潜江凹陷潜四下段页岩油储层力学性质特征研究

沈云琦，苏建政，李凤霞，常 鑫，吴世强

(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化股份公司江汉油田分公司勘探开发研究院，武汉 430223；3.中国科学院 武汉岩土力学研究所，武汉430071)

1 研究背景

由于页岩油在美国成功实现了大规模的开发，页岩油被全世界广泛关注，成为了非常规油气热门的领域之一[1]。目前，世界上页岩油的产区主要集中在北美[2-9]，实现商业开发的页岩油层系是美国的巴肯组、鹰滩组、巴尼特组[10-11]。经过近几年的开发实践，并通过应用水平井压裂等的技术，美国主要的页岩油层系的页岩油产量取得了飞速增长，页岩油产量的大幅度提升，提升了美国整体的石油产量[12]。根据美国能源信息署（EIA）发布的最新报告，美国页岩油可采储量约为79.46×108t（580×108bbl），中国的页岩油可采储量也有一定的规模，可采储量约为43.84×108t（320×108bbl）[13]，目前勘探开发主要的突破在准格尔盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地，下一步有望突破的盆地包括松辽盆地、江汉盆地、泌阳凹陷等页岩层系中[14-17]。我国页岩油储层与我国页岩气储层相比，储层非均质性强，脆性矿物含量低且影响因素多样，应力敏感性、各向异性复杂，可改造性差[18-24]，成熟度低、含蜡量高、黏度高、密度大也是我国陆相页岩油的主要特征，这些因素制约了我国陆相页岩油的勘探开发[25]。

其中，潜江凹陷潜江组潜四下段页岩油储层已经成为我国陆相页岩油勘探开发，特别是中石化页岩油勘探开发的重点目标。作为该研究的重点层系，其目的层沉积构造主要以小于1 mm 的纹层状和不小于1 mm 的层状构造为主，同时包含少量纹层不发育的块状构造，因此，潜江组潜四下段页岩油储层可以分为6 种主要岩相，划分标准主要根据岩石类型、矿物成分、沉积构造特征的差异，分别是块状云岩相、纹层状泥质云岩相、层状云（泥）质钙芒硝岩相、纹层状泥质灰岩相、纹层状云质泥岩相、纹层状灰质泥岩相[26]，这使得潜江凹陷潜江组潜四下段页岩油储层矿物成分复杂，发育多种力学界面，例如层理面、钙芒硝-泥岩界面等，这使得此目的层页岩油储层的力学性质具有一定的复杂性，主要表现在力学参数与温度、压力之间的关系，不同界面抗拉、抗剪强度，储层地应力大小等。为解决这些问题，此次研究在矿物成分测定、孔隙结构分析的基础上，进行高温高压条件下单-三轴力学参数测定，不同力学界面抗拉强度、抗剪切强度测定，以及储层地应力测定，这些对于目的层的压裂方式、压裂施工参数、裂缝开启规律、页岩油产能预测等问题有重要影响，因此研究力学性质特征是此目的层段页岩油开采的重要理论基础。

2 地质背景

将潜江凹陷潜四下段页岩油储层作为重点研究对象。潜江凹陷蕴藏着较为丰富的石油资源，属于新生代内陆断陷盐湖湖盆，整体在中、古生界基底之上，地理位置位于江汉盆地中部。凹陷面积约为2.5×103km2，北界为潜北断裂带，自西向东与其相接的是荆门凹陷、乐乡关地垒、汉水凹陷、永隆河隆起；在凹陷东北为岳口低凸起，在西南部为丫角新沟低凸起，这2 个凸起均以斜坡状与潜江凹陷过渡；通海口断层与通海口凸起为潜江凹陷的东南界[27-29]（如图1所示）。潜江凹陷是整个江汉盆地沉降速度最快、基底埋藏深度最深的凹陷，同时也是整个江汉盆地在潜江组沉积时的沉降中心、汇聚中心和浓缩中心，潜江组盐系地层的物源在北部，且为单向供给，盐度高、强蒸发封闭环境是潜江组地层主要的沉积环境，同时在沉积过程中也伴随着间歇性潮湿环境，在这种沉积环境下，厚度达6 000 m 的地层中盐韵律层和砂岩段频繁交互，形成了极具特色的陆相盐湖盆沉积地层组合[30-31]。潜江凹陷潜江组盐系地层层序结构为鲜明的多韵律，纵向上，潜江组其按地层层序自下而上可分为4 段，分别是潜四段（Eq4）、潜三段（Eq3）、潜二段（Eq2）和潜一段（Eq1），北部是以砂泥岩为主的三角洲沉积区，南部是以盐韵律层为主的盐湖沉积区，砂泥岩与盐韵律频繁互层是过渡区的主要岩性特征，在整个潜江组地层沉积过程中，3 个最大湖泛面时期是富有机质页岩的主要发育时期，其中潜二段有机质成熟度偏低，不是目前重点研究的层段，而高成熟度的潜三下段和潜四下段均是页岩油勘探开发的重点层系，同时，此次选取的样品主要集中在潜四下段[30-31]。

