2016, Vol. 31
四川盆地下志留统龙马溪组展现出巨大的页岩气勘探潜力，近年来在川东南地区不断取得突破(郭旭升等，2012；郭彤楼和刘若冰，2013；郭旭升，2014).焦石坝地区位于四川盆地东南部，构造上位于川东隔挡式褶皱向隔槽式褶皱过渡的区域，紧邻盆地东部的齐岳山断裂；区内志留系龙马溪组-五峰组优质泥页岩发育，海相页岩气良好的勘探开发前景(郭旭升，2014).
页岩本身具有低孔、低渗的特征，如焦页1(JY1)井页岩段平均孔隙度为4.52%，平均渗透率为2.99 md，这类页岩需经过大规模压裂改造才能获得商业产能(张晓玲等，2013).近年研究发现，页岩脆性及地应力特征是评价页岩储层的重要指标，页岩的脆性及水平地应力差是决定页岩是否易于压裂及是否易于形成网状裂缝的关键因素(秦晓艳等，2016).此外，由于页岩气的成因类型、富集机理以及生产机制与常规油气相比都具有一定的特殊性，其产量与泥页岩内部天然裂缝的发育程度密切相关，微裂缝的存在可大幅提高水力压裂效应效果，改善泥页岩的渗流能力，为页岩气提供了必要的运移通道(代鹏等，2015).因此，页岩脆性大小、地应力特征及裂缝发育程度是评价页岩储集层的重要参数(夏一军等，2015).
本文基于焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩基本地质特征，应用测井、地震资料，从页岩脆性、页岩应力特征、页岩裂缝发育特征三方面对焦石坝地区页岩可压性进行了综合评价，认为焦石坝地区优越的工程施工条件是实现商业开发的关键因素.
1 页岩矿物成分组成目前来看，全球多数页岩气田页岩中都含有相对较少的粘土矿物以及较多的脆性矿物，这主要是因为以石英为代表的脆性矿物在外力作用下易破碎产生裂缝，形成页岩气运移和产出的通道.以北美Barnett地区为例，Barnett页岩中石英含量占到35%～50%，而粘土含量则一般小于35%.大量研究认为高含量脆性矿物是Barnett页岩能够通过压裂造缝获得高产的关键因素(唐颖等，2012).
与Barnett页岩相比，焦石坝地区五峰组-龙马溪组石英等脆性矿物含量更高.区内暗色泥页岩含有石英、粘土、长石、方解石、白云石、黄铁矿等矿物，其中粘土矿物主要为伊利石及伊蒙混层等.根据JY1井五峰组-龙马溪组一亚段页岩X衍射岩石分析结果可知(图 1)：
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图 1 焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩矿物组分分布图 Figure 1 Mineral ingredients of shale core from Jiaoshiba area |
(1) 脆性矿物(石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、赤铁矿)含量高(约占总含量的33.9%～80.3%，平均为56.5%)，并且具有随深度增大逐渐增大的特点.
(2) 脆性矿物中以石英为主，平均含量为37.3%，其次是斜长石和白云石，平均含量分别为7.1%、6.2%，其他脆性矿物含量均小于5%.
(3) 粘土矿物含量较低(约占总含量的16.6%～62.8%，平均为40.9%)，并且具有自上而下逐渐减小的特点.
此外，笔者通过进一步分析发现，石英矿物相对含量(石英矿物含量除以石英、粘土、碳酸盐岩矿物含量之和)与总有机碳含量(TOC)具有较好的相关性(图 2)，焦石坝地区志留系龙马溪组底部和奥陶系五峰组页岩展现出的高TOC、高脆性耦合特征，是区内页岩通过压裂改造获得工业气流的基础.
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图 2 TOC与石英矿物相对含量交会图 Figure 2 Crossplot of TOC versus quartz relative content |
以岩石中脆性矿物含量占总矿物含量的大小来表征岩石脆性的方法简单实用，但全岩矿物分析获得准确的页岩矿物组分因岩石取心的难度和成本而具有较大的局限性.研究表明，页岩的脆性特征与其岩石力学特性密切相关(李庆辉等，2012).为了进一步研究区内页岩的可压性，本文以页岩岩心力学测试数据为基础，结合测井、地震资料，从岩石力学角度评价页岩的可压性.
2.1 岩石脆性岩石物理学中将岩石的脆性定义为描述岩石本构关系的一种性质，岩石的本构关系即岩石的应变或应变率依赖于应力、温度、时间等变化的关系；岩石的脆性是指当施加到岩石上的应力达到一定程度后，岩石会发生破裂现象，如果岩石破裂时不伴有或仅有少量的永久变形(破裂前应变＜5%)，则称岩石为脆性的，反之则称岩石是韧性的(破裂前应变>10%)(陈颙和黄庭芳，2001).
