地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (12): 4833-4845   PDF    
矿物组分对龙马溪组页岩动、静态弹性特征的影响
王斌1,4, 邓继新1,3, 刘喜武2, 潘建国4, 王佳庆3, 肖顺垚3     
1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;
2. 中石化石油勘探开发研究院油气地球物理研究中心, 北京 100728;
3. 成都理工大学地球物理学院地球物理系, 成都 610059;
4. 中石油勘探开发研究院西北分院西部勘探所, 兰州 730020
摘要:龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一,其静态弹性性质是影响压裂效果的重要因素,而动态弹性性质则是页岩"甜点"地震预测的重要基础.但对龙马溪组页岩动、静态弹性特征相互关系及其影响因素缺少对比研究,致使运用动态弹性性质进行"甜点"预测时存在不确定性.在对龙马溪组页岩样品系统动、静态性质联合测量基础上,分析了页岩样品动、静态弹性性质的变化规律,并讨论了成岩作用与动、静态弹性性质变化规律的因果关系.研究结果表明,龙马溪组页岩上下两段成岩过程存在明显差异,致使上段页岩在结构上表现为以塑性黏土颗粒作为受力骨架,而下段页岩在结构上逐渐转变为脆性石英颗粒作为受力骨架.页岩岩石结构特征的变化控制了动、静态弹性特征的整体变化规律,表现为动、静态杨氏模量、峰值强度等随石英含量的增大表现出近似"V"型的变化形式,而与钙质含量变化呈现正相关关系,与黏土含量变化表现出负相关性.上段页岩宏观力学性质受微观石英+黏土颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现出明显塑性段,动、静态杨氏模量比大于1.4,破裂易于发生在黏土与石英颗粒边界形成宏观单剪型破裂模式,样品脆性低,且脆性变化不受石英含量的影响.下段页岩宏观力学性质受微观石英颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现为弹性变形,动、静态杨氏模量比小于1.4,破裂发生在石英颗粒内部形成宏观劈裂型破裂模式,样品脆性高,且脆性变化与石英含量呈明显正相关关系.研究结果可为龙马溪页气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.
关键词: 龙马溪组页岩      动态弹性性质      静态弹性性质      脆性     
The influence of rock composition on dynamic and static elastic properties of Longmaxi Formation shales
WANG Bin1,4, DENG JiXin1,3, LIU XiWu2, PAN JianGuo4, WANG JiaQing3, XIAO ShunYao3     
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
2. Oil and Gas Geophysics Center, Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100728, China;
3. Department of Geophysics, College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
4. Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Lanzhou 730020, China
Abstract: Longmaxi Formation shale is the prior horizon for shale gas exploration in China. Its static elastic properties are essential to the formation's response to hydraulic fracture stimulation, and its dynamic elastic properties are the important basis for "sweet spot" prediction by seismic method. While comparative studies about the dynamic and static elastic properties and its influence factors are actually insufficient, the resultant seismic method for "sweet spot" prediction is less certain. In this paper, dynamic and static elastic properties for the shale gas samples from Longmaxi Formation are discussed based on acoustic experiments and triaxial test. The influence of diagenetic evolution on these dynamic and static elastic properties is also discussed. The results show that the ductile clay minerals are the major load-bearing grains for the rock texture of the upper part of Longmaxi Formation shale, and brittle quartz minerals gradually replace clay as the load-bearing grains for the rock texture of the lower part of Longmaxi Formation shale. The rock texture variations control the overall regularities of dynamic and static elastic properties. The relationship between dynamic and static Yong's modulus and peak strength and the quartz content is more complex, and V-shape variation can be observed. A positive correlation between carbonate content and dynamic and static Yong's modulus and peak strength is also observed, and a negative relationship exists for clay content. For upper part of Longmaxi Formation shale, the macroscopic geomechanical properties is controlled by the elastic properties of the quartz+clay aggregates at microscope, which results in an apparent plastic strain in the stress-strain curves, higher dynamic modulus to static modulus ratio, single shear and double shear failure modes with rupture between quartz and clay boundary, low brittleness, and quartz content has little or no effect on brittleness. For lower part of Longmaxi Formation shale, the macroscopic geomechanical properties is controlled by the elastic properties of the cluster of micro-quartz, which results in an apparent elastic strain in the stress-strain curves, lower dynamic modulus to static modulus ratio, splitting failure modes with rupture within quartz grains, high brittleness, and quartz content is positively correlated with brittleness. Our results can provide a basis for well-logging interpretation and "sweet spot" discrimination using seismic method for Longmaxi Formation shale.
Keywords: Longmaxi Formation shales    Dynamic elastic properties    Static elastic properties    Brittleness    
0 引言

近年来, 页岩气作为一种非常规含气系统在我国逐步受到关注, 已在资源评价与核心区优选、“甜点”预测、水平井分段压裂以及工业化实验区建设等方面取得重大进展(刘振武, 2011; 张广智, 2015; 邹才能, 2015).从全国页岩气资源分布看, 四川盆地及其周缘的上志留系龙马溪组黑色页岩因为其本身的富有机质、埋藏深度适中和有机质演化程度高,逐渐成为了国内勘探突破的首选区域.自2010年以来, 威远—长宁、礁石坝、富顺—永川、昭通等地区均在该层位取得页岩气勘探、开发的突破(贾承造等, 2012; 马永生等, 2012; 金之钧等, 2016).

