摘 要

　　　　　——以四川盆地W区下志留统龙马溪组为例摘　要：页岩储层的脆性特性对页岩气的开发效果具有重要影响，脆性页岩有利于天然裂缝的发育和压裂后形成具有一定

　　　　　——以四川盆地W区下志留统龙马溪组为例

摘　要：页岩储层的脆性特性对页岩气的开发效果具有重要影响，脆性页岩有利于天然裂缝的发育和压裂后形成具有一定导流能力的网状复杂裂缝，从而提高页岩产气量。为了探寻页岩脆性特征，弥补单一学科技术评价页岩脆性存在的不足，提出了一种利用x射线衍射、计算弹性参数和室内岩石力学测试3种技术来综合评价页岩脆性的方法，即通过分析页岩矿物组分含量、泊松比、杨氏模量、横纵波比参数和岩石应力、应变性质，对页岩储层的脆性特征进行综合评价。将该方法应用于四川盆地W区下志留统龙马溪组黑色页岩的脆性评价，结果表明：该区龙马溪组二段脆性好于龙马溪组一段，龙马溪组二段在1535～1541m层段时，具有高的石英含量，较低的泊松比、横纵波比和较高的杨氏模量值；深度在l541m时岩样的应力、应变曲线负坡较陡，页岩储层的脆性指数大于50％，有利于对页岩储层进行压裂改造。实践证明：该方法具有较高的有效性，与实际压裂测试结果吻合较好，可作为压裂选层的重要依据。

关键词：页岩储层  脆性  综合评价方法  弹性参数  岩石力学  矿物组分  早志留世  四川盆地

A comprehensive evaluation methodology of shale brittleness：A case study from the Lower Silurian Longmaxi Fm in Block W，Sichuan Basin

Abstract：The brittleness of shale formation has an important impact on shale gas extraction．Brittle shale is favorable for the formation of natural fractures and the creation of complex fracture networks with good conductivity through fracturing，thus enhancing shale gas productivity．In order to understand shale brittleness，and to overcome the disadvantages of brittleness evaluation with a single technique，we proposed a comprehensive evaluation method that integrates X-ray diffraction，calculated elastic parameters and laboratory rock mechanics tests，i．e．comprehensively evaluating shale brittleness based on the analysis of mineral components，Poisson¢s ratio，Young¢s modulus and S/P ratio as well as rock stress and strain characteristics．This comprehensive evaluation method was applied to brittleness evaluation of the black shale in the Lower Silurian Longmaxi Fm in Block W，Sichuan Basin．The following resuits were obtained．The brittleness of the second member of Longmaxi Fm is better than that of the first member．The shale in the interval of l535-1541m has a high content of quartz，a low Poisson¢s ratio，a low S／P ratio，and a high Young¢s modulus．The shale sampled at a burial depth of l541 m has a relatively steep negative slope in its stress-strain curve，and its brittleness index is greater than 50％，being favorable for fracturing stimulation．Practices show that this method is highly effective and the evaluation results are in good consistence with the real fracturing test results，thus shale brittleness can be used as one of the major bases for fracturing optimization．

Keywords：shale reservoir，brittleness，comprehensive evaluation method，elastic parameter，rock mechanics，mineral composition，Early Silurian，Sichuan Basin

页岩的脆性特征是储层是否易于改造的重要参数^[1-4]。目前，国内外学者研究页岩脆性参数的方法主要有以下4种：①在实验室对矿物含量进行实测；②用地球物理方法及测井资料求取弹性力学参数，其中杨氏模量和泊松比最常用来作为表征岩石脆性的参数^[5]；③在实验室进行岩石力学实验，通过应力—应变特征进行评价^[6-8]；④从常规压裂试验手段进行研究。根据国外Barnett页岩和Woodford页岩成功压裂开采效果可知，当脆性矿物含量高、脆性指数高(均大于40％)时，有利于页岩气的压裂开采。笔者以四川盆地W区下志留统龙马溪组黑色页岩样品为例，通过实验室力学实测方法、矿物成分检测和地球物理测井计算弹性参数手段3个方面分析了Wx井的脆性特征，根据脆性特征确定了拟压裂改造的深度范围，以此说明页岩脆性对压裂改造的指导意义及研究页岩脆性的重要性。

1　地质特征及岩石矿物组成

1．1　地质特征

四川盆地W区处于川中隆起区的川西南低陡褶皱带，东及东北与安岳南江低褶皱带相邻，南界新店子向斜接自流井凹陷构造群，北西界金河向斜与龙泉山构造带相望，西南与寿保场构造鞍部相接。该区龙马溪组为1套浅海相碎屑岩，发育多套黑色页岩层系，有机碳含量高(TOC介于0.35％～l8.4％，平均为2.52％)、厚度大(黑色页岩厚度介于20～260m)，热演化成熟度高(R。介于1.8％～3.6％)，是l套高效烃源岩^[9]。据取心资料分析结果，龙马溪组页岩储层孔隙度分布在4.78％～6.14％，平均为5.5％；渗透率介于0.0897～0.00555mD。据此推断，龙马溪组页岩储层属于低孔隙度、低渗透率储集岩，有具备储集页岩气的良好地质条件。

