孫川翔，聶海寬，蘇海琨，杜偉，盧婷，陳亞琳，劉秘，李京昌

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石油化工集團(tuán)公司頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；5.中國石化江漢油田勘探開發(fā)研究院，武漢 430223）

0 引言

深層頁巖氣（埋深大于3 500 m）是中國頁巖氣增儲(chǔ)上產(chǎn)最為現(xiàn)實(shí)的接替領(lǐng)域[1-2]。早在2011年，中國石油與殼牌合作在四川盆地南部（簡稱川南）低陡構(gòu)造帶瀘州區(qū)塊實(shí)施的Y101井（垂深3 577 m）獲測試產(chǎn)氣量為43×104m3/d，代表3 500 m以深頁巖氣勘探取得突破。此后，中國石油和中國石化在瀘州、渝西、丁山、永川和威榮等地區(qū)均獲得深層頁巖氣工業(yè)氣流，并在威榮、永川和瀘州等地提交了深層頁巖氣探明儲(chǔ)量[3]。在深層頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)[4-5]、儲(chǔ)集層改造[6]及產(chǎn)能預(yù)測[7]等方面也取得重要進(jìn)展。

受深部高溫高壓條件的影響，深層頁巖與中淺層頁巖特征必然存在差異。目前對(duì)于深層頁巖的研究多沿用中淺層頁巖的常規(guī)測試方法，不能很好地揭示二者的差異性，這一問題突出表現(xiàn)在儲(chǔ)集層孔隙度、滲透率及巖石力學(xué)性質(zhì)等方面。對(duì)于深層頁巖孔滲特征，前人多采用常規(guī)地面靜態(tài)測試和常溫覆壓實(shí)驗(yàn)開展研究。常規(guī)地面靜態(tài)測試方法結(jié)果表明，隨著埋深的增加，在層系超壓?？鬃饔孟?，深層頁巖孔滲與中淺層具有可比性[8]；常溫覆壓實(shí)驗(yàn)表明，圍壓升至50 MPa時(shí)，頁巖孔隙度和滲透率有明顯降低，不同巖相的巖石物性變化存在差異[9]。在深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)方面，前人對(duì)比分析圍壓單因素變化時(shí)頁巖巖石力學(xué)參數(shù)的變化，提出高圍壓降低頁巖脆性[10-11]，基于彈性模量和泊松比評(píng)價(jià)深部巖石脆性的方法不再適用[12-13]。而高溫對(duì)深層頁巖巖石力學(xué)特征影響研究較少且觀點(diǎn)并不統(tǒng)一，部分學(xué)者認(rèn)為頁巖含有豐富的有機(jī)質(zhì)和高黏土礦物含量，高溫下微觀結(jié)構(gòu)易發(fā)生變化，導(dǎo)致頁巖塑性和變形能力增強(qiáng)[14]；也有學(xué)者提出高溫引起的熱膨脹效應(yīng)有利于微裂縫的開啟和巖石脆性的增加[15]。這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)深層頁巖孔滲特征和巖石力學(xué)溫壓效應(yīng)起到了積極作用。然而，深層頁巖同時(shí)受到深部高溫高壓耦合作用的共同控制，目前對(duì)深層高溫高壓條件下孔滲、巖石力學(xué)性質(zhì)及其相互約束機(jī)制的認(rèn)識(shí)不足，制約了對(duì)深層頁巖儲(chǔ)集層改造和儲(chǔ)量、產(chǎn)量的合理評(píng)價(jià)。

為了探討高溫高壓條件下頁巖孔滲、巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)及相互約束機(jī)制，選取四川南部威榮和永川地區(qū)志留系龍馬溪組深層頁巖巖心，開展不同溫壓梯度的孔滲實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮巖石力學(xué)-聲波一體化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為60～120 ℃，壓力為10～70 MPa?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析溫壓耦合控制下深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)特征變化及原因，討論二者相互約束機(jī)制及不同地區(qū)的特征差異，以期為深層頁巖儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)和“甜點(diǎn)”優(yōu)選、氣藏動(dòng)態(tài)分析和儲(chǔ)集層改造工程的工藝優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

威榮氣田和永川頁巖氣區(qū)志留系龍馬溪組底部頁巖埋藏深度均超過3 500 m。威榮氣田位于威遠(yuǎn)構(gòu)造東南翼與自流井水下高地之間，永川頁巖氣區(qū)整體處于華鎣山構(gòu)造帶上。研究區(qū)龍馬溪組頁巖沉積于奧陶紀(jì)冰期后，整體處于四川盆地中部（簡稱川中）古隆起南部的深水陸棚環(huán)境（見圖 1）。威榮氣田深層頁巖埋深為3 550～3 880 m，壓力系數(shù)為1.79～1.95，由于鄰近川中古隆起物源區(qū)，優(yōu)質(zhì)頁巖碳酸鹽礦物含量較高，巖性以含灰硅質(zhì)頁巖為主，碳酸鹽礦物紋層發(fā)育，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性較強(qiáng)；永川地區(qū)深層頁巖埋深為 3 700～4 200 m，壓力系數(shù)為1.7～2.1，相比威榮氣田，距離川中古隆起較遠(yuǎn)，優(yōu)質(zhì)頁巖層段以硅質(zhì)頁巖為主，均質(zhì)性較強(qiáng)。

