温压耦合作用下四川盆地深层龙马溪组页岩孔渗和岩石力学特征

孙川翔，聂海宽，苏海琨，杜伟，卢婷，陈亚琳，刘秘，李京昌

（1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 102206；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 102206；3.中国石油化工集团公司页岩油气勘探开发重点实验室，北京 102206；4.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；5.中国石化江汉油田勘探开发研究院，武汉 430223）

0 引言

深层页岩气（埋深大于3 500 m）是中国页岩气增储上产最为现实的接替领域[1-2]。早在2011年，中国石油与壳牌合作在四川盆地南部（简称川南）低陡构造带泸州区块实施的Y101井（垂深3 577 m）获测试产气量为43×104m3/d，代表3 500 m以深页岩气勘探取得突破。此后，中国石油和中国石化在泸州、渝西、丁山、永川和威荣等地区均获得深层页岩气工业气流，并在威荣、永川和泸州等地提交了深层页岩气探明储量[3]。在深层页岩气地质评价[4-5]、储集层改造[6]及产能预测[7]等方面也取得重要进展。

受深部高温高压条件的影响，深层页岩与中浅层页岩特征必然存在差异。目前对于深层页岩的研究多沿用中浅层页岩的常规测试方法，不能很好地揭示二者的差异性，这一问题突出表现在储集层孔隙度、渗透率及岩石力学性质等方面。对于深层页岩孔渗特征，前人多采用常规地面静态测试和常温覆压实验开展研究。常规地面静态测试方法结果表明，随着埋深的增加，在层系超压保孔作用下，深层页岩孔渗与中浅层具有可比性[8]；常温覆压实验表明，围压升至50 MPa时，页岩孔隙度和渗透率有明显降低，不同岩相的岩石物性变化存在差异[9]。在深层页岩岩石力学性质方面，前人对比分析围压单因素变化时页岩岩石力学参数的变化，提出高围压降低页岩脆性[10-11]，基于弹性模量和泊松比评价深部岩石脆性的方法不再适用[12-13]。而高温对深层页岩岩石力学特征影响研究较少且观点并不统一，部分学者认为页岩含有丰富的有机质和高黏土矿物含量，高温下微观结构易发生变化，导致页岩塑性和变形能力增强[14]；也有学者提出高温引起的热膨胀效应有利于微裂缝的开启和岩石脆性的增加[15]。这些研究对认识深层页岩孔渗特征和岩石力学温压效应起到了积极作用。然而，深层页岩同时受到深部高温高压耦合作用的共同控制，目前对深层高温高压条件下孔渗、岩石力学性质及其相互约束机制的认识不足，制约了对深层页岩储集层改造和储量、产量的合理评价。

为了探讨高温高压条件下页岩孔渗、岩石力学的温压效应及相互约束机制，选取四川南部威荣和永川地区志留系龙马溪组深层页岩岩心，开展不同温压梯度的孔渗实验和三轴压缩岩石力学-声波一体化实验，实验温度为60～120 ℃，压力为10～70 MPa。基于实验数据分析温压耦合控制下深层页岩孔渗和岩石力学特征变化及原因，讨论二者相互约束机制及不同地区的特征差异，以期为深层页岩储集层评价和“甜点”优选、气藏动态分析和储集层改造工程的工艺优化调整提供依据。

1 地质概况

威荣气田和永川页岩气区志留系龙马溪组底部页岩埋藏深度均超过3 500 m。威荣气田位于威远构造东南翼与自流井水下高地之间，永川页岩气区整体处于华蓥山构造带上。研究区龙马溪组页岩沉积于奥陶纪冰期后，整体处于四川盆地中部（简称川中）古隆起南部的深水陆棚环境（见图 1）。威荣气田深层页岩埋深为3 550～3 880 m，压力系数为1.79～1.95，由于邻近川中古隆起物源区，优质页岩碳酸盐矿物含量较高，岩性以含灰硅质页岩为主，碳酸盐矿物纹层发育，储集层非均质性较强；永川地区深层页岩埋深为 3 700～4 200 m，压力系数为1.7～2.1，相比威荣气田，距离川中古隆起较远，优质页岩层段以硅质页岩为主，均质性较强。