图1 潜江凹陷区域构造位置示意图Fig.1 Schematic diagram of structural location in Qianjiang depression

3 储层矿物以及孔隙特征

该研究对22 块潜江凹陷潜四下段页岩油储层样品矿物组分进行分析研究。研究方法主要采用水悬浮分离方法或离心分离方法，在实验过程中，通过提取粒径小于10 μm 的黏土矿物样品来测定黏土矿物在原岩中的总的相对含量，通过提取粒径小于2 μm 的黏土矿物样品来测定各种黏土矿物的相对含量。一般来说，不同矿物的晶体通过X 射线衍射，都可以得到其特定的图谱，且矿物含量与图谱中的特征峰强度呈正相关关系，因此可以通过测量矿物的特征峰值强度求出该矿物的含量。

通过相关研究表明，潜四下段的矿物成分总体表现“低黏土矿物、低石英、高碳酸盐岩、局部高蒸发岩”的特征。其成分主要由长石、石英、黏土矿物等碎屑矿物，石膏、钙芒硝、石盐等蒸发岩类矿物，方解石、白云石等碳酸盐类矿物组成，其中白云石和方解石等碳酸盐类脆性矿物含量较高。样品中石英含量占比为3.1%～13.9%，长石占比为6.1%～17.7%，黏土矿物占比为8.2%～33%，其中碳酸盐岩类矿物质量分数＞50%，局部硬石膏质量分数＞30%（见表1），这与鄂尔多斯长7 段泥页岩、济阳凹陷沙四段泥页岩等其他地区泥页岩储层矿物特征有较大区别[32]。孔隙主要以次生孔隙为主，包括粒间孔、粒内孔（如图2 所示）。潜江组页岩的矿物组成对页岩的岩石力学性质、孔隙结构以及气体的吸附能力均有重要的影响，同时也反映了岩石脆性特征的变化。石英含量、方解石含量、白云石含量的增加将提高岩石的脆性，有利于储层的压裂改造，可形成复杂缝网，而黏土矿物含量使得地层塑性增强，不易形成复杂缝网。从目前XRD 矿物组分分析结果来讲，储层具有一定的可压性，有利于后期压裂改造。

表1 潜江凹陷潜四下段页岩油储层矿物组分表Table 1 Table of mineral component of shale oil reservoirs in the lower Eq4 in Qianjiang depression

续表1

图2 潜江凹陷潜四下段页岩油储层孔隙特征SEM 扫描图Fig.2 SEM scan of pore characteristics of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4 储层力学性质特征

4.1 储层力学参数特征

该研究主要通过单轴、三轴岩石力学实验，测试分析了潜四下段6，18，23，24，26，31，32 韵律层的力学参数，主要包括峰值应力、弹性模量、泊松比等，实验设备是长春新特实验机厂和中国科学院武汉岩土力学研究所共同研制的XTR01 型微机控制电液伺服岩石三轴实验仪。整个实验是在中国科学院武汉岩土力学所完成的，实验的温压条件尽可能贴近真实地下条件，实验温度最高达125 ℃，围压最高控制在40 MPa。研究结果表明，当围压为0 MPa、温度为25℃时，潜江组潜四下段页岩油储层整体峰值应力为32～58.91 MPa，弹性模量为4.99～6.57 GPa，泊松比为0.146～0.331；当围压达到40 MPa、温度达到120 ℃时，峰值应力为213.51～302.31 MPa，弹性模量为13.89～18.11 GPa，泊松比为0.152～0.227。整体特征表现为随着温度和围压的增加，峰值应力和弹性模量明显增高，而泊松比变化不大。为了进一步探究起主要因素的参数，选取了潜江组潜四下段32 韵律的试样进行研究，在同一围压条件、不同温度条件下进行测试，围压分别取0 MPa，10 MPa，30 MPa，50 MPa，温度分别取25 ℃，60 ℃， 95 ℃，125 ℃，研究结果表明，同一围压条件下，随着温度的升高，6 韵律储层单轴抗压强度小于40 MPa，高温高庒下抗压强度可达170 MPa；8 韵律储层单轴抗压强度约为50 MPa，高温高压下抗压强度可达200 MPa；23 韵律储层单轴抗压强度约为50 MPa，高温高压下抗压强度大于200 MPa；24 韵律储层单轴抗压强度约为60 MPa，高温高压下抗压强度约为300 MPa 左右；26韵律储层单轴抗压强度约为40 MPa，高温高压下抗压强度约为220 MPa；31 韵律单轴抗压强度约为40 MPa，高温高压下抗压强度大于200 MPa；32 韵律储层单轴抗压强度一般小于50 MPa。所有的样品在三轴压缩试验中，随着围压的增加，试样的抗压强度有所增强，而温度的增加则导致强度的降低，同时应力-应变曲线初期线性较差（孔隙裂隙压密），试样破坏后沿着层理面发生劈裂破坏且产生较多裂纹，后期应力-应变曲线较为平滑，试样破坏面与端面约成45°，为剪切破坏模式，并且在高温条件下试样塑性增强。

