应力对泥页岩储层脆性影响的试验分析及应用
周顺林1,2, 尹帅3, 王凤琴3, 李东2, 易旺2     
1. 贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心, 贵州贵阳 550081;
2. 贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心, 贵州贵阳 550081;
3. 西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西西安 710065
摘要: 随着地层埋深增加,岩石脆性降低,逐渐由硬脆性转变为韧性,而常规矿物组分法评价泥页岩脆性时没有考虑地层应力(埋深)的影响,因此评价结果存在一定误差。为此,从岩石脆性的最初定义出发,在不同围压条件下对陆相泥页岩岩样进行了力学测试,并利用应变法分析了泥页岩的脆性特征。结果表明:随着围压升高,泥页岩的弹性应变与塑性应变均增大,而脆性指数降低;泥页岩的弹性应变与塑性应变具有非常好的正相关性。对于文中所研究区块,埋深1 250.00,2 500.00和3 500.00 m处及埋深3 500.00~5 000.00 m和5 000.00~6 000.00 m范围内的泥页岩脆性指数分别约降低5.97%,8.55%,10.74%,14.00%和18.00%;当泥页岩储层中脆性矿物含量分别大于65%,60%,55%和小于50%时,其开发埋深下限分别为6 000.00,5 000.00和3 000.00 m以及基本不具备商业开发价值。研究结果表明,将应力(埋深)对泥页岩脆性的影响定量化,可以对采用矿物组分法计算的泥页岩脆性指数进行校正,为优选可压裂层段提供依据。
关键词: 地层应力     埋深     泥页岩     脆性指数     岩石力学试验     应变    
Experimental Analysis of the Effect of Stress on Shale Reservoir Brittleness and Its Application
ZHOU Shunlin1,2, YIN Shuai3, WANG Fengqin3, LI Dong2, YI Wang2     
1. Guizhou Coal Mine Geological Engineering Consulting and Geological Environment Monitoring Center, Guiyang, Guizhou, 550081, China;
2. Guizhou Provincial CBM and Shale Gas Engineering Research Center, Guiyang, Guizhou, 550081, China;
3. School of Earth Science and Engineering, Xi'an Petroleum University, Xi'an, Shaanxi, 710065, China
Abstract: As well depth increases, formation rocks brittleness may be reduced and consequently manifest as ductile behavior.Conventional mineral composition can be used to assess the brittleness of shales.Because it does not take the impact of confining pressures (burial depths) into account, one arrives at less than satisfactory assessment conclusions.Under such circumstances, mechanical tests were conducted with continental deposit shale samples under different confining pressures and a strain method was deployed in a tested result analysis to highlight brittleness features of the shale.Research results showed that both elastic and plastic strains may increase with confining pressures while the brittleness index may decrease.Within the concerned Block, the brittleness index of shale at the depths of 1 250.00 m, 2 500.00 m, 3 500.00 m and between the interval of 3 500.00~5 000.00 m and 5 000.00~6 000.00 m fell approximately 5.97%, 8.55%, 10.74%, 14.00% and 18.00%, respectively.With brittle minerals content in these shale reservoir formations over 65%, 60%, 55% and below 50%, the formation depth limitation for economic development of those reservoirs are determined to be 6 000.00 m, 5 000.00 m, 2 500.00 m and no commercial value, respectively.So the shale brittleness index determined from conventional mineral composition can be calibrated through quantification of impacts of stresses (burial depths) and it can provide help in the identification of intervals for staged hydraulic fracturing.
Key words: confining pressure     burial depth     shale     brittleness index     rock mechanical test     strain    

页岩气储层通常具有超低孔、特低渗特征,需要采取水平井水力压裂的方式进行开发[1]。水力压裂时应选择脆性较高的层段,以形成复杂缝网系统,提高页岩气井的产量[2-7]。因此,要高效开发页岩气,准确评价泥页岩储层的脆性非常重要。目前,多采用脆性指数(B)来描述岩石的脆性特征。国内外有超过20种岩石脆性指数的定义及计算方法,但在具体评价中,通常只选用其中的一种。文献[8]给出了常用的岩石脆性指数计算模型,这些模型主要考虑了应变、应变能、强度、内摩擦角、地应力、弹性参数及矿物组分等因素。