页岩气储层由于其非均质性、低孔隙度、低渗透率和气流阻力大等特征,需要利用水平井分段体积压裂技术进行储层改造, 以整体提高储层岩石的孔、渗特征(Bustin and Bustin, 2012; Sone and Zoback, 2013; 邹才能, 2015).页岩储层水压致裂所面临的共性问题是压裂结果的空间不均匀性及破裂方式的多样性.裂缝网络形成的必要条件除与地应力分布有关外, 岩石脆性特征也是影响岩石破裂性质的内在因素, 同时脆性也可作为评价储层力学特性的关键指标(付永强等, 2011; 李庆辉等, 2012).脆性的定义在不同学科存在一定的差异, 仍缺少考虑微观破裂机制和综合力学特性的统一的观点, 其中地球科学中普遍接受的观点认为岩石破裂前表现出极少或没有塑性形变的特性为脆性(AGI, 2011).储层岩石脆性作为岩石破裂能力表征参数, 是岩性、矿物组分、总有机碳、有效应力、储层温度、成岩、热成熟度、孔隙度以及孔隙流体类型的函数(John et al., 1963; 李智武等, 2006; Rybacki et al., 2016; Tian et al., 2017).岩石脆性定量表征有超过20余种计算方法, 依据测量方法的差异可主要分为三种类型.其一, 通过岩石硬度与坚固性差异计算脆性(Honda and Sanada, 1956), 该方法未能考虑加载条件对脆性的影响, 致使其计算结果与实际情况存在一定差异.其二, 利用岩石静态全应力-应变测试曲线提取的力学参数计算脆性(Bishop, 1967), 因其能较好表现岩石脆性破裂的应力、应变特征, 是脆性计算的主要方法; 如利用杨氏模量与泊松比的归一化平均计算脆性, 泊松比反映岩石在应力作用的初始破裂能力,而杨氏模量则反映裂隙保持其特征的能力, 脆性岩石具有高杨氏模量与低泊松比.其三, 基于岩石脆、塑性矿物组成的脆性评价方法, 但该方法忽略成岩作用对脆性的影响, 同样会造成计算结果与实际压裂结果的差异.页岩气“甜点”预测的重要内容之一是通过地震方法获得储层脆性特征, 预测基础是利用杨氏模量与泊松比的归一化平均(或其他等价扩展形式)计算脆性.由于动静态弹性参数在测量频率及应变幅度上的差异, 地震反演所得到的杨氏模量、泊松比等动态弹性参数与静态应力-应变全曲线计算的静态弹性参数并不反映相同的岩石变形特征.因此, 通过地震方法计算的脆性只能看作一种实际方法, 而不是基于严格的岩石变形特征.这需要首先对页岩气储层岩石变形特征及其控制因素进行系统的实验研究, 进而建立岩石动态弹性特征与静态变形特征(脆性)之间的联系或利用静态变形特征实现对动态特征的标定, 从而为利用地震方法计算的页岩气储层脆性提供理论依据.

本文主要通过对龙马溪组页岩的系统岩石学特征、动态与静态弹性特征测量, 在系统总结储层岩石变形特征及其与岩石矿物组分、结构特征、成岩作用关系的基础上, 分析岩石脆性破裂的微观机理, 进而建立龙马溪组页岩气储层动态弹性特征与静态变形特征(脆性)之间的联系, 为提高利用地震资料评价脆性的准确性提供依据.

1 地质背景与岩石学特征

本次工作所选用的龙马溪页岩气储层样品均取自昭通页岩气示范区的YS108井组.该井组位于四川台坳川南低陡褶带南缘罗场复向斜平寨向斜东部, 南与滇黔北坳陷相邻.井区目标层段下志留统龙马溪组-上奥陶统五峰组, 主体为形成于华南加里东造山带控制并闭塞的北前陆盆地带(川中乐山-龙女寺、康滇古陆、滇东黔西是前陆隆起), 属于滞流盆地的缺氧沉积环境的黑色页岩, 储层厚度大多分布在200~350 m之间.龙马溪组主要岩性为一套黑色笔石页岩, 上部常为泥灰岩及粉砂质灰岩, 下部常含较多黄铁矿结核, 岩性在井区内变化甚小, 仅在上部的泥灰岩或粉砂质灰岩变化较大(翟光明, 1989陈宗清, 2013; 牟传龙等, 2011; 聂海宽等,2016).

实验所选用58块页岩样品的矿物组分、孔隙度、总有机碳含量(TOC)以及沉积环境在邓继新等2018年地球物理学报文章中详细给出(邓继新等, 2018).以该井组中A井为例可将整个页岩段在深度上按沉积环境、组分、沉积速率、有机质含量及化石类型等细分为八个亚层段(图 1a).图中⑥—⑧段位于龙马溪页岩中-上部, 岩性上以含黏土/硅混合质页岩相为主, 沉积环境为浅水陆棚相; 成烃生物主要为蓝藻、绿藻等底栖生物, 该类生物不利于生烃, 同时沉积速率较快, 造成该层段具有较低的TOC含量; 孔隙类型以黏土颗粒粒间、粒内孔隙为主, 较难形成三维连通的有机质孔孔隙网络(图 1bc).图中①—⑤段位于龙马溪页岩下部, 岩性上以混合硅质页岩相与含黏土硅质页岩相为主, 沉积环境为深水陆棚相; 成烃生物主要为红藻、褐藻等浮游藻类, 该类生物利于生烃, 同时沉积速率较慢, 使得该层段具有较高的TOC含量; 孔隙类型以有机质孔隙及原生粒间孔隙为主, 易于形成三维连通的有机质孔孔隙网络,为天然气提供良好的赋存空间和渗流通道(图 1de).龙马溪组页岩上、下两段不但在物性特征存在明显差异, 在结构特征上亦存在较为明显的变化, 上段页岩样品压实作用强烈, 黏土等塑性颗粒在刚性石英颗粒周边发生明显变形而“包裹”石英颗粒, 表现出较强的黏土定向特征, 构成以黏土作为骨架支撑颗粒的结构体系(图 1bc).下段样品压实作用较弱, 黏土颗粒排列具有随机性, 致使其整体定向特征较弱, 石英颗粒间呈点、线接触特征, 石英颗粒单独或与黏土颗粒一起构成骨架支撑颗粒(图 1de).

