泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价
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1000-0569 /2013 /029( 09) -3300-06 Acta Petrologica Sinica 岩石学报
*
泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价
刁海燕1，2 DIAO Haiyan1，2
1. 中国地质大学，北京 100083 2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083 1. China University of Geosciences，Beijing 100083，China 2. Ｒesearch Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China 2013-03-15 收稿，2013-07-01 改回 .
Diao HY. 2013. Ｒock mechanical properties and brittleness evaluation of shale reservoir. Acta Petrologica Sinica，29 （ 9） ： 3300 － 3306
Abstract Ｒock mechanical properties of shale gas reservoir are vitally important for exploitation. It is necessary to conduct laboratory study on mechanical properties and brittleness evaluation of shale，which can provide technical support for drilling and fracturing design. Experimental investigations show that compressive strength has positive correlations with Young’s modulus and confining pressure. Volume change of rocks before and after fracturing increases with decreased Young’s modulus and increased Poisson’s ratio. Failure mode under low confining pressure is predominantly splitting failure，while shear failure mode is dominant under high confining pressure. Brittleness of shale has close relations with shale elastic parameters and mineral constituent. Based on numerical modeling and experimental measurement，in combination with elastic parameters method and mineral constituent method，a new brittleness evaluation method is proposed，and brittleness evaluation of single wells is realized which has better effect. Brittleness evaluation is useful for understanding reservoir mechanics and selecting fracture section. Key words Shale； Ｒock mechanics； Failure modes； Elastic parameters； Mineral constituent； Brittleness evaluation
1 泥页岩的岩石力学特性试验
1. 1 试验设备、样品准备及实验方案 为达到研究目的，设计了岩心孔渗、应力应变、声波测量
