页岩储层脆性特征及其影响因素探讨

赵迪斐,郭英海,陈 蕾,秦 岩,屈 浩,旷 凌,王雪莲

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116; 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州221008)

页岩储层脆性特征及其影响因素探讨

赵迪斐1,2,郭英海1,2,陈 蕾1,秦 岩1,屈 浩1,2,旷 凌1,王雪莲1,2

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116; 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州221008)

矿物成分与微观结构是页岩储层力学性质的核心影响因素,利用X射线衍射、扫描电镜、能谱、力学测试及薄片观测等实验技术手段,分析了重庆南川三泉剖面泉浅一井龙马溪组下段页岩储层、五峰组页岩储层样品的物质成分、微观结构与脆性特征。结果表明,页岩主要由脆性矿物与黏土矿物组成;储集空间由孔隙—微裂隙—裂隙3级系统构成;应力应变关系曲线表现出了较强的脆性特征,力学性质评价法与矿物组分法的脆性评价结果存在一定差异;脆性矿物含量高的层段微裂隙发育程度更高。沉积环境与成岩作用共同影响着龙马溪组页岩脆性的变化特征,龙马溪组下部页岩储层自生石英与大颗粒的陆源碎屑石英等一起构成页岩刚性力学结构。页岩力学脆性研究应从评价方法向优质脆性的形成机理深入。

页岩储层;脆性评价;矿物组分;微观结构;沉积环境

页岩气具有自生自储、低孔低渗的特点,压裂效果的优劣对页岩气开发效果影响极大。页岩储层的脆性越好,压裂时越容易形成裂缝网络,页岩气产能越高;而脆性越差,页岩塑性特征越明显,压裂时会吸收更多的能量,形成的裂缝形态简单,导致压裂效果不佳[1-2]。因此,页岩脆性评价是目前页岩气储层研究的热点和难点之一。

在进行页岩储层脆性评价的基础上,还需要深入探讨页岩储层脆性的影响因素和致脆机理。目前,对页岩储层力学性质控制因素的研究还较少。肖贤明等认为页岩储层中脆性矿物的含量需要适度,适度的脆性有利于页岩气储集和开发,并以石英∕(石英+碳酸盐+黏土)为指标,评价其与压裂性能的关系,发现当石英含量超过20％时,页岩气产量明显增加[3];但单一的矿物组分评价指标忽略了成岩作用、构造作用、风化作用、微观组构差异等所产生的影响,可能存在误差[4-5]。赵斌等[5]对岩石材料力学性质与矿物组分、微观结构的关系展开研究,但未以页岩储层为对象。李庆辉等改进了页岩脆性的室内评价方法,但并未涉及脆性影响因素研究。本文以重庆南川三泉剖面、泉浅一井和綦江观音桥剖面龙马溪组、五峰组页岩样品为对象,基于X射线衍射、力学测试实验、扫描电镜、能谱分析、薄片观测等实验技术手段,探究页岩储层矿物组分、微观结构与力学性质的关系,并讨论了其对页岩储层脆性的影响。

1 测试与结果

1.1 页岩矿物组分

X射线衍射实验(XRD)是量化研究储层矿物组分的重要方法。实验在中国矿业大学完成,采用德国布鲁克(BRUKER)公司D8 ADVANCE型号的X射线衍射仪。测试条件:Cu靶、Kα辐射(Cu Target,Kαradiation)、X射线管、电压40kV、电流30mA。实验获取样品X射线衍射图谱(图1),并与标准物质粉末的X射线衍射图谱对比分析。物相分析标准:粉末衍射联合会国际数据中心(JCPDS—ICDD)提供的标准物质粉末衍射资料(PDF)。

页岩样品采自重庆南川三泉剖面、泉浅一井与观音桥剖面龙马溪组,从上至下间隔取样,共取样14份,约50～100g。粉碎后取约5g样品,放入研磨钵中研磨至300目,并将研磨好的样品分为两份,一份实验用(0.5～1.0g),一份备用。

