海相与陆相页岩微观特征差异及其对可压性的影响

王迎港，申峰，吴金桥，孙晓，穆景福，汤积仁

（1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.陕西延长石油（集团）有限公司 研究院，西安 710075）

页岩气是赋存于富有机质泥页岩层系内的源、储一体的非常规天然气[1]，开发前景广阔[2-3]。根据主要页岩气产区产气量统计数据，海相与陆相页岩在采用水力压裂技术进行储集层改造时的效果存在一定差异，四川盆地五峰组—龙马溪组特大海相页岩气区的年产量达到40×108m3，延长石油延安国家级陆相页岩气示范区年产量仅为6×108m3[4-6]。沉积环境、储集层特性、微观孔隙特征等方面的差异，是造成海相和陆相页岩储集层改造效果相差较大的重要原因[7]。因此，明确海相与陆相页岩微观特征差异及其对可压性的影响，对于页岩气开采具有重要意义。

国内外学者对于页岩的孔隙特征及可压性的研究已取得一定进展：龙马溪组页岩微孔、中孔和宏孔占比远高于长7 段页岩[8]；延长组陆相页岩的孔隙类型以黏土矿物粒间孔和层理缝为主[9-10]；脆性指数可以在一定程度上反映页岩储集层压裂的难易程度[11-12]；延长组陆相页岩主裂缝几乎沿天然裂缝和层理面延伸[13-14]；龙马溪组海相页岩压裂裂缝倾向于向大孔隙及微裂缝方向拓展，从而在裂缝面产生小的剪切位移，剪切裂缝的形成显著提高了裂缝的导流能力[15-17]。前人的研究大多针对海相页岩开展，对于陆相页岩水力压裂特性的研究较少，对陆相和海相页岩微观特征差异及其对可压性影响的研究不足。

本文以四川盆地龙马溪组海相页岩与鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩为研究对象，通过X 射线衍射、扫描电镜、核磁共振、CT 扫描等，分析页岩的微观结构特征。在此基础上，进行岩石力学测试和水力压裂实验，结合分形几何与岩石力学理论，系统分析海相与陆相页岩在矿物组分、微观孔隙结构、天然裂缝发育程度等方面的差异，并进一步探讨页岩微观结构对可压性的影响。

1 样品及实验介绍

1.1 样品来源

海相页岩岩心取自四川盆地下志留统龙马溪组页岩储集层，取心深度为573.44～595.32 m，岩心样品编号分别为MS-1、MS-2 和MS-3；陆相页岩岩心取自鄂尔多斯盆地张家滩地区延长组长7 段，取心深度为494.69～512.10 m，岩心样品编号分别为CS-1、CS-2和CS-3。

1.2 实验介绍

本文实验均于重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室完成，具体方法如下。

（1）采用TM4000Plus Ⅱ台式场发射扫描电镜进行扫描电镜实验，该仪器主要技术指标为：电子光学分辨率可达1 nm，放大倍数为10～100 000，最大样品厚度为50 mm，单个样品最大直径为80 mm。首先将样品放入氩离子抛光仪进行抛光处理，使用离子溅射仪以10 nm/min的速率对样品进行长达2 min的处理，再将处理好的样品依次放置于扫描电镜中进行观察，结合多功能高分辨X射线衍射仪分析页岩样品矿物组分。

（2）采用MacroMR12-150H-Ⅰ型核磁共振岩心微观无损检测成像与分析系统，进行核磁共振实验。实验前对样品进行洗油、烘干、称重并计算密度，在真空饱和水48 h 后进行实验。实验分析系统可通过追踪氢离子，测得页岩样品孔隙度及孔径分布。