圖1 研究區(qū)志留系龍馬溪組底部頁巖沉積相及研究區(qū)位置圖

2 樣品和實(shí)驗(yàn)

2.1 高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)

2.1.1 樣品信息

實(shí)驗(yàn)樣品來自四川盆地威榮氣田 A1井龍馬溪組含灰硅質(zhì)頁巖和永川地區(qū)B1井龍馬溪組硅質(zhì)頁巖，通過巖心切割機(jī)制成10塊標(biāo)準(zhǔn)柱樣（見表1）。

表1 頁巖孔滲測試樣品基本參數(shù)

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?/p>

實(shí)驗(yàn)采用西南石油大學(xué)脈沖衰減法實(shí)驗(yàn)裝置開展測試，裝置主體由上下游瓶、三軸巖心夾持器，圍壓泵和壓力傳感器構(gòu)成，測試執(zhí)行GB/T 34533-2017標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M不同埋藏深度（1 500～4 500 m）的地層溫度和壓力條件下深層頁巖孔滲特征的差異變化。威榮地區(qū)龍馬溪組底部地溫梯度2.8～3.0 ℃/100 m，實(shí)測地層溫度為125～134 ℃；壓力梯度1.9～2.1 MPa/100 m，實(shí)測地層壓力為 68.69～77.48 MPa。永川地區(qū)龍馬溪組目的層地溫梯度2.70 ℃/100 m，地層溫度為134 ℃；壓力梯度1.8～1.9 MPa/100 m，地層壓力70 MPa。據(jù)此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了 7 組溫壓條件：（10 MPa，60 ℃）、（20 MPa，70 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（40 MPa，90 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（60 MPa，110 ℃）、（70 MPa，120 ℃），分別對(duì)應(yīng)埋深約為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 m。其中溫度根據(jù)埋深和地溫梯度計(jì)算，地溫梯度取2.8～3.0 ℃/100 m；壓力按照地層壓力計(jì)算公式乘壓力系數(shù)得出，考慮到地層深埋-抬升階段壓力系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，取值范圍為 1.0～1.7（由淺至深壓力系數(shù)增加），如埋深3 500 m時(shí)，計(jì)算所得的地層溫度為 98 ℃，取地層壓力系數(shù)為 1.5時(shí)，地層壓力為50.4 MPa。采用氦氣法和脈沖滲透率法分別測定孔隙度和滲透率（均為頁巖的順層滲透率）。實(shí)驗(yàn)開始前檢查巖心柱樣，將無破損柱樣放入三軸應(yīng)力巖心夾持器中，加三向圍壓、溫度至設(shè)定值，記錄實(shí)驗(yàn)過程中測得的相關(guān)參數(shù)，然后重復(fù)上述步驟，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度壓力完成溫壓條件升高和溫壓條件降低的循環(huán)測試，計(jì)算得出巖心孔隙度和滲透率。

2.2 高溫高壓巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 樣品信息

兩組樣品分別來自威榮頁巖氣田A1井、A2井龍馬溪組含灰硅質(zhì)頁巖和永川地區(qū)B2井龍馬溪組硅質(zhì)頁巖，通過巖心制備得到尺寸25 mm×50 mm的柱樣10塊，切割方向均為平行于層理面方向（見表2）。

表2 巖石力學(xué)測試樣品基本參數(shù)

