页岩储层的岩石力学特性

第 ３２ 卷 第 ７ 期 地 质 勘 探
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ｃｍ，长度为５．５０ｃｍ 的柱状岩心，端面磨 平，模 拟 储 层 温 度 、压 力 条 件 ，进 行 三 轴 、单 轴 力 学 实 验 ；岩 样 加 工 成 直径为３．８０ｃｍ，长度为１．００ｃｍ 的柱状岩心，端面磨 平 ，进 行 巴 西 力 学 实 验 。 ２．２ 页 岩 三 轴 力 学 实 验 选取 Ｍ 组 不 含 天 然 层 理 面、天 然 裂 缝 的 基 质 岩
石脆性指数，Ｘ 井 拟改造段 ２ ４４０～２ ５４０ ｍ 储层 脆 性 指数都超 过 ５０（图 ３）。 根 据 国 外 已 有 的 页 岩 开 发 经
样的岩样抗压 强 度 为 ６９．１８ ＭＰａ，垂 直 方 向 取 样 的 岩 样抗压强度为 １５１．９２ ＭＰａ，两 者 相 差 ２．２ 倍；巴 西 力
４８－０６ ５１－０５ ５４－０８
３７．５２ ３７．６１ ３７．７５
９．７３ １１．３１
９．４３
３．２６ ２．７０ ２．８６
３ 实验结果讨论
通过对页岩 储 层 岩 石 力 学 特 征 参 数 研 究 表 明，页 岩岩石力学性质与致密砂岩有相似之处。四川盆地某 区上三叠统须二段致密砂岩储层岩石力ห้องสมุดไป่ตู้实验结果表 明，抗 压 强 度 平 均 为 ２３５．７５ ＭＰａ，平 均 弹 性 模 量 为 ２．９４×１０４ ＭＰａ（２３ 个 样 品），与 致 密 砂 岩 岩 石 样 品 对
心 ，平 行 于 层 理 面 加 工 实 验 样 品 。
通过 三 轴 岩 石 力 学 实 验，该 页 岩 储 层 基 质 岩 石， 抗压强度分 布 在 ２５０～３００ ＭＰａ，平 均 抗 压 强 度 为 ２６５．７５ ＭＰａ，平 均 杨 氏 模 量 为 ４．５９×１０４ ＭＰａ，平 均 泊松比为０．２５（表 １），三 轴 力 学 实 验 应 力—应 变 曲 线 如图２所示。
基 金 项 目 ：中 国 博 士 后 科 学 基 金 项 目 （编 号 ：２００９０４５１４２２）。 作者简介：杨建，１９７８年生，工学博士；２００８年毕业于西南石油大学开发地质学专业；主要 从 事 储 层 岩 石 力 学、地 应 力 及 非 常 规 天 然 气 开 发 研 究 工 作 。 地 址 ：（６１８３００）四 川 省 广 汉 市 中 山 大 道 南 二 段 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙ２０００ｗ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
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天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ７ 月
比，页岩同样具有较高的三轴抗压强度及弹性模量，属 前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”。
于中硬地层。 页岩储层层 理 发 育，取 样 方 式 的 不 同 对 单 轴 抗 压 力学实验结果影响较大。Ｍ 组单轴岩石力学实验表 明，水 平 方 向 取 样 的 岩 样 平 均 杨 氏 模 量 为 ４．７０×１０４
表 ３ 页 岩 巴 西 力 学 实 验 结 果 表
岩心编号 样品直径／ｍｍ 样品长度／ｍｍ 抗张强度／ＭＰａ
图 ２ 页 岩 三 轴 力 学 实 验 应 力 — 应 变 曲 线 图
２．３ 页 岩 单 轴 力 学 实 验 选取 Ｍ 组 岩 石 样 品，采 取 平 行、垂 直 层 理 面 ２ 种 取样方式，其中水平 取 样 ２ 个，垂 直 取 样 ３ 个，进 行 单 轴抗压力学对比实验。 实验结果表 明，水 平 方 向 取 样 的 岩 样 平 均 杨 氏 模 量为４．７０×１０４ ＭＰａ，抗压强 度 为 ６９．１８ ＭＰａ，平 均 泊 松比为０．２２７；垂 直 方 向 取 样 的 岩 样 平 均 杨 氏 模 量 为 ２．９９×１０４ ＭＰａ，抗压强度为１５１．９２ ＭＰａ，平均泊松比 为 ０．１７５（表 ２）。