由于四川盆地龙马溪组受加里东运动抬升影响，致使西南向东南厚度分布不均(0～200m)，W区围绕乐山—龙女寺古隆往东南方向变厚；龙马溪组由上至下岩性颜色加深、砂质减少、有机质含量增高。根据实际井岩心描述以及测井岩电特征，将龙马溪组分为龙马溪组一段(深度介于l379～1505m)和龙马溪组二段(深度介于l505～1545m)。

1．2　岩石矿物组成

页岩的矿物组成主要分为硅酸盐岩类、碳酸盐岩类和黏土类3种。脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素^[10-16]。页岩中黏土矿物含量越低，硅酸盐岩中石英、长石和碳酸盐岩中方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强^[17-19]，有利于诱导裂缝的产生，形成网状裂缝，易于实现体积改造^[20-21]，提高页岩气单井产量。而高黏土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。目前美国成功开发的Barnett页岩和Woodford页岩脆性矿物含量高(大于40％)，黏土矿物含量低(小于30％)。四川盆地龙马溪组页岩的矿物组成情况见图l。

 

2　页岩脆性综合评价法

2．1　X射线衍射分析

利用X射线衍射分析W区Wx井龙马溪组的取心资料(图1)，整体地层矿物组分有相当明显的变化。水敏性黏土含量低，混层伊利石—蒙脱石含量比重为1％～2％。绿泥石在深度介于l422.5～l515.6m的范围内含量高，比重为5％～l8％，并随着铁质白云岩含量的增加而减少，伊利石和绿泥石的趋势相同。大量的铁白云岩存在于深度为l521.5～1533.3m的样品中，比重为l5％～38％；在其他深度的样品中，铁白云岩含量低。总体上龙马溪组一段(深度介于l379～1505m)绿泥石、伊利石类黏土矿物含量所占比重与石英和少量碳酸盐岩含量相当；龙马溪组二段(深度介于1505～1545m)方解石、铁质白云石类碳酸盐岩含量随着深度的变化而增加，岩样深度l541m时，石英含量最高，为75％。整体评价龙马溪组二段较一段脆性好，根据岩心矿物分析计算Wx井脆性指数为30％～75％，龙马溪组二段深度介于l535～1541m时脆性指数大于50％，适合进行压裂改造。

2．2　地球物理测井方砝

页岩地球物理测井方法为优化页岩气钻井及储层压裂改造部署提供必要的技术支撑^[22-24]，为水平井的着落点和后期的完井作业提供有效的指导参数。借鉴国外页岩气勘探开发的成功经验，通过测井资料计算得到的杨氏模量和泊松比^[25-26]作为评价页岩脆性的主要依据。Rickman等人在2007年针对Barnett页岩进行了经验总结，认为低泊松比、高弹性模量的页岩意味着其脆性(可压裂性)越强^[5]。贝克休斯和哈里伯顿公司应用横纵波时差来计算岩石的杨氏模量和泊松比，以此评价页岩的脆性程度^[5，27]；斯伦贝谢公司通过应用纵横波时差和最小水平应力的各向异性模型来计算最小水平应力，通过最小水平应力来优选水平着陆点和压裂／射孔层段。图2是四川盆地龙马溪组Wx井泊松比、横纵波时差比和杨氏模量预测图。依据下列公式^[28]：

 

 

 

式(1)中DTs、DTc分别为地层横波时差，纵波时差；v为泊松比。根据公式(1)推导出公式(2)，求出横纵波时差比，并与泊松比变化相比较，从而确定页岩的脆性程度。公式(3)中rb为体积密度；E为杨氏模量。

整体龙马溪组杨氏模量介于l×10⁴～3.5×10⁴MPa，平均为2.3×10⁴MPa；泊松比介于0.1～0.37，平均为0.24。通过图3可以看出，龙马溪组一段杨氏模量平均值为1.4×10⁴MPa，泊松比平均值为0.3；龙马溪组二段杨氏模量平均值为l.8×10⁴MPa，泊松比平均值为0.23。龙马溪组二段较龙马溪组一段具有低泊松比，高杨氏模量，说明其脆性优于一段。图4为横纵波时差比和泊松比的交会图，可以看出龙马溪组二段的横纵波时差比明显低于一段，说明低横纵波时差比参数用于表征页岩的脆性程度是有效的。

 

