潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層力學(xué)性質(zhì)特征研究

沈云琦，蘇建政，李鳳霞，常 鑫，吳世強

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石化股份公司江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，武漢 430223；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，武漢430071)

1 研究背景

由于頁巖油在美國成功實現(xiàn)了大規(guī)模的開發(fā)，頁巖油被全世界廣泛關(guān)注，成為了非常規(guī)油氣熱門的領(lǐng)域之一[1]。目前，世界上頁巖油的產(chǎn)區(qū)主要集中在北美[2-9]，實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖油層系是美國的巴肯組、鷹灘組、巴尼特組[10-11]。經(jīng)過近幾年的開發(fā)實踐，并通過應(yīng)用水平井壓裂等的技術(shù)，美國主要的頁巖油層系的頁巖油產(chǎn)量取得了飛速增長，頁巖油產(chǎn)量的大幅度提升，提升了美國整體的石油產(chǎn)量[12]。根據(jù)美國能源信息署（EIA）發(fā)布的最新報告，美國頁巖油可采儲量約為79.46×108t（580×108bbl），中國的頁巖油可采儲量也有一定的規(guī)模，可采儲量約為43.84×108t（320×108bbl）[13]，目前勘探開發(fā)主要的突破在準(zhǔn)格爾盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地，下一步有望突破的盆地包括松遼盆地、江漢盆地、泌陽凹陷等頁巖層系中[14-17]。我國頁巖油儲層與我國頁巖氣儲層相比，儲層非均質(zhì)性強，脆性礦物含量低且影響因素多樣，應(yīng)力敏感性、各向異性復(fù)雜，可改造性差[18-24]，成熟度低、含蠟量高、黏度高、密度大也是我國陸相頁巖油的主要特征，這些因素制約了我國陸相頁巖油的勘探開發(fā)[25]。

其中，潛江凹陷潛江組潛四下段頁巖油儲層已經(jīng)成為我國陸相頁巖油勘探開發(fā)，特別是中石化頁巖油勘探開發(fā)的重點目標(biāo)。作為該研究的重點層系，其目的層沉積構(gòu)造主要以小于1 mm 的紋層狀和不小于1 mm 的層狀構(gòu)造為主，同時包含少量紋層不發(fā)育的塊狀構(gòu)造，因此，潛江組潛四下段頁巖油儲層可以分為6 種主要巖相，劃分標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)巖石類型、礦物成分、沉積構(gòu)造特征的差異，分別是塊狀云巖相、紋層狀泥質(zhì)云巖相、層狀云（泥）質(zhì)鈣芒硝巖相、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、紋層狀云質(zhì)泥巖相、紋層狀灰質(zhì)泥巖相[26]，這使得潛江凹陷潛江組潛四下段頁巖油儲層礦物成分復(fù)雜，發(fā)育多種力學(xué)界面，例如層理面、鈣芒硝-泥巖界面等，這使得此目的層頁巖油儲層的力學(xué)性質(zhì)具有一定的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在力學(xué)參數(shù)與溫度、壓力之間的關(guān)系，不同界面抗拉、抗剪強度，儲層地應(yīng)力大小等。為解決這些問題，此次研究在礦物成分測定、孔隙結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進行高溫高壓條件下單-三軸力學(xué)參數(shù)測定，不同力學(xué)界面抗拉強度、抗剪切強度測定，以及儲層地應(yīng)力測定，這些對于目的層的壓裂方式、壓裂施工參數(shù)、裂縫開啟規(guī)律、頁巖油產(chǎn)能預(yù)測等問題有重要影響，因此研究力學(xué)性質(zhì)特征是此目的層段頁巖油開采的重要理論基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)背景

將潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層作為重點研究對象。潛江凹陷蘊藏著較為豐富的石油資源，屬于新生代內(nèi)陸斷陷鹽湖湖盆，整體在中、古生界基底之上，地理位置位于江漢盆地中部。凹陷面積約為2.5×103km2，北界為潛北斷裂帶，自西向東與其相接的是荊門凹陷、樂鄉(xiāng)關(guān)地壘、漢水凹陷、永隆河隆起；在凹陷東北為岳口低凸起，在西南部為丫角新溝低凸起，這2 個凸起均以斜坡狀與潛江凹陷過渡；通?？跀鄬优c通海口凸起為潛江凹陷的東南界[27-29]（如圖1所示）。潛江凹陷是整個江漢盆地沉降速度最快、基底埋藏深度最深的凹陷，同時也是整個江漢盆地在潛江組沉積時的沉降中心、匯聚中心和濃縮中心，潛江組鹽系地層的物源在北部，且為單向供給，鹽度高、強蒸發(fā)封閉環(huán)境是潛江組地層主要的沉積環(huán)境，同時在沉積過程中也伴隨著間歇性潮濕環(huán)境，在這種沉積環(huán)境下，厚度達6 000 m 的地層中鹽韻律層和砂巖段頻繁交互，形成了極具特色的陸相鹽湖盆沉積地層組合[30-31]。潛江凹陷潛江組鹽系地層層序結(jié)構(gòu)為鮮明的多韻律，縱向上，潛江組其按地層層序自下而上可分為4 段，分別是潛四段（Eq4）、潛三段（Eq3）、潛二段（Eq2）和潛一段（Eq1），北部是以砂泥巖為主的三角洲沉積區(qū)，南部是以鹽韻律層為主的鹽湖沉積區(qū)，砂泥巖與鹽韻律頻繁互層是過渡區(qū)的主要巖性特征，在整個潛江組地層沉積過程中，3 個最大湖泛面時期是富有機質(zhì)頁巖的主要發(fā)育時期，其中潛二段有機質(zhì)成熟度偏低，不是目前重點研究的層段，而高成熟度的潛三下段和潛四下段均是頁巖油勘探開發(fā)的重點層系，同時，此次選取的樣品主要集中在潛四下段[30-31]。

圖1 潛江凹陷區(qū)域構(gòu)造位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural location in Qianjiang depression

3 儲層礦物以及孔隙特征

該研究對22 塊潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層樣品礦物組分進行分析研究。研究方法主要采用水懸浮分離方法或離心分離方法，在實驗過程中，通過提取粒徑小于10 μm 的黏土礦物樣品來測定黏土礦物在原巖中的總的相對含量，通過提取粒徑小于2 μm 的黏土礦物樣品來測定各種黏土礦物的相對含量。一般來說，不同礦物的晶體通過X 射線衍射，都可以得到其特定的圖譜，且礦物含量與圖譜中的特征峰強度呈正相關(guān)關(guān)系，因此可以通過測量礦物的特征峰值強度求出該礦物的含量。

通過相關(guān)研究表明，潛四下段的礦物成分總體表現(xiàn)“低黏土礦物、低石英、高碳酸鹽巖、局部高蒸發(fā)巖”的特征。其成分主要由長石、石英、黏土礦物等碎屑礦物，石膏、鈣芒硝、石鹽等蒸發(fā)巖類礦物，方解石、白云石等碳酸鹽類礦物組成，其中白云石和方解石等碳酸鹽類脆性礦物含量較高。樣品中石英含量占比為3.1%～13.9%，長石占比為6.1%～17.7%，黏土礦物占比為8.2%～33%，其中碳酸鹽巖類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞50%，局部硬石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞30%（見表1），這與鄂爾多斯長7 段泥頁巖、濟陽凹陷沙四段泥頁巖等其他地區(qū)泥頁巖儲層礦物特征有較大區(qū)別[32]?？紫吨饕源紊紫稙橹?，包括粒間孔、粒內(nèi)孔（如圖2 所示）。潛江組頁巖的礦物組成對頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)以及氣體的吸附能力均有重要的影響，同時也反映了巖石脆性特征的變化。石英含量、方解石含量、白云石含量的增加將提高巖石的脆性，有利于儲層的壓裂改造，可形成復(fù)雜縫網(wǎng)，而黏土礦物含量使得地層塑性增強，不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。從目前XRD 礦物組分分析結(jié)果來講，儲層具有一定的可壓性，有利于后期壓裂改造。

表1 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層礦物組分表Table 1 Table of mineral component of shale oil reservoirs in the lower Eq4 in Qianjiang depression