图1 研究区志留系龙马溪组底部页岩沉积相及研究区位置图

2 样品和实验

2.1 高温高压孔渗实验

2.1.1 样品信息

实验样品来自四川盆地威荣气田 A1井龙马溪组含灰硅质页岩和永川地区B1井龙马溪组硅质页岩，通过岩心切割机制成10块标准柱样（见表1）。

表1 页岩孔渗测试样品基本参数

2.1.2 实验设备、实验目的和方案

实验采用西南石油大学脉冲衰减法实验装置开展测试，装置主体由上下游瓶、三轴岩心夹持器，围压泵和压力传感器构成，测试执行GB/T 34533-2017标准。

实验目的是模拟不同埋藏深度（1 500～4 500 m）的地层温度和压力条件下深层页岩孔渗特征的差异变化。威荣地区龙马溪组底部地温梯度2.8～3.0 ℃/100 m，实测地层温度为125～134 ℃；压力梯度1.9～2.1 MPa/100 m，实测地层压力为 68.69～77.48 MPa。永川地区龙马溪组目的层地温梯度2.70 ℃/100 m，地层温度为134 ℃；压力梯度1.8～1.9 MPa/100 m，地层压力70 MPa。据此，实验设计了 7 组温压条件：（10 MPa，60 ℃）、（20 MPa，70 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（40 MPa，90 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（60 MPa，110 ℃）、（70 MPa，120 ℃），分别对应埋深约为1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 m。其中温度根据埋深和地温梯度计算，地温梯度取2.8～3.0 ℃/100 m；压力按照地层压力计算公式乘压力系数得出，考虑到地层深埋-抬升阶段压力系数的动态变化，取值范围为 1.0～1.7（由浅至深压力系数增加），如埋深3 500 m时，计算所得的地层温度为 98 ℃，取地层压力系数为 1.5时，地层压力为50.4 MPa。采用氦气法和脉冲渗透率法分别测定孔隙度和渗透率（均为页岩的顺层渗透率）。实验开始前检查岩心柱样，将无破损柱样放入三轴应力岩心夹持器中，加三向围压、温度至设定值，记录实验过程中测得的相关参数，然后重复上述步骤，按照实验设计温度压力完成温压条件升高和温压条件降低的循环测试，计算得出岩心孔隙度和渗透率。

2.2 高温高压岩石力学实验

2.2.1 样品信息

两组样品分别来自威荣页岩气田A1井、A2井龙马溪组含灰硅质页岩和永川地区B2井龙马溪组硅质页岩，通过岩心制备得到尺寸25 mm×50 mm的柱样10块，切割方向均为平行于层理面方向（见表2）。

表2 岩石力学测试样品基本参数

2.2.2 实验设备、实验目的和方案

实验在中国科学院武汉岩土力学研究所自主研制的XTR01-01伺服控制岩石力学试验机上完成，主体由轴压系统、围压系统、微机控制系统、声波一体化监测装置构成，能够模拟地层高温高压条件下岩石单轴、三轴加卸载等实验，测试执行GB/T50266-2013标准。

实验目的是分析高温高压对深层页岩岩石力学性质的影响，为此设计了4组温压条件，分别为（10 MPa，60 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（70 MPa，120 ℃），开展高温高压三轴压缩岩石力学实验，获取页岩样品在不同温压下发生脆性破坏的应力-应变曲线及特征参数，并动态监测每个样品的纵波波速。实验开始前，声波设置激发波形为正弦波，激发频率为300 kHz。声波信号的激发周期为 40 s，每个周期里激发一个纵波信号，时间间隔为 1 s。设置声波信号放大倍数为40 dB，纵波噪音门槛值为60 dB，采样率均为1 MSPS。为了获得更详细的声波信号，实验过程中采用较低的加载速率，其值为0.06 mm/min。首先启动声波信号激发系统，然后启动声波采集系统和实验加载系统，将样品的测试温度从室温（25 ℃）升高到设定温度值，记录声波信号；随后围压从0 MPa加载至设定围压值，记录声波信号；最后进行压缩实验，实验过程中以轴向压力20 MPa为一个间隔，记录声波信号，直至实验结束。捕捉实验过程中页岩样品从常温到高温、从压实到破坏的动态变化。一体化测试后，利用CT成像技术刻画不同样品破坏后的裂缝三维形态特征，并计算裂缝体积占比。