在应力加载过程中,泥页岩先期表现为线弹性或脆性变形特征,之后逐渐发生塑性变形。通常认为,岩石的塑性变形不可逆[9]。单轴条件下,泥页岩通常表现为脆性变形,即塑性变形段不明显;而在高围压条件下,泥页岩的脆性变形段所占比例要明显小于塑性变形段所占比例[10]。岩石脆性是基于应力-应变曲线,最初定义为岩石破裂前且在发生韧性或塑性变形前的变形行为[11]。脆性指数主要表征岩石脆性变形段或线弹性变形段的分布信息。偏脆性的岩石在受力过程中更利于应力传递及裂缝扩展,储层压裂改造的体积更大[1-2]。大量岩石力学研究表明,随着埋深增加,岩石会逐渐由脆性向韧性转变,这主要与应力、温度及地层水等因素有关[8-9]。而应力主要由埋深所决定,可见埋深是影响泥页岩储层脆性差异的重要因素。对于埋深较深的泥页岩储层,由于岩石偏塑性,不利于进行体积压裂。同时,一些脆性计算方法(如矿物组分法)由于没有考虑地层应力(埋深)的影响,其脆性计算结果可能会存在一定偏差。为此,笔者从岩石脆性最初的定义出发[11],对泥页岩加载不同围压,测试了其应变,分析了泥页岩应变与轴向应力的关系,利用应变法计算了泥页岩的脆性,同时探讨了应力对泥页岩脆性的影响。

1 试验材料和方法 1.1 泥页岩样品

泥页岩样品取自四川盆地川西坳陷中部新场地区上三叠统须家河组须五段,川西地区须五段地层为滨浅湖沉积,主要发育湖泥及滩坝微相,其厚度一般为500.00~580.00 m,最厚超过了700.00 m。须五段地层以泥页岩、粉砂岩、岩屑砂岩及细砂岩为主,具有致密砂岩及泥页岩频繁互层的地质结构[12]。岩石颜色以灰色、灰黑色为主,反映沉积期为弱还原性沉积环境[13]

1.2 物性测试

岩样取自川西地区的XYHF-2井、X503井、XYHF-1井和X33井,将其编成6组,编号分别为X1,X2,…,X6;每组4个岩样,编号分别为X1-1—X1-4,X2-1—X2-4,…,X6-1—X6-4。所取6组岩样具有典型性和代表性:1) 岩样均为完整岩样,无明显裂缝;2) 岩样均取自大段泥页岩段,单层泥页岩厚度大于5.00 m,周围无致密砂岩分布及影响;3) 须五段地层沉积特征较为简单,为滨浅湖相,属构造宁静期体系域[12]

采用常规物性测试方法测试6组泥页岩岩样的物性,结果见表 1

表 1 泥页岩岩样的物性测试结果 Table 1 Physical properties of shale samples determined through tests

表 1可以看出,各组岩样的密度为2.536~2.568 g/cm3,平均密度为2.555 g/cm3,孔隙度为1.56%~3.92%,平均孔隙度为2.63%,表明岩样具有致密及低孔特征。

1.3 力学测试

采用MTS岩石物理测试系统对岩样进行力学测试,位移传感器量程为-50.0~50.0 mm,压力传感器误差小于1%,应变量精度为0.000 1 mm,岩样尺寸为ϕ25.0 mm×50.0 mm。川西地区须五段地层存在超压层段,压力系数主要分布在1.5~2.0[14],施加有效围压不超过32 MPa可以有效评价埋深不超过3 500.00 m的泥页岩地层。因此,各组岩样饱和地层盐水后,分别施加0,12,22和32 MPa有效围压进行力学测试。

