四川威远区块井下与露头龙马溪组页岩力学特征研究

刘修刚，郝世俊，刘修泰，薛 刚，申瑞臣，赵永哲

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.西安石油大学，陕西西安710065；3.延长油田股份有限公司志丹采油厂，陕西延安717500；4.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）

页岩储层是非常规页岩气得以自生自储的主要聚集基质[1]，现今，针对于四川威远区块页岩矿物组成以及力学特征研究对象主要集中于井下页岩，对于露头页岩研究却很少，同时井下页岩制取岩样过程复杂、成本较高。因此，本文针对地面距离相距约五百至七百多米井下与露头龙马溪组页岩进行力学特征研究，进行矿物组分、力学强度以及微观纳米压痕测试，研究井下与露头页岩矿物组成之间差异性，力学强度特征遵循的同一性与差异性，微观模量与宏观模量在不同围压下之间关系，因此，工程上就可以通过测试露头页岩样矿物组成、力学强度特征大致预测储层页岩矿物组成及力学强度特征，同时通过测试页岩微观模量预测页岩宏观模量。

1 页岩矿物组分研究

本文利用X衍射实验测试及分析井下与露头龙马溪组页岩矿物组分，井下页岩石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿及粘土矿物平均含量分别为55.38%、7.25%、12.63%、6.13%、2.5%、16.3%，见图1a；露头页岩石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿及粘土矿物平均含量分别为49.57%、4.14%、26.12%、12%、1.86%、6.29%，见图1b。井下石英、长石、黄铁矿、粘土矿物平均含量均大于露头，含量差值分别为5.80%、3.11%、0.64%、9.84%；井下方解石、白云石平均含量小于露头，差值约分别为13.52%、5.88%，从页岩整体脆性矿物组成分析发现，井下脆性矿物平均含量小于露头，差值约为3.55%。

图1 井下与露头页岩各种岩性矿物平均含量图

2 页岩力学特征研究

2.1 力学强度测试结果

选取25mm×50mm标准尺寸井下与露头龙马溪组页岩样为对象，利用MTS型岩石力学实验设备进行页岩力学强度测试研究[2-3]。分别对21块井下与13块露头页岩进行力学强度测试，所加载围压依次设定为1、5、10、20、25、30MPa，测试结果见表1。

表1 井下与露头页岩力学强度测试结果

2.2 力学强度测试结果分析

通过对井下与露头页岩力学强度测试研究发现，井下与露头龙马溪组页岩抗压强度与测试所加载围压均呈正相关性，测试加载围压越大，页岩达到峰值破坏较为迟缓[4-5]，相同加载围压下，井下页岩平均抗压强度低于露头页岩平均抗压强度，见图2。

图2 井下与露头页岩抗压和围压之间关系曲线

井下与露头页岩弹性模量平均值随着测试围压增大，其值均呈现增大趋势，井下页岩弹性模量随测试围压变化幅度较大，露头页岩弹性模量随测试围压变化幅度较小，见图3a。井下与露头页岩泊松比与测试加载围压均呈无规律状排列，它们之间存在一种不确定关系，见图3b。

图3 井下与露头页岩弹性模量和泊松比与围压之间关系曲线

3 页岩微观纳米压痕测试研究

3.1 微观纳米压痕实验设备及样品

本文利用Keysight科技公司G200纳米压痕仪（纳米压痕仪器如图4a）测试页岩各种矿物组成的弹性模量，纳米压痕仪最大载荷500mN、载荷分辨率50nN、加载速率5～100N/min，位移测量范围0～1.5mm，位移测量分辨率小于0.01nm[6]。

纳米压痕实验岩样分别选取力学强度测试之后的井下与露头龙马溪组页岩屑，将小页岩屑试样镶嵌并固化于环氧树脂中，然后采用碳化硅研磨纸（0.5μm）和氧化铝研磨膜（0.3～0.01μm）对小岩样表面进行机械抛光，纳米压痕实验样见图4b。