和 X 衍射等实验。应力应变实验采用美国 TerraTek 全伺服 三轴岩石力学测试系统，严格按照国际岩石力学学会的推荐 方 法 （ Ｒock characterization testing and monitoring-ISＲM suggested method） ，对砂岩试样进行岩样加工、不同条件下的 应力应变测试以及数据处理等。三轴岩石力学测试系统加 载框架最大承载能力为 270 吨，测试所用轴向位移和径向位 移传感器均满足应变灵敏度 5E-6mm / mm，精度 0. 2% 和耐温 200℃ 的性能指标。通过对标准岩样，即直径 1 英寸、长度 2 英寸且两端面平行的标准圆柱体试样进行围压（ 模拟地层的 水平应力，加载速率 0. 035MPa / sec） 、孔隙压力（ 模拟油藏压 力，加载速率 0. 0069MPa / sec） 以及轴向压力（ 模拟上覆层压 力，加载速率 1E-5mm / mm / sec） 的加载，最终获得岩样变形 至破坏的应力-应变曲线，计算可以得到抗压强度、杨 氏 模 量、泊松比、体积压缩系数、颗粒压缩系数以及孔隙弹性系数 等岩石力学物性参数。岩心来自大庆油田齐家-古龙地区青 山口组，取样深度 1940 ～ 2540m，10MPa 围压下气体孔隙度 1% ～ 16% ，气体渗透率小于 5 × 10 － 3 μm2 ，部分小于 0. 01 × 10 － 3 μm2 。岩石矿物组分以石英、长石和方解石、白云石为 主，粘土则以伊利石和绿泥石为主。
杨氏模量 （ GPa）
15. 95 17. 48 26. 53 20. 68 14. 6
泊松比
0. 22 0. 26 0. 22 0. 23 0. 18
表 2 泥页岩三轴力学实验结果表 Table 2 The triaxial mechanics experiment results of shale
摘 要 泥页岩储层的岩石力学特性对油气开发影响极大，进行泥页岩力学特性和脆性评价方面的研究，可以为泥页岩油 钻井和压裂设计工作提供技术支撑。实验研究表明，泥页岩抗压强度与围压、杨氏模量成正相关; 体积应变量随杨氏模量减 小而增大，随泊松比增加而增加; 泥页岩破坏在低围压下以劈裂式破坏为主，高围压时多出现剪切式破坏。泥页岩的脆性与 其弹性参数和矿物组成关系密切，通过数值模拟和实验测量，综合弹性参数和矿物组分两种方法提出了一种新的脆性评价方 法-弹性参数与矿物成分组合法( EP＆MC Method) ，并实现了单井脆性评价，效果较好。脆性评价既是储层岩石力学特性分析 的重要内容，也是压裂选层的重要依据。 关键词 泥页岩; 岩石力学; 破裂模式; 弹性参数; 矿物组分; 脆性评价 中图法分类号 P618. 13
* 本文受国家重大专项（ 2011ZX05028） 资助． 第一作者简介： 刁海燕，女，1977 年生，博士生，矿产普查与勘探专业，主要从事油气地质综合研究，E-mail： diaohy@ 126． com
刁海燕等: 泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价
3301
成泥页岩油气的主要岩石类型（ Zhu et al． ，2004） 。泥页岩 储层具有极低的基质孔隙度和渗透率，需要大规模压裂才能 形成工业产能。除自身天然裂缝外，开发过程中还应考虑储 层是否易于改造（ 蒋裕强等，2010） 。研究发现，脆性指数是 遴选高品质泥页岩储层的重要参数（ 付永强等，2011； 李庆 辉等，2012） 。国外学者和石油公司都非常重视泥页岩储层 力学特性的评价，但尚未见到系统的研究成果，涉及储层脆 性的研究鲜见报道。
我国盆地众多，类型多样，各种非常规油气资源丰富，特 别是低勘探程度盆地区域，尚存在巨大的非常规油气资源。 非常规油气勘探尚处于起步阶段，多类型的油气资源有待探 索和发现（ Zhu et al． ，2012） 。泥页岩层系是指“泥页岩及其 所夹的薄层及其他岩石的组合”，如大套暗色泥页岩中夹的 薄层泥质粉砂 岩、砂 岩 及 泥 灰 岩、石 灰 岩 等。泥 页 岩 油 气 是
密度 样品号 （ g·cm － 3 ）
围压 （ MPa）
2-3
2. 51
39. 2
5-1
2. 46
19. 3
4-1
2. 44
39. 3
5-2
2. 56
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1-1
2. 57
38. 9
3-1
2. 47
19. 4
7-1
2. 35
19. 5
4-2
2. 72
40. 8
1-1
2. 72
39. 6
3-1
2. 63
表 1 泥页岩单轴力学实验结果表 Table 1 The uniaxial mechanics experiment results of shale
样品号
2-2 8-2 4-1 3-2 1
密度 （ g·cm － 3 ）
2. 27 2. 27 2. 71 2. 2 2. 43
抗压强度 （ MPa）
81. 2 87. 9 90. 2 113 97. 9
1. 2 岩石力学实验 1. 2. 1 泥页岩单轴力学实验
选取 5 块岩样进行单轴力学实验，结果表明，杨氏模量 最高为 26. 53GPa，最低为 14. 6GPa，平均 19. 05GPa； 泊松比 最高 为 0. 26，最 低 为 0. 18，平 均 0. 22； 抗 压 强 度 最 高 为 113MPa，最低为 81. 2MPa，平均 94. 04MPa（ 表 1） 。 1. 2. 2 泥页岩三轴力学实验
