泥页岩储层脆性评价实验研究——以贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩为例

巨明皓，赖富强，龚大建，冷寒冰，张国统，艾亚军

泥页岩储层脆性评价实验研究——以贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩为例

巨明皓1，赖富强1，龚大建2,3，冷寒冰1，张国统1，艾亚军1

（1.重庆科技学院复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331； 2. 中国国储能源化工集团股份公司，北京 100107；3. 铜仁中能天然气有限公司，贵州 铜仁 554300）

泥页岩的压裂改造效果很大程度上由其脆性决定，开展泥页岩的脆性评价实验研究，可为页岩气田的开发与增产提供技术支撑。贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩层系内页岩发育良好，矿物组份复杂，非均质性强。通过对TX1井岩芯样品分别展开全岩矿物X-射线衍射、地层条件下的三轴压缩应力实验以及物性测定实验，系统分析矿物组成和岩石力学特征，并以实验结果为基础分析矿物成分与岩石物理参数的关系，明确了目的区域常规物性普遍较差，总体具有低孔－超低渗特征。该实验测试数据及取得的认识为该地区泥页岩层段的脆性评价研究能够提供一定指导。

储层；泥页岩；弹性参数；牛蹄塘组

储层的压裂改造效果会直接影响试油层位的选择，而泥页岩的脆性是储层压裂的基础。因此，对泥页岩脆性的研究能够优化压裂改造施工效果以及提高储层的产能。笔者将岩芯样品通过实验室进行泥页岩力学实测、矿物成分测定、渗透率和孔隙度测定及孔隙结构分析，为泥页岩脆性评价及泥页岩脆性评价方法的优选提供实测数据。贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层具有岩石结构和矿物成分复杂、低孔低渗、天然气赋存方式多样化、储层非均质性强等特点[1]，因此开发难度较常规天然气更大，常常需要采用水平井钻井和多段水力压裂技术来改善储层的储气和渗流能力，而泥页岩储层的造缝能力和可压裂性取决于泥页岩储层的脆性大小，因此对泥页岩储层的脆性评价指导压裂施工尤为重要[2]。

目前地层状态下岩石力学特征参数的获取方法主要有[3]：①实验室对岩样进行岩石力学实验（将岩芯样品通过实验室进行岩石力学实验），获得岩石抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等；②根据阵列声波测井数据求取动态岩石力学参数，经过实验数据拟合获得地层状态力学参数；③利用水力压力压裂过程中的工程测试数据描述岩体的力学行为，计算力学参数等。常见室内渗透率测量方法有稳态法和脉冲衰减法，实验采取了稳态法测渗透率。泥页岩的渗透率可分为基质渗透率和裂隙渗透率，其中基质渗透率量级为微达西，裂隙渗透率量级为数毫达西[4]。高压压汞分析孔隙结构时，由于泥页岩的孔径小，高压压汞法的压力可能会使样品产生破坏而导致测量结果误差较大，因此不宜利用高压压汞曲线对孔隙半径小于2nm的微孔进行分析。

表1 稳态法测渗透率实验结果数据表

表2 柱体孔隙度法测孔隙度实验结果数据表

1 实验研究

1.1 页岩孔隙度和渗透率测量

1.1.1实验原理

1）采用柱体孔隙度测量法测量泥页岩孔隙度：首先将岩样置于夹持器中并与控制模块连接，之后采用手动液压泵给岩样提供围压，最后通过氦气膨胀原理和波依尔定律计算得到岩样孔隙度。

2）采用稳态法法测泥页岩渗透率：测定岩样进口、出口压力及油、水流量，通过达西定律直接计算出岩样的油、水有效渗透率及相对渗透率值。

图1 孔渗相关图

图2 TX1井牛蹄塘组泥页岩岩芯深度1781.81m~1781.93m

图3 TX1井牛蹄塘组矿物组成

图4 TX1井牛蹄塘组黏土矿物组成

1.1.2实验结果

计算岩芯在实验油驱替达10倍孔隙体积时渗透率值（表1）所示。从表中可以看出，渗透率主要分布在7.3×10-4～1.8×10-3mD之间，最大值为1.8×10-3mD，最小值为7.3×10-4mD，中值为1.09×10-3mD，平均值为1.23×10-3mD。可以看出随着深度的增加，渗透率也增加。

根据波依尔定律，计算岩芯孔隙度，结果（表2）所示。从表中可以看出，孔隙度主要分布在2.33% ～3.34%之间，最大值为3.34%，最小值为2.33%，中值为3.11%，平均值为2.976%。从数据可以看出，随着深度的增加，孔隙度变化幅度不大。

将孔隙度与渗透率做回归曲线分析（图1）。从图中可以看出，当孔隙度增大时渗透率也相应地增加，两者之间为线性关系，相关系数为R2=0.707 7。由于所分析的样品数目较少，相关性函数表述的结果存在误差，但整体上表现出孔隙度、渗透率相关性良好趋势。