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?/p>

實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的XTR01-01伺服控制巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成，主體由軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、聲波一體化監(jiān)測裝置構(gòu)成，能夠模擬地層高溫高壓條件下巖石單軸、三軸加卸載等實(shí)驗(yàn)，測試執(zhí)行GB/T50266-2013標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠治龈邷馗邏簩?duì)深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，為此設(shè)計(jì)了4組溫壓條件，分別為（10 MPa，60 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（70 MPa，120 ℃），開展高溫高壓三軸壓縮巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲取頁巖樣品在不同溫壓下發(fā)生脆性破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征參數(shù)，并動(dòng)態(tài)監(jiān)測每個(gè)樣品的縱波波速。實(shí)驗(yàn)開始前，聲波設(shè)置激發(fā)波形為正弦波，激發(fā)頻率為300 kHz。聲波信號(hào)的激發(fā)周期為 40 s，每個(gè)周期里激發(fā)一個(gè)縱波信號(hào)，時(shí)間間隔為 1 s。設(shè)置聲波信號(hào)放大倍數(shù)為40 dB，縱波噪音門檻值為60 dB，采樣率均為1 MSPS。為了獲得更詳細(xì)的聲波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)過程中采用較低的加載速率，其值為0.06 mm/min。首先啟動(dòng)聲波信號(hào)激發(fā)系統(tǒng)，然后啟動(dòng)聲波采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)，將樣品的測試溫度從室溫（25 ℃）升高到設(shè)定溫度值，記錄聲波信號(hào)；隨后圍壓從0 MPa加載至設(shè)定圍壓值，記錄聲波信號(hào)；最后進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中以軸向壓力20 MPa為一個(gè)間隔，記錄聲波信號(hào)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。捕捉實(shí)驗(yàn)過程中頁巖樣品從常溫到高溫、從壓實(shí)到破壞的動(dòng)態(tài)變化。一體化測試后，利用CT成像技術(shù)刻畫不同樣品破壞后的裂縫三維形態(tài)特征，并計(jì)算裂縫體積占比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溫壓加載過程中，兩口井頁巖巖心孔隙度和滲透率整體呈現(xiàn)先陡后緩的非線性降低。溫壓條件從10 MPa、60 ℃變化到30 MPa、80 ℃，深層頁巖孔隙度和滲透率變化最為敏感，降低幅度超過總降幅的三分之二。繼續(xù)增加溫度和壓力，孔隙度和滲透率進(jìn)一步降低，但幅度有限（見表3、表4）。隨著溫度和壓力的恢復(fù)，孔隙度和滲透率出現(xiàn)回升但低于增加溫壓過程所測得的孔滲值。

表3 A1井高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 B1井高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著溫壓增加，威榮A1井深層頁巖孔隙度和滲透率非線性減小，當(dāng)增大到最高溫壓條件 120 ℃、70 MPa，頁巖孔隙度、滲透率達(dá)到最小值（見圖2）。不同賦存深度頁巖樣品孔隙度降低 34%～47%，平均41%。滲透率降低87%～95%，平均92%。隨著溫度壓力恢復(fù)至60 ℃、10 MPa，孔滲恢復(fù)曲線出現(xiàn)明顯“滯后現(xiàn)象”，即孔隙度和滲透率不及初始值，孔隙度恢復(fù)率為69%～78%，滲透率恢復(fù)率為16%～40%。永川B1井深層頁巖在溫壓加載過程中（見圖3），不同深度頁巖孔隙度降低54%～71%，平均59%；滲透率降低85%～97%，平均值為91%。溫壓條件降低至10 MPa、60 ℃時(shí)，孔隙度恢復(fù)率48%～74%、滲透率恢復(fù)率為17%～36%。

圖2 A1井深層頁巖高溫高壓孔滲變化圖（虛線表示溫壓降低時(shí)的孔滲恢復(fù)曲線）

圖3 B1井深層頁巖高溫高壓孔滲變化圖（虛線表示溫壓降低時(shí)的孔滲恢復(fù)曲線）

3.2 高溫高壓巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高溫高壓三軸壓縮與聲波一體化測試結(jié)果顯示，隨著溫壓條件的升高，深層頁巖的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變量、峰前平均縱波波速呈現(xiàn)先陡后緩的非線性增加，彈性模量和泊松比小幅波動(dòng)、變化特征不明顯（見表 5），壓后CT掃描實(shí)驗(yàn)揭示，裂縫復(fù)雜度和裂縫體積占比降低。

表5 高溫高壓三軸壓縮與聲波一體化測試結(jié)果

永川地區(qū) B2井頁巖應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示：①溫度60 ℃、圍壓10 MPa升至溫度80 ℃、圍壓30 MPa，抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變量變化最大，分別從 165.3 MPa、1.27%變?yōu)?26.4 MPa、1.89%，抗壓強(qiáng)度增加一倍，應(yīng)變量增加0.6%；②溫壓條件超過80 ℃、30 MPa后，增幅明顯降低；③溫壓條件達(dá)到100 ℃、50 MPa時(shí)，峰前應(yīng)變量開始超過2%，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后坡降陡度明顯變緩（見圖4a）；④溫壓條件達(dá)到120 ℃、70 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值435.1 MPa，峰后巖石強(qiáng)度持續(xù)保持在400 MPa以上。威榮A2井頁巖抗壓強(qiáng)度為215.2～266.5 MPa（見圖4b），最大峰值應(yīng)變?yōu)?.83%，隨著溫壓上升，峰后坡降陡度明顯變緩。

