页岩气储层力学特性及压裂开采研究进展

乔旭 徐俊龙 徐良龙

【摘要】页岩气是一种重要的非常规天然气资源，页岩储层的岩石力学特性对页岩气的赋存和开采影响巨大，利用实验室力学测试技术，对页岩样品进行单轴压缩试验，结合全应力-应变曲线研究页岩在单轴压缩条件下的力学性质和破坏模式，讨论页岩储层力学参数的受控因素。结合脆性指数计算分析方法，研究分析页岩目标层位的脆性发育程度，进而评价页岩储层的可压裂性质。

【关键字】页岩气；单轴试验；力学性质；压裂性

引言：

页岩气藏是典型的"自生自储"气藏，而在传统油气地质领域，烃源岩主要为富有机质页岩，以生油气为主，而并非储层。对于页岩气藏，富有机质页岩既是油气源岩，同时也是储层和封盖层。因此页岩气储层复杂，富含脆性矿物、天然裂缝发育的富有机质页岩才是页岩气勘探开发的目标。本文通过介绍页岩力学参数的计算方法及理论意义，探讨页岩力学性质和页岩压裂性之间的耦合关系，为寻找页岩易勘探开发层位提供依据[1-2]。

1 力学实验条件和理论

岩石的力学性质可通过对岩石的变形和强度进行定性描述，通常我们想对岩石特性进行定性描述时，最简单的手段就是通过单轴压缩试验，单轴压缩试验可直观的观察出岩石的破裂过程。同时，岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比都可通过单轴压缩试验来获得。通过观察研究岩石的全应力-应变曲线进而反映岩石在单轴压缩试验作用下，破坏进行到不同阶段后，岩石所表现出的典型破坏方式[3]。

在試验过程中，借助在试件外部安装变形监测装置，在施压过程中测量试件的轴向和横向应变，从而计算出岩石的弹性模量和泊松比。

1、 岩石单轴抗压强度计算公式

式中，σC为岩石单轴抗压强度，MPa；Pmax为岩石试件最大破坏载荷，N；A为试件横载面积，mm2。

2、 岩石弹性模量和泊松比计算公式

式中，E为弹性模量，MPa；μ为泊松比；σc（50）为试件单轴抗压强度的50%，MPa；εv（50）， εb（50）分别为εc（50）处对应的轴向应变和径向应变。

2页岩破坏的基本形式和机制

岩石变形过大或丧失对外力的抵抗能力时曾为破坏。根据岩石本身性质的差异和受应力条件的不同，将其破坏形式分为脆性破坏和延性破坏两种，在围岩较小、温度较低、岩性坚硬的情况下，多呈脆性破坏方式，而在围压较高，温度较高和岩性较软的情况下，多呈延性破坏形式。不论哪种破坏形式，它们都是针对岩石在达到破坏时的应变大小而言的，并没有指出岩石破坏的机制。

岩石变形破坏过程受多种因素的影响，除了岩石本身的成分、结构特征对其具有控制作用以外，试件尺寸、含水状态、加载速率和试件端部条件等外部因素对其变形破坏机制也有影响，因此页岩的变形破坏机制非常复杂，其变形破坏形式也多种多样，岩石在复杂受力条件下，其破坏形式和机制表现为：张破坏、剪破坏和塑性流动破坏[3]。（图1）

图1 页岩单轴压缩变形破坏类型示意图

3单轴力学实验及分析

岩石在力的作用下其形状和大小发生变化，其变形特征在工程中除了常用弹性模量和泊松比两个变形指标来表示外，常用应力-应变曲线来描绘，因为岩石（体）中存在各种裂隙和孔隙，表现出明显非线性特征，不宜简单地用弹性模量等参数表征，最好还是用应力-应变曲线来描绘，岩石的应力-应变关系较好地反映了岩石的变形力学特征。同时，基于单轴压缩试验反演推算出的应力-应变曲线可直观的表现岩石的变形趋势，及岩石破坏各个阶段的各向异性与均一性。

图2 岩石全应力应变曲线

在单轴压缩的过程中，样品在试验前后产生较大的形变，主要包括三个部分：一是组成页岩样中的矿物成分发生压缩破坏而产生变形；二是页岩样内的孔隙和裂隙在压缩条件下发生结构变化后进而产生的变形；三是组成页岩的矿物成分间的间隙被压密，或者是新裂纹与组成矿物间发生错动而产生的变形。

4页岩储层压裂性研究进展

在页岩气储层之中，裂缝不仅能影响页岩层的力学性质，也能影响储层的储集性能。因为天然裂缝一方面可储集游离气，另一方面也是游离气的导流通道。如果页岩裂缝不发育，在未压裂的情况下，这种页岩层很难称为有经济价值的储层，在评价页岩层的经济性时，必须考虑对页岩天然裂缝改造的难易程度。天然裂缝本身发育的复杂规模情况是评价页岩气储层可开采性的重要指标，在实际生产中，能够直接有经济气流的的页岩气井非常少，因为裂缝基本都是闭合的，九成以上页岩气井都需要经过压裂改造来实现页岩气的增产高效。

5 结论

沉积岩是地表上分布最广泛的岩石，页岩作为沉积岩的一种，其成因类型跟岩浆岩或变质岩有明显的差异，力学强度低，成分各异，沉积环境千差万别，使得页岩具有不同于其他岩类的工程地质力学特性。因此，在进行页岩气成藏条件评价时，对页岩的岩石力学性状进行单独并深入的研究很有意义。同时，由于页岩气藏自生自储的特殊性，页岩储层的压裂改造是页岩气增产高效的必要手段。通过单轴压缩试验的手段，求得页岩储层的力学参数，对评价页岩储层可压裂性，选择适合储层压裂的工艺，探究适宜我国的页岩储层压裂手段。这对提高我国页岩气产能，改善我国能源结构有重要意义。

参考文献：

1. 张金川， 薛会， 张德明，等. 页岩气及其成藏机理[J]. 现代地质， 2003， 17（4）： 466

2. 邹才能， 董大忠， 王社教， 等. 中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J]. 石油勘探与开发，2010， 37（ 6） ： 641-653

3. Rickman R， Mullen M， Petre E. A practical use of shalepetrophysics for stimulation design optimization：All shalplays are not clones of the Barnett Shale [C] ∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，21-24 September 2008，Denver， Colorado，USE：SPE，2008，SPE 115258.