3 实验结果

3.1 高温高压孔渗实验结果

温压加载过程中，两口井页岩岩心孔隙度和渗透率整体呈现先陡后缓的非线性降低。温压条件从10 MPa、60 ℃变化到30 MPa、80 ℃，深层页岩孔隙度和渗透率变化最为敏感，降低幅度超过总降幅的三分之二。继续增加温度和压力，孔隙度和渗透率进一步降低，但幅度有限（见表3、表4）。随着温度和压力的恢复，孔隙度和渗透率出现回升但低于增加温压过程所测得的孔渗值。

表3 A1井高温高压孔渗实验结果

表4 B1井高温高压孔渗实验结果

随着温压增加，威荣A1井深层页岩孔隙度和渗透率非线性减小，当增大到最高温压条件 120 ℃、70 MPa，页岩孔隙度、渗透率达到最小值（见图2）。不同赋存深度页岩样品孔隙度降低 34%～47%，平均41%。渗透率降低87%～95%，平均92%。随着温度压力恢复至60 ℃、10 MPa，孔渗恢复曲线出现明显“滞后现象”，即孔隙度和渗透率不及初始值，孔隙度恢复率为69%～78%，渗透率恢复率为16%～40%。永川B1井深层页岩在温压加载过程中（见图3），不同深度页岩孔隙度降低54%～71%，平均59%；渗透率降低85%～97%，平均值为91%。温压条件降低至10 MPa、60 ℃时，孔隙度恢复率48%～74%、渗透率恢复率为17%～36%。

图2 A1井深层页岩高温高压孔渗变化图（虚线表示温压降低时的孔渗恢复曲线）

图3 B1井深层页岩高温高压孔渗变化图（虚线表示温压降低时的孔渗恢复曲线）

3.2 高温高压岩石力学实验结果

高温高压三轴压缩与声波一体化测试结果显示，随着温压条件的升高，深层页岩的抗压强度、应变量、峰前平均纵波波速呈现先陡后缓的非线性增加，弹性模量和泊松比小幅波动、变化特征不明显（见表 5），压后CT扫描实验揭示，裂缝复杂度和裂缝体积占比降低。

表5 高温高压三轴压缩与声波一体化测试结果

永川地区 B2井页岩应力应变曲线显示：①温度60 ℃、围压10 MPa升至温度80 ℃、围压30 MPa，抗压强度、峰值应变量变化最大，分别从 165.3 MPa、1.27%变为326.4 MPa、1.89%，抗压强度增加一倍，应变量增加0.6%；②温压条件超过80 ℃、30 MPa后，增幅明显降低；③温压条件达到100 ℃、50 MPa时，峰前应变量开始超过2%，应力应变曲线的峰后坡降陡度明显变缓（见图4a）；④温压条件达到120 ℃、70 MPa时，抗压强度达到最大值435.1 MPa，峰后岩石强度持续保持在400 MPa以上。威荣A2井页岩抗压强度为215.2～266.5 MPa（见图4b），最大峰值应变为1.83%，随着温压上升，峰后坡降陡度明显变缓。