图 1 昭通区块A井龙马溪组页岩综合柱状图(GR—自然伽马) (a)页岩岩相综合柱状图; (b)浅水陆棚相样品典型镜下特征(黏土定向特征明显); (c)浅水陆棚相样品典型背散射扫描电镜图像(illite:伊利石); (d)深水陆棚相样品典型镜下特征; (e)深水陆棚相样品典型背散射扫描电镜图像(Qz:石英). Fig. 1 Synthesis column map of Longmaxi Formation shales of well A in Zhaotong area (a) Synthesis column map of shale lithofacies; (b) Preferential alignment of clay in sample of shallow shelf; (c) BEM photomicrographs of typical sample of shallow shelf; (d) Siliceous organism fossils in sample of deep shelf; (e) BEM photomicrographs of typical sample of deep shelf.
2 龙马溪组页岩样品动态岩石物理特征

为系统分析龙马溪页岩地震岩石物理特征变化规律, 依据储层段岩性变化特征对YS井组5口井的全直径岩心进行了系统取样, 取样原则为覆盖储层段主要岩性变化及避免手标本尺度上的不均匀性.均沿垂直层理方向钻取样品,钻取的岩心直径均为25.4 mm, 高度大于70 mm, 并进一步切制为高度在40~55 mm间、斜度小于0.05 mm的柱塞样品, 以进行动、静态弹性性质测试.将制作柱塞样切下的部分用于制备场发射扫描电镜(FE-SEM)、偏光显微镜样品, 通过背散射电子成像(BSEM)表征岩石微观结构特征; 以及利用扫描电镜-阴极发光确定页岩样品中石英成因.同时利用动、静态测试样品切制后的余样进行对应地化分析, 包括X射线衍射全岩矿物组分分析、总有机碳(TOC)含量测定.

在“相对”干燥条件下(样品中仅含结晶水与黏土约束水)对页岩样品进行动态弹性性质测试.样品纵、横波速度利用超声波脉冲法测定, 配套纵波探头的主频为800 kHz, 横波探头主频为350 kHz.实验中, 压力从2 MPa开始加至70 MPa, 间隔5 MPa测量一次, 压力点测量间隔15 min以保证围压在样品中平衡, 压力偏差小于0.3%.速度测量相对误差的量级纵波约为1%, 横波约为2%.样品进行完动态弹性测试后, 紧接着进行伪三轴压缩静态弹性性质的测量.静态测试时先通过对压力室侧向加压使得样品围压控制30 MPa, 再逐步增加轴压直至破裂.采用位移加载模式对轴压进行控制, 破坏之前加载速率为10 -3mm·s-1, 破坏之后加载速率为0.1 mm·min-1, 对应样品应变率小于7×10-5s-1.测试时全程监测轴向和径向应变.仅对垂直层理样品进行静态应力-应变实验, 以降低层理方向性对岩石地质力学性质的影响.利用样品全应变曲线线性段提取切线杨氏模量及对应的泊松比; 样品破坏时的轴向压力与围压之差作为抗压强度.动、静态弹性参数测试均在成都理工大学油气藏重点实验室的MTS程控伺服岩石刚性试验系统上完成.

利用页岩样品测量的纵、横波速度与密度可计算动态杨氏模量(Ed)与泊松比(υd):

(1)

(2)

式中VpVs分别为垂直层理传播的纵、横波速度, ρ为干燥条件下样品密度.目前多采用杨氏模量和泊松比计算岩石脆性, 泊松比反映岩石在应力作用的初始破裂能力, 而杨氏模量则反映裂隙保持其特征的能力, 利用岩石弹性参数定义的岩石脆性系数为(Rickman et al., 2008):

(3)

式中Ed为杨氏模量, 单位×10 GPa; ϑd为泊松比.

图 2a为30 MPa围压下页岩样品中石英含量对动态杨氏模量的影响.杨氏模量随石英含量的增加呈近似的“V”型趋势, 在石英含量大于37%时, 杨氏模量随石英含量的增加而增大; 石英含量低于37%时, 杨氏模量随石英含量的增加而逐渐减小.方解石含量(钙质)与动态杨氏模量呈较弱的正相关变化趋势, 杨氏模量随钙质含量的增加而增大.对比图 2a图 2b, 不考虑钙质胶结的影响, 当黏土含量小于37%时, 杨氏模量仅随石英含量的增加而缓慢减小, 而钙质胶结的影响使得该变化趋势明显增大.黏土含量与动态杨氏模量呈较明显的负相关关系, 但在高黏土含量时, 动态杨氏模量的变化趋势受钙质胶结的影响(图 2c).上述动态杨氏模量的变化形式主要受岩石样品结构变化的控制, 当石英含量小于37%(黏土含量大于30%)时, 弹性性质较“软”的黏土颗粒作为岩石的骨架, 而当石英含量大于37%(黏土含量小于30%)时, 岩石骨架支撑颗粒逐渐发生变化, 逐渐由黏土颗粒支撑转变为较“硬”石英颗粒支撑(邓继新等, 2015, 2018).泊松比随石英含量的增大而逐渐降低(图 2d), 随黏土含量的增大而逐渐增大(图 2f).而泊松比随方解石含量的变化较为复杂(图 2e), 泊松比的变化趋势也是岩石样品结构特征变化及组成矿物含量变化的体现, 黏土与方解石颗粒自身具有较高的泊松比, 分别为0.34与0.32, 而石英颗粒泊松比仅为0.08.石英含量与动态脆性指数B1也表现出近似“V”型趋势, 高石英含量与高钙质含量的样品具有较大的脆性指数, 样品以黏土颗粒作为支撑骨架时, 脆性矿物的增大并不能有效增加岩石的脆性.方解石作为另一种重要的脆性矿物, 因其对样品杨氏模量的增大作用通常大于对泊松比的增大作用, 致使样品脆性指数B1与方解石含量表现一定的正相关关系(图 2g).黏土作为页岩样品中最主要的塑性矿物, 其含量的增加会明显降低样品的杨氏模量, 同时增大泊松比, 使得脆性指数B1与黏土含量表现负相关关系(图 2i).

