富有机质页岩的岩石力学性质及其影响因素研究进展

2024-01-14张瑶珈陈志鹏于春勇屈凯旋施宝海

录井工程 2023年4期

张瑶珈陈志鹏于春勇董峰屈凯旋施宝海

（①西安石油大学地球科学与工程学院；②西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室；③中国石油渤海钻探第一录井公司；④中国石油渤海钻探第二录井公司；⑤中国石油渤海钻探油气合作开发分公司）

0 引言

在过去的几十年，不断增长的化石能源需求推动了非常规油气资源的开发，页岩油气等非常规油气资源不仅彻底改变了美国的能源格局，而且深刻影响了全球能源格局。页岩通常由富有机质的碎屑或碳酸盐沉积物组成，具有油气储量大、分布广、开采潜力大等特点[1]。但由于页岩储层固有渗透率极低，需要采用先进的增产技术才能实现工业油气生产。众所周知，页岩油气的开发能取得成功很大程度上归功于水平钻井和多级水力压裂技术的应用。大型水力压裂通过创建一个宽的、复杂的、可渗透的裂缝网络，促进油气在页岩地层中的流动[2]。

成功的压裂作业就是在有限支撑剂嵌入的页岩储层中最大限度地增加压裂岩石体积，这就需要页岩储层具有高脆性的特征，以防止天然裂缝和水力压裂裂缝的快速愈合，并降低重新启动裂缝所需的破裂压力[3]。然而，并不是所有的水力压裂都可以显著提高页岩的油气产量。人们发现不同成分和组构的页岩对水力压裂的响应存在较大的差异，即使是具有相似矿物组成、有机质丰度和热演化程度的同一套页岩在不同深度条件下也表现出完全不同的可压性[4]。因此，页岩油气能否通过水力压裂成功实现增产改造很大程度上取决于页岩的岩石力学性质[5]，开展富有机质页岩的岩石力学性质及其影响因素研究，对于筛选页岩有利压裂段以及甜点预测具有重要意义[6]。

本文通过整理近年来国内外取得的最新研究成果，对富有机质页岩的岩石力学性质表征进行归纳与总结，梳理影响页岩岩石力学性质的主要因素，展望页岩岩石力学研究的发展趋势，旨在加深对这一领域的了解和认识，以期对富有机质页岩岩石力学性质的应用和研究有一定的启示作用。

1 富有机质页岩的岩石力学参数

富有机质页岩是指具有相对较高有机质丰度和热成熟度的页岩，具体而言，它通常被定义为TOC（总有机碳）含量为0.5%～5.15%的页岩，其热成熟度介于成熟到过成熟之间，且具有一定的储层物性特征和可经济开采的潜力[7]。页岩中的有机质在地质历史漫长的作用下，会形成孔隙和裂缝等微观结构，并对页岩的岩石力学性质产生重要影响，涉及到多个因素的相互作用，主要包括弹性、强度、脆性等力学参数。本文对页岩储层评价中较为常用的岩石力学性质及其表征参数分述如下。

1.1 弹性

富有机质页岩的弹性性质表现为岩石受力后能够恢复原来的形状和大小。人们通过大量的实验建立了岩石应力-应变的关系，并在此基础上，采用剪切模量（μ）、体积模量（K）、杨氏模量（E）、泊松比（υ）和拉梅系数（λ）共5个参数来定量表征岩石弹性。

这5个弹性参数相互关联，只需得到其中两个，就可求取其余量。在页岩储层评价中，杨氏模量和泊松比使用最为广泛，前者指示岩石抵抗形变能力，后者反映岩石横向变形系数。杨氏模量和泊松比这两个地质力学参数被认为是水力压裂处理评价的关键参数[8]。一般认为，泊松比越大，岩石可压缩性越高，而杨氏模量越大，岩石抵抗外力的能力越强，硬度越高。因此，杨氏模量高、泊松比低的岩石通常被认为是脆性的，更容易在应力作用下破裂，并保持开放的裂缝。相比之下，杨氏模量低、泊松比高的岩石被认为是延性的，更能抵抗岩体起裂[6]。