圖4 高溫高壓三軸壓縮試驗(yàn)深層頁巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化

縱波波速動(dòng)態(tài)監(jiān)測顯示，B2井峰前平均縱波波速為3 310～3 941 m/s（見圖5）。隨著軸向壓力增加，溫壓較低時(shí)，波速先短暫增加后逐漸降低（見圖 5a、圖5b），溫壓條件較高時(shí)，波速趨向于保持高值后發(fā)生陡降（見圖5c）。壓后裂縫CT掃描圖像對(duì)比可見：①溫度和圍壓較低時(shí)，以縱向劈裂式拉張縫破壞為主，裂縫數(shù)量多，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)且縫面較粗糙（見圖6a—6c）。溫度 80 ℃、圍壓 30 MPa時(shí)，壓后裂縫體積占比為2.21%。②隨著溫度和圍壓增加，受力后以雙剪裂縫為主（見圖6d—6i），但裂縫數(shù)量明顯減少且剪切面較為平滑。③當(dāng)溫度120 ℃、圍壓70 MPa時(shí)，壓后裂縫體積占比僅為1.97%，減少11%。B1井頁巖樣品巖石力學(xué)性質(zhì)變化特征與B2井整體相似，相同溫壓條件下，B1井硅質(zhì)頁巖樣品的抗壓強(qiáng)度277.3～300.9 MPa、峰值應(yīng)變量1.65%～1.99%、峰前平均縱波波速3 356～3 764 m/s，均低于B2井。

圖5 B2井硅質(zhì)頁巖高溫高壓三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)縱波波速動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果

圖6 B2井硅質(zhì)頁巖壓后CT掃描3D視圖

A2井平均波速介于3 281.08～3 654.91 m/s。從壓后CT掃描結(jié)果可見，溫壓較低時(shí)，以劈裂式破壞為主（見圖7a—7c）；溫壓較高時(shí)，主破裂縫傾斜角較大，以單剪裂縫為主（見圖7d—7i），壓后裂縫數(shù)量少且復(fù)雜程度低，可見支縫尖滅于鈣質(zhì)紋層，破裂面平整光滑，裂縫體積占比為1.46%～1.78%。

圖7 A2井含灰硅質(zhì)頁巖壓后CT掃描3D視圖

4 討論

4.1 深層頁巖儲(chǔ)集層孔滲的影響因素

4.1.1 測試方法對(duì)深層頁巖儲(chǔ)集層孔滲的影響

與常溫常壓、常溫覆壓實(shí)驗(yàn)相比，高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M了深層頁巖的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，采用的溫壓條件先升后降的循環(huán)測試方法，能夠更加準(zhǔn)確地反映深層頁巖孔滲特征。以A1-5樣品為例，在初始實(shí)驗(yàn)條件為 60 ℃、10 MPa時(shí)，孔隙度為 4.87%、滲透率為3.69×10-6μm2；溫壓升至 100 ℃、50 MPa 時(shí)（埋深約3 500 m），孔隙度為3.09%，比初始實(shí)驗(yàn)條件降低37%，滲透率為0.58×10-6μm2，比初始實(shí)驗(yàn)條件降低84%；溫壓條件進(jìn)一步升高至120 ℃、70 MPa（埋深4 000～4 500 m），孔隙度為2.76%，比初始實(shí)驗(yàn)條件降低43%，滲透率為0.27×10-6μm2、比初始實(shí)驗(yàn)條件降低92%。在溫度和壓力降低至100 ℃、50 MPa（模擬地層逐漸抬升至當(dāng)前埋深），孔隙度為 2.89%、滲透率為 0.30×10-6μm2，小于實(shí)驗(yàn)首次在該溫壓條件下的 3.09%和0.58×10-6μm2，分別降低了6%和48%。由于是達(dá)到更大的溫壓條件后降低溫壓模擬地層抬升過程測得的數(shù)據(jù)，溫壓恢復(fù)過程對(duì)應(yīng)的孔隙度和滲透率更能反映深層頁巖實(shí)際孔滲大小。

已有測試研究主要是根據(jù)樣品深度直接加溫壓至某一溫度或壓力條件[16-17]，測得的孔隙度和滲透率結(jié)果相比實(shí)際值偏大，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際高溫高壓地質(zhì)環(huán)境。建議考慮沉積構(gòu)造演化全過程，先加溫壓到最大埋深對(duì)應(yīng)條件后，采用降壓至某一溫壓（深度）時(shí)的孔滲數(shù)據(jù)。

4.1.2 巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)對(duì)深層頁巖孔滲的約束

高溫和高圍壓通過改變深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)孔滲產(chǎn)生重要控制作用。對(duì)比溫壓升高和降低兩個(gè)過程，發(fā)現(xiàn)孔隙度和滲透率的恢復(fù)均存在明顯“滯后現(xiàn)象”（見圖2、圖3），孔隙度恢復(fù)率48%～78%，滲透率恢復(fù)率 16%～40%，反映溫壓加載過程中巖石內(nèi)部既有塑性變形也有彈性變形[17]。從孔滲變化軌跡來看，明顯分為兩個(gè)階段，即從60 ℃、10 MPa變化到80 ℃、30 MPa的快速降低階段和溫壓進(jìn)一步升高后的緩慢降低階段。高溫壓縮中深層頁巖孔滲變化的兩個(gè)階段實(shí)際反映了巖石內(nèi)部不同的形變階段?？诐B快速降低階段代表巖石內(nèi)部發(fā)生以有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔和微裂縫（構(gòu)造微縫和少量成巖收縮縫）受壓閉合的塑性變形為主。降幅變緩階段則代表進(jìn)入到以脆性礦物孔（粒間孔、粒內(nèi)溶孔、黃鐵礦晶間孔）和巖石骨架顆粒本體被壓縮為主的彈性變形階段。在頁巖中，有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物孔在總孔隙度中的占比較大，這兩類孔隙和微裂縫的連通性好，是頁巖內(nèi)部的主要滲流通道，孔隙度和滲透率在塑性變形階段有大幅下降，且溫壓升高后較難恢復(fù)，造成孔滲恢復(fù)階段的“滯后現(xiàn)象”。脆性礦物孔在脆性礦物顆粒保護(hù)下，受壓實(shí)作用影響較小，在高溫高壓條件下，深層頁巖孔隙度降幅較滲透率小、恢復(fù)率較高，此類孔隙連通性差，對(duì)滲透率貢獻(xiàn)小，因此滲透率降幅明顯，且恢復(fù)率低。