图 2 页岩样品动态杨氏模量、泊松比及脆性指数与主要矿物组分变化关系 (a)动态杨氏模量与石英含量关系; (b)动态杨氏模量与方解石含量关系;(c)动态杨氏模量与黏土含量关系; (d)泊松比与石英含量关系; (e)泊松比与方解石含量关系;(f)泊松比与黏土含量关系; (g)脆性指数与石英含量关系; (h)脆性指数与方解石含量关系;(i)脆性指数与黏土含量关系. Fig. 2 The relationship of dynamic Young′s modulus, Poisson′s ratio and brittleness index of the shale samples with major mineral composition (a) Relationship between dynamic Young′s modulus and quartz content; (b) Relationship between dynamic Young′s modulus and calcite content; (c) Relationship between dynamic Young′s modulus and clay content; (d) Relationship between Poisson′s ratio and quartz content; (e) Relationship between Poisson′s ratio and calcite content; (f) Relationship between Poisson′s ratio and clay content; (g) Relationship between brittleness index and quartz content; (h) Relationship between brittleness index and calcite content; (i) Relationship between brittleness index and clay content.
3 龙马溪组页岩样品静态力学特征

图 3a中给出页岩样品典型(按动态杨氏模量)全应力-应变曲线.可以看出, 在相同的加载条件下, 不同岩相的页岩样品变形特征、力学参数(静态弹性模量)存在明显差异.页岩样品全应力应变曲线形态主要体现为弹性变形和弹-塑性变形两种类型.深水陆棚的硅质页岩相与含黏土页岩相样品(C35、C42、C55)表现为弹性变形为主, 曲线呈近似直线, 岩石变形主要为弹性变形, 塑性变形很小或几乎没有, 屈服点难以识别, 屈服应力与强度极限近于重合, 样品的应力应变曲线弹性变形直接进入断裂阶段.浅水陆棚的黏土/硅质混合页岩相样品(C1、C14、C28)表现为弹-塑性变形, 变形曲线由近似直线的弹性变形阶段和破坏前小的塑性变形阶段组成, 部分样品在破坏后仍具有一定的残余强度, 显示出较大的塑性变形, 多数岩石的屈服点不易确定, 曲线呈连续过渡特征.图 3b—g给出全应力应变曲线对应样品的三轴压缩瞬时破坏形式, C14、C28样品破裂面以塑性岩石的剪切(TS)破坏为主, 破裂面较粗糙,剪切破裂面上通常附有强烈摩擦作用产生的白色粉末.C35、C42样品则表现出典型脆性岩石的劈裂式破裂, 破坏形式以拉张(T)破裂为主, 共存的剪切破裂面往往是部分追踪张性破裂面的结果.C1样品表现为双剪切破裂特征, 破裂面具有由张性破坏向张剪性破坏过渡的特征.从裂纹数量看, 劈裂式破坏和双剪切面破坏比单剪切面破坏能够产生更多的裂纹, 脆性特征也更明显.页岩岩相与岩石强度之间并无明显关系, 如黏土/硅质混合页岩相样品既可表现较低的单轴抗压强度(C14、C28), 也可表现较高的抗压强度(C1).

图 3 页岩样品典型应力-应变曲线(a)及破裂模式(b)—(g)(图中T代表张性裂隙; TS代表张剪性裂隙) Fig. 3 Typical stress-strain curves of the shale samples (a) and fracture patterns (b)—(g)(T represents tensile crack and TS represents tensile shear crack in the figure)

图 4给出页岩样品压裂后的微观SEM图像.可以看出, 对于浅水陆棚黏土/硅质混合页岩相样品(C14、C28), 岩石破裂主要发育于存在明显刚度差异的颗粒之间, 如黏土颗粒和石英颗粒之间(图 4ab), 这些裂隙逐渐联接合并形成宏观优势裂隙面, 刚性石英颗粒本身几乎不发生脆性破裂, 造成宏观破裂也较为简单;由于黏土颗粒与石英颗粒之间的胶结作用力较弱, 也造成该类岩石总体抗压强度和弹性模量在无后期钙质胶结的情况下较小.对于深水陆棚的硅质页岩相与含黏土页岩相样品(C35、C42、C55), 岩石破裂主要发育于石英颗粒内部, 也发育在石英颗粒集合体之间(图 4cd).图 4cd中可以看到石英颗粒内部发育“Y”裂缝, 这些裂缝尚未被其他矿物所充填, 可以判断该组裂隙是受到压裂后新开启的裂缝; 可以推测随压力增大, 形成于不同石英颗粒内部的“Y”裂缝相连通, 进而形成新的连通通道, 并形成复杂的裂隙网络, 使得岩石表现出宏观劈裂式破坏.

图 4 典型页岩样品压裂后微观尺度破裂特征 (a) C14样品微观尺度破裂特征; (b) C28样品微观尺度破裂特征; (c) C35样品微观尺度破裂特征; (d) C55样品微观尺度破裂特征(illite:伊利石, Qz:石英). Fig. 4 Microscopic crack characteristics of the typical shale samples after fracturing (a) Microscopic crack characteristics of C14; (b) Microscopic crack characteristics of C28; (c) Microscopic crack characteristics of C35;(d) Microscopic crack characteristics of C55 (Qz: Quartz).