（3）采用MTS815 岩石力学实验系统进行单轴抗压强度实验，采用Shimazhu AG-X 250KN 万能材料实验机进行间接抗拉强度实验（巴西劈裂实验）。

（4）采用GCTS-RTX3000高温高压岩石力学实验系统进行水力压裂实验，实验系统由液压站、微处理器、加载架、三轴压力室、围压和孔隙压力增压器组成。压裂液为水，注入速率为10 mL/min，轴向应力为12.00 MPa，围压为8.00 MPa。实验步骤如下：用热缩管将样品包裹住并固定于三轴压力室内，安装轴向和径向应变引伸计于样品周围，控制加压装置将围压与轴压分别设置为8.00 MPa 和12.00 MPa，以设定速率注入滑溜水直至样品起裂，通过微处理器及安装在试件上的应变引伸计来记录泵压及应变数据。

2 微观特征分析

2.1 矿物组分

根据X 射线衍射测试结果，海相和陆相页岩在矿物组分上存在显著差异。龙马溪组海相页岩石英含量为48.5%，长石含量为19.4%，方解石含量为8.7%，黏土矿物含量为19.8%；延长组陆相页岩石英含量为32.8%，长石含量为15.6%，而黏土矿物含量达45.3%。总之，龙马溪组海相页岩组分以石英、长石等脆性矿物为主，而延长组陆相页岩中黏土矿物含量则明显更高。

陆相页岩孔隙类型主要为粒间孔、粒内孔、有机质孔等[18]（图1），同时发育天然微裂缝（层理缝），粒间孔主要以不规则形状杂乱分布于黏土基质和黄铁矿颗粒之间，多为微米级孔隙，天然裂缝主要分布于脆性矿物周围，缝宽约0.1 μm；海相页岩主要发育粒间孔和粒内孔，还有少量的有机质孔，粒内孔主要由长石等矿物溶蚀而成。

2.2 微观孔隙特征

2.2.1 孔隙分布分形维数

分形理论可定量表征不规则几何表面复杂程度与分布特征，被广泛应用于表征岩石表面孔隙分布的不均匀性[19]。基于分形原理，将扫描电镜原始灰度图像（图2a）进行二值化处理（图2b），可以定量提取原始灰度图像中的孔隙。根据阈值划分方法[20]，可以有效降低误差。在使用图像处理软件对灰度图像进行阈值分割时，应注意选择同分辨率、同亮度、同放大倍数的扫描电镜原始图像。采用计盒维数法，使用边长为L的盒子将二值图像覆盖（图2c），计算分形维数：

将盒子数与盒子边长取双对数进行线性拟合可确定分形维数：

盒子数与盒子边长的双对数具线性关系，相关系数均大于0.98，表明页岩表面孔隙分布具有良好的分形特征（图3）。

陆相页岩样品的分形维数为1.705 5～1.745 6，平均为1.722 2；海相页岩样品的分形维数为1.565 1～1.644 7，平均为1.594 1。陆相页岩孔径分布分形维数大于海相页岩，表明陆相页岩孔隙结构更复杂且微小孔隙更多。

2.2.2 孔径分布

核磁共振实验测得3 个陆相页岩样品的孔隙度分别为3.50%、3.60%和3.69%，3 个海相页岩样品的孔隙度分别为6.48%、7.35%和6.59%。陆相页岩平均孔隙度约为海相页岩的52.72%，说明陆相页岩比海相页岩更加致密。海相页岩与陆相页岩样品的核磁共振T2谱具有明显差异（图4）：3 个海相页岩样品之间离散性较低，核磁共振T2谱呈现明显双峰特征，主峰近于左右对称，主峰旁的右峰与主峰之间几乎没有连续性，非连续双峰T2谱上10～100 ms 的峰表示存在微裂缝[21]，因此海相页岩除了发育中孔隙和小孔隙外，还存在微裂缝；陆相页岩核磁共振T2谱呈明显的3 峰，且3 个峰之间均没有连续性，说明其孔隙结构更加多样，此类岩石内部除了发育微小孔隙和微裂缝，还可能存在大尺寸裂缝，这与扫描电镜观测结果相符。

