同岩性岩石破裂强度大，储层起裂难度更大。这说明了芦草沟组页岩油储层的压裂改造措施可能不适用于风城组储层的压裂改造。芦草沟组和风城组岩石抗压强度差异与其埋藏深度、沉积环境、成岩作用等有关。

表2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩岩样的抗张强度[29]

从岩样的抗张强度测试结果(图7)可看出，不同岩性岩样抗张强度表现有差异，相同岩性岩样抗张强度具有明显的离散性，其中白云质泥岩、白云质细砂岩、白云质粉砂岩、凝灰质细砂岩和熔结凝灰岩抗张强度范围分别为8.03～17.77，6.16～13.67，10.62～11.62，6.73～11.3，5.66～6.26 MPa。同时，从岩样的断裂韧性测试结果(图8)可看出，不同岩性岩石断裂韧性有差异，且每类岩性的断裂韧性值具有明显的离散性，其中白云质泥岩、白云质粉砂岩、凝灰质砂砾岩和熔结凝灰岩断裂韧性值范围分别为0.55～1.24，0.68～0.79，0.62～0.82，0.47～0.7 MPa·m1/2。这说明了风城组储层不同岩性岩样抗张强度、断裂韧性值存在较明显的差异，其中云质类岩石抗张强度、断裂韧性值略大。

图7 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性岩样抗张强度对比

图8 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组不同岩性样品断裂韧性对比

抗张强度、断裂韧性是涉及储层压裂改造的重要参数，其中岩石抗张强度越大，地层越不易形成拉张型裂缝，或者岩石断裂韧性值越大，地层中抵抗裂缝延伸能力越强，造成裂缝越不易延伸。通常地层压裂改造中形成的裂缝主要以拉张型裂缝为主，抗张强度或断裂韧性增大，造成地层需要更高的缝内净压力才能形成人工裂缝[32]。玛湖凹陷风城组储层不同岩性岩石抗张强度或断裂韧性值的差异将为风城组地层压裂改造带来挑战。风城组储层段压裂改造设计与实施需要考虑岩性差异的影响，总体而言，云质类岩石储层压裂改造过程起裂需要更高的泵压和排量。

2.2 岩石的破坏模式

从单轴和三轴压缩条件下试样破坏模式(图9)可看出，单轴压缩条件下，风城组储层不同岩性岩样破坏形式以拉张劈裂为主，岩样表面形成一条或多条与岩样轴向近似平行的贯穿裂缝，且岩样的破裂面较为规整。刘向君等[27]认为单轴压缩条件下岩样出现的劈裂裂缝主要是因为在岩样轴向持续加载作用下，应力达到峰值后伴随着能量的突然释放，因无侧向力的束缚造成岩样表面形成了拉伸破裂面。同时，从图9中还可注意到，高围压条件下(60 MPa)，熔结凝灰岩岩样的破坏较复杂，表现为双剪切破坏，其他岩性岩样的破坏都表现为单剪切破坏，岩样外观整体比较完整，岩样表面形成与岩样轴线呈一定夹角贯穿岩样的斜向裂缝，且岩样的破裂面较为规整，未形成复杂缝网。

图9 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组单轴(a-e)和三轴(a′-e′)压缩试验条件下岩样的破坏模式

从巴西劈裂条件下岩样的破坏模式(图10)可看出，巴西劈裂试验后，风城组不同岩性岩样的破坏形态和劈裂效果整体差异不明显，岩样形成的破坏主要表现为拉张型裂缝，裂缝纵向贯穿整个岩样。从断裂韧性测试条件下岩样的破坏模式(图11)可看出，断裂韧性测试后，风城组不同岩性岩样的破坏形态和劈裂效果整体差异不明显，岩样形成的裂缝主要沿着人字形切槽方向延伸，或者裂缝主要沿着预制裂缝方向延伸，形成的裂缝贯穿整个岩样。