由此可以得出，24 韵律储层抗压强度较大，6 韵律储层抗压强度较小，其余韵律储层抗压强度基本相当（如图3 所示）。不同围压以及温度下，潜四下段页岩油储层弹性模量为4.16～18.11 GPa，泊松比为0.146～0.331，随着温度与围压的增大，峰值应力、弹性模量也增大，温度、围压与峰值应力、弹性模量呈正相关关系，而随着温度与围压的增大，泊松比并无明显变化（如图4 所示）。

图3 潜江凹陷潜四下段页岩油储层全应力-应变曲线以及试样破坏前后图Fig.3 Full stress-strain curve and pattern failure of shale oil reservoir before and after diagram in the lower Eq4 in Qianjiang depression

图4 潜江凹陷潜四下段页岩油储层力学参数与围压、温度关系图Fig.4 Diagram of relationship between mechanical parameters and confining pressure and temperature of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4.2 储层抗拉强度特征

该研究主要通过对潜四下段储层样品进行巴西劈裂实验，得出不同岩性岩石的抗拉强度。实验前，量取两端面相互垂直的4 个直径，取平均值。量取两端面轴边对称4 点及中心点的5 个高度，取平均值。实验时，将试件放入专门的夹具中，使用100 kN 的压力档，按约0.2 kN/s 的速率加载，直至破坏，记录破坏的压力值，通过计算得出岩石的抗拉强度。实验结果表明，拉应力方向与层理面垂直时试样的抗拉强度较小，一般小于1 MPa，当拉应力方向与层理面平行时抗拉强度较大，一般大于1 MPa。试样首先从圆盘中部起裂，由其破坏形态可知，前者破裂面较为平直，其破坏面即为层理面，后者破坏面受层理影响发生弯曲（如图5 所示），层理面抗拉强度为0.33～0.66 MPa，而基质的抗拉强度为1.413～2.044 MPa（见表2），表明层理面更容易开启。

图5 潜江凹陷潜四下段页岩油储层巴西劈裂实验前后对比图Fig.5 Before and after the Brazil fracturing experiment of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

表2 潜江凹陷潜四下段页岩油储层抗拉强度统计表Table 2 Statistical table of tensile strength of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

通过界面直剪实验得出，随着法向应力从4 MPa升至12 MPa，钙芒硝-泥岩界面的抗剪强度为1.08～5.6 MPa，层理界面的抗剪强度为1.28～9.21 MPa，表现为钙芒硝-泥岩界面抗剪切强度小于层理界面。除了可以通过实验测量的值得出量化的抗剪强度，还可以通过观察岩石破坏后断面的形态来探究破坏机理，此次实验后的样品断口呈现出明显锯齿状，并有小碎块散落，说明试样具有一定的抗剪切能力，当法向应力增加时，抗剪切的强度也随之增加。由断裂面的图片可知，交界面一般在泥岩处发生破坏。剪切过程中由于法向应力的作用断裂面的部分泥岩被磨平，显示其抗剪能力较弱。由于试样层理面较为发育，剪切过程中剪切面附近层理面也会在力的作用下发生破坏，这就造成了剪切面和层理面交互破坏的情况（如图6 所示）。通过对实验数据的线性回归，计算得到界面黏聚力和内摩擦角，其中钙芒硝- 泥岩界面的黏聚力为0.57 MPa，内摩擦角为21.78°；层理界面黏聚力为0.99 MPa，内摩擦角为31.99°（见表3）。

图6 潜江凹陷潜四下段页岩油储层界面破坏后图（样品为棱长为50 mm 的立方体）Fig.6 After fracture of shale oil reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression (the sample is a cube with an edge length of 50 mm)

