劉修剛，郝世俊，劉修泰，薛 剛，申瑞臣，趙永哲

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安717500；4.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

頁巖儲(chǔ)層是非常規(guī)頁巖氣得以自生自儲(chǔ)的主要聚集基質(zhì)[1]，現(xiàn)今，針對(duì)于四川威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖礦物組成以及力學(xué)特征研究對(duì)象主要集中于井下頁巖，對(duì)于露頭頁巖研究卻很少，同時(shí)井下頁巖制取巖樣過程復(fù)雜、成本較高。因此，本文針對(duì)地面距離相距約五百至七百多米井下與露頭龍馬溪組頁巖進(jìn)行力學(xué)特征研究，進(jìn)行礦物組分、力學(xué)強(qiáng)度以及微觀納米壓痕測(cè)試，研究井下與露頭頁巖礦物組成之間差異性，力學(xué)強(qiáng)度特征遵循的同一性與差異性，微觀模量與宏觀模量在不同圍壓下之間關(guān)系，因此，工程上就可以通過測(cè)試露頭頁巖樣礦物組成、力學(xué)強(qiáng)度特征大致預(yù)測(cè)儲(chǔ)層頁巖礦物組成及力學(xué)強(qiáng)度特征，同時(shí)通過測(cè)試頁巖微觀模量預(yù)測(cè)頁巖宏觀模量。

1 頁巖礦物組分研究

本文利用X衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析井下與露頭龍馬溪組頁巖礦物組分，井下頁巖石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為55.38%、7.25%、12.63%、6.13%、2.5%、16.3%，見圖1a；露頭頁巖石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦及粘土礦物平均含量分別為49.57%、4.14%、26.12%、12%、1.86%、6.29%，見圖1b。井下石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、粘土礦物平均含量均大于露頭，含量差值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%；井下方解石、白云石平均含量小于露頭，差值約分別為13.52%、5.88%，從頁巖整體脆性礦物組成分析發(fā)現(xiàn)，井下脆性礦物平均含量小于露頭，差值約為3.55%。

圖1 井下與露頭頁巖各種巖性礦物平均含量圖

2 頁巖力學(xué)特征研究

2.1 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

選取25mm×50mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸井下與露頭龍馬溪組頁巖樣為對(duì)象，利用MTS型巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行頁巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試研究[2-3]。分別對(duì)21塊井下與13塊露頭頁巖進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試，所加載圍壓依次設(shè)定為1、5、10、20、25、30MPa，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 井下與露頭頁巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)井下與露頭頁巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，井下與露頭龍馬溪組頁巖抗壓強(qiáng)度與測(cè)試所加載圍壓均呈正相關(guān)性，測(cè)試加載圍壓越大，頁巖達(dá)到峰值破壞較為遲緩[4-5]，相同加載圍壓下，井下頁巖平均抗壓強(qiáng)度低于露頭頁巖平均抗壓強(qiáng)度，見圖2。

圖2 井下與露頭頁巖抗壓和圍壓之間關(guān)系曲線

井下與露頭頁巖彈性模量平均值隨著測(cè)試圍壓增大，其值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，井下頁巖彈性模量隨測(cè)試圍壓變化幅度較大，露頭頁巖彈性模量隨測(cè)試圍壓變化幅度較小，見圖3a。井下與露頭頁巖泊松比與測(cè)試加載圍壓均呈無規(guī)律狀排列，它們之間存在一種不確定關(guān)系，見圖3b。

圖3 井下與露頭頁巖彈性模量和泊松比與圍壓之間關(guān)系曲線

3 頁巖微觀納米壓痕測(cè)試研究

3.1 微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

本文利用Keysight科技公司G200納米壓痕儀（納米壓痕儀器如圖4a）測(cè)試頁巖各種礦物組成的彈性模量，納米壓痕儀最大載荷500mN、載荷分辨率50nN、加載速率5～100N/min，位移測(cè)量范圍0～1.5mm，位移測(cè)量分辨率小于0.01nm[6]。

納米壓痕實(shí)驗(yàn)巖樣分別選取力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試之后的井下與露頭龍馬溪組頁巖屑，將小頁巖屑試樣鑲嵌并固化于環(huán)氧樹脂中，然后采用碳化硅研磨紙（0.5μm）和氧化鋁研磨膜（0.3～0.01μm）對(duì)小巖樣表面進(jìn)行機(jī)械拋光，納米壓痕實(shí)驗(yàn)樣見圖4b。

圖4 微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

3.2 納米壓痕測(cè)試結(jié)果及微觀彈性模量研究

利用微觀納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)大量井下與露頭龍馬溪組頁巖樣進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，同時(shí)基于納米壓痕測(cè)試獲得原始數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出：頁巖硅質(zhì)礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質(zhì)礦物彈性模量為44.85～61.37，粘土礦物彈性模量為30.89～35.89。

本文通過引入微觀彈性模量力學(xué)參數(shù)，以此研究微觀納米壓痕測(cè)試所得頁巖各種礦物組分彈性模量與力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量之間的相關(guān)性，頁巖微觀彈性模量是指頁巖各種礦物組分彈性模量與相應(yīng)各種礦物組分含量乘積之和，能夠表征頁巖力學(xué)特性的參數(shù)，計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：Wi——頁巖中i礦物百分含量；