石英与静态杨氏模量、峰值强度的关系同样表现出近似“V”型的变化形式(图 5).当石英含量小于37%时, 静态杨氏模量、峰值强度与石英含量呈近似负相关关系; 在高于该石英含量时, 静态杨氏模量、峰值强度则与石英含量呈近似正相关关系(图 5a).对比图 5a5b可以看出, 钙质胶结对页岩静态杨氏模量亦有明显影响, 其含量的增加也会增大样品的静态杨氏模量与峰值强度, 使得静态杨氏模量与峰值强度在石英含量小于37%时表现出两种不同的变化趋势, 低钙质含量条件下, 静态杨氏模量与峰值强度实际只随石英含量的增大而缓慢降低.黏土的弹性模量通常小于石英、方解石等脆性矿物, 造成岩石样品的静态杨氏模量会随着黏土含量的增加而降低(图 5c); 而黏土的强塑性特征(Jarvie et al., 2007; Aoudia et al., 2010), 亦使得样品的峰值强度随黏土含量的增大而逐渐降低.TOC在页岩样品所有组成成分中具有最小的弹性模量, 但其含量对页岩样品力学参数的影响较为复杂, 是成岩矿物组分、岩石结构特征、孔隙特征及其赋存特征等多种因素的综合作用.表现在, 高静态杨氏模量与峰值强度的样品既可对应高TOC含量也可对应低TOC含量, 亦说明TOC含量不是影响龙马溪页岩力学性质的主要因素.

图 5 页岩样品静态杨氏模量、峰值强度与主要矿物组分变化关系 (a)静态杨氏模量与石英含量关系; (b)静态杨氏模量与方解石含量关系;(c)静态杨氏模量与黏土含量关系; (d)峰值强度与石英含量关系; (e)峰值强度与方解石含量关系;(f)峰值强度与黏土含量关系. Fig. 5 The relationship of static Young′s modulus and maximum strength of the shale samples with major mineral composition (a) Relationship between static Young′s modulus and quartz content; (b) Relationship between static Young′s modulus and calcite content; (c) Relationship between static Young′s modulus and clay content; (d) Relationship between maximum strength and quartz content; (e) Relationship between maximum strength and calcite content; (f) Relationship between maximum strength and clay content.

由于地层应力的形成、赋存和作用机理更接近于岩石静态测试的环境, 因此在地应力计算和页岩压裂工程应用中常应使用静态弹性力学参数.但由于动态和静态两种方法的测量机制(应变幅度)不同, 使得动、静弹性参数间通常存在一定差异, 需要基于地层条件下同步测试获得的岩石动、静力学参数间的转换关系.页岩样品动、静态杨氏模量比整体介于1.2与1.4之间(图 6), 亦在王之敬(Nur and Wang, 2000)所给出的疏松岩石与致密岩石动、静态杨氏模量统计模型线之间.深水陆棚硅质页岩相样品随石英(TOC)含量的增高,动、静态杨氏模量比从1.4逐渐变化至1.2, 而浅水陆棚黏土/硅质页岩相样品动、静态杨氏模量比低于1.4, 并随钙质含量的增大而略有降低.岩石颗粒尺度不均匀是造成动、静态弹性特征出现差异的主要原因, 包括矿物组分变化所表现出的颗粒尺度弹性性质不均匀, 岩石骨架与组合孔隙之间的弹性性质不均匀.实验结果反映出深水陆棚硅质页岩相样品在颗粒尺度弹性性质上表现的更为均匀, 岩石变形更接近于理想弹性变形, 致使不同应变幅度下所测量的弹性模量差异减弱.

图 6 页岩样品动、静态杨氏模量关系 Fig. 6 The relationship between the dynamic and static Young′s modulus of the shale samples

已有的研究表明, 岩石脆性的强弱与岩石峰值强度无关, 但与屈服后应力应变曲线的斜率、残余强度有关, 准确表征脆性需要考虑峰前和峰后两个阶段(李庆辉等, 2012).可利用塑性位势理论计算应力跌落系数的方法来确定岩石的脆性, 在应力应变全过程曲线中(图 7), 岩石样品由初始弹性状态加载到峰值强度点A(τp, εp)时, 如果满足加载条件将迅速跌落至残余强度线上的B(τr, εr)点, 此后若继续加载, 则将在B点后产生塑性变形.采用非理想脆塑性模型来计算脆性系数B3, 以考虑峰前和峰后两个阶段应变的变化, 计算公式如下:

图 7 黏弹性岩石典型应力-应变曲线示意图(τp, εp分别为峰值强度与峰值应变; τr, εr分别为残余强度与残余应变; τm, εm与残余强度、残余应变相对应的加载阶段应力、应变) Fig. 7 A typical stress-strain curve for visco-elastic rocks (τp, εp is the peak strength and the peak strain, respectively; τr, εr is the residual strength and the residual strain, respectively; τm, εm is the stress and the strain in the loading stage corresponding to the residual strength and strain, respectively)

(4)

式中εpεrεm分别为峰值强度、残余强度以及与残余强度对应的加载阶段的应变, 上述应变值可从岩石应力应变全曲线来读取(图 7).考虑峰前和峰后应力的变化, 上述脆性计算公式亦可以表示为应力的函数:

(5)

式中τpτr分别为峰值强度和残余强度, 亦可从应力应变全曲线中读取(图 7).可将脆性指数B3B4归一化, 以综合考虑峰前、峰后两个阶段应变与应力的变化, 所构建综合脆性指数表示为:B5=(B3+B4)/2.

