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四川盆地长宁示范区龙马溪组页岩岩石力学特性及脆性评

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四川 盆地 长宁 示范区 龙马溪组 页岩 岩石 力学 特性 脆性
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第34卷第4期20 1 5年7月地 质 科 技 情 报Geological Science and TechnologyInformationVol.34 No.4Jul.  2015四川盆地长宁示范区龙马溪组页岩收 稿 日期 :2015-01-21   编辑 :杨勇基 金项目 :国家自然科学基金项目 (41472123)作者简介 :杨宝刚 (1988—),男 ,现正 攻读矿产普查与勘探专业硕士学位 ,主要从事非常规油气成藏与展布规律方面的研究 。E-mail:462321806@qq.com岩石力学特性及脆性评价杨 宝 刚 ,潘仁芳 ,赵丹 ,李卓文 ,高博乐(长江大学油气资源与勘查技术教育部重点实验室 ,武 汉430100)摘要 :页岩的岩石力学特性对页岩气开发效果具有重要影响 ,因此以四川盆地长宁示范区志留系龙马 溪组泥页岩层段为研究对 象 ,分析其力学与脆性特性 。采用矿物组分分析 、地球物理测井分析和实验室力学实测相结合的方法 ,比较了龙马溪组龙一段和龙二段的脆性矿物含量 、泊松比 、杨氏模量 、岩石脆性 、三轴压力等力学特性 。结果表明 :龙二段比龙一段具有更高的脆性矿物含量 ,龙一段的泊松比明显高于龙二段 ,利用纵横波时差比可以反映泊松比的变化 ,纵横波时差关系图的斜率与泊松比具有相反的变化趋势 。龙一段样品的杨氏模量低于龙二段样品 ,通过杨氏模量和泊松比关系图发现龙一段与龙二段发生分离 ,龙二段页岩段的脆性指数大于0.5,应力 、应变曲线的负坡较陡 。综合评价分析表明 :龙 二段具有较低的泊松比 、纵横波时差比和较高的杨氏模量 ,龙一段比龙二段更易变形 。因此龙二段脆性优于龙一段脆性 ,有利于后期的压裂改造 。关键 词 :长宁 示范区 ;龙马溪组 ;矿物组分分析 ;泊松比 ;杨氏模量 ;岩石脆性 ;三轴压力中图 分类号 :P584     文献 标志码 :A     文章 编号 :1000-7849(2015)04-0183-06页岩气是指在 泥页岩地层中生成且尚未完全排出具有区域连续聚集性的一种自生自储非常规天然气 ,其往往以游离态 、吸附态 、溶解态富集于泥页岩中 。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点 ,主要产自极低渗透率和孔隙度泥页岩地层 ,这些泥页岩既作为烃源岩 ,也作为储集岩系[1-3]。聂海 宽等[4]利用 比较分析法分析了中美含气页岩差异性 ,认为我国南方下志留统龙马溪组页岩气储层具有低孔低渗 、岩石性脆等特征 ;加之页岩气成藏机理和演化分布等方面与常规气藏有着明显区别 ,并且我国南方海相页岩地质条件与美国相比较为复杂 ,具有特殊性[5-9],因此 在对页岩层段进行钻井与压裂开发时 ,必须考虑我国地质特点 ,因此笔者拟从脆性矿物含量 、泊松比 、杨氏模量 、岩石脆性 、三轴压力实验等几个方面来探讨长宁示范区龙马溪组页岩储层的岩石物理力学性质 ,旨在说明页岩力学特性对页岩气勘探开发的指导意义 ,评价其脆性特征 ,为长宁示范区后期页岩气的地层压力 、井壁稳定和压裂设计以及压裂选层等研究工作提供重要依据 。1 地 质 特征研究 区位于四川省东南部边缘 ,处于宜宾市长宁县和江安县 、珙县及泸州市叙永县等境内 ,高点位于长宁县双河场 。其构造位置位于川东南帚妆构造发散末端 ,川南褶皱带和娄山断褶带的交汇位置 ,处于多方受力的三角带 ,因此发育具有多组复杂组合的背斜构造 。