2 试验结果与分析 2.1 应力-应变曲线特征

图 1为6组岩样在不同围压条件下的轴向应力-应变曲线。从图 1可以看出:随着围压升高,X1—X4组岩样的轴向峰值应力逐渐增大;但对于X5组和X6组岩样,围压为22 MPa时,其对应的轴向峰值应力要略小于围压为12 MPa时所对应的轴向峰值应力,表明围压为22 MPa时X5和X6组岩样内部可能产能微裂缝或弱面,造成岩石三轴强度降低。

图 1 泥页岩岩样在不同围压下的轴向应力-应变曲线 Fig.1 Axial stress-strain curve of shale samples
2.2 应变法图解分析

笔者采用应变法计算泥页岩的脆性指数,计算公式为:

(1)

式中:B为泥页岩的脆性指数,%;εel为弹性应变;εtot为总应变。

以X2组岩样为例, 介绍采用应变法计算泥页岩脆性指数的过程,X2组岩样的轴向应力-应变曲线见图 2。由图 2可知,在应力加载过程中,初始加载段曲线呈线弹性变化特征,即轴向应力与轴向应变测试数据的拟合线基本为一条直线。将该拟合线延长,其与轴向峰值应力水平线间的交点处所对应的岩石应变即为弹性应变εel,峰值应力点所对应的应变为εtot,将其代入式(1) 即可计算出泥页岩的脆性指数。

图 2 X2组岩样轴向应力-应变分析图解 Fig.2 Axial stress-strain analysis diagram of samples in the Group X2

泥页岩塑性应变计算公式为:

(2)

式中:εpl为泥页岩的塑性应变。

按照上述步骤识别出6组岩样的εel, εplεtot,代入式(1) 计算出各组岩样的脆性指数,结果见表 2

表 2 6组岩样的应变及脆性指数 Table 2 Strain and brittleness indices of shale samples in 6 Groups
2.3 围压对应变的影响

图 3为不同围压下,各组泥页岩岩样的弹性应变εel与塑性应变εpl之间的关系。从图 3可以看出,不同围压条件下,泥页岩岩样的εelεpl具有非常好的正相关性,εpl较大的岩样εel也较大。在单轴应力加载过程中,泥页岩总应变εtot较小时即发生破裂;而在高围压下,泥页岩εtot较大εel也较大。同时,从表 2可以看出,在不同围压条件下,泥页岩岩样的εel均大于εpl

图 3 泥页岩岩样εelεpl间的关系 Fig.3 Relationship between εel and εpl of shale samples

图 4为泥页岩弹性应变、塑性应变和总应变与围压的关系。从图 4可以看出,除X5组泥页岩岩样在32 MPa围压条件下的εelεplεtot有明显降低外,其余5组泥页岩岩样的εel, εplεtot均随围压升高而逐渐增大。分析认为,在32 MPa围压条件下,X5组泥页岩岩样各应变明显降低的原因是岩样内部有裂缝等缺陷,造成岩样发生较小应变即发生破裂。统计发现:围压从0 MPa升至12 MPa时,岩样εelεpl的增加幅度最大,εel的平均增加幅度为145%,εpl的平均增加幅度为252%;围压从12 MPa升至32 MPa时,岩样各应变的增加幅度相对较小。例如,围压从12 MPa升至22 MPa时,εel的平均增加幅度为22.7%,εpl的平均增加幅度为67.9%;围压从22 MPa升至32 MPa时,εel的平均增加幅度为17.96%,εpl的平均增加幅度为63.63%。这主要是因为在不加围压条件下,泥页岩发生较小应变即发生破裂,εelεpl均较小,单轴破裂具有明显的脆性破裂特征(见图 2),而随着围压升高,泥页岩的韧性特征越来越显著(见图 2)。

图 4 围压对εelεplεtot的影响 Fig.4 Effect of the confining pressures on εel, εpl and εtot
2.4 围压对脆性的影响

