页岩储层微观破裂特征实验研究

赵志红 郭建春 杨经栋 王杏尊 鲍文辉

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062552；3.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津塘沽 300450）

水力压裂是页岩储层勘探开发的关键技术［1-9］，然而，在宏观上形成复杂网状裂缝沟通较大储层体积的同时，在水力裂缝壁面上能否形成大量微裂缝以及水力裂缝壁面的平整程度，对进一步增大改造储层体积，改善页岩储层的渗流环境具有较大的影响。因此，页岩储层破裂面特征的研究极其重要。李华［10］利用EPM-180 扫描电镜对劈裂后的岩样进行了扫描分析，结果表明，长石主要是脆性解理断裂，其断口形貌有山脊状、河流状、舌状等。刘京红［11］利用CT扫描分析了岩石破裂过程裂纹分形特征，揭示岩石裂纹从萌生、扩展到贯通的细观破损机理。笔者利用四川盆地和济阳凹陷页岩岩样，通过3D扫描仪和电子显微镜，研究了不同矿物含量的页岩破裂面特征和微观形态。

1 实验样品与方法

1.1 样品

实验样品来源于四川盆地和环渤海湾盆地泥页岩储层的劈裂破坏岩样，利用X射线衍射仪分析样品的矿物组成（表1），岩样主要由方解石、石英和黏土矿物组成，且各岩样的矿物组成差异较大。岩样1#～5#中，黏土和石英含量规律性不强，而方解石含量逐渐增大。

表1 岩样矿物成分

1.2 实验仪器与分析方法

为了进一步分析劈裂破坏岩样破裂面的形态，采用意大利杰士公司生产的XSM-LC桌面型多功能3D激光扫描仪对岩样破裂面进行激光扫描。将岩样破裂面与水平面呈平行放置，设置扫描精度为0.1 mm。通过对破裂面的扫描得到破裂面上间隔为0.1 mm的每点三维数据，以每块岩样的Z坐标最小值为坐标原点，对岩样Z坐标的数据进行统一。将三维数据导入软件Surfer8.0中绘制破裂面高度等值线图，该图可形象表征破裂面的平整程度。

2 矿物对细观破裂面影响分析

将5个岩样用三轴岩石力学测试装置进行破裂实验后，利用3D扫描仪对破裂面进行激光扫描。扫描得到的三维数据用Surfer8.0软件绘制的破裂面高度等值线图见图1～5。

图1 1#岩样破裂面高度等值线图

图2 2#岩样破裂面高度等值线图

图3 3#岩样破裂面高度等值线图

图4 4#岩样破裂面高度等值线图

图5 5#岩样破裂面高度等值线图

分析图中的等值高度线分布特征，认识到：方解石含量较高的4#和5#岩样破裂剖面等高线分布更有规律，而方解石含量较低的1#、2#和3#岩样等高线分布比较杂乱，说明方解石含量对破裂面形态有较大影响。方解石含量越高，破裂面等高线分布越规律。

对于页岩储层剪切破裂自支撑裂缝，粗糙破裂面不同的粗糙程度必然影响支撑裂缝的导流能力，相对规则的破裂面有利于错动后形成类似多条微裂缝的渗流通道，对改善储层的渗流能力更有利。

3 矿物对微观破裂形态影响分析

3.1 微观破裂面裂缝

利用扫描电镜观察样品的破裂面，发现方解石含量相对较低的1#、2#和3#岩样的破裂面上没有微裂缝，而方解石含量较高的4号和5号岩样的破裂面上产生了微裂缝，且黏土含量更低的5号岩样上的微裂缝发育程度更高（图6～10）。

图6 1#岩样破裂面低倍电镜扫描图

图7 2#岩样破裂面低倍电镜扫描图

图8 3#岩样破裂面低倍电镜扫描图

图9 4#岩样破裂面低倍电镜扫描图

图10 5#岩样破裂面低倍电镜扫描图

研究表明：方解石含量较高的页岩储层破裂面上易形成微裂缝，能较好地沟通基质，形成复杂的裂缝网络，有利于页岩储层改造。

3.2 微观断裂特征

岩样微观断裂形式包括沿晶断裂、穿晶断裂、剪切断裂。沿晶断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶粒间界所发生的一种低能吸收过程的断裂；穿晶断裂是指穿过晶粒发生断裂，又称为解理断裂，其主要特征是在断面形成河流状花样、台阶状花样、舌状花样、鱼骨状花样、根状花样；剪切断裂的明显特征是出现平行滑移线花样和蛇行滑动花样［11］。

由高倍电镜扫描实验观察到：方解石含量低、黏土含量较高的1#岩样主要是穿晶断裂，在方解石含量中等、黏土含量较低的2#和3#岩样存在穿晶断裂和剪切断裂2种形式，而在方解石含量较高、黏土含量低的4#岩样，主要为剪切断裂（图11～14）。

图11 1#岩样破裂面高倍电镜扫描图

图12 2#岩样破裂面高倍电镜扫描图

图13 3#岩样破裂面高倍电镜扫描图

图14 4#岩样破裂面高倍电镜扫描图

研究结果表明，方解石含量越高，越易产生剪切断裂，而剪切断裂是页岩储层形成网状裂缝的主要形式，因此，方解石含量高、黏土含量低的储层更易产生网状裂缝。

4 结论

（1）本文尝试从矿物的角度分析泥页岩的破裂形态，并建立了从微观到宏观的分析方法，为页岩破裂特征分析提供了一种新方法。

（2）通过实验分析，初步认识了方解石和黏土含量对泥页岩破裂形态的影响规律，方解石含量越高、黏土含量越低的泥页岩储层，越易产生剪切断裂，并在破裂面上越易产生微裂缝，对页岩储层形成网状裂缝越有利，因此，页岩储层缝网压裂时应考虑选择方解石含量较高的层段压裂。

（3）本文仅对有限的劈裂破坏的岩样进行分析，建议后续对多种破裂形式、更多区域岩石和矿物进行分析。

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