續(xù)表1

圖2 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層孔隙特征SEM 掃描圖Fig.2 SEM scan of pore characteristics of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4 儲層力學(xué)性質(zhì)特征

4.1 儲層力學(xué)參數(shù)特征

該研究主要通過單軸、三軸巖石力學(xué)實驗，測試分析了潛四下段6，18，23，24，26，31，32 韻律層的力學(xué)參數(shù)，主要包括峰值應(yīng)力、彈性模量、泊松比等，實驗設(shè)備是長春新特實驗機廠和中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所共同研制的XTR01 型微機控制電液伺服巖石三軸實驗儀。整個實驗是在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所完成的，實驗的溫壓條件盡可能貼近真實地下條件，實驗溫度最高達125 ℃，圍壓最高控制在40 MPa。研究結(jié)果表明，當(dāng)圍壓為0 MPa、溫度為25℃時，潛江組潛四下段頁巖油儲層整體峰值應(yīng)力為32～58.91 MPa，彈性模量為4.99～6.57 GPa，泊松比為0.146～0.331；當(dāng)圍壓達到40 MPa、溫度達到120 ℃時，峰值應(yīng)力為213.51～302.31 MPa，彈性模量為13.89～18.11 GPa，泊松比為0.152～0.227。整體特征表現(xiàn)為隨著溫度和圍壓的增加，峰值應(yīng)力和彈性模量明顯增高，而泊松比變化不大。為了進一步探究起主要因素的參數(shù)，選取了潛江組潛四下段32 韻律的試樣進行研究，在同一圍壓條件、不同溫度條件下進行測試，圍壓分別取0 MPa，10 MPa，30 MPa，50 MPa，溫度分別取25 ℃，60 ℃， 95 ℃，125 ℃，研究結(jié)果表明，同一圍壓條件下，隨著溫度的升高，6 韻律儲層單軸抗壓強度小于40 MPa，高溫高庒下抗壓強度可達170 MPa；8 韻律儲層單軸抗壓強度約為50 MPa，高溫高壓下抗壓強度可達200 MPa；23 韻律儲層單軸抗壓強度約為50 MPa，高溫高壓下抗壓強度大于200 MPa；24 韻律儲層單軸抗壓強度約為60 MPa，高溫高壓下抗壓強度約為300 MPa 左右；26韻律儲層單軸抗壓強度約為40 MPa，高溫高壓下抗壓強度約為220 MPa；31 韻律單軸抗壓強度約為40 MPa，高溫高壓下抗壓強度大于200 MPa；32 韻律儲層單軸抗壓強度一般小于50 MPa。所有的樣品在三軸壓縮試驗中，隨著圍壓的增加，試樣的抗壓強度有所增強，而溫度的增加則導(dǎo)致強度的降低，同時應(yīng)力-應(yīng)變曲線初期線性較差（孔隙裂隙壓密），試樣破壞后沿著層理面發(fā)生劈裂破壞且產(chǎn)生較多裂紋，后期應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平滑，試樣破壞面與端面約成45°，為剪切破壞模式，并且在高溫條件下試樣塑性增強。

由此可以得出，24 韻律儲層抗壓強度較大，6 韻律儲層抗壓強度較小，其余韻律儲層抗壓強度基本相當(dāng)（如圖3 所示）。不同圍壓以及溫度下，潛四下段頁巖油儲層彈性模量為4.16～18.11 GPa，泊松比為0.146～0.331，隨著溫度與圍壓的增大，峰值應(yīng)力、彈性模量也增大，溫度、圍壓與峰值應(yīng)力、彈性模量呈正相關(guān)關(guān)系，而隨著溫度與圍壓的增大，泊松比并無明顯變化（如圖4 所示）。

圖3 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層全應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及試樣破壞前后圖Fig.3 Full stress-strain curve and pattern failure of shale oil reservoir before and after diagram in the lower Eq4 in Qianjiang depression

圖4 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層力學(xué)參數(shù)與圍壓、溫度關(guān)系圖Fig.4 Diagram of relationship between mechanical parameters and confining pressure and temperature of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4.2 儲層抗拉強度特征