南川三泉剖面龙马溪组7个页岩样品的XRD分析测试(表1)表明,样品主要矿物类型为黏土矿物与石英等脆性矿物。各样品在矿物种类和含量上没有明显差异,反映该剖面龙马溪组纵向上岩性较为稳定。黏土矿物主要为伊利石、绿泥石,伊利石含量为32％～36％,均值为34％;绿泥石含量为21％～27％,均值为24％。石英是脆性矿物的主要组分,含量为16％～20％,均值为18.3％,脆性矿物的平均含量约30.5％,低于黏土矿物。黄铁矿在7个样品中普遍存在,含量为1.3％～2.1％,均值为1.7％。菱铁矿只在4号样品中出现,含量很低,只有0.5％。

表1 南川三泉剖面龙马溪组页岩矿物含量表Table1 Shale mineral content of Lower Longmaxi Formation in Nanchuan Sanquan Profile单位:％

矿物成分对页岩储层脆性具有显著的控制作用:①脆性矿物含量增加可显著改善页岩脆性,有助于形成微观刚性构架;②黏土矿物、黏土—有机复合体等组分的增加显著增强塑性,对页岩脆性具有负作用;③黏土矿物中蒙皂石等矿物具有遇水膨胀的特点,也对储层塑性具有一定影响;④页岩储层矿物的接触关系、胶结类型也对脆性具有显著影响。

泉浅一井龙马溪组页岩样品矿物含量与南川三泉剖面差别较大,页岩脆性矿物中石英含量最高,占60％以上,长石次之,占30％左右(图2)。

1.2 微观结构

页岩气存在于孔隙—微裂隙—裂隙3级系统中,其中又以孔隙为主。压裂时气体主要自孔隙、微裂隙中释放,并经由微裂隙—裂隙(含压裂裂隙)运移,微裂隙的存在对页岩储层渗流能力非常重要。页岩孔隙主要是纳米级孔隙,以有机纳米孔、黏土矿物晶间孔等最为发育(图3a、b)。微裂隙成因复杂(图3c、d),大体可分为构造成因微裂隙与非构造成因微裂隙。构造微裂隙常常发育在脆性矿物(图3e、f)富集位置或脆性矿物附近;若脆性矿物含量增大,构造微裂隙会延伸,使半封闭孔隙及封闭孔隙成为开放孔隙[7]。在成岩作用过程中,一些非构造作用如脱水作用、干缩作用、矿物相变作用或热力收缩等会造成岩石体积缩小,形成与层面近乎平行的非构造成因微裂隙。龙马溪组页岩储层中,水平层理及层间缝极为发育,构成一个特殊的力学体系(图3g、h)。

1.3 力学性质测试

为了与矿物组分法的脆性评价结果相对比,在泉浅一井龙马溪组(Sil)岩心中钻取了两个高度为10cm、直径约5cm的样品,并取五峰组(O3w)样品1份,进行单轴压缩应力测试,得到页岩基本力学性质参数(表2)及应力—应变曲线图(图4)。由表2可知,样品破坏载荷为45.75～99.95MPa;由图4可知,应变在0.04之前为压密阶段,应变在0.04～0.08之间为弹性变形阶段,应变为0.08到峰值阶段为屈服变形阶段,峰值强度以后为残余变形阶段,应力值峰值为20～50MPa,样品的峰值应变约为0.075～0.085。

表2 页岩样品单轴压缩应力测试数据表Table2 Single axis stress test data of shale samples

1.4 脆性评价

分别基于矿物组分法与力学性质法进行页岩脆性评价。

矿物组分法公式为[1]:

式中 B20——矿物组分脆性指标;

Wqtz——石英矿物含量;

Wcarb——碳酸盐矿物含量;