研究区东邻叙永向斜与高木顶构造 ,南接柏杨林 、大寨背斜构造 ,西为贾村溪构造 ,北邻莲花寺 、老翁场 、付家庙构造[10](图1)。图1 研究 区位置图Fig.1 Location of the studyarea四川盆地长宁示范区为具 有多组断裂构造的背斜 ,虽经多期次构造运动 ,但下古生界总体构造格局未受明显破坏 。长宁背斜构造两翼出露地层多为三叠系嘉陵江组 ,核部则以寒武系遇仙寺组为主 ,中间地 质 科 技 情 报2015年  相应 地缺失了泥盆系 、石炭系 。长宁背斜构造轴向近北北西向 ,其东北翼较陡且发育北东走向的东观村鼻状构造 ,东边的倾没端与营盘山背斜和叙永向斜相连 ,最后消失在近东西向的叙永向斜之中 ,平面构造形迹较单一 。示范区东北部的营盘山断层斜切构造轴部 ,构造走向近北北西向 。东南端多发育逆断层 ,其构造走向大多为北东向 ,以北西-北北西向为主 ,形成长宁示范区多组复杂组合的构造特征[10]。2 页岩储层物性特征及矿物组分分析2.1页岩 储层物性特征据取心资料分析结果表明 ,龙马溪组原地应力条件下测得基质渗透率介于0.01×10-3~0.001×10-3μm2之 间 。龙 一 段 ,平 均w(TOC)较 低 ,约1.3%,总孔 隙度较低 ,约2.0%,充气 孔隙度0.5%,页岩 气成藏潜力较差 ;龙二段页岩相对较好 ,平均w(TOC)约3.8%,总孔 隙度约6.0%,充气 孔隙度4.5%,有机 质含量高 ,页岩气成藏潜力较好 ,并且该段天然裂缝不发育 ,局部发育钻井诱导缝 ,表明龙二段具有较好的开发前景 。2.2页岩岩石矿物组分分析利用X射线衍射分析长宁示范区龙一段和龙二段的取心资料 ,整体页岩矿物组分以石英矿物 、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主 ,其中龙一段石英质量分 数 约29%,黏 土 矿 物 约39%,碳 酸 盐 矿 物 约14%。其他矿物成分约18%,其中 黏土矿物中伊利石约占74.36%,绿泥 石约占20.52%,伊利 石-蒙脱石混层约占5%。龙二段石英质量分数约36%,黏土 矿物约26.67%,碳酸 盐矿物约26.33%,其他矿 物成分约11%。黏土 矿物中伊利石约74.00%,绿泥 石约22.22%,伊利 石-蒙脱石混层约3.5%(图2)。美国 成功开发的Woodford页岩 和Barnett页岩脆性矿物质量分数 高 (大于40%),黏土 矿物质量分数低 (小于30%)[11-12],比较 龙一段可知 ,龙二段的石英 、碳酸盐含量高 ,黏土含量低 。整体评价表明 ,龙二段与龙一段相比 ,脆性矿物质量分数高且大于40%,易于 储层改造 ,有利于压裂开采 。a.矿物 组成;b.黏土矿物组成图2 研究区页岩储层岩石矿物成分分析结果图Fig.2 Mineral composition analysis chart of shale reservoir rock in the studyarea3 页岩岩石力学分析及脆性评价岩石 力学性质含义包括两个方面 :岩石变形特征和强度特征 。变形特征反映了岩石在外力载荷下的变形规律 ;岩石强度反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律 。岩石力学性质对岩石物理构造以及钻井压裂有很重要的研究意义 。因此主要从泊松比 、杨氏模量 、岩石脆性 、三轴压力实验分析龙马溪组页岩气储层的岩石物理力学性质 。根据美国页岩气勘探开发的成功经验 ,通过地球物理测井资料计算得到的泊松比和杨氏模量可作为页岩脆性评价的主要依据[12-15],Rickman等[16]、Griser等[17]对Woodford页岩 和Barnett页岩 进行了分析 ,认为低泊松比和高杨氏模量意味着页岩脆性特性好 ;同时认为纵横波时差也可以用来计算泊松比和杨氏模量 。