該研究主要通過對潛四下段儲層樣品進行巴西劈裂實驗，得出不同巖性巖石的抗拉強度。實驗前，量取兩端面相互垂直的4 個直徑，取平均值。量取兩端面軸邊對稱4 點及中心點的5 個高度，取平均值。實驗時，將試件放入專門的夾具中，使用100 kN 的壓力檔，按約0.2 kN/s 的速率加載，直至破壞，記錄破壞的壓力值，通過計算得出巖石的抗拉強度。實驗結(jié)果表明，拉應(yīng)力方向與層理面垂直時試樣的抗拉強度較小，一般小于1 MPa，當(dāng)拉應(yīng)力方向與層理面平行時抗拉強度較大，一般大于1 MPa。試樣首先從圓盤中部起裂，由其破壞形態(tài)可知，前者破裂面較為平直，其破壞面即為層理面，后者破壞面受層理影響發(fā)生彎曲（如圖5 所示），層理面抗拉強度為0.33～0.66 MPa，而基質(zhì)的抗拉強度為1.413～2.044 MPa（見表2），表明層理面更容易開啟。

圖5 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層巴西劈裂實驗前后對比圖Fig.5 Before and after the Brazil fracturing experiment of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

表2 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層抗拉強度統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of tensile strength of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

通過界面直剪實驗得出，隨著法向應(yīng)力從4 MPa升至12 MPa，鈣芒硝-泥巖界面的抗剪強度為1.08～5.6 MPa，層理界面的抗剪強度為1.28～9.21 MPa，表現(xiàn)為鈣芒硝-泥巖界面抗剪切強度小于層理界面。除了可以通過實驗測量的值得出量化的抗剪強度，還可以通過觀察巖石破壞后斷面的形態(tài)來探究破壞機理，此次實驗后的樣品斷口呈現(xiàn)出明顯鋸齒狀，并有小碎塊散落，說明試樣具有一定的抗剪切能力，當(dāng)法向應(yīng)力增加時，抗剪切的強度也隨之增加。由斷裂面的圖片可知，交界面一般在泥巖處發(fā)生破壞。剪切過程中由于法向應(yīng)力的作用斷裂面的部分泥巖被磨平，顯示其抗剪能力較弱。由于試樣層理面較為發(fā)育，剪切過程中剪切面附近層理面也會在力的作用下發(fā)生破壞，這就造成了剪切面和層理面交互破壞的情況（如圖6 所示）。通過對實驗數(shù)據(jù)的線性回歸，計算得到界面黏聚力和內(nèi)摩擦角，其中鈣芒硝- 泥巖界面的黏聚力為0.57 MPa，內(nèi)摩擦角為21.78°；層理界面黏聚力為0.99 MPa，內(nèi)摩擦角為31.99°（見表3）。

圖6 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層界面破壞后圖（樣品為棱長為50 mm 的立方體）Fig.6 After fracture of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression (the sample is a cube with an edge length of 50 mm)

表3 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層直接剪切結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of reservoir direct shear results in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4.3 儲層地應(yīng)力特征

目前研究儲層地應(yīng)力的實驗方法主要是運用基于Kaiser（凱塞爾）效應(yīng)的聲發(fā)射方法。Kaiser（凱塞爾）效應(yīng)是指巖石的聲發(fā)射活動能夠記錄巖石所受過的最大應(yīng)力，并且聲發(fā)射時的聲波頻率及振幅與應(yīng)力有一定的關(guān)系[33-34]。凱塞爾效應(yīng)可以記錄可逆和不可逆破裂的信號，可逆的破裂信號是指破裂面的摩擦活動時記錄的信號，這種滑動是可逆的。不可逆的破裂信號是指巖石發(fā)生不同程度的不可逆的破裂時所記錄的信號。當(dāng)加載的應(yīng)力達到巖石過去已施加過的最大應(yīng)力時，聲發(fā)射的信號明顯增加，當(dāng)加載應(yīng)力繼續(xù)增大，大于巖石已施加過的最大應(yīng)力時，新的破裂發(fā)生，使得聲發(fā)射活動的頻度突然提高。