杨氏模量(E)、泊松比(ν)是常用于描述页岩脆性的岩石力学特征参数，大量学者认为低泊松比、高杨氏模量的页岩其脆性更好(Grigg，2004).其中，杨氏模量定义为张应力与张应变在单一轴向应力状态之比，公式为
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(1) |
式中，Es为岩样的静态杨氏模量；Δσ为轴向应力增量；Δε1为轴向应变增量.据此可知在相同应力状态下，岩石杨氏模量越大，则应变越小，因此通常用杨氏模量反映泥页岩被压裂后保持裂缝的能力；泊松比定义为径向应变与轴向应变在单一应力状态下的比的负值，公式为
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(2) |
式中，νs为岩样的静态泊松比；Δε1为轴向应变增量；Δε2为横向应变增量.据此可知在柱状岩样临近破裂应力时，岩石泊松比越小则岩石在破裂前的变形越小，因此泊松比则反映了页岩在一定压力下破裂的能力.
针对焦石坝地区页岩岩心样品在实验室开展三轴应力实验，测试岩石破坏时的轴向应力，并绘制应力—应变关系曲线，根据式1、式2计算得到岩石静态弹性参数(表 1).通过对比表 1中不同页岩测试数据可知，由于不同页岩气藏测试岩石样品品质、样品数量及测试仪器之间可能存在差异，横向可对比性较差.但焦石坝地区页岩平均静态杨氏模量、泊松比分别为29.94 GPa、0.20，满足页岩高脆性的特征，即杨氏模量大于20.67 GPa(3×106 psi)、泊松比小于0.25.
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表 1 不同页岩气藏岩石力学参数统计表 Table 1 Statistics of rock mechanical parameters of different shale plays |
Rickman等人基于Barnett地区页岩测试数据得到在北美地区得到良好应用效果的脆性指数计算公式(Rickman et al.，2008)为
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(3) |
式中，Es-normalized、νs-normalized分别为归一化的静态杨氏模量和泊松比.
在油气田的勘探开发中，一般采用偶极声波测井资料结合密度测井资料来计算动态岩石力学参数，根据式4、式5计算得到动态杨氏模量、动态泊松比.公式4为
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(4) |
式中，Ed为动态杨氏模量；Vp、Vs和ρ分别为纵波速度、横波速度和密度.公式5为
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(5) |
式中，νd为动态泊松比；Vp、Vs和ρ分别为纵波速度、横波速度和密度.
由于测试系统不同，岩石动、静态弹性参数之间一般存在一定的差异.对于页岩而言，大量学者的研究表明：页岩动、静态杨氏模量有较好的线性相关性，动、静态泊松比差别较小(Kuhlman et al.，1993；Warpinski et al.，1998；Mullen et al.，2007).在利用式(3)技术脆性指数时，首先要对杨氏模量和泊松比进行归一化((实测值-最小值)/(最大值-最小值))，由于动、静态杨氏模量的线性关系和动、静态泊松比的近似相等的关系，归一化后的动、静态弹性参数数值相同，因此实际应用中可以直接将测井得到的动态弹性参数代入计算脆性指数.
利用Rickman公式计算焦石坝地区五峰组-龙马溪组一段的脆性指数，与岩矿脆性指数(硅质矿物相对含量)对比，两条脆性指数趋势较为一致(图 3)，脆性矿物含量的增大与脆性指数的增大具有较好的相关性，说明Rickman公式计算脆性指数适用于焦石坝地区五峰组-龙马溪组一段页岩的脆性预测.相对于龙马溪组二段(S1l2以上)泥岩而言，五峰组-龙马溪组一段(O3w至S1l2)页岩呈现高杨氏模量(大于30 GPa)、低泊松比(小于0.24)的特征，脆性指数明显增大(图 3)，具有较好的压裂改造条件.
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图 3 测井数据计算的脆性指数曲线 Figure 3 Brittleness index curve using well logging data |
利用叠前地震反演技术获得纵波速度、横波速度、密度数据体(张广智等，2014)，代入式3-式5，便可计算得到Rickman定义的脆性指数数据体.焦石坝地区预测结果表明优质泥页岩的脆性指数大于50%，说明焦石坝地区五峰组-龙马溪组一段优质泥页岩具有较高的脆性，工程施工条件较为优越(图 4).
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图 4 焦石坝地区龙马溪组优质泥页岩脆性指数平面图 Figure 4 Plane map of premium shale rock brittleness index of longmaxi formation in Jiaoshiba area |
压裂时，裂缝在地层中总朝着最大应力的方向延伸，对于页岩气储层来说，希望压裂时能产生较多的裂缝，并能在地层形成缝网，这样可以得到较好的改造效果，因为缝网能最大限度的沟通地层中的天然裂缝(张广智等，2015).然而如果地层中最大水平应力和最小水平应力的差值过大，那么地层中的水力裂缝会沿着几乎同一方向延伸，缝网就难以形成.水平地应力差异系数评价标准为：水平地应力差异系数通常在0~0.3时，能够形成充分的裂缝网络；0.3~0.5时，在高的净压力时能够形成较为充分的裂缝网络;大于0.5时，不能形成裂缝网络(图 5).
