页岩气田岩石弹性模量及破碎机理研究*

王均，陶操

（1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331；2.长庆油田分公司采油三厂，陕西西安710000）

工程师园地

页岩气田岩石弹性模量及破碎机理研究*

王均1，陶操2

（1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331；2.长庆油田分公司采油三厂，陕西西安710000）

焦石坝页岩气资源丰富，已成为国家非常规油气的重要来源，但页岩高灵敏性制约着钻进安全和成本，因此，研究本地区页岩的物化性质和岩石力学特征至关重要。该文采用X-射线扫描、单轴压缩、浸泡、显微成像技术和分散实验等技术方法，对页岩的矿物成分、岩石力学性能、水化膨胀能力和页岩在清水中的回收率作了深入研究。实验结果表明：页岩脆性矿物含量丰富，蒙脱石含量低，不易水化膨胀；分散性差，在清水中回收率较高；页岩具备有硬脆性特征，主要沿着层理破碎。该项研究结论为本地区页岩层段的钻进提供了理论依据和技术参考。

页岩；浸泡；分散；回收率

页岩地层钻进时，钻井液的作用至关重要，不合适的钻井流体会使页岩与其发生强烈作用，导致井壁失稳，而页岩的矿物成分、水化膨胀能力、分散性等是选择钻井液的依据[1-6]。国外在这方面的技术较成熟，对墨西哥、挪威和马来西亚等国家或地区的页岩开展过深入研究，相应的钻井技术也日趋成熟。近年来，我国正大力开发页岩气资源，但对页岩矿物特征、页岩岩石力学性能以及岩石的破碎机理等方面的研究较少[7]。

焦石坝地区页岩层段位于上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组，为深水陆棚相沉积，发育厚度约90m，以黑色粉砂质和炭质泥页岩为主[8]。本文以此为研究对象，通过开展衍射实验、力学性能评价、浸泡实验和分散实验研究以及成像技术分析，得到该地区页岩的矿物成分、页岩回收率和岩石破碎机理。

1 页岩气

目前，页岩气已成为非常规油气的重要组成部分，页岩储层评价受到广泛关注[9，10]。页岩气是指以吸附或游离状态存在于低孔、低渗、富有机质暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气，可以生成于有机成因的各种阶段；主体上以吸附状态存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，以游离状态存在于裂缝、孔隙及其他储集空间，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中[11-14]。据专家预测，全球页岩气资源量多达456×1012m3，是天然气的1.4倍，相当于煤层气与致密砂岩气资源量的总和，占3种主要非常规天然气（煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右［15］。根据2012年国家发改委、财政部、国土资源部和国家能源局发布的《页岩气发展规划（2011~2015年）》，探明页岩气地质储量6000亿m3，到2015年，国内页岩气产量将达65亿m3。我国页岩气资源非常丰富，仅四川盆地下志留系烃源岩即有60×108m3左右的资源量，但目前对页岩气的勘探开发还处于探索阶段，尚需要深入研究［16］。

2 页岩矿物特征分析

2.1 页岩的矿物成分分析

对于本次取焦石坝地区自志留统龙马溪组页岩岩心，利用DX-2700型号X-射线扫描仪对其展开衍射实验评价，分析其矿物成分。见表1。

表1 页岩样品粘土相对含量（%）Tab.1Relative content of clay shale samples

由表1可见，粘土矿物主要有石英、伊利石、绿泥石、云母和沸石，有少量的正长石、石棉、蛇纹石、辉石、锰矿和大隅石等。伊利石含量最高，云母次之，其他矿物含量较少；亦即焦石坝页岩水化膨胀性弱，脆性矿物含量高，硬脆性特征明显。

2.2 页岩岩石力学性能评价

对页岩岩心开展单轴力学实验测试及力学性质分析，结果见表2。

表2 页岩气田岩石力学性能参数测定Tab.2Shale rock mechanics performance parameters determination

3 页岩破碎机理研究

3.1 页岩浸泡实验

钻井过程中，循环流体长时间与井壁页岩接触，导致其破裂、膨胀和分散[4，17]；不同地区的页岩强度不一，跟流体的作用速率也有差别，不同地区的页岩浸泡在同一种液体中，有的仅几分钟就破裂分散，而有些岩石浸泡几天都无明显变化[5，18]。目前，国内对页岩的浸泡实验研究较少，康毅力等人模拟油基钻井液的滤液对彭水地区的页岩开展过浸泡实验评价[19]，尚未有人直接用淡水和盐水体系来浸泡页岩岩心，而加拿大、美国等钻井技术人员开展过类似研究，见图2。

