吉林省樺甸地區(qū)油頁巖物理力學(xué)性能及裂隙開啟壓力的確定

劉鑫鵬，陳 晨，嚴(yán)軒辰，張飛宇

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026）

油頁巖是在礦物機(jī)體中含有固體可燃有機(jī)質(zhì)的沉積巖，在化石燃料中它的儲(chǔ)量折算為發(fā)熱量?jī)H次于煤而列第二位。目前，我國已經(jīng)探明的油頁巖儲(chǔ)量約315.67億t，主要分布在吉林、遼寧、廣東、山東、內(nèi)蒙等近20個(gè)省區(qū)。吉林省的油頁巖探明的儲(chǔ)量約174.27億t，占全國總量的55.5%，主要分布在農(nóng)安、樺甸和汪青的羅子溝［1］。

中國油頁巖的沉積時(shí)代以新生代為主，沉積環(huán)境以陸相為主。中國高含油率的油頁巖主要分布在新生代小型聚煤斷陷盆地，而低含油率油頁巖主要分布在晚白堊紀(jì)大型含油氣坳陷盆地，且資源量巨大［2］。

成本過高是制約油頁巖大規(guī)模開發(fā)利用的主要原因。所以，目前國際上對(duì)油頁巖開發(fā)技術(shù)的研究中，油頁巖商業(yè)開采方法以及對(duì)開采過程的可行性和經(jīng)濟(jì)性的研究，將是主要考慮的內(nèi)容。水力壓裂技術(shù)是提高油氣井產(chǎn)量的有效手段之一，它的目的是在地層中壓開一條具有一定方向和幾何形狀的裂縫，并充填支撐劑以提高裂縫的導(dǎo)流能力的作用。水力壓裂技術(shù)成功與否，除了和壓裂液、支撐劑有關(guān)外，地應(yīng)力和巖石力學(xué)性質(zhì)也非常關(guān)鍵［3］。通過國家潛在油氣資源（油頁巖勘探開發(fā)利用）產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項(xiàng)目，水力壓裂技術(shù)在油頁巖開采過程的可行性已被項(xiàng)目組眾多專家提出，因而水力壓裂技術(shù)參數(shù)的確定就顯得尤為重要。

本文主要對(duì)吉林省樺甸地區(qū)油頁巖物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，得出吉林省樺甸地區(qū)油頁巖物理力學(xué)性能的范圍。計(jì)算畢奧特系數(shù)、油藏平均壓力、最小主應(yīng)力參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)一步確定開采該地區(qū)油頁巖裂隙開啟壓力參數(shù)。并對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行初步分析，為今后水力壓裂技術(shù)在樺甸地區(qū)油頁巖開采中，裂縫開啟壓力參數(shù)確定方面提供依據(jù)。

1 吉林省樺甸地區(qū)油頁巖賦存條件及其物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 吉林省樺甸地區(qū)油頁巖賦存條件

吉林樺甸地區(qū)為小型斷陷盆地油頁巖，其形成主要受構(gòu)造、氣候作用影響，且為含油泥質(zhì)頁巖，具有明顯的變晶結(jié)構(gòu)，部分為斑狀變晶結(jié)構(gòu)，屬變質(zhì)巖系的范疇。多為層狀或板狀構(gòu)造，片狀構(gòu)造，或片麻狀構(gòu)造，層間含油，某些還具有石油天然氣構(gòu)造的特征，有的具有明顯的片理。樺甸油頁巖礦按地質(zhì)構(gòu)造以及自然條件劃分，由西向東依次劃分為北臺(tái)子、大城子、公朗頭以及南部廟嶺四個(gè)區(qū)，見圖1。

圖1 樺甸地區(qū)油頁巖地域分布圖

1.2 吉林省樺甸地區(qū)油頁巖物理力學(xué)性質(zhì)

由于世界各地油頁巖沉積年代及沉積環(huán)境不同，引起各地油頁巖的力學(xué)性能參數(shù)有很大差別。因此，測(cè)定不同地區(qū)油頁巖的物理力學(xué)性能參數(shù)，是解決油頁巖原為開采、大規(guī)模開發(fā)利用的關(guān)鍵因素。

