吉林省桦甸地区油页岩物理力学性能及裂隙开启压力的确定

刘鑫鹏，陈 晨，严轩辰，张飞宇

（吉林大学建设工程学院，吉林 长春130026）

油页岩是在矿物机体中含有固体可燃有机质的沉积岩，在化石燃料中它的储量折算为发热量仅次于煤而列第二位。目前，我国已经探明的油页岩储量约315.67亿t，主要分布在吉林、辽宁、广东、山东、内蒙等近20个省区。吉林省的油页岩探明的储量约174.27亿t，占全国总量的55.5%，主要分布在农安、桦甸和汪青的罗子沟［1］。

中国油页岩的沉积时代以新生代为主，沉积环境以陆相为主。中国高含油率的油页岩主要分布在新生代小型聚煤断陷盆地，而低含油率油页岩主要分布在晚白垩纪大型含油气坳陷盆地，且资源量巨大［2］。

成本过高是制约油页岩大规模开发利用的主要原因。所以，目前国际上对油页岩开发技术的研究中，油页岩商业开采方法以及对开采过程的可行性和经济性的研究，将是主要考虑的内容。水力压裂技术是提高油气井产量的有效手段之一，它的目的是在地层中压开一条具有一定方向和几何形状的裂缝，并充填支撑剂以提高裂缝的导流能力的作用。水力压裂技术成功与否，除了和压裂液、支撑剂有关外，地应力和岩石力学性质也非常关键［3］。通过国家潜在油气资源（油页岩勘探开发利用）产学研用合作创新项目，水力压裂技术在油页岩开采过程的可行性已被项目组众多专家提出，因而水力压裂技术参数的确定就显得尤为重要。

本文主要对吉林省桦甸地区油页岩物理力学性能进行研究，得出吉林省桦甸地区油页岩物理力学性能的范围。计算毕奥特系数、油藏平均压力、最小主应力参数，进而进一步确定开采该地区油页岩裂隙开启压力参数。并对得出的结果进行初步分析，为今后水力压裂技术在桦甸地区油页岩开采中，裂缝开启压力参数确定方面提供依据。

1 吉林省桦甸地区油页岩赋存条件及其物理力学性质

1.1 吉林省桦甸地区油页岩赋存条件

吉林桦甸地区为小型断陷盆地油页岩，其形成主要受构造、气候作用影响，且为含油泥质页岩，具有明显的变晶结构，部分为斑状变晶结构，属变质岩系的范畴。多为层状或板状构造，片状构造，或片麻状构造，层间含油，某些还具有石油天然气构造的特征，有的具有明显的片理。桦甸油页岩矿按地质构造以及自然条件划分，由西向东依次划分为北台子、大城子、公朗头以及南部庙岭四个区，见图1。

图1 桦甸地区油页岩地域分布图

1.2 吉林省桦甸地区油页岩物理力学性质

由于世界各地油页岩沉积年代及沉积环境不同，引起各地油页岩的力学性能参数有很大差别。因此，测定不同地区油页岩的物理力学性能参数，是解决油页岩原为开采、大规模开发利用的关键因素。

2010年8月28日，吉林大学根据中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》（GB／T 50266－99），测定了桦甸油页岩开发用油页岩力学性质。试验成果见表1。表1中的油页岩样品泥质有机质含量达90%以上。桦甸油页岩开发用力学实验表明，其油页岩抗压强度范围介于9MPa～12MPa之间，内聚力范围介于1.38MPa～1.48MPa之间，内摩擦角介于15°～22°。

2011年12月5日，桦甸孙家屯南部工程地质勘察执行中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》GB／T 50266－99，测定油页岩力学性质。由于桦甸孙家屯油页岩样品泥质含量较大，遇水软化崩解呈碎块，故无法完成饱和抗压强度试验。试验成果见表2。桦甸孙家屯力学实验表明，桦甸油页岩抗压强度介于10～19MPa之间，抗拉强度介于0.8MPa～1.5MPa之间，弹性模量介于200MPa～400MPa之间，泊松比是0.3左右。

桦甸孙家屯南部工程地质勘察执行中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》（GB／T 50266－99），于2012年2月18日，对桦甸地区油页岩进行测定，其力学性质试验成果如表3所示。

桦甸孙家屯（ZK004、ZKOO7钻孔）油页岩力学实验表明，油页岩上覆岩层岩性为砂岩，油页岩的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等参数，都介于不同性质上覆砂岩之间，相差不大。其中饱和抗压强度依然无法完成。桦甸油页岩埋深约750m左右，内聚力约为0.7MPa左右，内摩擦角约30°左右。

表1 桦甸油页岩开发用试样力学性质试验结果［5］

表2 桦甸孙家屯南部工程油页岩试样力学性质实验结果

表3 桦甸孙家屯南部（ZK004、ZK007钻孔）油页岩试样力学性质试验结果

1.3 桦甸地区油页岩物理力学试验结果分析

通过对桦甸地区不同埋层深度，不同区域的油页岩样品力学性质的对比和总结，发现桦甸地区油页岩的密度范围是1.95～2.34g·cm－3抗压强度范围是9MPa～19MPa，抗拉强度范围是0.8MPa～1.5MPa，内聚力范围是0.7MPa～1.5MPa，内摩擦角范围是15°～33°，泊松比范围是0.27～0.35，弹性模量范围是216MPa～386MPa。油页岩力学性质与上覆岩层砂岩和泥岩的性质相近。由于得出桦甸地区油页岩的抗拉强度低，满足文献［6］提供的水力压裂计算公式。