非常规油气中的一种，指暗色泥页岩层系中滞留的油气（ 康 玉柱，2012） 。泥页岩属于泥岩和页岩之间的过渡岩石 类 型，可见发育不完善的页理，一般是浅湖到深湖沉积的产物 （ Zhu et al． ，2013） 。常见的泥页岩类型有泥质泥页岩、碳质 泥页岩、硅质泥 页 岩、钙 质 泥 页 岩 等。当 泥 页 岩 中 混 入 一 定 量的砂质成分时，会形成砂质泥页岩。富有机质泥页岩是形
16. 3
3-1
2. 25
43. 2
4-1
2. 42
21. 7
5-1
2. 49
43. 4
2
2. 51
17. 3
3
2. 49
40
2-1
2. 52
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Fra Baidu bibliotek
孔压 （ MPa）
20 19. 5
17. 6
抗压 强度 （ MPa）
332. 2 348. 3 319. 3 245. 5 268. 9 183. 4 298. 5 338. 8 328. 6 279. 3 318. 2 350. 7 506. 4 213. 3 239. 6 292
随着松辽盆地中浅层石油勘探进程的不断推进，为确保 大庆油田 4000 万吨持续稳产，实现储采平衡，非常规泥页岩 油藏已经成为比较现实的勘探突破目标。大庆古龙凹陷烃 源岩厚度大，有机质丰度高，成熟度高，以Ⅰ型干酪根为主， 其中青一段暗色泥岩平均厚度 60m，TOC 平均 2. 13% ，Ｒ0 ＞ 0. 9% 。泥页岩储层主要分为薄层泥质粉砂、介形虫层和泥 岩裂缝三种类型。储集空间以孔隙和裂缝为主（ 黄振凯等， 2013） 。非常规储层自然条件下很难产出油气，需要进行大 规模的压裂 改 造，储 层 岩 石 力 学 和 脆 性 评 价 就 显 得 尤 为 重 要。为了搞清泥页岩的岩石力学特征，笔者利用岩石力学三 轴测试系统，对青山口组泥页岩进行不同加载条件下的力学 行为研究。同时分析泥页岩试样的脆性特征，在已有脆性评 价方法基础上，提出基于泥页岩弹性特征和矿物组成的脆性 综合 评 价 方 法-弹 性 参 数 与 矿 物 成 分 组 合 法 （ EP＆MC Method） 。
杨氏 模量 （ GPa）
37. 21 48. 27 37. 9 22. 38 27. 1 24. 64 43. 83 41. 43 39. 73 31. 2 31. 77 39. 94 60. 52 32. 26 34. 55 34. 26
泊松比
0. 29 0. 35 0. 29 0. 28 0. 23 0. 24 0. 29 0. 28 0. 31 0. 33 0. 16 0. 29 0. 36 0. 33 0. 31 0. 23
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泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价
刁海燕1，2 DIAO Haiyan1，2
1. 中国地质大学，北京 100083 2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083 1. China University of Geosciences，Beijing 100083，China 2. Ｒesearch Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China 2013-03-15 收稿，2013-07-01 改回 .
Diao HY. 2013. Ｒock mechanical properties and brittleness evaluation of shale reservoir. Acta Petrologica Sinica，29 （ 9） ： 3300 － 3306
Abstract Ｒock mechanical properties of shale gas reservoir are vitally important for exploitation. It is necessary to conduct laboratory study on mechanical properties and brittleness evaluation of shale，which can provide technical support for drilling and fracturing design. Experimental investigations show that compressive strength has positive correlations with Young’s modulus and confining pressure. Volume change of rocks before and after fracturing increases with decreased Young’s modulus and increased