图 5为不同围压下6组泥页岩岩样的脆性指数试验结果。从图 5可以看出,除X4组岩样在22 MPa围压下的脆性指数比在12 MPa围压下有较为明显的升高趋势外,其他5组岩样的脆性指数均随围压升高而降低。当围压从0 MPa升至12 MPa时,各组泥页岩岩样脆性指数的降低幅度为0.79%~14.25%,平均为5.97%;当围压从12 MPa升至22 MPa时,各组泥页岩岩样脆性指数的降低幅度为-4.44%~17.35%,平均为8.55%;当围压从22 MPa升至32 MPa时,各组泥页岩岩样脆性指数的降低幅度为0.97%~20.58%,平均为10.74%。由此可知,随着围压逐步增大,泥页岩脆性指数的降低幅度有逐渐增大的趋势。因此,在采用矿物组分法评价泥页岩脆性时,如不考虑地层埋深或地应力的影响,会高估泥页岩的脆性。

图 5 不同围压下泥页岩岩样的脆性指数 Fig.5 Brittleness indices of shale samples under different confining pressures

研究区块的垂向应力梯度约为2.4 MPa/100m,假设目的层的地层压力系数为1.5,则该区块泥页岩地层垂向应力、地层压力及有效应力与埋深的关系如图 6所示。从图 6可以看出:12,22和32 MPa围压下约分别对应埋深1 250.00,2 500.00和3 500 m处的有效应力,结合上面的试验结果可知,在埋深1 250.00,2 500.00和3 500 m处,页岩的脆性指数约分别降低5.97%,8.55%和10.74%。由此可知,泥页岩脆性指数的平均降低幅度与埋深基本呈线性关系,即埋深越大,泥页岩脆性的降低幅度也越大。按此推算,埋深3 500.00~5 000.00 m的泥页岩其脆性指数平均约降低14.00%,埋深5 000.00~6 000.00 m的泥页岩其脆性指数约降低18.00%。

图 6 研究区块泥页岩地层各应力与埋深的关系 Fig.6 Relationship between stress and buried depths of shale formations in the concerned area
2.5 脆性矿物含量对页岩气开发极限深度的影响

对于脆性矿物含量不同的泥页岩储层,当其埋深接近地表时,岩石脆性不受埋深(应力)的影响。此时,岩石相当于处于单轴应力条件下,泥页岩的脆性指数与其脆性矿物含量相等,以此作为地表条件下泥页岩储层的初始脆性指数。根据上述试验结果,获得各埋深范围内泥页岩脆性指数的降低幅度,计算不同埋深下泥页岩储层的脆性指数,结果见图 7。笔者以脆性指数50%作为页岩气开发的下限[15-16],这主要是因为,当脆性指数低于50%时,泥页岩的可压裂性较差,且随埋深增加,页岩气的开发成本过高,较低脆性的页岩不具备商业开发价值[17-18]

图 7 不同脆性矿物含量泥页岩的脆性指数分布图版 Fig.7 Distribution of brittleness indices of shale with different contents of brittle minerals

图 7可以看出:当泥页岩储层中的脆性矿物含量大于65%时,其开发埋深下限可超过6 000.00 m;当脆性矿物含量为60%时,其开发埋深下限约为5 000.00 m;当脆性矿物含量为55%时,其开发埋深下限约为3 000.00 m。

在明确所研究区块泥页岩储层中脆性矿物含量的基础上,根据图 7可以对其脆性及开发价值进行初步判定。

3 应用实例

研究区块X503井上三叠统须五段地层发育大段泥页岩及致密砂岩储层,其埋深为2 830.00~2 940.00 m。根据ECS元素俘获测井资料分析可知,泥页岩及致密砂岩储层中的矿物组分主要为石英、黏土、方解石、煤、黄铁矿及少量特殊矿物。应用矿物组分法计算目的层页岩储层的脆性指数时,认为脆性矿物包括石英、方解石及黄铁矿。剔除储层中的致密砂岩储层,首先应用矿物组分法计算埋深2 830.00~2 940.00 m泥页岩的脆性指数,再根据上文得到的埋深与脆性指数的关系进行校正,得到X503井泥页岩地层脆性指数剖面(见图 8)。从图 8可以看出:矿物组分法计算的泥页岩储层的脆性指数为35.0%~78.0%,平均为55.9%;利用埋深与脆性指数关系校正后的泥页岩储层的脆性指数为31.0%~70.0%,平均为49.9%。