图4 高温高压三轴压缩试验深层页岩应力-应变曲线变化

纵波波速动态监测显示，B2井峰前平均纵波波速为3 310～3 941 m/s（见图5）。随着轴向压力增加，温压较低时，波速先短暂增加后逐渐降低（见图 5a、图5b），温压条件较高时，波速趋向于保持高值后发生陡降（见图5c）。压后裂缝CT扫描图像对比可见：①温度和围压较低时，以纵向劈裂式拉张缝破坏为主，裂缝数量多，形成复杂网络且缝面较粗糙（见图6a—6c）。温度 80 ℃、围压 30 MPa时，压后裂缝体积占比为2.21%。②随着温度和围压增加，受力后以双剪裂缝为主（见图6d—6i），但裂缝数量明显减少且剪切面较为平滑。③当温度120 ℃、围压70 MPa时，压后裂缝体积占比仅为1.97%，减少11%。B1井页岩样品岩石力学性质变化特征与B2井整体相似，相同温压条件下，B1井硅质页岩样品的抗压强度277.3～300.9 MPa、峰值应变量1.65%～1.99%、峰前平均纵波波速3 356～3 764 m/s，均低于B2井。

图5 B2井硅质页岩高温高压三轴岩石力学实验纵波波速动态监测结果

图6 B2井硅质页岩压后CT扫描3D视图

A2井平均波速介于3 281.08～3 654.91 m/s。从压后CT扫描结果可见，温压较低时，以劈裂式破坏为主（见图7a—7c）；温压较高时，主破裂缝倾斜角较大，以单剪裂缝为主（见图7d—7i），压后裂缝数量少且复杂程度低，可见支缝尖灭于钙质纹层，破裂面平整光滑，裂缝体积占比为1.46%～1.78%。

图7 A2井含灰硅质页岩压后CT扫描3D视图

4 讨论

4.1 深层页岩储集层孔渗的影响因素

4.1.1 测试方法对深层页岩储集层孔渗的影响

与常温常压、常温覆压实验相比，高温高压孔渗实验模拟了深层页岩的实际地质环境，采用的温压条件先升后降的循环测试方法，能够更加准确地反映深层页岩孔渗特征。以A1-5样品为例，在初始实验条件为 60 ℃、10 MPa时，孔隙度为 4.87%、渗透率为3.69×10-6μm2；温压升至 100 ℃、50 MPa 时（埋深约3 500 m），孔隙度为3.09%，比初始实验条件降低37%，渗透率为0.58×10-6μm2，比初始实验条件降低84%；温压条件进一步升高至120 ℃、70 MPa（埋深4 000～4 500 m），孔隙度为2.76%，比初始实验条件降低43%，渗透率为0.27×10-6μm2、比初始实验条件降低92%。在温度和压力降低至100 ℃、50 MPa（模拟地层逐渐抬升至当前埋深），孔隙度为 2.89%、渗透率为 0.30×10-6μm2，小于实验首次在该温压条件下的 3.09%和0.58×10-6μm2，分别降低了6%和48%。由于是达到更大的温压条件后降低温压模拟地层抬升过程测得的数据，温压恢复过程对应的孔隙度和渗透率更能反映深层页岩实际孔渗大小。

已有测试研究主要是根据样品深度直接加温压至某一温度或压力条件[16-17]，测得的孔隙度和渗透率结果相比实际值偏大，不能准确反映实际高温高压地质环境。建议考虑沉积构造演化全过程，先加温压到最大埋深对应条件后，采用降压至某一温压（深度）时的孔渗数据。