目前尚未有统一的页岩孔隙分类标准，本文借鉴前人对泥页岩的分类方法[22]，将孔隙分为微孔（直径＜2 nm）、中孔（直径2～50 nm）和宏孔（直径＞50 nm）。由于页岩主要发育纳米级孔隙，表面弛豫起主要作用，故忽略体弛豫和扩散弛豫后，孔隙流体的核磁共振横向驰豫时间表达式为[23]：

将孔隙简化为球体，则有：

将裂缝简化为圆柱体，则有：

海相页岩表面弛豫率为10.0 nm/ms[24]，陆相页岩表面弛豫率为4.6 nm/ms[10]。此外，在根据核磁共振T2谱计算孔隙直径时，对于具有双峰特征的海相页岩，采用（4）式计算其左峰孔隙直径，（5）式计算其右峰孔隙直径；对于陆相页岩采用（4）式计算其左峰孔隙直径，（5）式计算其中峰和右峰的孔隙直径。结果表明，陆相页岩孔隙直径峰值为9.08～10.43 nm（图5），微孔占7.80%～8.32%，中孔占81.48%～83.44%，宏孔占0.07%～1.04%；海相页岩孔隙直径峰值为22.69～30.01nm，微孔占0.25%～4.08%，中孔占71.21%～75.69%，宏孔占12.36%～16.62%。可以看出，海相页岩宏孔比例明显大于陆相页岩，而陆相页岩则主要发育中孔和小孔。

根据海相和陆相页岩的孔径分布曲线，对各个峰下包面积进行积分，得到孔隙和裂缝占比，其中左峰代表孔隙，中峰代表微裂缝，右峰代表大尺寸的裂缝。海相页岩裂缝占比6.24%～7.99%，平均为7.22%；陆相页岩裂缝占比8.03%～9.31%，平均为8.74%。海相页岩孔隙峰值显著高于陆相页岩，孔隙体积占比更高，且孔径分布范围更广，但陆相页岩微裂缝更加发育，还存在一定数量的大尺寸裂缝（表1）。

表1 页岩样品核磁共振孔径分布特征Table 1.Characteristics of NMR pore size distribution in shale samples

2.3 层理发育特征

页岩层理发育程度对水力压裂裂缝形态及复杂程度影响较大，CT 扫描结果表明，页岩样品均具有层理结构，层理角度为1°～3°。陆相页岩平均层理间距为1.79 cm，海相页岩平均层理间距为5.67 cm，陆相页岩的层理更发育。此外，陆相页岩还发育天然裂缝。

3 水力压裂实验分析

3.1 压力特征

根据6 个页岩样品的水力压裂泵压曲线（图6），可将压裂分为4 个阶段：压裂液沿井筒进入岩石样品，在注液初期，由于井筒本身占据一定空间，故此时压力上升较为缓慢；随着压裂液充满井筒，泵压迅速升高，当达到岩石破裂强度时，样品内部起裂；水力压裂裂缝沿着井筒不断延伸直至形成贯穿裂缝，此阶段持续时间较短，泵压相对稳定；当样品内部形成贯穿裂缝后，泵压急剧下降并基本稳定于围压值。6 个页岩样品的起裂压力存在一定离散性，体现了页岩的各向异性。海相页岩平均起裂压力为36.61 MPa，高于陆相页岩的29.88 MPa。陆相页岩样品CS-1 和CS-2具有相似趋势的泵压曲线，而样品CS-3 的泵压曲线则明显不同，除了管路中残余水或实验管路发生轻微泄露导致压力上升缓慢外，样品CS-3 发育沿层理方向的天然裂缝，在注液过程中压裂液滤失率较大。此外，样品CS-3 的压裂裂缝被天然裂缝捕获，发生偏转，最终沿层理剪切破裂，造成泵压上升缓慢。