2 水力压裂参数的确定

2.1 裂隙开启压力的计算方程

基本假设

1）地层厚度均为h，饱含流体的地层初始饱和压力为pi。

2）岩石是弹性，各向同性，均匀的。

3）岩石的抗拉强度低。

可以这样说，韦伯充分认识到并肯定了儒教中所具有的理性主义或理性精神。不过我们必须清楚，这只是儒教的一面，韦伯也显然注意到了儒教的另一面，因为韦伯明确指出，即便儒学再经过理性的熏陶和洗礼，即便儒教再有理性的精神传统，但在儒教中仍存在有巫术的遗痕，也就是有古老信仰的传统。用张光直的话来说，就是与上古保持着“连续性”；而用韦伯的话说，就是：“我们必须提醒自己，巫术在正统的儒教里有被认可的地位，并且也自有传统主义的影响力。”[注][德]韦伯：《中国的宗教 宗教与世界》，康乐、简惠美译，桂林：广西师范大学出版社，2004年，第283、284页。

2.1.1 裂隙开启压力Pi∞计算方程

式中：η为效率因子；piv为油藏平均压力；μ为泊松比；α为毕奥特（Biot）系数；p0为自重应力；D为埋藏深度；Gp为地层压力，Gp＝ρg，ρ为岩石密度，g为重力加速度；σ3为最小主应力。

2.1.2 毕奥特（Biot）系数的确定

由式（2）给出毕奥特（Biot）系数的定义［7］

式中：Cs为颗粒压缩系数，Cb为体积压缩系数。

对于Cs、Cb的测定，首先在空隙压力不变的条件下增加围压，求出Cb。然后围压和孔压同时以同速率增加，求得CS，从而计算出毕奥特（Biot）系数α。但桦甸地区油页岩抗压强度较小，遇水崩解，极难准确测定Cb与CS数值。因而，采用由文献［8］计算出毕奥特（Biot）系数：

式中：φ为岩石孔隙度；φc为岩石临界孔隙度，取φc＝40%［9］。

2.2 以桦甸地区油页岩为例，计算水力压裂参数

2.2.1 桦甸油页岩水力压裂相关参数

桦甸油页岩埋深D为600～800m，矿层厚度h为4.5m，密度ρ取1960g·cm－3；泊松比μ取0.3；不同埋深下，piv取值见图2；φ、σ3及α的取值［10－11］见表4。

表4 桦甸地区油页岩相关参数表

图2 桦甸地区不同埋深值

2.2.3 裂隙开启压力的计算

由以上数据及公式（1）得到不同埋深的裂隙开启压力Pi∞，计算结果见图3。

由图3可以看出，在桦甸地区地下埋深600m～800m范围内裂隙开启压力较小，表明对该地区油页岩进行水力压裂技术进行开采是可行的，允许进行大规模开采。

图3 桦甸地区水力压裂裂隙开启压力Pi∞

3 结语

1）由对吉林省桦甸地区不同埋藏深度、区域的油页岩样品力学性能参数的试验，得出该地区油页岩各项力学性能参数范围，如抗压强度范围是9MPa～19MPa，抗拉 强度范围是 0.8MPa～1.5MPa，内聚力范围是0.7MPa～1.5MPa，内摩擦角范围是15°～33°，泊松比范围是0.27～0.35，弹性模量范围是216MPa～386MPa。并发现桦甸地区油页岩力学性质与其上覆岩层砂岩和泥岩的性质相近。

2）基于此上研究成果，得到桦甸地区油页岩的毕奥特系数、最小主应力、油藏平均压力，进而计算出水力压裂开采吉林省桦甸地区油页岩的裂隙开启压力参数，说明水力压裂技术在桦甸地区开采油页岩是可行的。

［1］陈晨，孙友宏.油页岩开采模式［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2010，37（10）：26－28.

［2］刘招君，柳蓉.中国油页岩特征及开发利用前景分析［J］.地学前缘，2005，12（3）：315－323.

［3］张保平，申卫兵，单文文.岩石弹性模量与毕奥特（Blot）系数在压裂设计中的应用［J］.石油钻采工艺，1996，18（3）：60－65.

［4］张荣力，何国伟，李铎.采矿工程设计手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2003.

［5］严轩辰.农安和桦甸油页岩力学性能及其水力压裂与破碎关键参数研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［6］刘忠春，陈俊国，吴迪祥.确定地层最小主应力及临界应力强度因子的新方法［J］.大庆石油学院学报，1993，17（1）：50－59.

［7］张保平，申卫兵，单文文.岩石弹性模量与毕奥特（Biot）系数在压裂设计中的应用［J］.石油钻采工艺，1996，18（3）：60－65.

［8］马中高.Biotx系数和岩石弹性模量的实验研究［J］.石油与天然气地质，2008，29（1）：135－140.

［9］Nur A，Mavko G，Dvorkon J，etal Critical porosity：a key to relaxing physical properties to porosity in rock［J］.The Leding Edge，1998，17（2）：357－362.

［10］姚秀云，张凤莲，赵鸿儒.岩石物性综合测定－砂、泥岩孔隙度与深度及渗透率关系的定量研究［J］.石油地球物理勘探，1989，24（5）：533－541.

［11］张林，刘池洋，赵勇，等.深埋泥岩地层的最小主应力测定方法探讨［J］.煤田地质与勘探，2007，35（3）：32－35.