1.2 强度

岩石的强度性质是指岩石抵抗外力破坏的能力。常见的指示岩石强度性质的参数包括：抗压强度、抗剪强度、抗拉强度。常用的岩石强度计算准则包括莫尔-库仑破裂准则、格里菲斯强度理论。莫尔-库仑破裂准则认为均质物体发生破坏是因为其中某个面的剪切应力超过其所能承受的极限剪切应力，并建立了剪应力和正应力之间的函数关系，进而得到抗剪强度；格里菲斯强度理论认为物体是不均匀介质，其内部存在很多微小的裂纹或裂隙，在应力作用下，这些裂纹或裂隙周围会发生应力集中，当应力值超过其抗拉强度时，原有裂纹或裂隙会进一步扩展进而导致物体完全被破坏[9]。

但在实际应用中，这两种准则仍存在以下问题：（1）莫尔-库仑破裂准则的线性描述过于简单，无法反映材料破坏变形的非线性效应，且没有考虑中间主应力的影响，不符合实验结果所反映的事实，此外，对空间中的不光滑棱角也不便于开展数值模拟；（2）格里菲斯强度理论虽然考虑了岩石内随机取向和分布的微隙裂缝和孔隙对岩石强度的影响，但其预测的岩石单轴抗压强度与实验结果相差很大，并且围压越大，预测结果误差越大。因此，对不同的强度变形准则进行融合和拓展对研究岩石强度性质具有重要意义。

1.3 脆性

关于脆性的定义目前仍存在一定的争议。Rickman R 等[1]将脆性定义为杨氏模量和泊松比的函数。一般认为，脆性岩石具有低泊松比和高杨氏模量，这表明它们分别具有断裂和保持断裂的能力；而延性岩石则被认为是具有低杨氏模量和高泊松比的岩石。Jarvie D M 等[10]则将脆性指数定义为脆性矿物与总矿物的比率。一般认为，岩石中脆性矿物含量越高，岩石的脆性程度也越高，越容易发生破裂或断裂。综合大量研究认为，脆性是岩石断裂能力的衡量指标，是岩性、矿物组成、总有机碳（TOC）、有效应力、储层温度、成岩作用、热成熟度、孔隙度和流体类型的复杂函数[11]。

尽管富有机质页岩通常被认为是一种软性岩石，但实际上也具有一定的脆性。这种脆性主要来源于以下几个方面：（1）页岩中的有机质质量分数较高，但它的密度相对较小，内部孔隙相对较大；（2）页岩中的有机质通常含有许多微小的孔隙和裂隙，这些微观结构容易受到外力的影响而发生变形和破坏，从而导致页岩的破裂；（3）富有机质页岩通常比较软且脆弱，其中的有机质往往较软且易于破碎，这使得它在承受外力时，容易发生微观破裂，随后扩展并导致整块页岩的断裂[6]。

2 影响页岩储层岩石力学性质的主要因素

影响页岩储层岩石力学性质的因素非常多，前人围绕矿物组分、有机质、含水率、围压、温度、层理、天然裂缝、各向异性等因素开展了大量的研究。明确不同因素影响页岩储层岩石力学的规律和机制，对页岩油气开发具有重要意义。

2.1 矿物组分

页岩主要由黏土矿物、石英、长石和碳酸盐等泥级矿物和微孔隙组成。这些矿物的粘结作用会影响岩石的力学性质，如强度、弹性模量等。已有研究表明，矿物组成（如石英、黏土矿物、碳酸盐、长石和黄铁矿含量）和总有机碳（TOC）与岩石力学参数相关性较强[1]。

Kumar V 等[12]构建了石英、石英+碳酸盐、碳酸盐、长石、黄铁矿、黏土矿物等矿物成分与总有机碳（TOC）、孔隙度（ϕ）、杨氏模量（E）和硬度（H）的相关性矩阵（表1），结果表明，杨氏模量与黏土矿物、碳酸盐、长石、总有机碳和孔隙度之间的相关关系密切。