图5 TX1井岩心扫描电镜图像

1.2 页岩矿物组成及含量测量

1.2.1 实验原理

由于X射线的波长与晶体内部原子面两者之间的间距相隔较近，因此晶体可作为X射线的空间衍射光栅，就是当一束X射线照射到物体上时，由于受到物体中原子的散射，每一个原子都将产生散射波，这些波会相互干涉，最终就产生了衍射[5]。衍射波互相叠加的结果会使射线的强度在一些方向上对其加强，相对而言，在其他方向上就有所减弱。分析衍射的结果，就可以获得晶体结构。

1.2.2实验结果

研究区下寒武统牛蹄塘组岩性以黑色硅质页岩、黑色碳质页岩为主，呈块状或薄片状，偶有黄铁矿富集（图2）。碳质页岩主要发育在上部，厚度15～20ｍ，硅质页岩主要发育在中下部[6]。

根据对区块、周缘地区露头和钻孔岩样的数据分析统计，得出牛蹄塘组的石英和长石等碎屑矿物的含量范围为35.0%～71.2%，其平均值为65.0%；自生脆性矿物的含量范围为0～17.1%，其平均值为16.5%( 包含的黄铁矿平均约占10.2%)；粘土矿物的含量为7.2%～34.6%，其平均值为18.7%（图 3），而粘土矿物的主要成分是伊利石，其含量超过95%，其他成分有少量的绿泥石和高岭土（图4）。

通过采样分析结果可以看出（图 5），牛蹄塘组的碎屑矿物含量约为65.0%，粘土矿物含量约为18.7%，自生脆性矿物含量约为14.4%，相比宏观的观察结果较为接近。两者差异主要的原因是钻孔数据岩矿组成分布相对较集中，同时地表样品采样相对分散，并且表生风化对地表样品有一定的影响等。

牛蹄塘组岩石以炭质、石英、泥质为主。石英分选性好，圆度主要为次圆状－圆状，杂基支撑，粒径＜0.05mm，含量约占20%。炭质含量较高，分布均匀。泥质和炭质含量约占50%。牛蹄塘组页岩层段孔喉半径狭窄，普遍发育微细孔隙。纳米级孔隙的主体是粒间微孔、有机质内微孔，孔隙的连通性差，并多为孤立微孔，岩石的渗透率极低[7]。

1.3 页岩孔隙结构实验

1.3.1实验原理

由于汞对一般固体不润湿，且存在界面张力需要借助外力作用进入孔隙中，欲使汞进入孔隙就必须施加外部压力[8]。汞压入的孔隙半径与所受外压力成反比，外压越大，汞能进入的孔隙半径越小。汞填充遵循先外部后内部；先大孔后小孔的原则[8-9]。因此，通过测量不同外压下进入孔隙中汞的量反映孔隙的大小和孔隙的体积。

1.3.2实验结果（图6）

根据目的区块高压压汞参数统计表（表3），牛蹄塘组砂岩的孔喉结构具有如下特征：

表3 牛蹄塘组高压压汞参数统计表

排驱压力与最大孔喉半径呈负相关关系，排驱压力较低时，对应其最大孔喉半径较大，反之排驱压力相对较大，其最大孔喉半径较小；中值压力与中值半径呈负相关，能够反映出对应层段渗滤性能的情况，从上述中值压力与中值半径数据统计中得出1795.81~1796.33m 和1801.54~1802.37m层段中值压力较低，中值半径较大，说明此层段页岩渗滤性能较好；其中最大进汞饱和度、未饱和汞饱合度、残余汞饱合度以及喉道均值等参数整个井段差别不大。通过以上数据分析以及孔喉分布图可清楚地看出深层段1779.80-1802.37m孔喉半径发育较为分散，浅层段1770.00~1776.38m岩层孔喉半径分布集中。

1.4 页岩岩石力学参数实验

1.4.1实验原理

采用三轴压缩实验测定页岩岩石力学参数：首先将已经测好尺寸的试样放入三轴室，然后把三轴室放入MTS型岩石力学伺服试验机的下承压板上，并使三轴压力室的中心与试验机的中心一致。做好实验准备并固定好岩样，施加围压到指定值稳定后，以1.0kN/s~2.0kN/s的加载速度均匀加载，当试样开始破坏变形，立即关闭液压泵卸载阀。再打开试验机的回油阀卸轴压，记录破坏载荷及围压值，对破坏后的试样进行描述。

表4 单轴岩石力学性质检测结果

1.4.2实验过程及结果

单轴岩石力学性质检测结果和三轴岩石压缩结果见表4、表5。

随着围压的增加，岩样的抗压强度增加，峰值变形增加，弹性极限增加，岩石由弹性变形向塑性变形发展。

表5 三轴岩石压缩结果

在所研究的围压（σ3）范围内(0≤σ3≤10MPa) σ3的大小与抗压强度（σ1）的关系近似呈线性。围压为0的强度即为单轴强度，是强度的极小值。在达到峰值前可分为三个阶段，即：压密、弹性、塑性变形阶段。