在這過程中由于巖石摩擦活動產(chǎn)生的聲發(fā)射信號也被記錄，因此，聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)在單向應(yīng)力加載過程中，可以測定此方向巖石曾經(jīng)受過的最大應(yīng)力[35-36]。

根據(jù)聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)原理，為了測定巖樣的3個主地應(yīng)力（2 個水平方向、1 個垂直方向），必須對同一巖心進行不同方向的取樣。如要測得3 個主地應(yīng)力，取樣方向至少4 個，1 個垂直方向，3 個相隔45°角的水平方向，對這4 個樣品進行聲發(fā)射實驗，測得其應(yīng)力，從而求出試樣的3 個主地應(yīng)力。根據(jù)巖石力學(xué)試驗結(jié)果，試樣單軸抗壓強度較小，因此為提高試樣的抗壓強度，壓縮過程中對試樣施加一定的圍壓。實驗前，先將樣品的兩端加上壓頭，在用密封套密封之后，安裝應(yīng)變傳感器，隨后放入壓力室，外接聲發(fā)射探頭；加載軸向應(yīng)力之前，需要先加載一定的側(cè)壓力，達到其預(yù)設(shè)值，并保持其不變，在此基礎(chǔ)上加載軸向應(yīng)力，直至試樣發(fā)生破裂，通過系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并處理得到結(jié)果（如圖7 所示）。結(jié)果表明，潛四下段15 韻律層最大水平主應(yīng)力為74.25 MPa，最小水平主應(yīng)力為71.74 MPa，水平應(yīng)力差為2.51 MPa；32 韻律層最大水平主應(yīng)力為80.61 MPa，最小水平主應(yīng)力為78.01 MPa，水平應(yīng)力差為2.6 MPa，兩者均有形成壓裂體積縫網(wǎng)的應(yīng)力條件（見表4）。

表4 潛江凹陷潛四下段頁巖油儲層地應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of crustal stress test results in the lowerEq4 in Qianjiang Depression

圖7 潛江凹陷潛四下段32 韻律儲層3682 號試樣聲發(fā)射信號隨時間變化圖Fig.7 The figure of the transmitted signals over time of NO.3682 sample in the 32TH rhythmical reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

5 結(jié)論

1）礦物成分總體表現(xiàn)“低黏土礦物、低石英、高碳酸鹽”的特征。整體樣品中石英含量占比為3.1%～13.9%，長石占比為6.1%～17.7%，黏土礦物占比為8.2%～33%?？紫吨饕源紊紫稙橹鳎ňчg孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔和裂縫孔隙；

2）潛四下段24 韻律儲層抗壓強度較大，6 韻律儲層抗壓強度較小，其余韻律儲層抗壓強度基本相當(dāng)。彈性模量為4.16～18.11 GPa，泊松比為0.146～0.331，隨著溫度與圍壓的增大，峰值應(yīng)力、彈性模量也增大，溫度、圍壓與峰值應(yīng)力、彈性模量呈正相關(guān)關(guān)系，而隨著溫度與圍壓的增大，泊松比并無明顯變化；

3）層理面抗拉強度為0.33～0.66 MPa，而基質(zhì)的抗拉強度為1.413～2.044 MPa，表明層理面更容易開啟。隨著法向應(yīng)力從4 MPa 升至12 MPa，鈣芒硝-泥巖界面的抗剪強度為1.08～5.60 MPa，層理界面的抗剪強度為1.28～9.21 MPa，表現(xiàn)為鈣芒硝-泥巖界面抗剪切強度小于層理界面，鈣芒硝-泥巖界面的黏聚力為0.57 MPa，內(nèi)摩擦角為21.78°，層理界面黏聚力為0.99 MPa，內(nèi)摩擦角為31.99°；

4）潛四下段15 韻律層最大水平主應(yīng)力為74.25 MPa，最小水平主應(yīng)力為71.74 MPa，水平應(yīng)力差為2.51 MPa；32 韻律層最大水平主應(yīng)力為80.61 MPa，最小水平主應(yīng)力為78.01 MPa，水平應(yīng)力差為2.6 MPa，兩者均有形成壓裂體積縫網(wǎng)的應(yīng)力條件。