Wtotal——总矿物含量。

B20为脆性矿物含量(Wqtz+Wcarb)与总矿物含量Wtotal之比,得到泉浅一井各龙马溪组样品与五峰组页岩样品的脆性指标,并与Barnett页岩进行对比(图5)。结果可见,Barnett页岩脆性更优,泉浅一井龙马溪组页岩(井样A、井样B、井样C、井样D)、五峰组页岩(五峰页岩)矿物组分脆性指标比Barnett页岩低30％。

力学性质评价表明(图6),Barnett页岩的最大峰值应变参数、最小峰值应变参数分别为2.10％、0.40％;泉浅一井龙马溪组页岩的峰值应变参数为0.8％～0.85％,表明其脆性略差于Barnett页岩。在相同技术条件下,泉浅一井龙马溪组页岩力学性质脆性参数与Barnett页岩相仿,具备压裂可行性。

力学性质评价法与矿物组分法所获得的脆性评价结果存在一定差异,说明单一方法可能存在误差,需要进行误差分析,从而进行校正。

2 讨 论

2.1 两种评价方法差异分析

两种脆性评价方法的评价结果存在一定差异,其原因可能在于矿物组分法仅考虑矿物组分对脆性的影响,忽略了成岩作用、构造作用、异常压力等因素;也忽略了矿物颗粒本身的影响,如颗粒大小、相互接触关系等。在这些影响因素中,成岩作用的影响最为重要。聂海宽研究认为石英含量、钙质含量、硅质含量高的页岩脆性强,孔隙、裂隙也更为发育,但不同矿物增加的孔隙或裂隙类型与机理不同[8]。赵斌等[4]也指出碎屑岩的力学性质与岩石的胶结类型、胶结物成分有关。

龙马溪组下部页岩中除含陆源碎屑石英外,还有部分石英是成岩作用过程中由矿物转化形成的自生石英[9],自生石英粒度小,一般发育在黏土矿物附近,破坏了页岩的微观塑性特征,与颗粒更大的陆源碎屑石英等一起构成刚性力学结构。

页岩的脆性是一种力学性质的表征,是矿物组分和胶结(物)类型、构造等多因素综合作用的结果,应结合多因素综合分析。

2.2 沉积环境与成岩作用

龙马溪组沉积早期(鲁丹组沉积时期)处于冈瓦纳大陆冰川消融期,全球海平面迅速上升,在重庆南川地区形成深水陆棚环境,沉积了富含有机质的黑色、深灰色含碳质泥页岩;随后相对海平面开始下降,沉积水体变浅,沉积物主要为灰色、灰绿色粉砂质泥页岩及泥质粉砂岩[10]。龙马溪组上部陆源输入量增加,大颗粒石英矿物含量增加,但储层脆性仍然以底部的深海陆棚相最优。原因是底部层段形成了大量的自生石英,虽然陆源输入量小于上部,但具有更好的刚性构架和脆性矿物含量。总的来说,石英矿物含量的相对变化和微观刚性构架的差异,是龙马溪组页岩脆性存在差异的主要影响因素。

2.3 页岩脆性评价发展方向

页岩脆性评价目前已形成了多套方法,但仍然以矿物组分法和力学性质评价法应用最为广泛,也有学者开始进行页岩脆性综合评价的研究。页岩脆性也具有非均质性[11-12],脆性评价应优先向优质脆性的成因,即宏观—微观脆性的形成机理上倾斜,在论证脆性机理及其控制因素后,充分了解页岩脆性与微观组构、非均质性等其他因素的相互关系,进而展开页岩脆性最优评价方法的研究。

3 结 论

(1)龙马溪组下部页岩、五峰组页岩主要由黏土矿物与脆性矿物组成;微观储集空间由孔隙—微裂隙—裂隙3级系统构成;应力—应变曲线显示其具有一定脆性;但矿物组分法与力学性质评价法得到的脆性结果具有较大差异;

(2)沉积环境与成岩作用共同影响着龙马溪组页岩脆性的变化特征,龙马溪组下部页岩储层自生石英破坏了原本由黏土矿物形成的微观塑性特征,与大颗粒的陆源碎屑石英等一起构成刚性力学结构;

(3)页岩储层脆性评价应优先进行宏观—微观力学脆性的形成机理研究,充分论证脆性机理及其控制因素后,再开展脆性评价方法的研究。

[1] 李庆辉,陈勉,金衍,等.页岩脆性的室内评价方法及改进[J].岩石力学与工程学报,2012,31 (8):1680-1685.