3.1泊松比3.1.1 泊松 比的计算根据文献 [18]中的公式 :ν=eyyexx=-λ·T12μ(3λ+2μ)(λ+μ)T1μ(3+2μ)=λ2(λ+μ)(1)式中 :ν为泊 松比 ;eyy为横 向缩短 ;exx为纵 向伸长 ;T1为法 向应力 ;λ为拉 梅系数 ;μ为剪 切模量 。利用式 (1)可以计算出龙马溪组页岩段泊松比 ,静态力学分析方法和动态力学分析方法总体反映出龙一段和龙二段的变化趋势 (图3)。图中显示 ,龙一段泊松比介于0.10~0.31之间 ,平 均为0.19。龙二段泊松比介于0.06~0.20之间 ,平 均为0.14。龙一段的泊松比明显高于龙二 段 。3.1.2 泊松比与纵横波 时差的关系利用泊松比与纵波速度 、横波速度关系函数 ,我们可根据泊松比与岩石物性参数之间的相互关系推481 第 4期 杨 宝刚等 :四川盆地长宁示范区龙马溪组页岩岩石力学特性及脆性评价图3 研究区龙马溪组岩心校正的泊松比 、杨氏模量剖面图Fig.3 Cross sectional mapof Poisson′s ratio and Young′smodulus corrected bycore of Longmaxi Formation导出 泊松比与纵横波时差的关系 [式 (2),(3)]vpvs=2(1-ν)1-2槡 ν(2)ν=2ΔT2c-ΔT2s2(ΔT2c-ΔT2s)(3)式中 :ΔTc为地 层纵波时差 ;ΔTs为地 层横波时差 ;vp为纵 波速度 ;vs为横 波速度 。根据式 (3),可以得到式 (4):ΔTcΔT( )s2=12ν-2+1(4)由式 (4)可 以得出 ,纵横波时差和泊松比直接相关 。在一定泊松比区间内 ,(ΔTc/ΔTs)2越高 泊松比越低 ,反之亦然 。因此利用纵横波时差比也可以反映泊松比的变化 ,纵横波时差关系图的斜率也和泊松比有相反的变化趋势 。利用龙一段和龙二段做纵横波时差关系图 (图4),可以看出龙二段的斜率稍高于龙一段 ,反映了龙二段的泊松比低于龙一段 ,这和上面计算的结果相符 。3.1.3 纵横 波速度对泊松比的影响纵横波时差也可反映地层抗压 、抗剪等特性 ,为弹性模量 、剪切模量及泊松比等岩石力学参数提供重要的基础数据 ,因此纵横波速度比和泊松比关系图可以直接反映岩石脆性 。对于钻井压裂施工来说 ,低纵横波速度比 、低泊松比的区域为良好脆性区域 。根据纵横波速度比和泊松比关系图 (图5)可以看出 ,龙二段的纵横波速度比明显低于龙一段 ,表明低纵横波速度比与泊松比呈正相关关系 ,说明龙二段比龙一段具有更好的水力压裂效果 。图4 纵横波时差关系图Fig.4 Aspect slowness diagram图5 纵横波速度比与泊松比关系图Fig.5 Relationshipbetween shear wave velocityratio and Poisson′s ratio3.2杨氏 模量根据文献 [18]公式 :E=ρ/ΔT2s(3ΔT2s-4ΔT2cΔT2s-ΔT2c) (5)式中 :ρ为地层体积密度 。图6 杨氏模量和泊松比关系图Fig.6 Relationshipbetween Young′s modulus andPoisson′s ratio通过 式 (5)计算杨氏模量 ,结果如图6所示 ,可以看出龙一段杨氏模量介于1.65×104~4.34×104MPa之间 ,平 均为2.62×104 MPa,龙二 段杨氏模量介于1.41×104~3.24×104 MPa之 间 ,平 均 为2.68×104 MPa,结果 显示用测井解释分析龙一段和龙二段的杨氏模量差异程度效果不明显 ,但是通过建立杨氏模量和泊松比关系图 (图6),明显可见龙一段样品的杨氏模量低于龙二段样品的杨氏模量 ,发现龙一段与龙二段发生分离 ,因此可以通过杨氏模量与泊松比关系图来划分层段 ,为压裂目的层段的标定提供了依据 。龙一段比龙二段更易变形 ,龙二段脆性优于龙一段 。581地 质 科 技 情 报2015年  3.3岩石 脆性根据Jarvie[19]脆性 计算公式 :岩石脆性=石英含量石英含量+碳酸盐含量+黏土 含量(6)式 (6)计算结果可以直接有效地反映出龙马溪组岩石脆性特征 ,结果如表1所示 。