表3 潜江凹陷潜四下段页岩油储层直接剪切结果统计表Table 3 Statistical table of reservoir direct shear results in the lower Eq4 in Qianjiang depression

4.3 储层地应力特征

目前研究储层地应力的实验方法主要是运用基于Kaiser（凯塞尔）效应的声发射方法。Kaiser（凯塞尔）效应是指岩石的声发射活动能够记录岩石所受过的最大应力，并且声发射时的声波频率及振幅与应力有一定的关系[33-34]。凯塞尔效应可以记录可逆和不可逆破裂的信号，可逆的破裂信号是指破裂面的摩擦活动时记录的信号，这种滑动是可逆的。不可逆的破裂信号是指岩石发生不同程度的不可逆的破裂时所记录的信号。当加载的应力达到岩石过去已施加过的最大应力时，声发射的信号明显增加，当加载应力继续增大，大于岩石已施加过的最大应力时，新的破裂发生，使得声发射活动的频度突然提高。

在这过程中由于岩石摩擦活动产生的声发射信号也被记录，因此，声发射凯塞尔效应在单向应力加载过程中，可以测定此方向岩石曾经受过的最大应力[35-36]。

根据声发射凯塞尔效应原理，为了测定岩样的3个主地应力（2 个水平方向、1 个垂直方向），必须对同一岩心进行不同方向的取样。如要测得3 个主地应力，取样方向至少4 个，1 个垂直方向，3 个相隔45°角的水平方向，对这4 个样品进行声发射实验，测得其应力，从而求出试样的3 个主地应力。根据岩石力学试验结果，试样单轴抗压强度较小，因此为提高试样的抗压强度，压缩过程中对试样施加一定的围压。实验前，先将样品的两端加上压头，在用密封套密封之后，安装应变传感器，随后放入压力室，外接声发射探头；加载轴向应力之前，需要先加载一定的侧压力，达到其预设值，并保持其不变，在此基础上加载轴向应力，直至试样发生破裂，通过系统采集数据并处理得到结果（如图7 所示）。结果表明，潜四下段15 韵律层最大水平主应力为74.25 MPa，最小水平主应力为71.74 MPa，水平应力差为2.51 MPa；32 韵律层最大水平主应力为80.61 MPa，最小水平主应力为78.01 MPa，水平应力差为2.6 MPa，两者均有形成压裂体积缝网的应力条件（见表4）。

表4 潜江凹陷潜四下段页岩油储层地应力测试结果统计表Table 4 Statistical table of crustal stress test results in the lowerEq4 in Qianjiang Depression

图7 潜江凹陷潜四下段32 韵律储层3682 号试样声发射信号随时间变化图Fig.7 The figure of the transmitted signals over time of NO.3682 sample in the 32TH rhythmical reservoir in the lower Eq4 in Qianjiang depression

5 结论

1）矿物成分总体表现“低黏土矿物、低石英、高碳酸盐”的特征。整体样品中石英含量占比为3.1%～13.9%，长石占比为6.1%～17.7%，黏土矿物占比为8.2%～33%。孔隙主要以次生孔隙为主，包括晶间孔、粒内孔、溶蚀孔和裂缝孔隙；

2）潜四下段24 韵律储层抗压强度较大，6 韵律储层抗压强度较小，其余韵律储层抗压强度基本相当。弹性模量为4.16～18.11 GPa，泊松比为0.146～0.331，随着温度与围压的增大，峰值应力、弹性模量也增大，温度、围压与峰值应力、弹性模量呈正相关关系，而随着温度与围压的增大，泊松比并无明显变化；

3）层理面抗拉强度为0.33～0.66 MPa，而基质的抗拉强度为1.413～2.044 MPa，表明层理面更容易开启。随着法向应力从4 MPa 升至12 MPa，钙芒硝-泥岩界面的抗剪强度为1.08～5.60 MPa，层理界面的抗剪强度为1.28～9.21 MPa，表现为钙芒硝-泥岩界面抗剪切强度小于层理界面，钙芒硝-泥岩界面的黏聚力为0.57 MPa，内摩擦角为21.78°，层理界面黏聚力为0.99 MPa，内摩擦角为31.99°；

4）潜四下段15 韵律层最大水平主应力为74.25 MPa，最小水平主应力为71.74 MPa，水平应力差为2.51 MPa；32 韵律层最大水平主应力为80.61 MPa，最小水平主应力为78.01 MPa，水平应力差为2.6 MPa，两者均有形成压裂体积缝网的应力条件。