表1 矿物成分与TOC、ϕ、E、H的相关性矩阵（据文献[12]）

Rybacki E 等[5]通过对德国西北部下侏罗统明矾页岩、巴耐特页岩等页岩样品研究发现，单独处理矿物成分得到的相关性不明显，但将孔隙度、强相（石英+长石+黄铁矿）含量、弱相（黏土矿物+TOC）含量、碳酸盐含量与杨氏模量相结合则能建立良好的相关性（图1）。实验结果表明，杨氏模量随着孔隙度的增加而降低（图1a），随着强相（石英+长石+黄铁矿）含量的增加而增加（图1b）。在应力平行于层理的情况下，杨氏模量随着弱相（黏土矿物+TOC）含量的增加而增加（图1c），随着碳酸盐含量的增加而降低[5]（图1d）。总体上，石英、长石、碳酸盐和孔隙被认为是相对脆性的，而黏土被认为是延性的。页岩中各种矿物的含量和比例各不同，会对脆性和强度等产生迥然不同的影响，很难用单一矿物或某几种矿物来确定岩石力学性质，而需要在勘探过程中综合分析。

图1 孔隙度、强相含量、弱相含量、碳酸盐含量与杨氏模量的关系（据文献[4]）

2.2 有机质

有机质丰度和有机质成熟度是影响页岩产气量的重要因素，对力学性质也具有重要影响。热成熟度通过改变页岩有机质性质进而影响页岩的岩石力学性质，但这也取决于有机质丰度的高低。有机质丰度较低时，热成熟度对脆性的影响不明显。Vanorio T等[13]提出了页岩成熟度与镜质体反射率和各向异性参数之间的关系。根据他们的发现，尽管富有机质页岩的各向异性是一个复杂的成熟度函数，但一般来说，从未成熟到早成熟阶段，各向异性会增加。

虽然弹性模量与TOC 含量似乎表现为一个复杂函数关系，但一般可以推断，有机质的增加将导致杨氏模量的增加和泊松比的降低，可以解释为脆性的增加。Ibanez W D 等[14]、Passey Q R 等[4]、Dong T 等[6]也研究过脆性与TOC 含量之间的类似关系，这些研究结果可以直接归因于有机质密度相对较低，通常在1.1～1.4 g/cm3范围内[5]，导致岩石体积密度和声波速度降低。此外，对不同来源和成熟度的有机质的直接实验测量表明，其杨氏模量范围为0～40 GPa，远小于主要岩石成分方解石（79 GPa）、白云石（120 GPa）和石英（96 GPa）的近似值。干酪根的刚度与热成熟度之间的正相关关系通常被归因于有机质组分分子结构的改变，使其更加稳定[15]。

此外，大量研究表明，页岩储层中的有机质热解产物会与黏土矿物反应，从而影响岩石的力学性质[8]。已有实验表明有机质热裂解产生的烃类会增加矿物颗粒之间的联系，导致可变形性下降或相当于增加杨氏模量[16]。另一方面，Labani M M 等[8]认为有机质孔隙度的演化、含水饱和度的降低和页岩储层超压都是热成熟度的直接或间接结果。这些变化会降低页岩储层的体积密度和声波速度，进而增加脆性。脆性与TOC 含量的相关关系在所有成熟度范围内都很明显，表明有机质在所有阶段的岩石骨架中都起着承载作用。

相对而言，成熟度的变化与页岩脆性的关系显得更复杂。事实上，只有当岩石中的有机质足够丰富并以有效的方式分布时，由热演化引起的有机质物理性质的微小变化才有可能改变其整体力学行为[15]。

2.3 含水率

含水率是影响页岩岩石力学性质的另一个重要因素。适量的水分可以提高页岩的强度和韧性，但过多的水分会使其变得脆弱[17]。

Liu Z 等[18]分别研究了黏土岩样在围压12.4 MPa条件下不同含水率（干燥、76%、85%和98%）的断裂模式（图2）。结果表明干泥岩试样的断裂面比湿泥岩试样的断裂面粗糙，说明水的存在使材料颗粒间的摩擦变弱。此外，试样轴向与断裂面夹角（α）显示随着含水率的增加，夹角逐渐增大，表明岩石试样的脆性降低。岩石的脆性变化与含水率具有良好的相关性，即含水率越高，岩石的脆性越低。