常溫覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)表明，圍壓增至50 MPa時(shí)，龍馬溪組頁巖孔隙度降低15%～20%，滲透率降低90%～95%[9]。高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫壓條件升高至100 ℃、50 MPa時(shí)，頁巖孔隙度平均降低40%，滲透率平均降低 85%。對(duì)比來看，高溫高壓條件下“先快降后平緩”的變化與前人研究常溫覆壓下的孔滲變化規(guī)律總體一致，說明在高溫高壓耦合變化過程中，圍壓起主導(dǎo)作用，但附加高溫條件后，頁巖孔隙度降幅增加20%～25%，滲透率降幅減小10%～15%，說明了溫度對(duì)頁巖孔隙度和滲透率的應(yīng)力敏感性有重要影響且影響不同，具體表現(xiàn)為高溫能加劇孔隙度的降低，而抑制滲透率的降低。主要原因在于頁巖中有機(jī)質(zhì)和黏土礦物含量高，隨著溫度的增加巖石塑性增強(qiáng)[18-19]，孔隙更易發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致孔隙度降低幅度增加。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，巖石骨架顆粒熱膨脹增強(qiáng)，在高圍壓側(cè)限作用下，巖石不能自由膨脹進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，此時(shí)由于巖石總體積變化不大，不會(huì)造成總孔隙空間有顯著改變，但向外的熱應(yīng)力使得頁巖中的層理面重新開啟或沿層理等軟弱面產(chǎn)生新縫。總之，高溫導(dǎo)致壓實(shí)作用增強(qiáng)，對(duì)孔隙度影響較大，卻抑制了對(duì)沿層理面滲透率的降低，使得頁巖滲透率隨溫度和圍壓升高而降低的程度減弱。

可見，在實(shí)際地質(zhì)條件下，深層頁巖儲(chǔ)集空間相比已有認(rèn)識(shí)要小。由于孔隙度與頁巖中游離氣含量呈正相關(guān)，而高溫加劇深層頁巖孔隙度的降低必然會(huì)導(dǎo)致總含氣量和氣體賦存特征的變化，因此基于高溫高壓下頁巖孔隙體積的大小和變化，對(duì)頁巖含氣量理論值及其吸游比有待進(jìn)一步研究[20]。在高溫作用下，深層頁巖仍保持了一定的滲流能力。采用常規(guī)的定孔隙壓縮系數(shù)不能客觀預(yù)測深部儲(chǔ)集層滲透率[21]，需要考慮溫壓耦合影響下巖石形變效應(yīng)引起的孔隙體積和滲透率變化，進(jìn)一步優(yōu)化深層頁巖儲(chǔ)集層物性特征的預(yù)測方法和模型。

4.1.3 巖相和礦物組分差異對(duì)深層頁巖孔滲的控制

巖相和礦物組分差異對(duì)孔滲大小絕對(duì)值和隨溫壓升降孔滲變化量具有一定控制作用。與永川地區(qū)相比，威榮區(qū)塊深度較淺，整體上孔隙度較大但滲透率相對(duì)較小（見圖 8），原因在于：①灰質(zhì)頁巖中白云石、方解石含量高，礦物顆粒內(nèi)部溶蝕孔隙更加發(fā)育，有助于孔隙度的增加；②溶蝕孔呈星散狀分布，與其他孔縫的連通性差，對(duì)滲透率貢獻(xiàn)有限；③白云石和方解石顆粒數(shù)量多，與微晶石英顆粒半徑相差大，粒徑差異大的不同礦物顆粒堆積在一定程度上增加了粒間孔隙度，但連通性不及粒徑均一時(shí)，滲透率相對(duì)較低。不同巖相和礦物組分的頁巖，受溫壓變化的孔滲敏感性也不同。前人研究表明，四川盆地龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖中硅質(zhì)以生物成因?yàn)橹鳎欣趧傂灾胃窦艿男纬蒣22]。龍馬溪組A1-5樣品（深度3 848.2 m）硅質(zhì)頁巖處，孔隙度、滲透率達(dá)到該組樣品最大值，且在溫壓條件變化時(shí)孔隙度、滲透率變化率小，說明石英含量大于 50%的硅質(zhì)頁巖相比灰質(zhì)頁巖既有良好的原始物性參數(shù)，又表現(xiàn)出硅質(zhì)格架抗壓實(shí)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于樣品B1-1（深度3 857.33 m）處的黏土質(zhì)頁巖和樣品B1-5（深度3 865.64 m）的含灰硅質(zhì)頁巖，由于塑性較硅質(zhì)頁巖增強(qiáng)，孔隙度、滲透率受溫壓影響變化最大，70 MPa、120 ℃時(shí)，孔隙度降低61%～71%，滲透率降低95%～97%，溫壓條件恢復(fù)初始值，孔隙度、滲透率恢復(fù)程度也最差?？梢姡栀|(zhì)頁巖的儲(chǔ)集能力最強(qiáng)，隨著頁巖礦物組分中鈣質(zhì)和黏土質(zhì)礦物增加，頁巖抗壓實(shí)能力下降，在深層高溫高壓條件下孔隙度和滲透率保持能力減弱，儲(chǔ)集性能不及硅質(zhì)頁巖[23]。