Poisson’s ratio. Failure mode under low confining pressure is predominantly splitting failure，while shear failure mode is dominant under high confining pressure. Brittleness of shale has close relations with shale elastic parameters and mineral constituent. Based on numerical modeling and experimental measurement，in combination with elastic parameters method and mineral constituent method，a new brittleness evaluation method is proposed，and brittleness evaluation of single wells is realized which has better effect. Brittleness evaluation is useful for understanding reservoir mechanics and selecting fracture section. Key words Shale； Ｒock mechanics； Failure modes； Elastic parameters； Mineral constituent； Brittleness evaluation
1 泥页岩的岩石力学特性试验
1. 1 试验设备、样品准备及实验方案 为达到研究目的，设计了岩心孔渗、应力应变、声波测量
和 X 衍射等实验。应力应变实验采用美国 TerraTek 全伺服 三轴岩石力学测试系统，严格按照国际岩石力学学会的推荐 方 法 （ Ｒock characterization testing and monitoring-ISＲM suggested method） ，对砂岩试样进行岩样加工、不同条件下的 应力应变测试以及数据处理等。三轴岩石力学测试系统加 载框架最大承载能力为 270 吨，测试所用轴向位移和径向位 移传感器均满足应变灵敏度 5E-6mm / mm，精度 0. 2% 和耐温 200℃ 的性能指标。通过对标准岩样，即直径 1 英寸、长度 2 英寸且两端面平行的标准圆柱体试样进行围压（ 模拟地层的 水平应力，加载速率 0. 035MPa / sec） 、孔隙压力（ 模拟油藏压 力，加载速率 0. 0069MPa / sec） 以及轴向压力（ 模拟上覆层压 力，加载速率 1E-5mm / mm / sec） 的加载，最终获得岩样变形 至破坏的应力-应变曲线，计算可以得到抗压强度、杨 氏 模 量、泊松比、体积压缩系数、颗粒压缩系数以及孔隙弹性系数 等岩石力学物性参数。岩心来自大庆油田齐家-古龙地区青 山口组，取样深度 1940 ～ 2540m，10MPa 围压下气体孔隙度 1% ～ 16% ，气体渗透率小于 5 × 10 － 3 μm2 ，部分小于 0. 01 × 10 － 3 μm2 。岩石矿物组分以石英、长石和方解石、白云石为 主，粘土则以伊利石和绿泥石为主。
杨氏模量 （ GPa）
15. 95 17. 48 26. 53 20. 68 14. 6
泊松比
0. 22 0. 26 0. 22 0. 23 0. 18
表 2 泥页岩三轴力学实验结果表 Table 2 The triaxial mechanics experiment results of shale
摘 要 泥页岩储层的岩石力学特性对油气开发影响极大，进行泥页岩力学特性和脆性评价方面的研究，可以为泥页岩油 钻井和压裂设计工作提供技术支撑。实验研究表明，泥页岩抗压强度与围压、杨氏模量成正相关; 体积应变量随杨氏模量减 小而增大，随泊松比增加而增加; 泥页岩破坏在低围压下以劈裂式破坏为主，高围压时多出现剪切式破坏。泥页岩的脆性与 其弹性参数和矿物组成关系密切，通过数值模拟和实验测量，综合弹性参数和矿物组分两种方法提出了一种新的脆性评价方 法-弹性参数与矿物成分组合法( EP＆MC Method) ，并实现了单井脆性评价，效果较好。脆性评价既是储层岩石力学特性分析 的重要内容，也是压裂选层的重要依据。 关键词 泥页岩; 岩石力学; 破裂模式; 弹性参数; 矿物组分; 脆性评价 中图法分类号 P618. 13
* 本文受国家重大专项（ 2011ZX05028） 资助． 第一作者简介： 刁海燕，女，1977 年生，博士生，矿产普查与勘探专业，主要从事油气地质综合研究，E-mail： diaohy@ 126． com
刁海燕等: 泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价
3301