图2 黏土岩样在不同含水率条件下的断裂模式（据文献[18]）

水的存在对页岩的强度和弹性有很大的影响。假设强度和含水率之间存在线性关系，随着含水率的增加，水化页岩的峰值强度降低的梯度要明显大于脱水页岩。水的存在和数量也可能通过物理化学过程降低页岩的强度和弹性，例如渗透膨胀和毛细吸力。从图3可以看出，随着渗透压的增加，页岩的抗压强度显著降低。这是由于渗透压和细观结构的不均匀性所导致的，且渗透压越大，效果越明显。

图3 不同渗透压下层理角度与抗压强度的关系（据文献[19]）

2.4 围压

不同围压下页岩的破坏模式存在明显差异，围压会对岩石的强度、弹性、纵横波速度等产生重要影响。对三轴试验后的页岩样进行裂缝形态CT 扫描，结果显示裂缝分布的分形维数几乎随着围压的增大而增大。此外，反映了形成复杂裂缝网络能力的压裂裂缝密度也随围压的增大而增大。Wang Y 等[20]通过模拟实验提出页岩压裂裂缝形态的发育同时取决于围压和层理方向。

通常情况下，围压会增加页岩中微裂隙的闭合度，导致杨氏模量和强度增大、泊松比和脆性减小。研究表明：当页岩处于较低围压（<50 MPa）时，增加围压使得杨氏模量的增大趋势加快；当处于中高围压时，杨氏模量几乎保持不变（图4）[5]。

图4 页岩围压与杨氏模量的关系（据文献[5]）

2.5 温度

地层中页岩所处的环境温度随埋藏深度增加而升高。随着地层深度的增加和温度的升高，页岩的力学性质会发生变化，其中包括强度、塑性和脆性等方面。温度的升高促进了塑性变形，降低了强度。

Rybacki E 等[5]测试了在压力约为50 MPa、温度由60℃增加至100℃时，实验条件下页岩的岩石力学性质变化。天然页岩处于这个阶段时，往往发生蒙脱石脱水，转化为脆性更大的伊利石。实验表明，随着温度的升高，页岩峰值强度几乎呈线性下降（图5a）。页岩强度的温度依赖性是典型的热激活变形机制，如黏土矿物的错位滑动。与峰值强度变化相似，大多数样品的杨氏模量也随着温度的升高而降低（图5b）。Masri M 等[21]将页岩置于不同围压、温度范围20～250℃实验条件下也得出了类似的结论。

图5 页岩温度与峰值强度、杨氏模量的关系（据文献[5]）

2.6 层理

层理面是页岩中层状沉积构造和胶结作用较弱的部位，也是控制页岩各向异性的主要构造因素。Ibanez W D 等[14]、Niandou H 等[22]和Masri M 等[21]先后开展了不同加载方向对页岩层理的压力敏感性研究，结果表明，页岩单轴抗压强度和杨氏模量主要取决于相对于层理取向的加载方向。Gholami R 等[23]观察到，在实验环境条件下，平行于层理加载的试样，其单轴抗压和抗拉强度通常略低，但杨氏模量高于垂直于层理加载的试样。因此，页岩的脆性也在很大程度上取决于层理面和加载方向。

Vernik I 等[24]认为，页岩中声波速度的强各向异性很大程度上取决于平行于层理面的有机物质和黏土矿物的透镜状分布。Hornby B E 等[25]研究黏土薄片中页岩力学各向异性的分布影响也得出了类似的结论。

2.7 天然裂缝

天然裂缝是指在岩石中自然形成的开裂或裂隙。对于富有机质页岩的岩石力学性质而言，天然裂缝可能会产生重要影响。首先，天然裂缝会破坏岩石的连续性和完整性，使得岩石在这些区域内的强度和刚度降低，从而使整体岩石的强度和刚度受到影响[5]；其次，天然裂缝可能会影响有机质岩石的应力传递。岩石中的应力通常是通过岩石内部颗粒间的摩擦和压缩传递的，而天然裂缝的存在可能导致应力在这些裂缝中聚集和变形，从而影响整体岩石中应力的传递和分布[26]。