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天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ７ 月
页岩储层的岩石力学特性
杨 建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗
中国石油西南油气田公司采气工程研究院
杨 建 等 ．页 岩 储 层 的 岩 石 力 学 特 性 ．天 然 气 工 业 ，２０１２，３２（７）：１２－１４． 摘 要 页岩储层岩石具有基质致密，微裂隙、层理面发育，岩石性脆等非常规地质特征，其力学性质 与 一 般 的 致 密 砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石 力 学 性 质，利 用 ＭＴＳ 多 功 能 岩 石 力 学 实 验 系 统 对 取 自 四川盆地某区的 Ｍ 组页岩开展了三轴、单轴、巴西力学实验。结果表明：页岩岩石三轴 平 均 抗 压 强 度 为 ２６５．７５ ＭＰａ，平 均杨氏模量为４．５９×１０４ ＭＰａ，平均泊松比为０．２５，属于中硬地层；单轴垂向取样 抗 压 强 度（１５１．９２ ＭＰａ）是 水 平 取 样 抗 压强度（为６９．１８ ＭＰａ）的２．２倍；页岩抗张强度较低，平均为２．９４ ＭＰａ。综合分析页岩储层脆性指数后认为，Ｍ 组页岩 属于脆性岩石，储层脆性指数均超过５０，有利于对页岩储层进行大型水力压 裂；压 裂 应 选 择 以 滑 溜 水 为 主 的 体 积 压 裂 模 式 ，压 裂 设 计 应 遵 循 “大 液 量 、大 排 量 、高 前 置 液 比 、小 粒 径 支 撑 剂 、低 砂 浓 度 ”的 原 则 。
２）岩石三 轴 力 学 实 验 表 明，页 岩 基 质 岩 石 抗 压 强 度分 布 在 ２５０～３００ ＭＰａ，平 均 抗 压 强 度 为 ２６５．７５ ＭＰａ，平均杨氏模量为４．５９×１０４ ＭＰａ，平 均 泊 松 比 为 ０．２５，属于中硬地 层；单 轴 力 学 实 验 表 明，水 平 方 向 取
验，岩石脆性与压裂液和支撑剂选取有重要联系，随着 学实验揭示，页岩抗张强度较低，平均为２．９４ ＭＰａ。
岩石脆性的增高，压 裂 液 选 择 从 交 联 压 裂 液 逐 步 向 滑 溜水压裂液过渡，形 成 的 裂 缝 也 由 双 翼 对 称 裂 缝 向 复
３）通过综 合 分 析 页 岩 储 层 脆 性 指 数，表 明 四 川 盆 地 Ｍ 组页岩属于脆性 岩 石，储 层 脆 性 指 数 均 超 过 ５０，
杂的网络裂缝过渡；在支撑剂的选取上，岩石脆性指数 压裂应选择以滑 溜 水 为 主 的 体 积 压 裂 模 式，压 裂 设 计
越高，液体体积用 量 越 大，支 撑 剂 的 用 量 越 少，支 撑 剂 应遵循“大液量、大 排 量、高 前 置 液 比、小 粒 径 支 撑 剂、
浓 度 越 低 。 ［４－７］
低 砂 浓 度 ”的 原 则 。
参 考 文 献
图３ Ｘ 井 Ｍ 组页岩岩石脆性剖面图
通过综合分析 Ｘ井 Ｍ 组页岩储层岩石脆性情况， 该组岩石属于脆 性 岩 石，压 裂 应 选 择 以 滑 溜 水 为 主 的 体积 压 裂 模 式 ，压 裂 设 计 原 则 应 为 “大 液 量 、大 排 量 、高
［１］方俊华，朱炎铭，魏伟，等．蜀南地区龙马溪组页岩 气 成 藏 基 础 分 析 ［Ｊ］．特 种 油 气 藏 ，２０１０，１７（６）：４６－４９．
［２］黄勇斌，李其荣，高贵冬，等．蜀南地区下古生界页 岩 气 勘 探 潜力评价及区带优选 ［Ｊ］．天 然 气 工 业，２０１２，３２ （增 刊 １）： ２５－２７．
孔 压／ ＭＰａ
６６
５３
２５
６６
５３
２５
６８
５４
２５
６８
５４
２５
抗 压 强 度／ ＭＰａ
２６６．２１８ ２５６．７２４ ２５０．０５３ ２９０．０１４
实验结果 杨 氏 模 量／ １０４ ＭＰａ ３．６６２ ３．５７６ ５．５２５ ５．５９９