从表1可知龙二段岩石脆性指数明显优于龙一段 ,说明龙二段压裂施工效果更好 。表 1岩 石 样品脆性Table 1 Brittleness of rock samples样品 井号目的层段深度h/m矿 物 组成 wB/%石 英 黏土矿物 碳酸盐岩石脆 性1 A 龙一 段 2 278.10 0.24  0.34  0.33  0.272 A 龙二 段 2 383.40 0.47  0.21  0.19  0.533 B 龙一 段 2 492.01 0.29  0.39  0.14  0.354 B 龙二 段 2 516.63 0.47  0.14  0.32  0.513.4三轴 压力实验选取2个分别采自志留系龙一段下部和龙二段中部的岩石样品进行了三轴压力实验 。岩样实验结果如表2,3所示 。比较静态三轴压力实验结果可知 ,2个样品的抗压强度和静态杨氏模量差异很明显 ,2个样品的泊松比有较小的差异 。实测超声波速度和计算的动力弹性参数见表3。分析图1、表2、表3可知 ,实验室条件与实际地下条件相差甚远 ,因此测试结果会有所偏差 ,并且岩石动态杨氏模量是根据弹性波速度和密度计算得到 ,静态杨氏模量是直接通过实验测定 。同一块岩石的静态和动态杨氏模量差别较大 ,造成这种差异的主要原因可能是动态和静态实验应变幅度间的差异 。但总体而言 ,2号样品三轴压缩强度 、弹性模量比较大 ,泊松比相对较大 ,间接反映2号样品比1号样品脆性特性好 。表 2静态三轴压力实验数据 (常规条件下进行 )Table 2 Triaxial test data样品深 度h/m围 压 /MPa抗压 强度 /MPa静 态 杨氏模量E/104 MPa静态泊 松 比1  2 492.01  18.62  168.90  2.09  0.182  2 516.63  18.62  316.01  3.14  0.24应力-应变曲线上负坡的 坡降大小可有力地反映岩石的塑性与脆性 。负坡较缓者为塑性 ,反之为脆性 。由三轴压力实验应力-应变曲线图7可知 :2个样 品 在 应 力 为152,300MPa,应 变 为0.008,0.012条件 下 ,通过对1号和2号样品测得的弹性参数值和应力-应变曲线特征进行分析 ,显然1号和2号样品属于脆性岩石 ,2号样品应力 、应变曲线的负坡较陡 ,且2号样品比1号样品具有更高的杨氏模量 、体积模量和剪切模量 ,故其脆性优于1号样品 。表 3实测超声波速度和动力学弹性参数 (常规条件下进行 )Table 3 Ultrasonic velocity and dynamic elastic parameters样 品编 号围压p/MPa体 积 密度 纵波速度 横波速度ρ/(g·cm-3)vP/(m·s-1)μ/(s·m-1)vS/(m·s-1)μ/(s·m-1)动 力 弹性参数泊松比υ杨 氏 模量 /104 MPa体积 模量 /104 MPa剪切 模量 /104 MPa1  18.62  2.63  4 082  245.0  2 282  378.6  0.14  4.18  1.93  1.832  18.62  2.55  4 471  223.7  2 642  347.0  0.14  4.86  2.28  2.12图7 三轴压力实验应力-应变 曲线Fig.7 Triaxial experimental stress-strain curve总之 ,通 过矿物组分分析 、泊松比 、杨氏模量 、岩石脆性和三轴压力实验等计算结果 ,表明龙二段比龙一段脆性特性好 ,具有更好的水力压裂效果 。4 页岩岩性差异和脆性差异比较4.1龙一 段与龙二段页岩岩性比较四川盆地长宁示范区龙马溪组泥页岩段龙一段为灰色 、深灰色泥页岩夹钙质页岩 ,粉砂质页岩 。龙二段为黑色炭质泥岩 、灰黑色泥页岩互层 ,可见深灰褐色生物灰岩富含笔石化石 。