此外，天然裂缝还可能导致有机质岩石的渗透性增加。天然裂缝可能会成为水或其他流体的通道，从而使得有机质岩石中流体的渗透性增加，这可能会对岩石的物理和力学性质产生影响。已有研究表明，脆性页岩中的天然裂缝通常较为发育，而韧性页岩中的天然裂缝则更倾向于闭合[27]。

2.8 各向异性

各向异性指的是材料在不同方向上的性质不同，对于有机质岩石的力学性质有重要影响。页岩不同力学参数的各向异性表现不同，杨氏模量各向异性较弱，而断裂韧性各向异性较强。平行层理方向断裂韧性为垂直层理方向断裂韧性的80%。

富有机质页岩是一种细粒沉积岩，具有复杂的多相体系，基本成分包括石英、长石和黄铁矿等硬矿物，以及软黏土颗粒和有机物质，其力学行为取决于其无机组分和有机组分的性质。由于沉积环境的演化，这些组分的含量呈现出多样性[28]。

此外，页岩通常是横向各向同性的。页岩的力学试验和概念/数学模型都需要考虑各向异性，这主要是由各向异性黏土颗粒的优选方向决定的。因此，页岩成分非均质性和各向异性是研究页岩力学性质的两个主要课题。

3 岩石力学性质在页岩开发中的应用及展望

岩石力学性质在富有机质页岩开发中起着至关重要的作用，目前已在储层力学性质评价、水力压裂设计、岩石断裂和裂缝预测以及井筒稳定性评估方面得到了广泛应用。但在其应用中仍存在许多问题，特别是关于富有机质页岩力学评价的方法仍不统一。例如，由于对脆性指数定义方法的不同，也随之产生了多种评价方法，包括：基于弹性参数的方法、基于矿物成分和含量的方法、基于应力与应变关系的方法、基于强度的方法、基于能量关系的方法等。虽然页岩脆性的评价方法众多，但尚未有一种方法能得到广泛认同。由于富有机质页岩岩石力学性质的影响因素众多，并且页岩的脆性并不完全是固定的，而是随着环境条件的变化而变化，未来很有必要建立基于岩石力学性质的页岩分类标准，在开展岩石力学性质评价时，根据不同类型的岩石选择相应的计算方法和参数。

由于水力压裂的复杂性，了解页岩的岩石力学性质是成功增产致密岩石储层、提高产量、评估井眼稳定性以及评估钻井、压裂和生产过程中稳定钻井液密度窗口的关键[5]。虽然水力压裂技术在工程应用上取得了前所未有的成功，但在针对埋藏深度超过4000 m 的页岩储层方面，突破性的压裂技术进展缓慢，这与对深层页岩的岩石力学性质变化规律认识不足有很大关系，特别是在岩石性质（如矿物学、孔隙度和渗透率）、天然裂缝以及围压和温度等影响裂缝的扩展和闭合行为方面的研究仍不足[29]。

此外，随着技术的不断进步，未来页岩开发中岩石力学性质的应用将更加广泛。处于数字时代，人工智能在岩石力学方面的应用前景也非常广阔，例如：利用机器学习和深度学习技术可以对地质数据进行处理和分析，预测钻井现场事故（如井喷、套管变形、井眼坍塌等）的概率和影响程度以及压裂现场的人造裂缝延伸；利用计算机视觉和图像处理技术来分析岩石的图像数据，识别区分不同类型的岩石和矿物，帮助矿物勘探和采矿过程中的矿物分离和提取；利用计算机模拟技术，模拟岩石开采过程中的力学响应，更好地预测岩石的应力响应和变形行为，结合不同尺度的实验和模拟结果，建立多尺度的岩石力学模型，了解页岩的结构和力学行为，进一步优化开发方案等。