4.1.2 岩石力学的温压效应对深层页岩孔渗的约束

高温和高围压通过改变深层页岩岩石力学性质对孔渗产生重要控制作用。对比温压升高和降低两个过程，发现孔隙度和渗透率的恢复均存在明显“滞后现象”（见图2、图3），孔隙度恢复率48%～78%，渗透率恢复率 16%～40%，反映温压加载过程中岩石内部既有塑性变形也有弹性变形[17]。从孔渗变化轨迹来看，明显分为两个阶段，即从60 ℃、10 MPa变化到80 ℃、30 MPa的快速降低阶段和温压进一步升高后的缓慢降低阶段。高温压缩中深层页岩孔渗变化的两个阶段实际反映了岩石内部不同的形变阶段。孔渗快速降低阶段代表岩石内部发生以有机质孔、黏土矿物孔和微裂缝（构造微缝和少量成岩收缩缝）受压闭合的塑性变形为主。降幅变缓阶段则代表进入到以脆性矿物孔（粒间孔、粒内溶孔、黄铁矿晶间孔）和岩石骨架颗粒本体被压缩为主的弹性变形阶段。在页岩中，有机质孔和黏土矿物孔在总孔隙度中的占比较大，这两类孔隙和微裂缝的连通性好，是页岩内部的主要渗流通道，孔隙度和渗透率在塑性变形阶段有大幅下降，且温压升高后较难恢复，造成孔渗恢复阶段的“滞后现象”。脆性矿物孔在脆性矿物颗粒保护下，受压实作用影响较小，在高温高压条件下，深层页岩孔隙度降幅较渗透率小、恢复率较高，此类孔隙连通性差，对渗透率贡献小，因此渗透率降幅明显，且恢复率低。

常温覆压孔渗实验表明，围压增至50 MPa时，龙马溪组页岩孔隙度降低15%～20%，渗透率降低90%～95%[9]。高温高压孔渗实验中，当温压条件升高至100 ℃、50 MPa时，页岩孔隙度平均降低40%，渗透率平均降低 85%。对比来看，高温高压条件下“先快降后平缓”的变化与前人研究常温覆压下的孔渗变化规律总体一致，说明在高温高压耦合变化过程中，围压起主导作用，但附加高温条件后，页岩孔隙度降幅增加20%～25%，渗透率降幅减小10%～15%，说明了温度对页岩孔隙度和渗透率的应力敏感性有重要影响且影响不同，具体表现为高温能加剧孔隙度的降低，而抑制渗透率的降低。主要原因在于页岩中有机质和黏土矿物含量高，随着温度的增加岩石塑性增强[18-19]，孔隙更易发生压缩变形，导致孔隙度降低幅度增加。当温度进一步升高，岩石骨架颗粒热膨胀增强，在高围压侧限作用下，岩石不能自由膨胀进而产生热应力，此时由于岩石总体积变化不大，不会造成总孔隙空间有显著改变，但向外的热应力使得页岩中的层理面重新开启或沿层理等软弱面产生新缝。总之，高温导致压实作用增强，对孔隙度影响较大，却抑制了对沿层理面渗透率的降低，使得页岩渗透率随温度和围压升高而降低的程度减弱。

可见，在实际地质条件下，深层页岩储集空间相比已有认识要小。由于孔隙度与页岩中游离气含量呈正相关，而高温加剧深层页岩孔隙度的降低必然会导致总含气量和气体赋存特征的变化，因此基于高温高压下页岩孔隙体积的大小和变化，对页岩含气量理论值及其吸游比有待进一步研究[20]。在高温作用下，深层页岩仍保持了一定的渗流能力。采用常规的定孔隙压缩系数不能客观预测深部储集层渗透率[21]，需要考虑温压耦合影响下岩石形变效应引起的孔隙体积和渗透率变化，进一步优化深层页岩储集层物性特征的预测方法和模型。