 

2．3　页岩岩石力学实验

通过对Wx井的脆性研究，可知龙马溪组二段脆性条件优于龙马溪组一段，且龙马溪组二段在深度l535～l541m时最具叮压裂性，为进一步证明其可行性，进行了岩石力学实验。

2．3．1准备条件

选取的2块岩心均来自Wx井龙马溪组二段，图2中紫红色和蓝色点所处位置，取样深度分别为l52lm和l54lm。为了更好地进行力学实验，从岩心样品切割获得1个柱状岩心栓，利用磨平机磨平两端，使根部接地互相平行于彼此，以保证样品端面平滑。通过岩石力学实验仪，模拟储层温度、围压，进行三维压缩实验。

2．3．2三维压缩实验结果分析

通过岩石力学实验，龙马溪组二段页岩储层基质岩石，抗压强度分布在91～152MPa，平均抗压强度为121.98MPa，平均杨氏模量为2.15×10⁴MPa，平均泊松比为0.23(表1)。测试数据分析结果可知，岩样2对比岩样l具有低泊松比和高杨氏模量的特征，说明龙马溪组二段在深度1541m时，页岩脆性程度最优，与先前的矿物分析和脆性指数得到的结论相符。

 

三维压缩实验应力  应变曲线如图5、6所示。岩石材料的塑性与脆性可根据应力、应变曲线上负坡的坡降大小来划分。负坡较陡者为脆性，反之为塑性。由图5、6可知：岩样1和岩样2在应力分别为l2000psi(1psi＝6.895kPa)和20000psi时，应变为0.01、0.009时破碎，属于脆性岩石，且岩样2应力、应变曲线上的负坡较陡，故其脆性优于岩样1。

 

 

2．4　综合分析及效果

上述方法对W区龙马溪组脆性的深化研究，从矿物组成分析认为龙马溪组二段随深度增加石英、碳酸盐岩含量增加，在深度l541m时石英含量占比重最大，脆性表现最优且脆性指数大于50％。测井资料计算弹性参数值与2块岩样实测弹性参数值具有很高的吻合性(图2)。

结合岩样应力、应变结果，认为龙马溪组二段在深度1541m左右时脆性最优，对比3种方法综合评价结果认为适合压裂改造深度为1535～1541m。根据目前掌握压裂测试资料得知，龙马溪组二段目的层在深度l523m开始出现压力异常现象，测井解释结果显示在深度1523～l541m有含气显示。依据脆性矿物含量高、黏土含量低的特点，压裂选择滑溜水为主的体积压裂模式，压裂分为3段，射孔总厚度为9m，加砂量为l20m³，压裂液和支撑剂注入的改造效果通过微地震裂缝监测系统观测证实形成了具有导流的网状复杂裂缝，试气初期，页岩气产量为2000～3000m³／d，页岩气无硫化氢，甲烷含量超过98％，气质非常纯净。结果表明，综合脆性评价方法有较高的有效性，与实际压裂测试结果吻合较好，同时也说明脆性评价研究对页岩气开发生产具有重要的指导意义。

3　结论

1)龙马溪组一段主要以伊利石和绿泥石类的黏土矿物为主，石英类的硅酸盐岩矿物和碳酸盐岩矿物次之，龙马溪组二段石英类的硅酸盐岩矿物和碳酸盐岩矿物含量高，整体上，龙马溪组二段的脆性优于龙马溪组一段。龙马溪组二段在深度为l541m时石英含量为75％，脆性指数在深度为l535～l541m时大于50％，适于压裂改造。矿物含量组分的不同，导致储层岩石的脆性不同。石英含量越高，页岩的脆性指数越大；碳酸盐岩类含量也是页岩储层中的易脆组分，同时也是判断裂缝是否发育的一项重要指标。

2)测井预测和岩石力学分析表明，龙马溪组二段较一段有相对低的泊松比、横纵波比和较高的杨氏模量值，岩样在深度l541m时脆性条件最优。与矿物分析和计算的脆性指数在深度l535～1541m时分析的脆性结果相符。力学实验不仅可以通过测得弹性参数值对页岩的脆性进行评价，也可以从应力—应变特征进行评价，为压裂选层和设计改造提供参考依据。

3)滑溜水为主的体积压裂模式，是针对页岩气藏改造的技术，尤其对储层脆性较高、天然裂缝发育地层适用。其特点可提高形成一定导流能力的网状缝，进而产生较大裂缝与地层的接触面积从而提高产量，相对其他传统压裂模式成本低。压裂技术的提高对于页岩气储层成功开发起着决定性作用，应给予足够重视。

 

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本文作者：王鹏  纪友亮  潘仁芳  王志章  伍媛

作者单位：中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室

  长江大学油气资源与勘查技术教育部重点实验室