图 8中给出综合脆性指数与主要矿物组分的关系.与图 8中的应力应变全曲线相对应, 样品C35、C42与C55表现为劈裂式的脆性破裂, 变形以弹性变形为主, 利用公式(5)所计算的综合脆性指数也相对较高,分别为66.5、45.4与48.3; C14、C28应力应变曲线出现明显的塑性变形段, 破裂具有单剪的塑性特征, 其综合脆性指数计算结果也相对较低,分别为15.9与17.9.上述结果说明利用应力应变全曲线计算的综合脆性指数考虑了岩石峰前、峰后力学特性的变化, 能够较好的表征岩石的脆性.从整个趋势来看, 综合脆性指数B5与石英含量不再具有近似“V”型的变化形式.仅当石英含量大于30%时, B5与石英含量表现出较明显的正相关关系, 脆性随石英含量明显增大, 即石英含量对页岩样品脆性的变化起重要控制作用.小于该含量时, 样品钙质含量增加可增大样品的脆性, 但增加程度明显小于钙质对相应样品动、静态杨氏模量及动态脆性指数的改变(图 8).黏土作为主要的塑性矿物,黏土含量的增大会降低岩石的脆性, 致使样品黏土含量与综合脆性指数B5表现出较好的负相关性, 但当黏土含量大于35%时, 黏土含量的增大对脆性的改变不再明显.岩样脆性与矿物组分的上述变化规律同样反映出结构差异的控制作用, 黏度含量大于35%时(对应石英含量小于37%), 塑性较强的黏土矿物作为岩石的骨架, 岩石力学性质整体显示黏土矿物的性质, 而小于该含量时, 岩石骨架逐渐转变为脆性较强的石英颗粒.

图 8 页岩样品综合脆性指数B5与主要矿物组分变化关系 (a)综合脆性指数与石英含量关系; (b)综合脆性指数与方解石含量关系;(c)综合脆性指数与黏土含量关系. Fig. 8 The relationship of the integrated brittleness index of the shale samples with major mineral composition (a) Relationship between the integrated brittleness index and quartz content; (b) Relationship between the integrated brittleness index and calcite content; (c) Relationship between the integrated brittleness index and clay content.

通过动态弹性参数(公式(3))计算的脆性指数并不是依据基于严格的岩石破裂特征, 其计算结果的准确性需要进行标定.图 9给出动、静两种脆性指数间的相互关系.整体而言, 动态弹性参数计算的脆性指数B1与综合脆性指数B5存在正相关关系, 石英含量高于37%时, 其线性关系更为明显, 动态脆性指数B1可用于定量指示页岩样品的脆性.但当石英含量低于37%时, 动态脆性指数B1受钙质含量影响更为明显, 动态杨氏模量的迅速增加使得B1也有明显增大, 而页岩样品在该条件下是以黏土矿物作为骨架, 决定了岩石的塑性力学特征, 致使两种脆性指数存在明显差异, 动态脆性指数B1不再适用于定量指示页岩样品的脆性.

图 9 动态脆性指数B1与综合脆性指数B5相关关系 (a)石英含量影响; (b)黏土含量影响;(c)方解石含量影响; (d) TOC影响. Fig. 9 The correlation of the dynamic brittleness index B1 and the integrated brittleness index B5 (a) Quartz content effect; (b) Clay content effect; (c) Calcite content effect; (d) TOC effect.
4 讨论

已有研究表明, 龙马溪页岩地震弹性性质变化规律整体受沉积环境控制, 沉积环境的差异形成不同的成岩过程, 致使动态弹性特征也表现出不同的变化规律(邓继新等, 2018).以C1、C14、C28为代表的龙马溪页岩上段浅水陆棚相页岩样品, 机械压实与化学压实作为两个相对独立的过程影响岩石动、静态弹性性质.在机械压实阶段, 黏土等陆相碎屑颗粒在埋深的过程中在上覆压力的作用下旋转、定向排列而形成岩石的受力骨架, 该过程初步奠定了岩石整体具有“黏土”特征的力学性质.当埋深大于2000 m, 地层温度60~80 ℃时, 蒙脱石向伊利石转化过程中所析出的硅质逐步沉淀在伊利石或者伊/蒙混层矿物周围, 起到主要的胶结作用.这种化学胶结作用使得岩石的动、静态弹性性质在一定程度上取决于石英+黏土所构成的颗粒集合体的力学性质(图 10a), 虽然增大了岩石动、静态弹性模量, 但并未改变岩石的受力骨架, 使得岩石整体上仍表现出黏土的塑性特征, 即石英含量的增加并不增加岩石的脆性.由于龙马溪页岩上段页岩的结构特征, 原生粒间孔隙不易保存, 孔隙主要以片状黏土矿物之间发育晶间微裂缝、裂缝以及层间页理缝, 该类孔隙为典型的低纵横比软孔隙, 与相对刚性岩石骨架构成明显的力学性质差异, 加之组成矿物自身力学性质的差异, 造成较高的动、静态弹性模量比(图 6).

图 10 龙马溪组页岩样品石英胶结特征 (a)龙马溪组页岩上段样品SEM图像(mQz:微晶石英晶体, illite:伊利石晶体, algae:藻类); (b)上段样品阴极发光光谱图; (c)龙马溪组页岩下段样品SEM图像; (d)下段样品阴极发光光谱图. Fig. 10 Typical characteristics of quartz cementation in Longmaxi Formation shale samples (a) SEM photomicrographs of shale samples of the upper part of the Longmaxi Formation shales (mQz: micro-quartz); (b) corresponding cathode luminescence images (CL); (c) SEM photomicrographs of shale samples of the lower part of the Longmaxi Formation shale; (d) corresponding cathode luminescence images (CL).