4.1.3 岩相和矿物组分差异对深层页岩孔渗的控制

岩相和矿物组分差异对孔渗大小绝对值和随温压升降孔渗变化量具有一定控制作用。与永川地区相比，威荣区块深度较浅，整体上孔隙度较大但渗透率相对较小（见图 8），原因在于：①灰质页岩中白云石、方解石含量高，矿物颗粒内部溶蚀孔隙更加发育，有助于孔隙度的增加；②溶蚀孔呈星散状分布，与其他孔缝的连通性差，对渗透率贡献有限；③白云石和方解石颗粒数量多，与微晶石英颗粒半径相差大，粒径差异大的不同矿物颗粒堆积在一定程度上增加了粒间孔隙度，但连通性不及粒径均一时，渗透率相对较低。不同岩相和矿物组分的页岩，受温压变化的孔渗敏感性也不同。前人研究表明，四川盆地龙马溪组优质页岩中硅质以生物成因为主，有利于刚性支撑格架的形成[22]。龙马溪组A1-5样品（深度3 848.2 m）硅质页岩处，孔隙度、渗透率达到该组样品最大值，且在温压条件变化时孔隙度、渗透率变化率小，说明石英含量大于 50%的硅质页岩相比灰质页岩既有良好的原始物性参数，又表现出硅质格架抗压实能力强的特点。对于样品B1-1（深度3 857.33 m）处的黏土质页岩和样品B1-5（深度3 865.64 m）的含灰硅质页岩，由于塑性较硅质页岩增强，孔隙度、渗透率受温压影响变化最大，70 MPa、120 ℃时，孔隙度降低61%～71%，渗透率降低95%～97%，温压条件恢复初始值，孔隙度、渗透率恢复程度也最差。可见，硅质页岩的储集能力最强，随着页岩矿物组分中钙质和黏土质矿物增加，页岩抗压实能力下降，在深层高温高压条件下孔隙度和渗透率保持能力减弱，储集性能不及硅质页岩[23]。

图8 研究区A1、B1井页岩样品在高温高压条件下孔隙度和渗透率变化特征

受高温高压条件影响，深层页岩优质层段需要具备更高的抗压实能力，现有工程工艺条件下，硅质页岩具有较好的勘探开发潜力。而塑性较强、抗压实能力弱的黏土质页岩，由于高温下较高的应力敏感性导致储集性能变差。在中浅层温压条件较低时，黏土质页岩仍可以保持良好的孔渗性，与储集性能最优的硅质页岩均可作为有利开发层段，已被焦石坝背斜上部气层的开发所证实。

4.2 深层页岩岩石力学特征的影响因素

4.2.1 微观孔渗温压效应对深层页岩岩石力学特征的约束

岩石变形破裂的本质是微观结构发生破裂，高温高压引起页岩微观孔渗变化对岩石形变具有约束作用，主要体现在以下 3个方面：①对主破裂缝形成的约束作用。由于波速对岩石内部微裂缝和孔隙变化更敏感，本次研究首次开展了高温高压三轴压缩实验与纵波波速一体化监测，能够动态反映岩石微观结构对岩石变形破裂的控制。以B2的3个样品为例，当温度从室温25 ℃逐渐升至设定温度，在无围压的侧限作用下，孔隙度和渗透率增大，页岩发生自由膨胀，纵波波速降低；调整围压至设定值，由于样品切割方向平行于层理，微裂缝在围压作用下表现明显闭合趋势，波速回升；加载轴向压力，温压条件较低的页岩中，岩石内部微裂缝开启并加速生长，纵波波速在轴压略大于围压时开始下降（见图 5a、图 5b），温压条件较高的页岩样品中，微裂缝开启和扩展受到抑制，纵波波速趋向于维持高值（见图5c）；继续增加轴压至某一临界值，微裂隙数量急剧增加，体积膨胀，形成贯穿岩体的主破裂[24]，纵波波速快速下降。②对岩石宏观破裂类型的约束作用。从压后CT扫描图像来看，岩石在较低和较高温压条件下分别发生拉张破裂（见图 6a—6c、图 7a—7c）和剪切破裂（见图 6d—6i、图 7d—7i）。岩石的最终宏观破裂由其内部的微裂缝和孔隙扩展演化形成，即微裂隙的拉张型破裂引起宏观拉张破裂，而微裂隙的剪切破裂决定了宏观剪切破裂[24]。③对裂缝扩展形态的约束作用。随着温压条件升高，总体上裂缝面角度和层理面夹角呈现出变大的趋势，裂缝发育逐渐变差、复杂度降低。当围压较低时，轴向应力作用下的岩石内部裂纹发生拉张性破裂，由于页岩中的裂纹主要发育在泥质含量较高的力学软弱面（层理面）中，因此裂缝面与层理面夹角较小，此种情况下微裂隙表面摩擦力小，容易发生扩展，形成裂纹最多（见图6a—6c、图7a—7c）。当围压较高时，围压和轴向应力的合力方向与层理面形成一定夹角，此时与层理面具有一定夹角的微裂隙会发生剪切扩展，导致裂缝面与层理面夹角增大，而与层理面平行或角度较小的微裂隙多数会发生闭合或扩展困难，裂纹发育较差，宏观上裂缝复杂度降低（见图6d—6i、图7d—7i）。

