页岩储层的岩石力学特性

杨建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗

中国石油西南油气田公司采气工程研究院

页岩储层的岩石力学特性

杨建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗

中国石油西南油气田公司采气工程研究院

杨建等.页岩储层的岩石力学特性.天然气工业，2012，32（7）：12-14.

页岩储层岩石具有基质致密，微裂隙、层理面发育，岩石性脆等非常规地质特征，其力学性质与一般的致密砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石力学性质，利用MTS多功能岩石力学实验系统对取自四川盆地某区的M组页岩开展了三轴、单轴、巴西力学实验。结果表明：页岩岩石三轴平均抗压强度为265.75 MPa，平均杨氏模量为4.59×104MPa，平均泊松比为0.25，属于中硬地层；单轴垂向取样抗压强度（151.92 MPa）是水平取样抗压强度（为69.18 MPa）的2.2倍；页岩抗张强度较低，平均为2.94 MPa。综合分析页岩储层脆性指数后认为，M组页岩属于脆性岩石，储层脆性指数均超过50，有利于对页岩储层进行大型水力压裂；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。

四川盆地 页岩 储集层 岩石力学实验 特性 矿物组分 脆性指数 压裂

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，该组页岩储层孔隙度分布在2%～5%，原地应力条件下测得基质渗透率介于0.01～0.001 m D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%。黏土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

图1 页岩储层岩石矿物成分分析结果图

实验利用MTS815型岩石力学实验仪，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1.00 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4.59×104MPa，平均泊松比为0.25（表1），三轴力学实验应力—应变曲线如图2所示。

表1 页岩三轴力学实验结果表

图2 页岩三轴力学实验应力—应变曲线图

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4.70×104MPa，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151.92 MPa，平均泊松比为0.175（表2）。

表2 页岩单轴力学实验结果表

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）。

表3 页岩巴西力学实验结果表

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2.94×104MPa（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2.99×104MPa，抗压强度为151.92 MPa。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，计算了川南某区块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］。

图3 X井M组页岩岩石脆性剖面图

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16.67%。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265.75 MPa，平均杨氏模量为4.59×104MPa，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151.92 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。

［1］方俊华，朱炎铭，魏伟，等.蜀南地区龙马溪组页岩气成藏基础分析［J］.特种油气藏，2010，17（6）：46-49.

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［3］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等.四川盆地南部页岩气藏大型水力压裂作业先导性试验［J］.天然气工业，2011，31（4）：48-50.

［4］陈作，薛承瑾.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议［J］.天然气工业，2010，30（10）：30-32.

［5］付永强，马发明，曾立新，等.页岩气藏储层压裂实验评价关键技术［J］.天然气工业，2011，31（4）：51-54.

［6］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等.四川盆地南部页岩气藏大型水力压裂作业先导性试验［J］.天然气工业，2011，31（4）：48-50.

［7］ZAHID S，BHATTI A A，KHAN H A，et al.Development of unconventional gas resources：stimulation perspective［C］∥paper 107053 presented at the 2007 SPE Production and Operations Symposium，31 March -3 April 2007，Oklahoma City，Oklahoma，USA.New York：SPE，2007.

（修改回稿日期 2012-05-21 编辑 罗冬梅）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.003

中国博士后科学基金项目（编号：20090451422）。

杨建，1978年生，工学博士；2008年毕业于西南石油大学开发地质学专业；主要从事储层岩石力学、地应力及非常规天然气开发研究工作。地址：（618300）四川省广汉市中山大道南二段。E-mail：y2000w＠sina.com