川南威远地区筇竹寺组页岩力学性质及可压性评价

2022-05-18肖剑锋胡棚杰韩烈祥沈建国李忠慧

钻采工艺 2022年2期

肖剑锋, 胡棚杰, 韩烈祥, 沈建国, 李忠慧

1中国石油川庆钻探工程有限公司 2长江大学石油工程学院 3长江大学油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏研究室

0 引言

威远区块是四川盆地南部页岩气有利区，为国家级页岩气示范区。在四川盆地及周缘地区主要分布着大安寨段、须家河组、龙潭组、龙马溪组、筇竹寺组、陡山沱组等6套富有机质页岩[1]，其中龙马溪组和筇竹寺组页岩在威远区块最具有良好的勘探开发潜力。

目前，对威远区块龙马溪组页岩力学性质的研究已经取得了丰富成果，徐中华等[2]通过对龙马溪组页岩有机质成熟度的划分，分析了不同有机成熟度页岩的力学性能表现。刘洪等[3]通过龙马溪组页岩对不同溶液体系的吸水性研究，分析了页岩水化作用对岩石力学性质的影响。熊健等[4]通过对不同方位上的页岩试验，分析了龙马溪组页岩力学特性的各向异性特征。王斌等[5]通过对龙马溪组页岩矿物组分的分析，得到了页岩动静态弹性参数的变化规律。崔春兰等[6]从测井资料出发，对龙马溪组页岩储层特征和对岩石可压性影响因素进行了研究，并建立了相关的页岩储层可压裂性的数学模型。

威远区块龙马溪组页岩岩石性质研究很好地支撑了页岩气实现商业化开采，但筇竹寺组页岩作为油气产能重要接替层位的研究相对较少。白名岗等[7]通过对泥页岩的矿物组分和微观特征的综合分析，得到了研究滇东曲靖地区筇竹寺组泥页岩储层特征及孔隙类型。王鹏万等[8]通过对筇竹寺组页岩元素地球化学特征及形成的古环境研究，认为筇竹寺组一段相对于二、三段更具有开采价值。王瀚玮等[9]通过随钻测井计算方法的研究，建立了筇竹寺组页岩相关的脆性指数计算方法。据董大忠等[10]对威远区块页岩气藏资源的研究表明，筇竹寺组是最有利页岩气藏勘探开发层段，值得进一步深入研究，但页岩基础力学及可压性研究仍不够充分，因此开展相关研究对威远区块页岩气持续高效开采具有重要意义。

以往对于筇竹寺组页岩的研究主要偏向于对地质储量、甜点预测、成藏机理的研究，对力学特征的研究较少，对地层压裂设计会产生影响。笔者对筇竹寺组进行了矿物组分分析、抗压和抗拉强度及地应力大小测试，从微观特征和力学特征的角度对筇竹寺组页岩进行了评价，并与龙马溪组页岩进行了对比分析，并基于此进行了可压性分析评价，研究结果对筇竹寺组页岩的高效开发起到一定的借鉴作用。

1 页岩微观特征研究

1.1 页岩矿物组分特征

全岩矿物和黏土矿物X衍射分析采用Bruker D8 Advance 型 X 射线衍射仪测试，严格按SY/T 5163—2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》标准完成。测试结果显示，威远区块筇竹寺组页岩主要属于硅质页岩，少部分属于混合质页岩(图1)，而龙马溪组页岩主要为混合质页岩。筇竹寺组和龙马溪组页岩矿物组分均以石英和黏土矿物为主，长石、方解石等脆性矿物次之，白云石、黄铁矿等自生矿物最少(图2)。

图1 筇竹寺组页岩矿物组分三元图

图2 全岩矿物组分相对含量直方图

两组页岩脆性矿物含量(石英+长石+方解石)均大于50%，高于行业认可的压裂标准(脆性矿物含量≥40%)，具备产生复杂的裂缝系统的基本条件，主要差异性体现在长石和方解石含量上的不同。筇竹寺组页岩长石含量远高于龙马溪组长石含量，长石的硬度和脆性都大于方解石，宏观上可能反映出页岩强度较大但易碎的特征。从矿物组分的角度上看，筇竹寺组页岩脆性大于龙马溪组，但具体压裂情况还要取决于压裂施工压力及原始裂缝的分布。

