页岩储层的岩石力学特性

摘 要

1页岩储层物性特征及矿物组分1.1页岩储层物性特征四川盆地某区寒武系、志留系发育多套黑色页岩层系，其中M组页岩有机碳含量高，分布稳定，是一套高效烃源岩[1-3]。据取心资料分析
1页岩储层物性特征及矿物组分
1.1页岩储层物性特征
四川盆地某区寒武系、志留系发育多套黑色页岩层系，其中M组页岩有机碳含量高，分布稳定，是一套高效烃源岩[1-3]。据取心资料分析结果，该组页岩储屋孔隙度分布在2%～5%，原地应力条件下测得基质渗透率介于0.01-0.001mD级别或更低，但是由于页岩气藏受裂缝因素的影响，其局部渗透率可以达到较高的水平。
1·2 页岩岩石矿物成分
利用x射线衍射分析某区页岩气井M组取心资料，页岩矿物组分主要以石英矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主，其中石英矿物含量占43.41%，黏土矿物含量占22.52%，碳酸盐岩矿物含量占16.67%。黏士矿物中主要以伊利石、绿泥石为主(图1)。

2页岩岩石力学实验
2.1 力学实验条件
实验利用MTS815型岩石力学试验仪，选取M组不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心，采取垂直或平行层理面2种方式取样。岩样加工成直径为2.54cm，长度为5.50 cm的柱状岩心，端面磨平，模拟储层温度、压力条件，进行三轴、单轴力学实验；岩样加工成直径为3.80 cm，长度为l.O0 cm的柱状岩心，端面磨平，进行巴西力学实验。
2.2页岩三轴力学实验
    选取M组不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心，平行于层理面加工实验样品。
    通过三轴岩石力学实验，该页岩储层基质岩石，抗压强度分布在250～300 MPa，平均抗压强度为265.75 MPa，平均杨氏模量为4.59×104 MPa，平均泊松比为0.25(表1)，三轴力学实验应力一应变曲线如图2所示。

 

 
2.3页岩单轴力学实验
    选取M组岩石样品，采取平行、垂直层理面2种取样方式，其中水平取样2个，垂直取样3个，进行单轴抗压力学对比实验。
    实验结果表明，水平方向取样的岩样平均杨氏模量为4.70×104 MPa，抗压强度为69.18 MPa，平均泊松比为0.227；垂直方向取样的岩样平均杨氏模量为2.99×104MPa，抗压强度为l51.92 MPa，平均泊松比为0.175(表2)。
 

 
2.4页岩巴西力学实验
    选取页岩基质岩石样品，通过实验测量，页岩样品抗张强度介于2～4 MPa，平均为2.94 MPa(表3)。
 
 

3实验结果讨论
    通过对页岩储层岩石力学特征参数研究表明，页岩岩石力学性质与致密砂岩有相似之处。四川盆地某区上三叠统须二段致密砂岩储层岩石力学实验结果表明，抗压强度平均为235.75 MPa，平均弹性模量为2.94×104 MPa(23个样品)，与致密砂岩岩石样品对比，页岩同样具有较高的三轴抗压强度及弹性模量，属于中硬地层。
    页岩储层层理发育，取样方式的不同对单轴抗压力学实验结果影响较大。M组单轴岩石力学实验表明，水平方向取样的岩样平均杨氏模量为4.70×104MPa，抗压强度为69.18 MPa；垂直方向取样的岩样平均杨氏模量为2.99×104 MPa，抗压强度为151.92MPa。垂向抗压强度是水平向抗压强度的2.2倍，分析认为页岩储层本身水平层理面发育，页岩岩性较脆，易顺层理面脆裂，导致水平方向取样抗压强度低。
    通过岩石力学特征参数、页岩脆性矿物成分含量结合测井数据，计算了JIf南某区块x井页岩M储层岩石脆性指数，X井拟改造段2 440～2 540 m储层脆性指数都超过50(图3)。根据国外已有的页岩开发经验，岩石脆性与压裂液和支撑剂选取有重要联系，随着岩石脆性的增高，压裂液选择从交联压裂液逐步向滑溜水压裂液过渡，形成的裂缝也由双翼对称裂缝向复杂的网络裂缝过渡；在支撑剂的选取上，岩石脆性指数越高，液体体积用量越大，支撑剂的用量越少，支撑剂浓度越低[4-7]。
 通过综合分析，X井M组页岩储层岩石脆性情况，该组岩石属于脆性岩石，压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，压裂设计原则应为“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”。
4 结论
    1)四川盆地M组页岩矿物组分主要以石英矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主，其中石英矿物含量占43.41%，黏土矿物含量占22.52%，碳酸盐岩矿物含量占l6.67%。黏土矿物中主要以伊利石、绿泥石为主。
    2)岩石三轴力学实验表明，页岩基质岩石抗压强度分布在250～300 MPa，平均抗压强度为265.75MPa，平均杨氏模量为4.59×104 MPa，平均泊松比为0.25，属于中硬地层；单轴力学实验表明，水平方向取样的岩样抗压强度为69.18 MPa，垂直方向取样的岩样抗压强度为l51.92 MPa，两者相差2.2倍；巴西力学实验揭示，页岩抗张强度较低，平均为2.94 MPa。
3)通过综合分析页岩储层脆性指数，表明四川盆地M组页岩属于脆性岩石，储层脆性指数均超过50，压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式，压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。
 
参考文献
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本文作者：杨建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗
作者单位：中国石油西南油气田公司采气工程研究院