2010年8月28日，吉林大學(xué)根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50266－99），測(cè)定了樺甸油頁巖開發(fā)用油頁巖力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)成果見表1。表1中的油頁巖樣品泥質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)90%以上。樺甸油頁巖開發(fā)用力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，其油頁巖抗壓強(qiáng)度范圍介于9MPa～12MPa之間，內(nèi)聚力范圍介于1.38MPa～1.48MPa之間，內(nèi)摩擦角介于15°～22°。

2011年12月5日，樺甸孫家屯南部工程地質(zhì)勘察執(zhí)行中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB／T 50266－99，測(cè)定油頁巖力學(xué)性質(zhì)。由于樺甸孫家屯油頁巖樣品泥質(zhì)含量較大，遇水軟化崩解呈碎塊，故無法完成飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)成果見表2。樺甸孫家屯力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，樺甸油頁巖抗壓強(qiáng)度介于10～19MPa之間，抗拉強(qiáng)度介于0.8MPa～1.5MPa之間，彈性模量介于200MPa～400MPa之間，泊松比是0.3左右。

樺甸孫家屯南部工程地質(zhì)勘察執(zhí)行中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50266－99），于2012年2月18日，對(duì)樺甸地區(qū)油頁巖進(jìn)行測(cè)定，其力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果如表3所示。

樺甸孫家屯（ZK004、ZKOO7鉆孔）油頁巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，油頁巖上覆巖層巖性為砂巖，油頁巖的密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)，都介于不同性質(zhì)上覆砂巖之間，相差不大。其中飽和抗壓強(qiáng)度依然無法完成。樺甸油頁巖埋深約750m左右，內(nèi)聚力約為0.7MPa左右，內(nèi)摩擦角約30°左右。

表1 樺甸油頁巖開發(fā)用試樣力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果［5］

表2 樺甸孫家屯南部工程油頁巖試樣力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 樺甸孫家屯南部（ZK004、ZK007鉆孔）油頁巖試樣力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 樺甸地區(qū)油頁巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)樺甸地區(qū)不同埋層深度，不同區(qū)域的油頁巖樣品力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)樺甸地區(qū)油頁巖的密度范圍是1.95～2.34g·cm－3抗壓強(qiáng)度范圍是9MPa～19MPa，抗拉強(qiáng)度范圍是0.8MPa～1.5MPa，內(nèi)聚力范圍是0.7MPa～1.5MPa，內(nèi)摩擦角范圍是15°～33°，泊松比范圍是0.27～0.35，彈性模量范圍是216MPa～386MPa。油頁巖力學(xué)性質(zhì)與上覆巖層砂巖和泥巖的性質(zhì)相近。由于得出樺甸地區(qū)油頁巖的抗拉強(qiáng)度低，滿足文獻(xiàn)［6］提供的水力壓裂計(jì)算公式。

2 水力壓裂參數(shù)的確定

2.1 裂隙開啟壓力的計(jì)算方程

基本假設(shè)

1）地層厚度均為h，飽含流體的地層初始飽和壓力為pi。

2）巖石是彈性，各向同性，均勻的。

3）巖石的抗拉強(qiáng)度低。

可以這樣說，韋伯充分認(rèn)識(shí)到并肯定了儒教中所具有的理性主義或理性精神。不過我們必須清楚，這只是儒教的一面，韋伯也顯然注意到了儒教的另一面，因?yàn)轫f伯明確指出，即便儒學(xué)再經(jīng)過理性的熏陶和洗禮，即便儒教再有理性的精神傳統(tǒng)，但在儒教中仍存在有巫術(shù)的遺痕，也就是有古老信仰的傳統(tǒng)。用張光直的話來說，就是與上古保持著“連續(xù)性”；而用韋伯的話說，就是：“我們必須提醒自己，巫術(shù)在正統(tǒng)的儒教里有被認(rèn)可的地位，并且也自有傳統(tǒng)主義的影響力。”[注][德]韋伯：《中國的宗教 宗教與世界》，康樂、簡(jiǎn)惠美譯，桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2004年，第283、284頁。