泊松比
０．１９５ ０．２２２ ０．３３１ ０．２７２
关键词 四川盆地 页岩 储集层 岩石力学实验 特性 矿物组分 脆性指数 压裂 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１２．０７．００３
１ 页岩储层物性特征及矿物组分
１．１ 页 岩 储 层 物 性 特 征 四川盆地某区寒 武 系、志 留 系 发 育 多 套 黑 色 页 岩 层系，其中 Ｍ 组页岩有机碳含量高，分布稳定，是一套 高效烃源岩 。 ［１－３］ 据取心资料分析结果，该组页 岩 储 层 孔隙度分布在２％～５％，原地应力条 件 下 测 得 基 质 渗 透率介于０．０１～０．００１ ｍＤ 级 别 或 更 低，但 是 由 于 页 岩气藏受裂缝因素的 影 响，其 局 部 渗 透 率 可 以 达 到 较 高的水平。 １．２ 页 岩 岩 石 矿 物 成 分 利用 Ｘ射线衍射分析某区页岩气井 Ｍ 组取心资 料 ，页 岩 矿 物 组 分 主 要 以 石 英 矿 物 、黏 土 矿 物 及 碳 酸 盐 岩矿物为主，其中石英矿物含 量 占 ４３．４１％，黏 土 矿 物 含 量 占 ２２．５２％ ，碳 酸 盐 岩 矿 物 含 量 占 １６．６７％ 。 黏 土 矿 物 中 主 要 以 伊 利 石 、绿 泥 石 为 主 （图 １）。
［３］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等．四川盆地南部页岩气藏 大 型 水 力 压 裂 作 业 先 导 性 试 验 ［Ｊ］．天 然 气 工 业 ，２０１１，３１（４）：４８－５０．
４ 垂向 ２．５３２ ２００．３１２ ３．５６８ ０．２５７
５ 水平 ２．５０８ ６９．４０４ ３．２５７ ０．１９８
２．４ 页 岩 巴 西 力 学 实 验 选 取 页 岩 基 质 岩 石 样 品 ，通 过 实 验 测 量 ，页 岩 样 品 抗张强度介于２～４ ＭＰａ，平均为２．９４ ＭＰａ（表３）。
２ 页岩岩石力学实验
２．１ 力 学 实 验 条 件 实 验 利 用 ＭＴＳ８１５型 岩 石 力 学 实 验 仪 ，选 取 Ｍ
图 １ 页 岩 储 层 岩 石 矿 物 成 分 分 析 结 果 图
组 不 含 天 然 层 理 面 、天 然 裂 缝 的 基 质 岩 心 ，采 取 垂 直 或 平行层 理 面 ２ 种 方 式 取 样。 岩 样 加 工 成 直 径 为 ２．５４
ＭＰａ。垂向抗压强度 是 水 平 向 抗 压 强 度 的 ２．２ 倍，分 为主。
析 认 为 页 岩 储 层 本 身 水 平 层 理 面 发 育 ，页 岩 岩 性 较 脆 ， 易 顺 层 理 面 脆 裂 ，导 致 水 平 方 向 取 样 抗 压 强 度 低 。 通过岩石力 学 特 征 参 数、页 岩 脆 性 矿 物 成 分 含 量 结合测井数据，计算了川南某区块 Ｘ 井页岩 Ｍ 储层岩
４ 结论
１）四川盆地 Ｍ 组页岩矿物组分主要以石英 矿 物、 黏土矿物及碳酸 盐 岩 矿 物 为 主，其 中 石 英 矿 物 含 量 占
ＭＰａ，抗压强度为６９．１８ ＭＰａ；垂直方向取样的岩样平 ４３．４１％，黏土 矿 物 含 量 占 ２２．５２％，碳 酸 盐 岩 矿 物 含
均杨 氏 模 量 为 ２．９９×１０４ ＭＰａ，抗 压 强 度 为 １５１．９２ 量 占 １６．６７％。 黏 土 矿 物 中 主 要 以 伊 利 石、绿 泥 石
表 ２ 页 岩 单 轴 力 学 实 验 结 果 表
样 取样 密度／ 抗压强度／ 杨氏模量／
泊松比
号 方 式 ｇ·ｃｍ－３
ＭＰａ
１０４ ＭＰａ
１ 垂向 ２．６２３ １３８．０７０ ３．０４５ ０．１４０
２ 水平 ２．６１６ ６８．９６４ ６．１３６ ０．２５６
３ 垂向 ２．６２ １１７．３９６ ２．３６８ ０．１２８
岩样编号
密 度／ ｇ·ｃｍ－３
温 度／℃
１０－０９－０１ １０－０９－０２ １０－０９－０３ １０－０９－０４
２．６７０ ２．６８８ ２．６９０ ２．６９４
８８ ８８ ８９ ８９
表 １ 页 岩 三 轴 力 学 实 验 结 果 表
实验条件
上 覆 压 力／ ＭＰａ
围 压／ ＭＰａ