对比常温高压三轴力学实验测试结果，高温高压下的深层页岩岩石力学性质表现出显著差异。考虑到页岩储集层在平行层理与垂向上的非均质性对岩石力学性质的控制，选择同样为平行层理方向的深层页岩岩心样品开展的常温三轴力学实验对比。①从全应力应变曲线变化情况来看，常温高围压三轴力学实验在围压从0 MPa变为75 MPa时的抗压强度近似线性增大，75 MPa对应的抗压强度为 250 MPa、峰值应变1.25%，随着围压的升高，弹性模量显著升高，而泊松比随之降低[25]。然而，在高温高压三轴力学实验中，温压超过80 ℃、30 MPa后，抗压强度随温压条件的增幅明显减小，在围压70 MPa时，受高温影响抗压强度最高达 435 MPa，对应的峰值应变为 2.18%（见图4a），增加近 1%。②形变参数上，随着温度压力的增加，弹性模量和泊松比变化小且特征不明显。这种差异的主要原因在于高温能够显著增加岩石塑性[18-19]，高围压下样品中沿层理方向的微裂隙快速闭合达到极限，导致抗压强度的增幅明显降低，同时高抗压强度、高峰值应变、弹性模量和泊松比仅在小范围内波动都是高温降低岩石脆性的反映。以上对比可见，在接近深层页岩储集层温压的实验条件下，深层页岩抗压强度增大一倍，说明相比以往认识，要成功实现深层页岩的储集层改造，需要更高的施工泵压；应变量增加1%代表在压裂过程中，岩石产生新缝前需发生大幅变形，显著增加了压裂形成新缝尤其是穿层缝的难度，而页岩中天然裂缝的开启和延伸将成为油气的主要渗流通道，说明对于埋深大、塑性强、应变量绝对值大的深层页岩来说，天然裂缝是否发育很大程度上决定了储集层改造效果。

4.2.2 岩相和矿物组分对深层页岩岩石力学性质的控制

不同岩性页岩由于矿物组分不同导致岩石力学的温压效应和脆延转化有明显差异[10]。与硅质页岩相比，含灰硅质页岩表现出峰前应变量小、抗压强度低、平均纵波波速低等特征（见图 4、表 5），原因在于随着碳酸盐矿物组分的增加，岩石硬度变低、抗压实能力变差，使得含灰硅质页岩发生脆性破坏难度低于硅质页岩。

压后CT扫描结果显示温压较低时，不同岩性样品均形成纵向延伸的拉张型裂缝，表现出较好的脆性特征（见图6a—6c、图7a—7c）。当温压条件超过80 ℃、30 MPa，不同岩性的深层页岩均显示由弹—脆性向塑—延性力学状态过渡。含灰硅质页岩在高温压条件下表现为以倾斜角度更大的单剪裂缝为主、缝面平直、分支缝细小（见图7d—7i）。硅质页岩则以倾斜角度较小的双剪裂缝为主，剪切裂缝纵向贯通截面、缝面粗糙、裂缝整体复杂度高（见图6d—6i）。从裂缝体积占比来看，含灰硅质页岩显著低于硅质页岩（见表 5）。其原因在于：①压缩荷载条件下，页岩中颗粒的存在对裂纹的扩展、集结会起到诱导、限制作用[26]。含灰硅质页岩中存在搬运而来的方解石和白云石，这些颗粒的嵌入使得微晶石英网络不连续，导致含灰硅质页岩脆性破坏程度低。②通过威荣和永川地区优质页岩（TOC值大于4%）矿物组分的对比可知，威荣碳酸盐矿物的增加挤占和抑制了石英矿物发育的空间，造成矿物组分中可压裂性较好的硅质成分偏低。已有研究提出，灰质含量较高的泥页岩具有较高的断裂韧性和抗拉强度，虽然脆性指数较高、易破碎，但可压裂性较硅质低，岩石破裂后难以形成复杂缝网[27]。