经典岩石力学理论认为，水力压裂过程中岩石的破裂是由于井内压裂液密度过大使岩石所受应力超过岩石抗拉强度形成[25]。岩石产生拉伸破坏时的起裂压力为：

假设岩石完全不可渗，即δ=0 时，起裂压力的理论上限值为：

由此计算出陆相页岩与海相页岩起裂压力理论上限值分别为26.92 MPa和28.87 MPa。2种页岩均属于裂隙性多孔介质，在相同应力条件下，岩石的起裂涉及裂隙性多孔介质流-固耦合作用，并受到岩石自身抗拉强度、层理、天然裂缝及孔隙压力的影响。按照有效应力理论[26]，孔隙压力的存在会使得岩石的有效应力减小，在相同应力条件下，岩石更容易被破坏，从而降低起裂压力，因此高孔隙度的岩石往往起裂压力更低。海相页岩基本符合这一规律，孔隙度最大的样品MS-3（孔隙度为7.35%）的起裂压力最低，为34.82 MPa。但对于黏土矿物含量更高的陆相页岩，由于黏土矿物具有较强的水敏性，当水进入页岩时，黏土矿物发生水化膨胀和分散转移，从而堵塞渗流通道，降低岩石渗透率，减缓了压裂液在岩石孔隙中的扩散速度。陆相页岩平均孔隙度为3.59%，仅为海相页岩平均孔隙度（6.81%）的52.72%，而陆相页岩的平均起裂压力却低于海相页岩，说明孔隙压力对于陆相页岩的影响较海相页岩更小，高黏土矿物含量导致的低力学强度才是陆相页岩起裂压力低于海相页岩的主要原因。

压裂液进入井筒后，更容易进入大孔隙及天然裂缝，使井筒周围有效孔隙压力迅速升高，增大井筒所受应力，从而进一步降低起裂压力。水力压裂后页岩样品的裂缝形态主要分为2 种：一种是先沿着井筒从上向下拓展，在遇到软弱结构面（层理、天然裂缝等）后被捕获并偏转和延伸，形成垂直于主裂缝的剪切裂缝，直至达到样品边界完全起裂；另一种是从上到下沿井筒近似对称的单一贯穿主裂缝，反映了页岩在应力大于其抗拉强度时产生的张拉破坏。延长组陆相页岩发育天然裂缝及层理，在水力压裂过程中，压裂液沿主裂缝更易产生剪切裂缝，进而形成复杂的裂缝网络。

3.2 页岩脆性评价指标

页岩脆性是评价页岩可压性的重要参数之一。脆性越好的岩层经水力压裂更易形成张拉和剪切裂缝，进而形成范围更大、形态更复杂的破裂面。基于材料的抗拉与抗压强度差异，前人提出的强度比值法被广泛应用于表征岩石材料脆性破坏特征[27]，此外，有学者提出脆性矿物指数法描述页岩的脆性[28]。本文基于强度比值法和脆性矿物指数法选取3 种岩石脆性评价指标：

根据力学实验的结果，分别计算2 种页岩的脆性评价指标。通常高单轴抗压强度、高弹性模量和低泊松比是反映岩石裂缝快速扩展的重要指标。陆相页岩平均弹性模量为32.51 GPa，平均泊松比为0.32；海相页岩平均弹性模量为46.35 GPa，平均泊松比为0.24。陆相页岩的抗拉强度、单轴抗压强度、杨氏模量均低于海相页岩，泊松比高于海相页岩。陆相页岩的3 种脆性指标平均值分别为9.90、0.816和60.89%，明显低于海相页岩的14.84、0.877 和68.29%。由X 射线衍射测试结果可知，海相页岩的脆性矿物含量（67.9%）明显高于陆相页岩（48.4%），说明海相页岩的脆性优于陆相页岩。