圖8 研究區(qū)A1、B1井頁巖樣品在高溫高壓條件下孔隙度和滲透率變化特征

受高溫高壓條件影響，深層頁巖優(yōu)質(zhì)層段需要具備更高的抗壓實(shí)能力，現(xiàn)有工程工藝條件下，硅質(zhì)頁巖具有較好的勘探開發(fā)潛力。而塑性較強(qiáng)、抗壓實(shí)能力弱的黏土質(zhì)頁巖，由于高溫下較高的應(yīng)力敏感性導(dǎo)致儲(chǔ)集性能變差。在中淺層溫壓條件較低時(shí)，黏土質(zhì)頁巖仍可以保持良好的孔滲性，與儲(chǔ)集性能最優(yōu)的硅質(zhì)頁巖均可作為有利開發(fā)層段，已被焦石壩背斜上部氣層的開發(fā)所證實(shí)。

4.2 深層頁巖巖石力學(xué)特征的影響因素

4.2.1 微觀孔滲溫壓效應(yīng)對(duì)深層頁巖巖石力學(xué)特征的約束

巖石變形破裂的本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，高溫高壓引起頁巖微觀孔滲變化對(duì)巖石形變具有約束作用，主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面：①對(duì)主破裂縫形成的約束作用。由于波速對(duì)巖石內(nèi)部微裂縫和孔隙變化更敏感，本次研究首次開展了高溫高壓三軸壓縮實(shí)驗(yàn)與縱波波速一體化監(jiān)測，能夠動(dòng)態(tài)反映巖石微觀結(jié)構(gòu)對(duì)巖石變形破裂的控制。以B2的3個(gè)樣品為例，當(dāng)溫度從室溫25 ℃逐漸升至設(shè)定溫度，在無圍壓的側(cè)限作用下，孔隙度和滲透率增大，頁巖發(fā)生自由膨脹，縱波波速降低；調(diào)整圍壓至設(shè)定值，由于樣品切割方向平行于層理，微裂縫在圍壓作用下表現(xiàn)明顯閉合趨勢，波速回升；加載軸向壓力，溫壓條件較低的頁巖中，巖石內(nèi)部微裂縫開啟并加速生長，縱波波速在軸壓略大于圍壓時(shí)開始下降（見圖 5a、圖 5b），溫壓條件較高的頁巖樣品中，微裂縫開啟和擴(kuò)展受到抑制，縱波波速趨向于維持高值（見圖5c）；繼續(xù)增加軸壓至某一臨界值，微裂隙數(shù)量急劇增加，體積膨脹，形成貫穿巖體的主破裂[24]，縱波波速快速下降。②對(duì)巖石宏觀破裂類型的約束作用。從壓后CT掃描圖像來看，巖石在較低和較高溫壓條件下分別發(fā)生拉張破裂（見圖 6a—6c、圖 7a—7c）和剪切破裂（見圖 6d—6i、圖 7d—7i）。巖石的最終宏觀破裂由其內(nèi)部的微裂縫和孔隙擴(kuò)展演化形成，即微裂隙的拉張型破裂引起宏觀拉張破裂，而微裂隙的剪切破裂決定了宏觀剪切破裂[24]。③對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的約束作用。隨著溫壓條件升高，總體上裂縫面角度和層理面夾角呈現(xiàn)出變大的趨勢，裂縫發(fā)育逐漸變差、復(fù)雜度降低。當(dāng)圍壓較低時(shí)，軸向應(yīng)力作用下的巖石內(nèi)部裂紋發(fā)生拉張性破裂，由于頁巖中的裂紋主要發(fā)育在泥質(zhì)含量較高的力學(xué)軟弱面（層理面）中，因此裂縫面與層理面夾角較小，此種情況下微裂隙表面摩擦力小，容易發(fā)生擴(kuò)展，形成裂紋最多（見圖6a—6c、圖7a—7c）。當(dāng)圍壓較高時(shí)，圍壓和軸向應(yīng)力的合力方向與層理面形成一定夾角，此時(shí)與層理面具有一定夾角的微裂隙會(huì)發(fā)生剪切擴(kuò)展，導(dǎo)致裂縫面與層理面夾角增大，而與層理面平行或角度較小的微裂隙多數(shù)會(huì)發(fā)生閉合或擴(kuò)展困難，裂紋發(fā)育較差，宏觀上裂縫復(fù)雜度降低（見圖6d—6i、圖7d—7i）。