由于龙一段与龙二段岩性差异性较大 ,并且泥页岩储层中由于所含岩性不同具有不同的破裂强度 ,泊松比 、杨氏模量等力学性质 ,通常其破裂强度从钙质页岩至粉砂质页岩 ,再至普通页岩依次减小 ,普通页岩也随着有机质的含量增加破裂强度也会减小 ,长期开发实践也证明破裂强度低的页岩具有低泊松比 、高杨氏模量等特性[19]。由此 可见 :与龙二段相对富含有机碳的页岩相比较 ,龙一段泥页岩段因含钙质页岩 、粉砂岩页岩 ,其压裂施工泥岩段不易破裂 ,施工难度大 ,不利于后期水力压裂开发 。4.2龙一段与龙二段脆性比较龙一段和龙二段两段相邻 ,其两段所受围压 、温度 、孔隙流体 、孔隙压力 、埋藏时间等外界因素对岩石力学的影响大致相当 。因此两段的岩性差异是其681 第 4期 杨 宝刚等 :四川盆地长宁示范区龙马溪组页岩岩石力学特性及脆性评价脆性 差异的主要影响因素 ,而岩性是由沉积环境所决定的 。因此分别比较龙一段和龙二段的沉积环境有利于其脆性评价 。(1)龙二段川东南龙马溪组是在加里东运动时期海相沉积环境下形成的 ,龙二段时期川东南地区相对沉降 ,海平面迅速上升 ,使得可容纳空间迅速增大 ,研究表明 ,快速的海平面变化易导致生物死亡并有利于保存 ,并且研究区处于浪基面以下 ,海底出现缺氧环境 ,微生物的活动性被抑制 ,使得沉积下来的富含来自低等水生生物 、浮游生物和藻类等有机质在被氧化破坏之前能够较大量沉积下来 ,形成龙二段以黑色炭质泥岩 、灰黑色泥页岩等为主的岩性 。同时FMI图像 上可见纹层状粉砂岩透镜体 ,页岩页理发育 ,发育水平层理 ,炭质泥岩中见条带状的黄铁矿团块 、条带 ,可有效地指示较弱的水动力条件和低能的还原沉积环境 。其在测井响应上 ,与上下围岩具有明显的波阻抗差 ,可见沉积环境主体为局限的泥质浅海陆棚 ,沉积速率慢 ,构造活动不明显[20]。浅海 陆棚所形成的黑色炭质泥岩 、灰黑色泥页岩 ,在单位时间 、单位体积内使得有机质含量得到高度的浓缩 ,综合评价表明龙二段岩性分布较为均匀 ,岩性较为单一 ,破裂强度较小 ,具有低泊松比 、高杨氏模量等特性 ,易于压裂施工 ,属于优先开发层段 。(2)龙一段此时期的加里东运动继续影响龙马溪组的沉积格局 ,相应的沉积格局发生了较大的变化 ,但研究区还处于相对滞留环境中 ,发育灰泥质浅海陆棚[21],研究 表明 :其龙马溪组沉积晚期沉积速率明显大于早期 ,龙马溪组上段厚度明显大于下段 ,但随着前陆隆起继续抬升 ,研究区相对变浅 ,还原环境也发生了较大的变化 ,微生物活动性加强 ,有机质保存条件遭到了破坏 ,导致了研究区烃源岩的品质变差 ,并伴有钙质页岩 、粉砂岩页岩沉积 ,并且由于后来的构造运动遭到了不同程度的剥蚀[22]。因此 可见 ,龙一段比龙二段岩性相对多样 ,各向异性突出 ,岩性分布不均匀 ,因含钙质页岩 、粉砂质页岩 、有机质被氧化等因素影响导致脆性条件下降 ,不利于裂缝形成 。5 结论(1)矿物 组分分析表明 ,龙二段的石英 、碳酸盐等脆性矿物质量分数高且大于40%,黏土 矿物质量分数低 ,小于30%。根据 美国成功开发Barnett页岩和Woodford页岩 的经验 ,龙二段比龙一段易于储层改造 ,有利于压裂开采 。(2)地球物理测井预测和室内实验分析表明 ,龙一段的泊松比明显高于龙二段 ,利用纵横波时差比也可以反映泊松比的变化 ,纵横波关系图的斜率与泊松比具有相反的变化趋势 。(3)龙一段样品的杨氏模量低于龙二段样品的杨氏模量 ,龙二段具有较低的泊松比 、纵横波时差比和较高的杨氏模量 ,龙一段比龙二段更易变形 。通过杨氏模量和泊松比关系图发现龙一段与龙二段发生了分离 ,据此可以划分层段 。(4)龙二段页岩储层脆性指数大于0.5,脆性 指数优于龙一段 。三轴压力实验分析表明 :龙二段的应力 、应变曲线的负坡较陡 ,具有较高的杨氏模量 、体积模量和剪切模量 ,故其脆性优于龙一段 。(5)泥质浅海陆棚沉积环境相对于灰泥质浅海陆棚沉积环境所形成的页岩岩性分布较为均匀 ,岩性较为单一 ,破裂强度较小 ,具有低泊松比 、高杨氏模量等特性 ,易于压裂施工 ,属于优先开发层段 。