成泥页岩油气的主要岩石类型（ Zhu et al． ，2004） 。泥页岩 储层具有极低的基质孔隙度和渗透率，需要大规模压裂才能 形成工业产能。除自身天然裂缝外，开发过程中还应考虑储 层是否易于改造（ 蒋裕强等，2010） 。研究发现，脆性指数是 遴选高品质泥页岩储层的重要参数（ 付永强等，2011； 李庆 辉等，2012） 。国外学者和石油公司都非常重视泥页岩储层 力学特性的评价，但尚未见到系统的研究成果，涉及储层脆 性的研究鲜见报道。
我国盆地众多，类型多样，各种非常规油气资源丰富，特 别是低勘探程度盆地区域，尚存在巨大的非常规油气资源。 非常规油气勘探尚处于起步阶段，多类型的油气资源有待探 索和发现（ Zhu et al． ，2012） 。泥页岩层系是指“泥页岩及其 所夹的薄层及其他岩石的组合”，如大套暗色泥页岩中夹的 薄层泥质粉砂 岩、砂 岩 及 泥 灰 岩、石 灰 岩 等。泥 页 岩 油 气 是
密度 样品号 （ g·cm － 3 ）
围压 （ MPa）
2-3
2. 51
39. 2
5-1
2. 46
19. 3
4-1
2. 44
39. 3
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2. 72
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1-1
2. 72
39. 6
3-1
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表 1 泥页岩单轴力学实验结果表 Table 1 The uniaxial mechanics experiment results of shale
样品号
2-2 8-2 4-1 3-2 1
密度 （ g·cm － 3 ）
2. 27 2. 27 2. 71 2. 2 2. 43
抗压强度 （ MPa）
81. 2 87. 9 90. 2 113 97. 9
1. 2 岩石力学实验 1. 2. 1 泥页岩单轴力学实验
选取 5 块岩样进行单轴力学实验，结果表明，杨氏模量 最高为 26. 53GPa，最低为 14. 6GPa，平均 19. 05GPa； 泊松比 最高 为 0. 26，最 低 为 0. 18，平 均 0. 22； 抗 压 强 度 最 高 为 113MPa，最低为 81. 2MPa，平均 94. 04MPa（ 表 1） 。 1. 2. 2 泥页岩三轴力学实验
非常规油气中的一种，指暗色泥页岩层系中滞留的油气（ 康 玉柱，2012） 。泥页岩属于泥岩和页岩之间的过渡岩石 类 型，可见发育不完善的页理，一般是浅湖到深湖沉积的产物 （ Zhu et al． ，2013） 。常见的泥页岩类型有泥质泥页岩、碳质 泥页岩、硅质泥 页 岩、钙 质 泥 页 岩 等。当 泥 页 岩 中 混 入 一 定 量的砂质成分时，会形成砂质泥页岩。富有机质泥页岩是形
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17. 3
3
2. 49
40
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孔压 （ MPa）
20 19. 5
17. 6
抗压 强度 （ MPa）
332. 2 348. 3 319. 3 245. 5 268. 9 183. 4 298. 5 338. 8 328. 6 279. 3 318. 2 350. 7 506. 4 213. 3 239. 6 292
随着松辽盆地中浅层石油勘探进程的不断推进，为确保 大庆油田 4000 万吨持续稳产，实现储采平衡，非常规泥页岩 油藏已经成为比较现实的勘探突破目标。大庆古龙凹陷烃 源岩厚度大，有机质丰度高，成熟度高，以Ⅰ型干酪根为主， 其中青一段暗色泥岩平均厚度 60m，TOC 平均 2. 13% ，Ｒ0 ＞ 0. 9% 。泥页岩储层主要分为薄层泥质粉砂、介形虫层和泥 岩裂缝三种类型。储集空间以孔隙和裂缝为主（ 黄振凯等， 2013） 。非常规储层自然条件下很难产出油气，需要进行大 规模的压裂 改 造，储 层 岩 石 力 学 和 脆 性 评 价 就 显 得 尤 为 重 要。为了搞清泥页岩的岩石力学特征，笔者利用岩石力学三 轴测试系统，对青山口组泥页岩进行不同加载条件下的力学 行为研究。同时分析泥页岩试样的脆性特征，在已有脆性评 价方法基础上，提出基于泥页岩弹性特征和矿物组成的脆性 综合 评 价 方 法-弹 性 参 数 与 矿 物 成 分 组 合 法 （ EP＆MC Method） 。
杨氏 模量 （ GPa）
37. 21 48. 27 37. 9 22. 38 27. 1 24. 64 43. 83 41. 43 39. 73 31. 2 31. 77 39. 94 60. 52 32. 26 34. 55 34. 26
泊松比
0. 29 0. 35 0. 29 0. 28 0. 23 0. 24 0. 29 0. 28 0. 31 0. 33 0. 16 0. 29 0. 36 0. 33 0. 31 0. 23