對(duì)比常溫高壓三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，高溫高壓下的深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出顯著差異。考慮到頁巖儲(chǔ)集層在平行層理與垂向上的非均質(zhì)性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的控制，選擇同樣為平行層理方向的深層頁巖巖心樣品開展的常溫三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)比。①從全應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況來看，常溫高圍壓三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)在圍壓從0 MPa變?yōu)?5 MPa時(shí)的抗壓強(qiáng)度近似線性增大，75 MPa對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為 250 MPa、峰值應(yīng)變1.25%，隨著圍壓的升高，彈性模量顯著升高，而泊松比隨之降低[25]。然而，在高溫高壓三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫壓超過80 ℃、30 MPa后，抗壓強(qiáng)度隨溫壓條件的增幅明顯減小，在圍壓70 MPa時(shí)，受高溫影響抗壓強(qiáng)度最高達(dá) 435 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?2.18%（見圖4a），增加近 1%。②形變參數(shù)上，隨著溫度壓力的增加，彈性模量和泊松比變化小且特征不明顯。這種差異的主要原因在于高溫能夠顯著增加巖石塑性[18-19]，高圍壓下樣品中沿層理方向的微裂隙快速閉合達(dá)到極限，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的增幅明顯降低，同時(shí)高抗壓強(qiáng)度、高峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)都是高溫降低巖石脆性的反映。以上對(duì)比可見，在接近深層頁巖儲(chǔ)集層溫壓的實(shí)驗(yàn)條件下，深層頁巖抗壓強(qiáng)度增大一倍，說明相比以往認(rèn)識(shí)，要成功實(shí)現(xiàn)深層頁巖的儲(chǔ)集層改造，需要更高的施工泵壓；應(yīng)變量增加1%代表在壓裂過程中，巖石產(chǎn)生新縫前需發(fā)生大幅變形，顯著增加了壓裂形成新縫尤其是穿層縫的難度，而頁巖中天然裂縫的開啟和延伸將成為油氣的主要滲流通道，說明對(duì)于埋深大、塑性強(qiáng)、應(yīng)變量絕對(duì)值大的深層頁巖來說，天然裂縫是否發(fā)育很大程度上決定了儲(chǔ)集層改造效果。

4.2.2 巖相和礦物組分對(duì)深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)的控制

不同巖性頁巖由于礦物組分不同導(dǎo)致巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)和脆延轉(zhuǎn)化有明顯差異[10]。與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖表現(xiàn)出峰前應(yīng)變量小、抗壓強(qiáng)度低、平均縱波波速低等特征（見圖 4、表 5），原因在于隨著碳酸鹽礦物組分的增加，巖石硬度變低、抗壓實(shí)能力變差，使得含灰硅質(zhì)頁巖發(fā)生脆性破壞難度低于硅質(zhì)頁巖。

壓后CT掃描結(jié)果顯示溫壓較低時(shí)，不同巖性樣品均形成縱向延伸的拉張型裂縫，表現(xiàn)出較好的脆性特征（見圖6a—6c、圖7a—7c）。當(dāng)溫壓條件超過80 ℃、30 MPa，不同巖性的深層頁巖均顯示由彈—脆性向塑—延性力學(xué)狀態(tài)過渡。含灰硅質(zhì)頁巖在高溫壓條件下表現(xiàn)為以傾斜角度更大的單剪裂縫為主、縫面平直、分支縫細(xì)小（見圖7d—7i）。硅質(zhì)頁巖則以傾斜角度較小的雙剪裂縫為主，剪切裂縫縱向貫通截面、縫面粗糙、裂縫整體復(fù)雜度高（見圖6d—6i）。從裂縫體積占比來看，含灰硅質(zhì)頁巖顯著低于硅質(zhì)頁巖（見表 5）。其原因在于：①壓縮荷載條件下，頁巖中顆粒的存在對(duì)裂紋的擴(kuò)展、集結(jié)會(huì)起到誘導(dǎo)、限制作用[26]。含灰硅質(zhì)頁巖中存在搬運(yùn)而來的方解石和白云石，這些顆粒的嵌入使得微晶石英網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)，導(dǎo)致含灰硅質(zhì)頁巖脆性破壞程度低。②通過威榮和永川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC值大于4%）礦物組分的對(duì)比可知，威榮碳酸鹽礦物的增加擠占和抑制了石英礦物發(fā)育的空間，造成礦物組分中可壓裂性較好的硅質(zhì)成分偏低。已有研究提出，灰質(zhì)含量較高的泥頁巖具有較高的斷裂韌性和抗拉強(qiáng)度，雖然脆性指數(shù)較高、易破碎，但可壓裂性較硅質(zhì)低，巖石破裂后難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)[27]。