2.1.1 裂隙開啟壓力Pi∞計(jì)算方程

式中：η為效率因子；piv為油藏平均壓力；μ為泊松比；α為畢奧特（Biot）系數(shù)；p0為自重應(yīng)力；D為埋藏深度；Gp為地層壓力，Gp＝ρg，ρ為巖石密度，g為重力加速度；σ3為最小主應(yīng)力。

2.1.2 畢奧特（Biot）系數(shù)的確定

由式（2）給出畢奧特（Biot）系數(shù)的定義［7］

式中：Cs為顆粒壓縮系數(shù)，Cb為體積壓縮系數(shù)。

對(duì)于Cs、Cb的測(cè)定，首先在空隙壓力不變的條件下增加圍壓，求出Cb。然后圍壓和孔壓同時(shí)以同速率增加，求得CS，從而計(jì)算出畢奧特（Biot）系數(shù)α。但樺甸地區(qū)油頁巖抗壓強(qiáng)度較小，遇水崩解，極難準(zhǔn)確測(cè)定Cb與CS數(shù)值。因而，采用由文獻(xiàn)［8］計(jì)算出畢奧特（Biot）系數(shù)：

式中：φ為巖石孔隙度；φc為巖石臨界孔隙度，取φc＝40%［9］。

2.2 以樺甸地區(qū)油頁巖為例，計(jì)算水力壓裂參數(shù)

2.2.1 樺甸油頁巖水力壓裂相關(guān)參數(shù)

樺甸油頁巖埋深D為600～800m，礦層厚度h為4.5m，密度ρ取1960g·cm－3；泊松比μ取0.3；不同埋深下，piv取值見圖2；φ、σ3及α的取值［10－11］見表4。

表4 樺甸地區(qū)油頁巖相關(guān)參數(shù)表

圖2 樺甸地區(qū)不同埋深值

2.2.3 裂隙開啟壓力的計(jì)算

由以上數(shù)據(jù)及公式（1）得到不同埋深的裂隙開啟壓力Pi∞，計(jì)算結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，在樺甸地區(qū)地下埋深600m～800m范圍內(nèi)裂隙開啟壓力較小，表明對(duì)該地區(qū)油頁巖進(jìn)行水力壓裂技術(shù)進(jìn)行開采是可行的，允許進(jìn)行大規(guī)模開采。

圖3 樺甸地區(qū)水力壓裂裂隙開啟壓力Pi∞

3 結(jié)語

1）由對(duì)吉林省樺甸地區(qū)不同埋藏深度、區(qū)域的油頁巖樣品力學(xué)性能參數(shù)的試驗(yàn)，得出該地區(qū)油頁巖各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)范圍，如抗壓強(qiáng)度范圍是9MPa～19MPa，抗拉 強(qiáng)度范圍是 0.8MPa～1.5MPa，內(nèi)聚力范圍是0.7MPa～1.5MPa，內(nèi)摩擦角范圍是15°～33°，泊松比范圍是0.27～0.35，彈性模量范圍是216MPa～386MPa。并發(fā)現(xiàn)樺甸地區(qū)油頁巖力學(xué)性質(zhì)與其上覆巖層砂巖和泥巖的性質(zhì)相近。

2）基于此上研究成果，得到樺甸地區(qū)油頁巖的畢奧特系數(shù)、最小主應(yīng)力、油藏平均壓力，進(jìn)而計(jì)算出水力壓裂開采吉林省樺甸地區(qū)油頁巖的裂隙開啟壓力參數(shù)，說明水力壓裂技術(shù)在樺甸地區(qū)開采油頁巖是可行的。

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［3］張保平，申衛(wèi)兵，單文文.巖石彈性模量與畢奧特（Blot）系數(shù)在壓裂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1996，18（3）：60－65.

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