以C35、C42、C55为代表的龙马溪页岩下段深水陆棚相页岩样品, 由于强的还原环境以及红藻、褐藻等生物的繁盛, 造成生物分解形成大量的有机质同时使海水富硅, 当硅质达到一定浓度时逐渐析出并形成大量生物成因的石英颗粒, 同时亦作为胶结物胶结不同矿物颗粒使得骨架刚性增加从而减弱了机械压实作用的影响, 减弱了黏土颗粒的定向, 还使得原生粒间孔隙得以保存(图 10b).此时, 生物成因的石英微晶集合体在一定程度上取代黏土成为受力骨架(图 10b), 对应岩石的动、静态弹性性质则在一定程度上反映了石英集合体的弹性性质, 该过程亦奠定了岩石整体具有“石英”特征的力学性质, 随后与上段页岩相似的化学压实作用又进一步加强这种特征.随着石英含量的增大(生物成因石英含量的增加), 其在骨架中所占的比例亦会越高, 岩石等效力学性质也就越接近石英颗粒自身的力学性质, 表现为动、静态弹性模量的增大, 以及脆性的增强.下段页岩样品中所保存的原生粒间孔隙具有高纵横比的硬孔隙特征, 与刚性岩石骨架之间的力学差异相对较小, 在动态加载及静态加载下均显示相似的弹性特征, 造成下段样品具有较小的动、静态弹性模量比(图 6).以上分析可以看出, 动、静态杨氏模量、峰值强度以及脆性指数随石英含量增加所显示出的近似“V”型的变化形式(图 25), 也是不同沉积环境下页岩岩石结构变化的结果.

5 结论

本文对龙马溪页岩动、静态弹性性质进行了系统的实验研究, 并对实验结果的变化规律及影响因素进行了探讨, 主要结论如下:

(1) 沉积环境差异致使龙马溪页岩上下两段在岩石结构上存在明显差异, 上段浅水陆棚相页岩以塑性较强的黏土作为支撑骨架, 而下段深水陆棚相页岩由于生物成因石英的早期胶结作用逐渐转变为脆性石英颗粒作为支撑骨架, 页岩结构特征控制了动、静态弹性特征的整体变化规律, 上段页岩动、静态杨氏模量、峰值强度随石英含量的增大而增大,下段页岩则随石英含量的增加表现出缓慢减少的趋势,使得整体变化表现出近似“V”型的复杂形式, 动、静态杨氏模量、峰值强度与钙质含量表现为正相关关系, 而与黏土含量表现出负相关关系,TOC含量是影响动、静态弹性性质的次一级因素.

(2) 成岩过程的差异造成龙马溪页岩上段静态弹性性质表现出石英+黏土所构成的颗粒集合体的力学性质, 应力应变全曲线出现明显的塑性变形阶段, 动、静态杨氏模量比大于1.4, 岩石脆性较低, 以单剪破裂为主,裂隙主要位于黏土与石英颗粒接触界面, 脆性矿物石英含量的增大不改变岩石的脆性.

(3) 早期生物成因石英胶结造成龙马溪页岩下段静态弹性性质表现出微晶石英所构成的颗粒集合体的力学性质, 应力应变全曲线以弹性变形为主, 动、静态杨氏模量比介于1.2与1.4之间, 岩石脆性较高, 以劈裂式破裂为主,裂隙主要位于石英内部, 岩石的脆性随石英含量的增大而明显增强.

(4) 动态脆性指数B1与静态综合脆性指数B5在龙马溪页岩下段具有较好的相关性, 可以用动态脆性指数B1定量表征页岩的脆性, 而上段页岩该相关性较差, 动态脆性指数B1不再适用.