4.2.3 高温高压对深层页岩可压裂性的控制

深层页岩孔渗和岩石力学性质在温压80 ℃、30 MPa下均开始出现由陡变缓的变化特征，岩石破裂变形表现出明显的脆性向脆延性转变的特征，该温压对应的储集层深度2 000～2 500 m为龙马溪组页岩脆性向脆延性过渡的临界深度，相比He等[28]基于常温高围压三轴力学实验得出的2 000～2 700 m的脆性底界深度更浅，表明附加高温条件后，由于岩石塑性增加，加快了深部页岩的脆延性转变。页岩储集层的脆延性能够直接影响水力压裂改造效果，延性增强降低了深层页岩可压裂性，增加了储集层改造难度[29]。裂缝起裂前，岩石需发生大幅形变，起裂压力升高；裂缝起裂后，扩展、转向难度增加，人工裂缝对天然裂缝的激活效应降低，形成复杂缝网难度大；岩石塑性增强，裂缝开度越小，支撑剂进入人工缝网难度增大，且在高闭合压力条件下，易发生支撑剂嵌入；缝网复杂度降低和裂缝形式由张性缝变为剪切缝为主。本研究基于对地层实际温压条件模拟，揭示随深度增加页岩岩石力学参数和破裂特征的变化规律，对深层页岩储集层压裂改造工艺、支撑剂材料和压裂液配方、用量等的优化设计提供了基础数据。

与硅质页岩相比，含灰硅质页岩具有发生脆性破坏的难度和脆性破坏的充分程度“双低”的特征，即高温高压条件下含灰硅质页岩中裂缝更易起裂，但受高灰质含量影响，裂缝延伸复杂度低，破裂面平滑后期易发生闭合。若考虑页岩储集层压裂，将页岩储集层脆性定义为页岩在一定应力作用下破坏产生复杂破裂面的能力，则威荣地区页岩脆性和可压裂性显然比永川地区差。在实际的储集层压裂中，含灰硅质页岩所需的施工泵压相对较低。如何促进裂缝延伸、提高并维持缝网复杂度，有效增加储集层渗流通道是优化储集层压裂改造的关键。

5 结论

高温高压孔渗实验中，高温能够通过增加岩石塑性、引发岩石骨架颗粒间产生热膨胀效应，加剧孔隙度的降低，而抑制渗透率的降低。相比常温覆压实验，孔隙度降低20%～25%，渗透率增大10%～15%。高温高压岩石力学实验中，高温能够加剧高围压对岩石内部微裂缝产生和扩展的抑制，相比常温三轴应力试验，深层页岩抗压强度增加一倍、峰值应变量增加近1%，有效改造深层页岩需要更高的施工泵压。

深层页岩孔渗及岩石力学的温压效应之间相互联系、相互约束。高温高压条件下，深层页岩孔渗和岩石力学性质变化均表现出先快后缓的特征，快速变化代表岩石内部发生有机质孔、黏土矿物孔被压缩和微裂缝受压闭合的塑性变形，之后的缓慢变化代表进入到以脆性矿物孔和岩石骨架颗粒本体被压缩为主的弹性变形。岩石发生变形的不同阶段及其特征约束着内部孔渗特征的变化，微观孔渗也对深层页岩岩石变形、破裂和压后裂缝扩展具有约束作用。

深层页岩的岩相和矿物组分对孔渗和岩石力学特征有重要影响，不同岩性页岩发生脆性破坏的难度和充分程度不同。与硅质页岩相比，含灰硅质页岩具有岩石硬度低、抗压实能力较差的特征，孔隙度和渗透率的应力敏感性较强。含灰硅质页岩发生脆性破坏难度和脆性破坏充分程度表现出“双低”的特征。