图2马来西亚页岩浸泡在淡水后的情况Fig.2Shale in Malaysia after immersion in water

本文将焦石坝页岩样品浸泡在淡水和10%的无机盐水中，开展实验分析；整个浸泡过程利用水浴锅加热，维持80℃（模拟地层的实际温度）的恒温，持续浸泡数天。浸泡实验结果见图3、4。

无机盐类型:KH2PO4和K2HPO4；盐水浓度：10%无机钾盐（KH2PO4∶K2HPO4=1∶1），

图3焦石坝页岩浸泡在淡水后的情况Fig.3Shale of jiaoshiba after immersion in water

图4焦石坝页岩浸泡在盐水后的情况Fig.4Shale of jiaoshiba soak in salt water

从图2~4可知，不同地区的页岩跟流体作用后差别较大，马来西亚页岩浸泡在淡水后仅几分钟就破裂分散，焦石坝页岩在淡水中浸泡14d后，只有岩石表面少量分散，于10%的盐水中浸泡2周，无机钾盐独特的化学性质和空间网状结构，改进流体与页岩之间的相互作用，对岩石分散起到一定抑制作用，但也未见明显分散现象。

实验结论表明：该地区页岩蒙脱石含量低，不易吸水膨胀和水化造浆，与表1中页岩样品的矿物成分分析结果相符。

3.2 页岩破碎机理研究

页岩具有较强的层理构造，分散不是页岩与流体之间的相互作用，而是沿着层理面断裂扩展[2，17]；页岩中伊利石含量较高，蒙脱石含量低，而低蒙脱石含量的页岩在流体中活性小，沿着层理面的破裂或者沿着原生裂缝分离开是其在流体中的主要变形机制，这些裂缝可导致井壁失稳。

该文通过对页岩展开薄片成像技术研究，结果表明：裂缝沿着页岩的层理生长，且页岩具有较强的层理构造；结合上述“页岩蒙脱石含量低”的实验结论，其与流体之间的主要作用机理不是分散，而是沿着层理面断裂扩展。钻井过程中，钻井流体会沿微裂缝、微节理渗入页岩内部，与黏土矿物发生物理、化学的反应，裂缝沿着岩石的边界生长和扩展，破坏原始力学状态的平衡，导致岩石力学性质的变化，引起层理破裂[2，3]。

4 页岩分散实验评价

泥页岩滚动分散实验是用于评价泥页岩分散性最常用的实验方法。该方法利用滚动模拟岩屑在井下运移情况，实验温度可调节为井下温度，实验时间一般为16h[3]。本次实验步骤如下：

（1）将龙马溪组页岩粉碎，筛选取6~10目的岩样碎屑，在烘箱中（105℃条件下）烘干4h，冷却至室温[3]；

（2）精确称取6~10目的岩样碎屑50.0g，装入盛有350mL清水的老化罐中，拧紧杯盖，确保密封良好[3]；

（3）将老化罐放入滚子加热炉中，在80℃的恒温条件下，热滚16h，取出老化罐冷却至室温[3]；

（4）将老化罐内的岩样碎屑和清水过30目筛网，并用自来水冲洗1min，将筛子内的碎屑放到烘箱中（105℃条件下）烘干4h，取出岩样碎屑冷却至室温并静放24h后称重，记为Mg。