1.2 页岩微观结构特征

页岩微观结构特征分析采用FEI Quanta 250扫描电子显微镜扫描，依据SY/T 5162—2014《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》标准完成。根据测试结果显示，筇竹寺组页岩矿物颗粒之间为泥质胶结，胶结程度中等，孔隙发育较差，但存在大量形态各异的微裂缝。根据裂缝形态统计分类，筇竹寺组页岩裂缝主要存在高角度填充缝、低角度顺层缝、多角度剪切缝、粒间张开缝等四种裂缝。其中以低角度顺层缝(图3b)和多角度剪切缝(图3c)最为发育，约占总裂缝的72%，其次为高角填充度(图3a)和粒间张开缝(图3d)，约占总裂缝的24%，其余裂缝形态无明显规律性。

图3 筇竹寺组页岩空间结构特征图

根据裂缝是否被填充分为完全填充缝、部分填充缝和张开缝三类，其中完全填充缝约占26%，部分填充缝约占10%，张开缝约占64%，常见填充物有方解石和黄铁矿，其中方解石占所有填充材料的95%以上，为绝对主导的填充物。而前人[11-12]对龙马溪组裂缝发育情况研究表明，龙马溪组天然裂缝主要以多角度剪切缝为主，且多按雁列式排列，裂缝宽度集中分布在 1 mm 以内，裂缝填充程度较高，其中完全充填裂缝占裂缝总数的65%, 半充填裂缝占26%, 张开裂缝仅为9%，填充物仍以方解石为主要填充物。

从微观结构特征来说，威远区块筇竹寺组页岩天然裂缝发育程度较高，发育种类丰富，且裂缝有效性较好，完全填充缝仅占26%，低于龙马溪组裂缝填充程度，当施工压力达到岩石强度后，相较于龙马溪组页岩更容易产生复杂缝网。

2 页岩力学特征研究

2.1 抗拉强度测试

地层裂缝的产生是岩石拉伸破坏的表现，当页岩受到的拉应力超过页岩抗拉强度时就会发生拉伸破坏。除此以外，当地层裂缝闭合后将裂缝再次开启需要克服地层岩石的抗拉强度，因此，抗拉强度是页岩压裂的重要参数。抗拉强度采用巴西劈裂法间接测量，采用TAW-2000型岩石三轴试验仪完成，测试结果如表1所示。

表1 威远区块筇竹寺组页岩巴西劈裂试验数据

试验结果表明，筇竹寺组页岩抗拉强度在3.16～4.67 MPa之间，均值为3.82 MPa，龙马溪组页岩抗拉强度在1.42～2.29 MPa，均值为1.65 MPa。岩石抗拉强度较小、差异性不大。筇竹寺组页岩地层天然微裂缝发育，天然裂缝的抗拉强度小于岩石的抗拉强度，因此在压裂时裂缝会优先连通天然裂缝，使压裂裂缝走向不再严格按照最大主应力方向拓展，但地应力仍主导着裂缝走向，对地层压裂的影响较小。

2.2 抗压强度测试

页岩单轴压缩试验采用TAW-2000型岩石三轴试验仪测试，根据DZ/T0276.18—2015《岩石物理力学性质试验规程》标准完成。测试样品为层理面内，以水平主应力方向为起始，以30°为增量钻取的0°、30°、60°、90°岩样，主要进行单轴压缩试验，试验结果如表2所示。

表2 威远区块筇竹寺组页岩单轴压缩试验数据表

通常情况下，弹性模量越高，岩石在破碎后维持破碎形态的能力越强[13]，泊松比越低，脆性破坏的可能越大，两组页岩弹性模量差异性不大，但筇竹寺组页岩泊松比低于龙马溪组，由此认为筇竹寺组页岩脆性条件优于龙马溪组页岩。

2.3 地应力差异系数

地应力是评价页岩储层可压性的关键参数之一，地应力大小影响着压裂裂缝的主要形态，地应力差异性影响着裂缝网络的复杂程度[14]。地应力测试采用DS5-16B全信息声发射仪测试，根据声发射Kaiser效应法测量，地应力测试结果如表3所示。通常情况下，其中一个水平应力最小时，压裂生成垂直裂缝，反之生成水平裂缝。当生成垂直裂缝时，水平地应力的差异性越小，越容易形成复杂缝网。根据测试结果显示，筇竹寺组和龙马溪组页岩均为水平地应力最小，压裂时产生垂直裂缝，水平地应力差异系数在0.10～0.21之间，一般认为地应力差异系数小于0.3时，形成复杂裂缝网络的可能性越大，因此研究区筇竹寺组地层压裂容易产生复杂垂直缝网。