Ei——頁巖中i礦物組分彈性模量，GPa。

此處將頁巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量視為宏觀彈性模量，同時(shí)引入彈性模量差異性系數(shù)作為反映微觀彈性模量與宏觀彈性模量之間差異性大小的量度，彈性模量差異性系數(shù)表達(dá)式如下：

式中：E宏——頁巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所得彈性模量，GPa。

選取上述力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試井下與露頭頁巖在圍壓1、5、10、15、20、25、30、35MPa下獲取的宏觀彈性模量，然后分別利用公式（1）與（2）計(jì)算出井下與露頭頁巖在不同加載圍壓下所對(duì)應(yīng)的彈性模量差異性系數(shù)，其結(jié)果見表2。針對(duì)頁巖不同圍壓與所對(duì)應(yīng)彈性模量差異性系數(shù)進(jìn)行線性擬合分析，經(jīng)擬合分析發(fā)現(xiàn)，頁巖彈性模量差異性系數(shù)與加載圍壓存在一定線性關(guān)系，擬合曲線關(guān)系見圖5。

表2 頁巖不同圍壓下對(duì)應(yīng)的彈性模量差異系數(shù)結(jié)果

圖5 頁巖彈性模量差異系數(shù)與圍壓之間關(guān)系圖

從圖5可得，頁巖彈性模量差異系數(shù)隨著圍壓增大而減小，同時(shí)表明隨著加載圍壓增大，宏觀模量與微觀模量差異性也逐漸減小，主要原因在于：針對(duì)同一塊頁巖樣，其微觀彈性模量主要由頁巖各礦物組分含量以及各礦物彈性模量決定，因此微觀模量是一定值，然而頁巖宏觀彈性模量主要受控于力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試所加載圍壓，因此針對(duì)不同加載圍壓，宏觀彈性模量不定值，其值隨著圍壓增加而增大，所以頁巖彈性模量差異系數(shù)與所加載圍壓呈負(fù)相關(guān)性。從圖5發(fā)現(xiàn)頁巖彈性模量差異系數(shù)在圍壓30MPa之后，其值變化幅度極小，主要原因可能在于：頁巖宏觀彈性模量隨著所加載圍壓增大，其值增大幅度減小，甚至不產(chǎn)生變化。同時(shí)可得出頁巖彈性模量差異系數(shù)始終大于1。

基于頁巖彈性模量差異性系數(shù)與所加載圍壓曲線關(guān)系擬合研究，因此在工程上可以通過測(cè)試獲取頁巖微觀彈性模量，然后計(jì)算頁巖在不同圍壓情況下的宏觀彈性模量，其計(jì)算公式如下：

式中：Pc——所加載圍壓，MPa。

由于頁巖礦物組分含量與頁巖儲(chǔ)層圍壓均可以通過測(cè)井解釋獲取，頁巖礦物組分彈性模量可以通過鉆井返出井底巖屑獲取，因此可通過測(cè)井解釋獲取頁巖微觀彈性模量以預(yù)測(cè)宏觀模量，因此最能夠表征頁巖力學(xué)特征的宏觀模量就可以實(shí)時(shí)隨鉆測(cè)得。

4 結(jié)論

（1）四川威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組井下與露頭頁巖石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、粘土礦物、方解石、白云石等含量具有較大差異性，差異值分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。

（2）井下與露頭頁巖彈性模量平均值與測(cè)試圍壓均呈正相關(guān)性，井下頁巖彈性模量均值隨測(cè)試圍壓變化幅度大于露頭頁巖，井下與露頭頁巖泊松比與圍壓均呈無規(guī)律狀排列。

（3）基于頁巖微觀納米壓痕測(cè)試得出頁巖硅質(zhì)礦物彈性模量為62.29～81.17GPa，鈣質(zhì)礦物彈性模量為44.85～61.37GPa，粘 土 礦 物 彈 性 模 量 為 30.89～35.89GPa。

（4）研究得出頁巖宏觀與微觀模量在不同圍壓下之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)頁巖力學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試的彈性模量。

[1] 李玉喜,喬德武,姜文利，等.頁巖氣含量及地質(zhì)評(píng)價(jià)綜述[J].地質(zhì)通報(bào)，2010(2/3):308-317.

[2] 金衍,陳勉,周健，等.巖性突變體對(duì)水力裂縫延伸影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(2):300-303.

[3] 金衍,陳勉,張旭東，等.利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)深部地層巖石斷裂韌性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(4):454-456.

[4] 衡帥,楊春和,張保平，等.頁巖各向異性特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015,36(3):609-616.

[5] 陳勉,金衍,張廣清，等.石油工程巖石力學(xué)[M].科學(xué)出版社,2008：25-66.

[6] 陳平,韓強(qiáng),馬天壽，等.基于微米壓痕實(shí)驗(yàn)研究頁巖力學(xué)特性[J].石油勘探與開發(fā),2015,42(5):662-670.