图 8 X503井泥页岩地层脆性指数剖面 Fig.8 Profile of brittleness indices of shale formation in the Well X503

一般来说,泥页岩储层的脆性指数大于55.0%才能获得较好的压裂效果[15-16]。从图 8可以看出,利用矿物组分法计算的2 845.00~2 865.00 m和2 890.00~2 902.00 m井段的脆性指数均大于55.0%,但经过校正后,这2个井段的脆性指数均小于55.0%。因此,不建议将这2个井段作为最佳的压裂层段。

4 结论

1) 随着围压升高,泥页岩的弹性应变和塑性应变均增大,而其脆性指数降低,降低幅度与埋深(围压)近似呈线性关系,且泥页岩的弹性应变与塑性应变具有非常好的正相关性。

2) 简单以脆性矿物含量作为泥页岩脆性的量度,当泥页岩储层中脆性矿物含量为大于65%,60%,55%和小于50%时,其开发埋深下限分别为6 000.00,5 000.00和3 000.00 m以及基本不具备商业开发价值。

3) 将埋深对泥页岩脆性的影响进行了量化,利用其对常规矿物组分法评价结果进行校正,使评价结果考虑的因素更为全面,从而为泥页岩压裂层段的优选提供帮助。

4) 应用矿物组分法计算单轴条件下泥页岩脆性指数时,未考虑泥页岩自身结构及构造的影响,建议充分考虑这些因素进行泥页岩脆性的评价研究。

参考文献
[1] DE SILVA P N K, SIMONS S J R, STEVENS P, et al. A comparison of North American shale plays with emerging non-marine shale plays in Australia[J]. Marine and Petroleum Geology, 2015, 67: 16–29. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2015.04.011
[2] ZHANG Decheng, RANJITH P G, PERERA M S A. The brittleness indices used in rock mechanics and their application in shale hydraulic fracturing:a review[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 143: 158–170. DOI:10.1016/j.petrol.2016.02.011
[3] 尹帅, 丁文龙, 李昂, 等. 裂缝对致密碎屑岩储层弹性影响的数值分析[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(2): 112–118.
YIN Shuai, DING Wenlong, LI Ang, et al. Numerical analysis on the effect of fractures on elastic properties of tight clastic reservoirs[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(2): 112–118.
[4] LI Qinghui, CHEN Mian, ZHOU Yu, et al.Rock mechanical properties of shale gas reservoir and their influences on hydraulic fracture:International Petroleum Technology Conference, Beijing, March 26-28, 2013[C].
[5] 陆益祥, 潘仁芳, 唐小玲, 等. 四川盆地威远地区龙马溪组页岩储层上下亚段脆性差异[J]. 断块油气田, 2016, 23(4): 429–433.
LU Yixiang, PAN Renfang, TANG Xiaoling, et al. Brittleness comparison between upper and lower sub-sections of Longmaxi Formation shalereservoir in Weiyuan, Sichuan Basin[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2016, 23(4): 429–433.
[6] 蒋廷学, 卞晓冰, 苏瑗, 等. 页岩可压性指数评价新方法及应用[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(5): 16–20.
JIANG Tingxue, BIAN Xiaobing, SU Yuan, et al. A new method for evaluating shale fracability index and its application[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42(5): 16–20.
[7] 王建波, 冯明刚, 严伟, 等. 焦石坝地区页岩储层可压裂性影响因素及计算方法[J]. 断块油气田, 2016, 23(2): 216–220, 225.
WANG Jianbo, FENG Minggang, YAN Wei, et al. Influence factors and evaluation methods for shale reservoir fracability in Jiaoshiba Area[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2016, 23(2): 216–220, 225.
[8] HOLT R M, FJAER E, STENEBRATEN J F, et al. Brittleness of shales:relevance to borehole collapse and hydraulic fracturing[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2015, 131(1): 200–209.
[9] UIBU M, SOMELAR P, RAADO L M. Oil shale ash based backfilling concrete-strength development, mineral transformations andleachability[J]. Construction and Building Materials, 2016, 102: 620–630. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.10.197