图4 微观纳米压痕实验设备及样品

3.2 纳米压痕测试结果及微观弹性模量研究

利用微观纳米压痕实验设备对大量井下与露头龙马溪组页岩样进行了相关测试，同时基于纳米压痕测试获得原始数据处理方法和数理统计分析得出：页岩硅质矿物弹性模量为62.29～81.17GPa，钙质矿物弹性模量为44.85～61.37，粘土矿物弹性模量为30.89～35.89。

本文通过引入微观弹性模量力学参数，以此研究微观纳米压痕测试所得页岩各种矿物组分弹性模量与力学强度测试所得弹性模量之间的相关性，页岩微观弹性模量是指页岩各种矿物组分弹性模量与相应各种矿物组分含量乘积之和，能够表征页岩力学特性的参数，计算表达式如下：

式中：Wi——页岩中i矿物百分含量；

Ei——页岩中i矿物组分弹性模量，GPa。

此处将页岩力学强度测试所得弹性模量视为宏观弹性模量，同时引入弹性模量差异性系数作为反映微观弹性模量与宏观弹性模量之间差异性大小的量度，弹性模量差异性系数表达式如下：

式中：E宏——页岩力学强度测试所得弹性模量，GPa。

选取上述力学强度测试井下与露头页岩在围压1、5、10、15、20、25、30、35MPa下获取的宏观弹性模量，然后分别利用公式（1）与（2）计算出井下与露头页岩在不同加载围压下所对应的弹性模量差异性系数，其结果见表2。针对页岩不同围压与所对应弹性模量差异性系数进行线性拟合分析，经拟合分析发现，页岩弹性模量差异性系数与加载围压存在一定线性关系，拟合曲线关系见图5。

表2 页岩不同围压下对应的弹性模量差异系数结果

图5 页岩弹性模量差异系数与围压之间关系图

从图5可得，页岩弹性模量差异系数随着围压增大而减小，同时表明随着加载围压增大，宏观模量与微观模量差异性也逐渐减小，主要原因在于：针对同一块页岩样，其微观弹性模量主要由页岩各矿物组分含量以及各矿物弹性模量决定，因此微观模量是一定值，然而页岩宏观弹性模量主要受控于力学强度测试所加载围压，因此针对不同加载围压，宏观弹性模量不定值，其值随着围压增加而增大，所以页岩弹性模量差异系数与所加载围压呈负相关性。从图5发现页岩弹性模量差异系数在围压30MPa之后，其值变化幅度极小，主要原因可能在于：页岩宏观弹性模量随着所加载围压增大，其值增大幅度减小，甚至不产生变化。同时可得出页岩弹性模量差异系数始终大于1。

基于页岩弹性模量差异性系数与所加载围压曲线关系拟合研究，因此在工程上可以通过测试获取页岩微观弹性模量，然后计算页岩在不同围压情况下的宏观弹性模量，其计算公式如下：

式中：Pc——所加载围压，MPa。

由于页岩矿物组分含量与页岩储层围压均可以通过测井解释获取，页岩矿物组分弹性模量可以通过钻井返出井底岩屑获取，因此可通过测井解释获取页岩微观弹性模量以预测宏观模量，因此最能够表征页岩力学特征的宏观模量就可以实时随钻测得。

4 结论

（1）四川威远区块龙马溪组井下与露头页岩石英、长石、黄铁矿、粘土矿物、方解石、白云石等含量具有较大差异性，差异值分别为5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。

（2）井下与露头页岩弹性模量平均值与测试围压均呈正相关性，井下页岩弹性模量均值随测试围压变化幅度大于露头页岩，井下与露头页岩泊松比与围压均呈无规律状排列。

（3）基于页岩微观纳米压痕测试得出页岩硅质矿物弹性模量为62.29～81.17GPa，钙质矿物弹性模量为44.85～61.37GPa，粘 土 矿 物 弹 性 模 量 为 30.89～35.89GPa。

（4）研究得出页岩宏观与微观模量在不同围压下之间的转换关系，因此，通过测井数据可以预测页岩力学强度实验测试的弹性模量。

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