图10 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组巴西劈裂条件下岩样的破坏模式

图11 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组断裂韧性测试条件下岩样的破坏模式

2.3 岩石的变形特征

单轴和三轴压缩条件下不同岩性岩样应力—应变曲线(图12)显示，单轴和三轴压缩条件下，不同岩性岩样应力—应变曲线几乎未观察到初始压密阶段，弹性变形阶段相对较长；单轴和三轴压缩条件下，不同岩性岩样的轴向变形均大于径向变形，且高围压(60 MPa)条件下不同岩性岩样的轴向应力和轴向峰值应变明显大于单轴压缩条件下测得的值，其中围压从0 MPa增加到60 MPa时，白云质泥岩、白云质细砂岩、凝灰质细砂岩、凝灰质砂砾岩和熔结凝灰岩岩样的轴向峰值应变分别从0.58%增大到1.16%，从0.49%增大到1.07%，从0.52%增大到1.56%，从0.42%增大到1.27%，从0.18%增大到0.51%(图12b)。这说明了随着围压增大，风城组储层岩石强度和破坏变形量增大，抵抗破坏的能力随之增强。单轴条件下，风城组岩石岩样表现为较明显的脆性特性，而在围压60 MPa条件下，除了熔结凝灰岩岩样外，白云质泥岩、白云质细砂岩、凝灰质细砂岩、凝灰质砂砾岩等岩样整体破坏前的轴向峰值应变均大于1%，这些岩性岩样的脆性明显减弱而延性显著增强。这说明了地层条件下风城组储层不同岩性岩石的脆性减弱，而延性增强，这与李庆辉等[31]的研究结论一致，其研究结果表明随着围压增大，致密砂岩岩样的力学行为逐渐由脆性向延性过渡。

图12 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组单轴和三轴压缩条件下不同岩性岩样的应力—应变曲线

3 矿物组成对岩石力学特性的影响

根据岩石矿物组成测试结果可知风城组岩样的矿物组成较复杂，包含有多种矿物成分，每种矿物相对含量的分布范围广。为了探究矿物组成对风城组岩石强度参数的影响，将风城组岩石矿物组成分成三类：硅质矿物(包括石英和长石)、钙质矿物(方解石和白云岩)和黏土矿物。基于实验结果，建立了矿物组成与风城组不同岩性岩石的单轴/三轴抗压强度、抗张强度、断裂韧性值的关系图(图13-图16)。

从图13、图14可看出，风城组岩石单轴抗压强度与硅质矿物含量呈负相关，相关系数为0.680 6，而与钙质矿物含量、黏土矿物含量呈正相关，相关系数分别为0.240 3和0.567 7；同时，风城组岩石的三轴抗压强度与硅质矿物含量呈显著的负相关，相关系数为0.831 4，而与钙质矿物含量呈较好的正相关，相关系数为0.725 9，与黏土矿物含量不存在较明显的相关性。该研究结论与前人研究结果[33-37]有相似的，也有不一致的。HUGMAN等[33]研究发现碳酸盐岩抗压强度与白云石和微晶碳酸盐岩含量呈正相关，而与石英含量呈负相关；FAHY等[34]研究发现砂岩抗压强度与石英含量无明显的相关性；GUNSALLUS等[35]研究发现岩石的抗压强度与石英含量呈正相关；孟召平等[36]研究发现煤系泥岩单轴抗压强度与石英含量呈正相关；黄波等[37]研究发现吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层岩石中高含量白云岩造成岩石的高强度。这说明了不同岩性岩石的抗压强度与矿物组成间关系较复杂，并没有取得统一的认识。

图13 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组矿物组成对岩样单轴抗压强度的影响

图14 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组矿物组成对岩样三轴抗压强度(60 MPa)的影响

风城组岩石的抗张强度与硅质矿物含量呈负相关性，相关系数为0.549 1，而与钙质矿物含量呈正相关性，相关系数为0.318 5，与黏土矿物含量不存在较明显的相关性(图15)，该研究结论与MERRIAM等[38]的研究结果具有一定可比性，其研究结果表明花岗岩的抗张强度与石英含量呈反比。此外，风城组岩石的断裂韧性与硅质矿物含量呈负相关，相关系数为0.539 8，而与钙质矿物含量、黏土矿物含量呈正相关，相关系数分别为0.545 9和0.419 5(图16)。这是因为岩石中硅质矿物(石英)含量占比增大，岩石的脆性增大，造成岩石易于形成裂缝。该研究结果有助于根据风城组储层岩石中硅质含量与钙质含量的剖面定性分析储层岩石的相对可压裂性。

图15 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组矿物组成对岩样抗张强度的影响

图16 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组矿物组成对岩样断裂韧性的影响

综上所述，随着硅质矿物含量的增加，风城组储层岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性呈减小的趋势；而随着钙质矿物含量的增加，风城组储层岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性呈增大的趋势；黏土矿物对风城组储层岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性的影响规律不一。

4 结论

(1)准噶尔盆地玛湖凹陷风城组储层岩石具有较强的非均质性，造成不同岩性岩石力学特性存在较明显的差异，其中云质类岩石的力学强度、弹性模量较大而泊松比较小，导致风城组不同岩性层段的井壁失稳预防措施和压裂改造措施不同。

(2)风城组储层岩石的破坏形式较单一，其中单轴条件下，岩样脆性较强，表现为拉张破坏特征；而高围压条件下，岩样脆性减弱、延性增强，主要表现为单剪切破坏特征。

(3)风城组储层岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性值随着硅质矿物含量的增加呈减小的趋势，而随着钙质矿物含量的增加呈增大的趋势。