[10] DEWHURST D N, SAROUT J, DELLE PIANE C A, et al. Empirical strength prediction for preserved shales[J]. Marine and Petroleum Geology, 2015, 67: 512–525. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2015.06.004
[11] JAEGER J C, COOK N G W, ZIMMERMAN R W, et al. Fundamentals of rock mechanics [M]. 4th ed. Oxford: Blackwell Publishing, 2007: 499-500.
[12] 刘君龙, 纪友亮, 杨克明, 等. 川西须家河组前陆盆地构造层序及沉积充填响应特征[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2015, 39(6): 11–23.
LIU Junlong, JI Youliang, YANG Keming, et al. Tectono-stratigraphy and sedimentary infill characteristics of Xujiahe Formation in Western Sichuan foreland basin[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2015, 39(6): 11–23.
[13] 陈冬霞, 刘雨晨, 庞雄奇, 等. 川西坳陷须五段陆相页岩层系储层特征及对含气性的控制作用[J]. 地学前缘, 2016, 23(1): 174–184.
CHEN Dongxia, LIU Yuchen, PANG Xiongqi, et al. Reservoir characteristics and its control on gas-bearing properties of the 5th member of the Triassic Xujiahe Formation continental shale in the Sichuan Basin of China[J]. Earth Science Frontiers, 2016, 23(1): 174–184.
[14] 陈磊, 姜振学, 纪文明, 等. 川西坳陷须五段页岩微观孔隙结构发育控制因素及其成藏意义[J]. 煤炭学报, 2015, 40(supplement2): 449–457.
CHEN Lei, JIANG Zhenxue, JI Wenming, et al. Controlling factors and accumulation significance of microscopic pore structure in the fifth member of Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(supplement2): 449–457.
[15] 赵金洲, 许文俊, 李勇明, 等. 页岩气储层可压性评价新方法[J]. 天然气地球科学, 2015, 26(6): 1165–1172.
ZHAO Jinzhou, XU Wenjun, LI Yongming, et al. A new method for fracability evaluation of shale-gas reservoirs[J]. Natural Gas Geoscience, 2015, 26(6): 1165–1172.
[16] 郭天魁, 张士诚, 葛洪魁. 评价页岩压裂形成缝网能力的新方法[J]. 岩土力学, 2013, 34(4): 947–954.
GUO Tiankui, ZHANG Shicheng, GE Hongkui. A new method for evaluating ability of forming fracture network in shale reservoir[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 947–954.
[17] 尹帅, 丁文龙, 孙雅雄, 等. 泥页岩单轴抗压破裂特征及UCS影响因素[J]. 地学前缘, 2016, 23(2): 75–95.
YIN Shuai, DING Wenlong, SUN Yaxiong, et al. Shale uniaxial compressive failure property and the affecting factors of UCS[J]. Earth Science Frontiers, 2016, 23(2): 75–95.
[18] 刁海燕. 泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价[J]. 岩石学报, 2013, 29(9): 3300–3306.
DIAO Haiyan. Rock mechanical properties and brittleness evaluation of shale reservoir[J]. Acta Petrologica Sinica, 2013, 29(9): 3300–3306.

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周顺林, 尹帅, 王凤琴, 李东, 易旺
ZHOU Shunlin, YIN Shuai, WANG Fengqin, LI Dong, YI Wang
应力对泥页岩储层脆性影响的试验分析及应用
Experimental Analysis of the Effect of Stress on Shale Reservoir Brittleness and Its Application
石油钻探技术, 2017, 45(3): 113-120.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(3): 113-120.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201703020

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收稿日期: 2016-08-15
改回日期: 2017-03-13

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