[2] 李庆辉,陈勉,金衍,等.页岩储层岩石力学特性及脆性评价[J].石油钻探技术,2012,40(4): 17-22.

[3] 肖贤明,宋之光,朱炎铭,等.北美页岩气研究及对我国下古生界页岩气开发的启示[J].煤炭学报, 2013,38(5):721-727.

[4] 孟召平,刘翠丽,纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报,2013,38(5): 728-736.

[5] 赵斌,王芝银,伍锦鹏.矿物成分和细观结构与岩石材料力学性质的关系[J].煤田地质与勘探, 2013,41(3):59-63,67.

[6] 陈吉,肖贤明.南方古生界3套富有机质页岩矿物组成与脆性分析[J].煤炭学报,2013,38(5): 822-826.

[7] 陈尚斌,夏筱红,秦勇,等.川南富集区龙马溪组页岩储层孔隙结构分类[J].煤炭学报,2013,38 (5):760-765.

[8] 赵迪斐,郭英海,朱炎铭,毛潇潇,曹磊,冶正阳,郭晓宇.龙马溪组页岩气复电阻率勘探的理论依据[J].非常规油气,2016,03:15-20.

[9] 赵迪斐,郭英海,杨玉娟,等.渝东南下志留统龙马溪组页岩储集层成岩作用及其对孔隙发育的影响[J].古地理学报,2016,18(05):843-856.

[10] 张春明,张维生,郭英海.川东南—黔北地区龙马溪组沉积环境及对烃源岩的影响[J].地学前缘, 2012,19(1):136-145.

[11] 赵迪斐,解德录,臧俊超,等.页岩储层矿物成分及相关讨论[J].煤炭技术,2014,33(4):92-95.

[12] 郭英海,赵迪斐.微观尺度海相页岩储层微观非均质性研究[J].中国矿业大学学报,2015,44 (2):300-307.

Discussion on Brittleness Characteristics and Influencing Factors of Shale Gas Reservoirs

Zhao Difei1,2,Guo Yinghai1,2,Chen Lei1,Qin Yan1,Qu Hao1,2,Kuang Ling1,Wang Xuelian1,2
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process,the Ministry of Education, China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Mineral composition and microstructure are the key factors influencing the mechanical properties of shale reservoirs.Characteristics of material composition,microstructure and brittleness of lower Longmaxi Formation and Wufeng Foemation shale samples from Quanqian1 well and Sanquan profile in Chongqing Nanchuan were analysed by experimental methods including X-ray diffraction,scanning electron microscope,energy spectrum,mechanical test and thin section observation,et al.The results show that the mineral components of the test samples are mainly composed of brittle minerals and clay minerals;the reservoir space is composed of three stages including pores,microfractures and fractures;the stress -strain curves show a strong characteristic of brittleness;there exist a certain difference between the mechanical test method and the mineral component method;the development degree of the microfractures with high brittle mineral content is higher.Based on the test results of mechanical brittle characteristics,mineral compositions and reservoir space,the relationship between the mineral composition and the microstructure of the shale gas reservoir and the influence mechanism of sedimentary environment and diagenesis on the brittleness of reservoir is discussed.The research of mechanical brittleness should be made from the evaluation method to the formation mechanism.

Shale reservoir;Brittleness evaluation;Mineral composition;Microstructure;Sedimentary environment

TE122

:A

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012CB214702);煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学)开放基金资助项目(2015-007);中国矿业大学科研创新项目(DC201621)。

赵迪斐(1991年生),男,博士,研究方向为非常规油气地质学与纳米地球科学。邮箱:diffidiffi@ 126.com。