参考文献 :[1]张 金 川 ,金之钧 ,袁明生 .页岩气成藏机理和展布 [J].天然气工业 ,2004,24(7):10-18.[2]Law B E,Curtis J B.Introduction to unconventional petroleumsystems[J].AAPG Bul.,2002,86(11):1851-1852.[3]Curtis J B.Fractured shale-gas system[J].AAPG Bul.,2002,86(11):1921-1938.[4]聂 海 宽 ,张金川 ,张培先 ,等 .福特沃斯盆地 Barnett页岩 气藏特征及启示 [J].地质科技情报 ,2009,28(2):88-92.[5]Polastro R M,Hil R J,Jarvie D M,et al.Geologic and organicgeochemical framework of the Barnett Paleozoic Total Petrole-um System,Bend Arch Fort Worth Basin,Texas[C]∥Anon.AAPG Annual Meeting Program Abstracts(Vol.13).[S.l.]:[s.n.],2004:113.[6]杨振 恒 ,李志明 ,王果寿 ,等 .北美典型页岩气藏岩石学特征 、沉积环境和沉积模式及启示 [J].地质科技情报 ,2010,29(6):59-62.[7]陕 亮 ,张 万益 ,罗晓玲 ,等 .页岩气储层压裂改造关键技术及发展趋势 [J].地质科技情报 ,2013,32(2):157-160.[8]Jarvie D M,Hil R J,Plastron R 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mineral content than the Long1section,but the slope of aspectslowness diagrams and Poisson′s ratio have the opposite trends,and the Young′s modulus from the sam-ples of Long 1section is lower than the Long 2section.The Young′s modulus-Poisson′s ratio diagram in-dicates that the Long1and Long2section are separation.The shale brittle index of Long2section is grea-ter than 0.5and the negative strain curve is verysteep.The summaryconclusions include the Long2sec-tion has a lower Poisson′s ratio,lower aspect slowness ratio and higher Youngmodel value,and the Long1section is more deformable than long2.Therefore,the Long2section is more brittle than Long1whichis better for press crack.Keywords:Changningdemonstration area;Longmaxi Formation;mineral composition analysis;Poisson′sratio;Young′s modulus;rock brittle;triaxial stress881
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