图5页岩分散实验Fig.5Shale dispersion experiment

（5）实验数据处理：将岩样回收率记为R30；

表3 分散实验数据Tab.3Scattered experimental data

页岩在清水中的回收率为99.2%，实验结果印证了浸泡实验中页岩仅在表面出现轻微分散现象；分散性较差，印证了衍射实验蒙脱石含量低的结果。

5 结论

该文首次对焦石坝页岩开展岩性特征、破碎机理和分散实验研究，结果表明：

（1）页岩不易水化膨胀、分散性差，在淡水中的回收率较高；蒙脱石含量低，具备硬脆性矿物特征。

（2）页岩具有较强的层理构造，裂缝沿着层理生长或扩展，是其破碎的主要方式。

（3）钻进焦石坝页岩地层大多采用油基钻井液体系，该文研究结果为水基钻井液在该地区的应用提供了部分理论依据。

［1］鄢捷年.钻井液工艺学［M］.北京：中国石油大学出版社，2000．

［2］楼一珊.岩石力学与石油工程［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［3］乌效鸣.钻井液与岩土工程浆液实验原理与方法［M］.北京：中国地质大学出版社，2010.

［4］钱志伟，吴娇阳，李建成，等.全油基钻井液在油页岩地层钻井中的应用［J］.大庆石油地质与开发，2016，35（1）：170-174.

［5］罗健生.硅酸盐钻井液对泥页岩地层井眼稳定性影响研究［J］.钻井液与完井液，2006，23（2）:17-20.

［6］陆晓锋.水平井井壁稳定性ANSYS分析［J］.内蒙古石油化工, 2011,46-47.

［7］杨恒林，申瑞臣.含气页岩组分构成与岩石力学特性［J］.石油钻探技术.2013，41（5）.

［8］赵建华,金振奎,耿一凯,等.四川盆地龙马溪组富有机质页岩形成主控因素［J］.大庆石油地质与开发，2016，35（2）.

［9］徐勇，吕成福，陈国俊，等.川东南龙马溪组页岩孔隙分形特征［J］.岩性油气藏，2015，27（4）.

［10］曲方春，王鸿军，佟斯琴，等.古龙南凹陷葡萄花油层储层微观孔隙结构特征与油水分布关系［J］.大庆石油地质与开发，2016,（5）:1-6.

［11］白兆华，时保宏，左学敏，等.页岩气及其聚集机理研究［J］.天然气与石油，2011，54（6）.

［12］张小龙，张同伟，李艳芳，等.页岩气勘探和开发进展综述［J］.岩性油气藏，2013，25（2）.

［13］黄籍中.四川盆地页岩气与煤层气勘探前景分析［J］.岩性油气藏，2009，21（2）.

［14］郭秋麟，周长迁.非常规油气资源评价方法研究［J］.岩性油气藏，2011，23（4）.

［15］高涛，郭肖，郑玲丽，等.页岩滑脱效应实验［J］.大庆石油地质与开发，2016，35（1）.

［16］王琳，毛小平，何娜，等.页岩气开采技术［J］.石油天然气与化工，2011，40（5）.

［17］李武广，钟兵，张小涛，等.页岩人工裂缝应力敏感评价方法［J］.大庆石油地质与开发，2016，35（1）.

［18］刘彦妹.聚合醇与有机盐的协同效应［J］.钻井液与完井液，2010，27（2）:32-33.

［19］康毅力，皇凡生，游利军，等.钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）.

Rock elastic modulus and breaking mechanism in shale gas field*

WANG Jun1，TAO Cao2
（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China; 2.Changqing Oilfield Company Oil Production Factory,Xi′an 710000,China）

Rich shale gas resources has become a important national source of unconventional oil-gas.However,drilling safety and cost is restricted by shale high sensitivity.Therefore,it is critical to study chemical and physical properties and the characteristics of rock mechanics in this area.It studies in-depth about shale mineral composition,mechanical properties of rock，shale hydration expansion capability and recovery in water using X-ray scanning，compression，soaking，microscopic imaging techniques and dispersing experimental methods and other techniques in this paper.Experimental results shows that shale has rich brittle mineral，low montmorillonite content，poor dispersion，higher recoveries in water and is not easy hydration expansion,there have brittle shale characteristics and the main crushing along bedding.The conclusion of the study provides a theoretical basis and technical reference when drilling shale section in the region.

shale;infusion;disperse;recouery rate

TE122.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170564

2017-02-24

重庆市教委基金项目“适于页岩气地层的新型钻井液技术研究”（No.KJ131406）

王均（1980-），男，汉族，硕士，讲师，主要从事钻井液技术方面研究。