2 讨论

通过岩石力学参数与矿物含量相关性实验分析（图7），当主要脆性矿物石英的含量小于65%时，泥页岩动态杨氏模量随石英含量的增加而增大，即泥页岩动态杨氏模量与石英的含量基本呈正相关关系；而当主要脆性矿物石英含量大于65%时，泥页岩动态杨氏模量则出现降低趋势。

同时石英等脆性矿物与泥页岩泊松比之间也存在相关关系，石英等脆性矿物主要与泥页岩泊松比之间呈负相关关系。泥页岩的黏土矿物含量与动态杨氏模量呈负相关关系，与其泊松比呈正相关关系，即黏土矿物含量越高，泥页岩脆性就越低。

图7 牛蹄塘组力学参数与矿物含量关系

硅藻类生物由于是下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机质的主要来源，因此有机质含量也与泥页岩脆性有着密切的关系。实验结果表明泥页岩中石英含量与TOC含量呈正相关关系，石英含量高也就是TOC含量高，因此说明TOC与石英对泥页岩动态杨氏模量的变化规律是相似的，通过图5也进一步证实本观点，当TOC含量小于6.5%时，泥页岩动态杨氏模量与TOC含量呈正相关关系；当TOC含量大于6.5%时，泥页岩动态杨氏模量与TOC含量呈负相关关系。

3 结论

1）通过实验分析认为，渗透率随地层深度的加深而变大，孔隙度随深度加深变化不大；通过分析高压压汞曲线，可得到泥页岩孔隙中孔和大孔的分布，岩芯样品主要发育中孔，这部分孔隙提供了主要孔隙体积，是油气吸附和存储的主要场所[10]。而大孔所占比例少，但其对渗透率的贡献较大，该部分孔隙是最重要的渗流通道。

2）研究区牛蹄塘组页岩矿物主要由石英和黏土矿物组成，石英含量占35.0％～71.2％，平均52.5％，黏土占7.2％～34.6％，平均18.7％，因此石英对泥页岩脆性贡献最大。同时，石英与TOC含量表现为正相关。当TOC含量小于6.5％时，研究区泥页岩脆性(弹性模量与泊松比的比值)与TOC和石英含量呈正相关性。当TOC含量大于6.5％时，泥页岩脆性随TOC含量的增加出现降低趋势。

3）在相同的应力条件下，低泊松比、高弹性模量的泥页岩脆性大；抗压强度和抗拉强度的差异越大，脆性越大，抗压强度小，更容易形成裂缝。

4）由实验数据得出，下寒武统牛蹄塘组含气泥页岩常规物性普遍较差，表现为低孔－超低渗状态，具有较好的页岩气储集潜力，有较好的开发价值。

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Experimental Research on Brittleness Evaluation of Shale Reservoir—By the Example of Shale Reservoir of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Cengong Region, Guizhou

JU Ming-hao1LAI Fu-qiang1GONG Da-jian2,3LENG Han-bing1ZHANG Guo-tong1AI Ya-jun1

(1- Chongqing Key Laboratory of Complex Oil and Gas Field Exploration and Development, Chongqing Institute of Technology, Chongqing 401331; 2- China National Reserve Energy Chemical Group Co., Ltd., Beijing 100107; 3- Tongren Zhongneng Natural Gas Co., Ltd., Tongren, Guizhou 554300)

The fracturing effect of shale is largely determined by its brittleness. Experimental research on brittleness evaluation of shale can provide technical support for shale gas field development and production increase. Shale is well developed in the Lower Cambrian Niutitang Formation in Cengong region, Guizhou, with complex mineral components and strong heterogeneity. In order to understand the brittleness of the reservoir, the X-ray diffraction of whole rock, triaxial compression stress experiments under formation conditions and physical property measurement experiments are carried out on core samples from well TX1. The mineral composition and rock mechanical characteristics are systematically analyzed. The relationship between mineral composition and rock physical parameters are analyzed based on the experimental results. It was confirmed that the conventional physical properties in the target are generally poor with low porosity and ultra-low permeability.

shale; experimental research on brittleness;mineral component;Niutitang Formation;Cengong, Guizhou

2018-09-10

“十三五”国家科技重大专项子课题“岑巩区块海相高演化页岩气勘查评价应用试验”（2016ZX05034004-003），国家青年科学基金项目“基于成像测井的泥页岩储层可压裂性评价方法研究”（41402118）和重庆市大学生创新训练项目“泥页岩储层脆性评价实验研究”（201711551009）联合资助

赖富强（1982-），男，四川长宁人，副教授，从事非常规储层测井评价及测井新方法研究

P618, 130

A

1006-0995（2019）02-0238-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.012