4.2.3 高溫高壓對(duì)深層頁巖可壓裂性的控制

深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)性質(zhì)在溫壓80 ℃、30 MPa下均開始出現(xiàn)由陡變緩的變化特征，巖石破裂變形表現(xiàn)出明顯的脆性向脆延性轉(zhuǎn)變的特征，該溫壓對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)集層深度2 000～2 500 m為龍馬溪組頁巖脆性向脆延性過渡的臨界深度，相比He等[28]基于常溫高圍壓三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出的2 000～2 700 m的脆性底界深度更淺，表明附加高溫條件后，由于巖石塑性增加，加快了深部頁巖的脆延性轉(zhuǎn)變。頁巖儲(chǔ)集層的脆延性能夠直接影響水力壓裂改造效果，延性增強(qiáng)降低了深層頁巖可壓裂性，增加了儲(chǔ)集層改造難度[29]。裂縫起裂前，巖石需發(fā)生大幅形變，起裂壓力升高；裂縫起裂后，擴(kuò)展、轉(zhuǎn)向難度增加，人工裂縫對(duì)天然裂縫的激活效應(yīng)降低，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大；巖石塑性增強(qiáng)，裂縫開度越小，支撐劑進(jìn)入人工縫網(wǎng)難度增大，且在高閉合壓力條件下，易發(fā)生支撐劑嵌入；縫網(wǎng)復(fù)雜度降低和裂縫形式由張性縫變?yōu)榧羟锌p為主。本研究基于對(duì)地層實(shí)際溫壓條件模擬，揭示隨深度增加頁巖巖石力學(xué)參數(shù)和破裂特征的變化規(guī)律，對(duì)深層頁巖儲(chǔ)集層壓裂改造工藝、支撐劑材料和壓裂液配方、用量等的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖具有發(fā)生脆性破壞的難度和脆性破壞的充分程度“雙低”的特征，即高溫高壓條件下含灰硅質(zhì)頁巖中裂縫更易起裂，但受高灰質(zhì)含量影響，裂縫延伸復(fù)雜度低，破裂面平滑后期易發(fā)生閉合。若考慮頁巖儲(chǔ)集層壓裂，將頁巖儲(chǔ)集層脆性定義為頁巖在一定應(yīng)力作用下破壞產(chǎn)生復(fù)雜破裂面的能力，則威榮地區(qū)頁巖脆性和可壓裂性顯然比永川地區(qū)差。在實(shí)際的儲(chǔ)集層壓裂中，含灰硅質(zhì)頁巖所需的施工泵壓相對(duì)較低。如何促進(jìn)裂縫延伸、提高并維持縫網(wǎng)復(fù)雜度，有效增加儲(chǔ)集層滲流通道是優(yōu)化儲(chǔ)集層壓裂改造的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

高溫高壓孔滲實(shí)驗(yàn)中，高溫能夠通過增加巖石塑性、引發(fā)巖石骨架顆粒間產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，加劇孔隙度的降低，而抑制滲透率的降低。相比常溫覆壓實(shí)驗(yàn)，孔隙度降低20%～25%，滲透率增大10%～15%。高溫高壓巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，高溫能夠加劇高圍壓對(duì)巖石內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的抑制，相比常溫三軸應(yīng)力試驗(yàn)，深層頁巖抗壓強(qiáng)度增加一倍、峰值應(yīng)變量增加近1%，有效改造深層頁巖需要更高的施工泵壓。

深層頁巖孔滲及巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)之間相互聯(lián)系、相互約束。高溫高壓條件下，深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)性質(zhì)變化均表現(xiàn)出先快后緩的特征，快速變化代表巖石內(nèi)部發(fā)生有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔被壓縮和微裂縫受壓閉合的塑性變形，之后的緩慢變化代表進(jìn)入到以脆性礦物孔和巖石骨架顆粒本體被壓縮為主的彈性變形。巖石發(fā)生變形的不同階段及其特征約束著內(nèi)部孔滲特征的變化，微觀孔滲也對(duì)深層頁巖巖石變形、破裂和壓后裂縫擴(kuò)展具有約束作用。

深層頁巖的巖相和礦物組分對(duì)孔滲和巖石力學(xué)特征有重要影響，不同巖性頁巖發(fā)生脆性破壞的難度和充分程度不同。與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖具有巖石硬度低、抗壓實(shí)能力較差的特征，孔隙度和滲透率的應(yīng)力敏感性較強(qiáng)。含灰硅質(zhì)頁巖發(fā)生脆性破壞難度和脆性破壞充分程度表現(xiàn)出“雙低”的特征。