References
AGI. 1960. Glossary of Geology and Related Sciences. Washington D. C.:American Geological Institute, 99-102.
Aoudia K, Miskimins J L, Harris N B, et al. 2010. Statistical analysis of the effects of mineralogy on rock mechanical properties of the Woodford shale and the associated impacts for hydraulic fracture treatment design.//80th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts.
Bishop A W. 1967. Progressive failure-with special references to the mechanism causing it.//Proceedings of the Geotechnical Conference of Oslo. Oslo, Norway: Norwegian Geotechnical Institute, 142-150.
Bustin A M M, Bustin R M. 2012. Importance of rock properties on the producibility of gas shales. International Journal of Coal Geology, 103: 132-147. DOI:10.1016/j.coal.2012.04.012
Chen Z Q. 2013. On five crustal movements and petroleum exploration in Lower Paleozoic, Sichuan Basin. China Petroleum Exploration (in Chinese), 18(5): 15-23.
Deng J X, Wang H, Zhou H, et al. 2015. Microtexture, seismic rock physical properties and modeling of Longmaxi Formation shale. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(6): 2123-2136. DOI:10.6038/cjg20150626
Deng J X, Tang Z Y, Li Y, et al. 2018. The influence of the diagenetic process on seismic rock physical properties of Wufeng and Longmaxi Formation shale. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 61(2): 659-672. DOI:10.6038/cjg2018L0062
Fu Y Q, Ma F M, Zeng L X, et al. 2011. Key techniques of experimental evaluation in the fracturing treatment for shale gas reservoirs. Natural Gas Industry (in Chinese), 31(4): 51-54.
Honda H, Sanada Y. 1956. Hardness of coal. Fuel, 35(4): 451-461.
Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, et al. 2007. Unconventional shale-gas systems:The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment. AAPG Bulletin, 91(4): 475-499. DOI:10.1306/12190606068
Jia C Z, Zheng M, Zhang Y F. 2012. Unconventional hydrocarbon resources in China and the prospect of exploration and development. Petroleum Exploration and Development (in Chinese), 39(2): 129-136.
Jin Z J, Hu Z Q, Gao B, et al. 2016. Controlling factors on the enrichment and high productivity of shale gas in the Wufeng-Longmaxi Formations, southeastern Sichuan Basin. Earth Science Frontiers (in Chinese), 23(1): 1-10.
John H, Hager R V Jr, Friedman M, et al. 1963. Experimental deformation of sedimentary rocks under confining pressure:pore pressure tests. AAPG Bulletin, 47(5): 717-755.
Li Q H, Chen M, Jin Y, et al. 2012. Indoor evaluation method for shale brittleness and improvement. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (in Chinese), 31(8): 1680-1686.
Li Z W, Liu S G, Luo Y H, et al. 2006. An experimental investigation of dynamic and static elastic parameters of compacted clastics, the northeast Sichuan basin, China. Petroleum Geology and Experiment (in Chinese), 28(3): 286-291.
Liu Z W, Sa L M, Yang X, et al. 2011. Needs of geophysical technologies for shale gas exploration. Oil Geophysical Prospecting (in Chinese), 46(5): 810-818.
Ma Y S, Feng J H, Mu Z H, et al. 2012. The potential and exploring progress of unconventional hydrocarbon resources in SINOPEC. Engineering Sciences, 14(6): 22-30.
Mu C L, Zhou K K, Liang W, et al. 2011. Early Paleozoic sedimentary environment of hydrocarbon source rocks in the Middle-Upper Yangtze Region and petroleum and gas exploration. Acta Geologica Sinica (in Chinese), 85(4): 526-532.
Nie H K, Jin Z J, Bian R K, et al. 2016. The "source-cap hydrocarbon-controlling"enrichment of shale gas in Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation of Sichuan Basin and its peripher. Acta Petrolei Sinica (in Chinese), 37(5): 557-571.
Nur A, Wang Z J. 2000. Seismic and Acoustic Velocities in Reservoir Rocks. San Antonlo: Society of Exploration Geophysicists: 531-539.
Rickman R, Mullen M, Petre J E, et al. 2008. A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: All shale plays are not clones of the Barnett shale.//78th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts.
Rybacki E, Reinicke A, Meier T, et al. 2016. What controls the mechanical properties of shale rocks?-Part Ⅰ:Strength and Young's modulus. Journal of Petroleum Science and Engineering, 135: 702-722.
Sone H, Zoback M D. 2013. Mechanical properties of shale-gas reservoir rocks-Part 1:Static and dynamic elastic properties and anisotropy. Geophysics, 78(2): D381-D392.
Tian D, Harris N B, Ayranci K, et al. 2007. The impact of rock composition on geomechanical properties of a shale formation:Middle and Upper Devonian Horn River group shale, Northeast British Columbia, Canada. AAPG Bulletin, 101(2): 177-204.
Zhai G M. 1989. Petroleum Geology of China:Vol.10, Sichuan Oil and Gas Area (in Chinese). Beijing: Petroleum Industry Press: 28-109, 224-480.
Zhang G Z, Chen J J, Chen H Z, et al. 2015. Prediction for in-situ formation stress of shale based on rock physics equivalent model. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(6): 2112-2122. DOI:10.6038/cjg20150625
Zou C N, Yang Z, Zhu R K, et al. 2015. Progress in China's unconventional oil & gas exploration and development and theoretical technologies. Acta Geologica Sinica (in Chinese), 89(6): 979-1007.
陈宗清. 2013. 论四川盆地下古生界5次地壳运动与油气勘探. 中国石油勘探, 18(5): 15-23. DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2013.05.003
邓继新, 王欢, 周浩, 等. 2015. 龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模. 地球物理学报, 58(6): 2123-2136. DOI:10.6038/cjg20150626
邓继新, 唐郑元, 李越, 等. 2018. 成岩过程对五峰-龙马溪组页岩地震岩石物理特征的影响. 地球物理学报, 61(2): 659-672. DOI:10.6038/cjg2018L0062
付永强, 马发明, 曾立新, 等. 2011. 页岩气藏储层压裂实验评价关键技术. 天然气工业, 31(4): 51-54. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.04.012
贾承造, 郑民, 张永峰. 2012. 中国非常规油气资源与勘探开发前景. 石油勘探与开发, 39(2): 129-136.
金之钧, 胡宗全, 高波, 等. 2016. 川东南地区五峰组-龙马溪组页岩气富集与高产控制因素. 地学前缘, 23(1): 1-10.
李庆辉, 陈勉, 金衍, 等. 2012. 页岩脆性的室内评价方法及改进. 岩石力学与工程学报, 31(8): 1680-1686.
李智武, 刘树根, 罗玉宏, 等. 2006. 川东北地区致密碎屑岩动静弹参数实验研究. 石油实验地质, 28(3): 286-291. DOI:10.3969/j.issn.1001-6112.2006.03.017
刘振武, 撒利明, 杨晓, 等. 2011. 页岩气勘探开发对地球物理技术的需求. 石油地球物理勘探, 46(5): 810-818.
马永生, 冯建辉, 牟泽辉, 等. 2012. 中国石化非常规油气资源潜力及勘探进展. 中国工程科学, 14(6): 22-30. DOI:10.3969/j.issn.1009-1742.2012.06.004
牟传龙, 周恳恳, 梁薇, 等. 2011. 中上扬子地区早古生代烃源岩沉积环境与油气勘探. 地质学报, 85(4): 526-532.
聂海宽, 金之钧, 边瑞康, 等. 2016. 四川盆地及其周缘上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩气"源-盖控藏"富集. 石油学报, 37(5): 557-571.
翟光明. 1989. 中国石油地质志:卷十, 四川油气区. 北京: 石油工业出版社: 28-109, 224-480.
张广智, 陈娇娇, 陈怀震, 等. 2015. 基于页岩岩石物理等效模型的地应力预测方法研究. 地球物理学报, 58(6): 2112-2122. DOI:10.6038/cjg20150625
邹才能, 杨智, 朱如凯, 等. 2015. 中国非常规油气勘探开发与理论技术进展. 地质学报, 89(6): 979-1007. DOI:10.3969/j.issn.0001-5717.2015.06.001