随着压裂液的注入与泵压的不断升高，在岩石天然缺陷或微裂缝处应力集中且集聚大量能量。当岩层起裂时，大量集聚的能量突然释放，微裂缝快速延伸，剪切裂缝形成。前人认为脆性越好的岩层，越能够充分破碎，越易形成更加复杂的裂缝网络[29]。对于富含天然弱面的岩体，当水力裂缝遇到天然裂缝或被天然裂缝捕获时，主裂缝发生偏转并沿天然裂缝延伸发生剪切破坏，或水力裂缝直接穿过天然裂缝，使天然裂缝内压力持续提高进而开启形成次级裂缝，这2 种情况均有利于形成复杂裂缝网络和获得充足储集层改造体积。因此，脆性差的陆相页岩反而拥有更低的起裂压力和更复杂的缝网结构。对于陆相页岩这类层理发育、富含天然弱面的岩体，只采用单一脆性指标评价其可压性是不准确的，应结合其天然弱面发育情况进行综合评价。

陆相页岩起裂压力更低、缝网结构更好，具备良好的压裂潜力，但低孔隙率、低渗透率及高水敏性的特点使得水力压裂效果与海相页岩存在一定差距。同时，中国陆相页岩气主要分布于北方水资源相对匮乏的地区，采用水力压裂会增加环境压力[30]。因此，针对陆相页岩气的开发，建议找寻一种高效、节能和环保的压裂物质。

4 结论

（1）海相页岩富含石英、方解石及长石，含量约占76.6%，主要发育粒间孔和有机质孔；陆相页岩黏土矿物含量更高，约占45.3%，主要发育粒间孔、粒内孔、晶间孔等。陆相页岩扫描电镜孔径分布分形维数为1.705 5～1.745 6；海相页岩扫描电镜孔径分布分形维数为1.565 1～1.644 7，陆相页岩孔隙结构更加复杂。海相页岩平均孔隙度约为陆相页岩的2 倍，孔径峰值显著大于陆相页岩，主要发育中孔及宏孔；陆相页岩微孔及中孔占比更高，层理、微裂缝及天然裂缝更加发育。

（2）海相页岩平均起裂压力为36.61 MPa，高于陆相页岩的29.88 MPa，这主要是由于黏土矿物含量高导致力学强度低，此外，孔隙压力对陆相页岩起裂压力的影响不显著。

（3）海相页岩3 个脆性指标均高于陆相页岩，但陆相页岩易沿着天然裂缝方向产生垂直于主裂缝的剪切裂缝，剪切裂缝的形成及天然裂缝的开启有利于复杂裂缝网络的形成，故脆性较差的陆相页岩起裂压力更低且缝网结构更复杂。仅采用单一脆性指标评价陆相页岩可压性不够准确，应结合其天然弱面发育情况进行综合评价。

（4）陆相页岩起裂压力更低、缝网结构更好，具备良好的压裂潜力，但低孔隙率、低渗透率的特点导致其实际产气量低于海相页岩。同时，陆相页岩气开发过程中，黏土矿物的水敏性不利于水力压裂改造储集层，水作为压裂液存在不足。

符号注释

b——线性拟合的截距；

B1、B2、B3——岩石脆性指数；

D1——孔隙分布分形维数；

L——盒子边长；

N——盒子数；

pf——起裂压力，MPa；

pm——岩石内部孔隙压力，MPa；

R——孔隙直径，nm；

S——孔隙表面积，nm2，

T2——横向弛豫时间，ms；

V——孔隙体积，nm3；

w——裂缝宽度，nm；

W——总质量分数，%；

WC——碳酸盐矿物质量分数，%；

WF——长石质量分数，%；

WQ——石英质量分数，%；

α1——比奥系数；

δ——渗透率相关系数；

ν——泊松比；

ρ——表面弛豫率，nm/ms；

σc——岩石单轴抗压强度，MPa；

σh——最小水平主应力，MPa；

σH——最大水平主应力，MPa；

σt——岩石抗拉强度，MPa；

φ——岩石孔隙度，%。