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图 5 水平应力差异系统与裂缝形态关系图 Figure 5 Diagram of relationship between differential horizontal stress and fracture geometry |
JY1井7个样品的地应力大小测试结果显示(表 3)，水平地应力差异系数在0.06～0.14之间，相对较小，能够形成充分的裂缝网络.据JY1井实验测试结果，水平主应力大于垂向应力，地层易形成垂直缝.因此，焦石坝地区五峰组-龙马溪组一段储层形成复杂网状裂缝的可能性较大.
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表 3 JY1井五峰组-龙马溪组一段页岩地应力大小测试结果表 Table 3 Ground stress test results of Wufeng-Longmaxi 1 st member shale in well JY1 |
页岩在沉积以及构造活动的共同作用下岩石内部形成天然裂缝，这类裂缝即可作为油气的储集空间也可作为油气运移的通道.然而天然裂缝存在的更大作用是在压裂改造过程中会促进网状裂缝的产生，因此对于这类裂缝的预测也是压裂方案设计时重要的参考依据(Mattar et al.，2008).
焦石坝地区页岩发育大量微裂缝，井岩心照片提供了微裂缝发育的直接证据(图 6)：首先，氩离子抛光扫描电镜照片证实粉砂质碳质页岩中有机质内孔隙及层间裂缝的存在(图 6a)；其次，岩心照片上也可见泥页岩中大量发育由于构造运动产生的正交裂缝(图 6b).
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图 6 JY1井五峰-龙马溪组页岩微观(a)及宏观(b)裂缝 (a)JY1井，2376.05 m，层间微裂缝；(b)JY1井，2414.5 m，构造缝，岩性直径为10 cm. Figure 6 Microcracks and macrocracks of Wufeng-Longmaxi shale in well JY1 |
与相干等方法结果对比，曲率属性更能够凸显小尺度的断层和裂缝，对地层褶皱的敏感度比较高，可能受到噪声的影响，在运用曲率体属性进行计算前，需要做滤波去噪等预处理工作，其成像效果更好，对断层以及微断裂的刻画更加清晰.
焦石坝地区位于四川盆地川东隔档式褶皱带南段石柱复向斜、方斗山复背斜和万县复向斜等多个构造单元的结合部，受雪峰、大巴山等多方向多期构造影响，断裂发育，以北东向为主.裂缝的发育程度与断裂和褶皱变形关系密切，曲率平面图上大断层表现为带状分布的亮黄色高曲率值(图 7)，表明大尺度裂缝发育，既破坏了页岩气保存条件，也造成钻井过程中漏失严重，不利于钻井施工；远离断裂带发育的小尺度微裂缝一方面为页岩气的储集和运移提供空间和通道，增大了页岩的总含气量，另一方面有利于压裂改造，这类微裂缝在焦石坝构造主体部位较为发育，在曲率平面图上表现为蓝色背景下的橘黄色网状条带分布(图 7).根据焦石坝探井成像测井的分析结果显示(图 8)，JY1井、JY2井、JY3井、JY4井的高导缝的走向与曲率属性中的网状微裂缝的主裂缝方向基本一致，同时从局部放大的曲率图上可以发现井点附近发育了大量有利的网状微裂缝，有利于优质页岩的压裂及后期改造(图 8).
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图 7 焦石坝地区页岩层段曲率叠合主要断裂系统平面图 (F1-大耳山①断层；F2-大耳山②断层；F3-大耳山③断层；F4-石门断层；F5-吊水岩①断层；F6-吊水岩②断层；F7-吊水岩③断层；F8-天台场断层；F9-马武断层；F10-乌江断层) Figure 7 Curvature attribute map overlapped with main faults of shale interval in Jiaoshiba area (F1-Daershan fault①；F2- Daershan fault②； F3- Daershan fault③；F4-Shimen fault； F5-Diaoshuiyan fault①；F6- Diaoshuiyan fault②；F7- Diaoshuiyan fault③；F8-Tiantaichang fault；F9-Mawu fault；F10-Wujiang fault) |
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图 8 焦石坝探井成像测井高导缝走向与曲率局部放大图 Figure 8 Strike direction of high conductivity fracture from FMI and locally magnified curvature map |
4.1 焦石坝地区五峰组-龙马溪组一段页岩表现出高脆性矿物含量、高TOC含量的特征，并且两者呈现正相关关系，这种特征是通过压裂改造获得工业气流的物质基础.
4.2 从岩石力学角度来讲，页岩脆性指数较高(岩石力学测试结果为大于47%，地震预测脆性指数在构造主体部位大于50%)、水平地应力差异系数小(0.06～0.14之间)，说明页岩有利于水力压裂并且在水平压裂过程中形成复杂网状裂缝的可能性较大.
4.3 焦石坝页岩发育大量微裂缝，并且通过曲率分析发现构造主体部位发育了大量网状微裂缝，有利于优质页岩的压裂及后期改造.
4.4 焦石坝地区志留系龙马溪组富含有机质页岩的工程施工条件非常有利，是获得商业高产的关键.
致谢 感谢审稿专家和编辑们对本文的支持和帮助.| [1] | Chen Y, Huang T F.2001. Rock Physics[M]. Beijing: Peking University Publishing House : 30 -37. |
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