页岩储层的岩石力学特性

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：ｙ

２０００ｗ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ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２６５．７５ＭＰａ

，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（１５１．９２ＭＰａ

）是水平取样抗压强度（为６９．１８ＭＰａ）的２．２倍；页岩抗张强度较低，平均为２．９４ＭＰａ。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。 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．１０００－０９７６．２０１２．０７．００３１　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０．０１～０．００１ｍＤ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

）。２　页岩岩石力学实验

２．１　力学实验条件

实验利用ＭＴ

Ｓ８１５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

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２１· 天　然　气　工　业 ２

０１２年７月

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

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２５０～３００ＭＰａ，平均抗压强度为２６５．７５ＭＰａ，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。

表１　页岩三轴力学实验结果表

岩样编号

密度／

ｇ·ｃｍ－３

实验条件

温度／℃

上覆压力／

ＭＰａ

围压／

ＭＰａ

孔压／

ＭＰａ

实验结果

抗压强度／

ＭＰａ

杨氏模量／

１０４　ＭＰａ

泊松比

１０－０９－０１　２．６７０　８８　６６　５３　２５　２６６．２１８　３．６６２　０．１９５１０－０９－０２　２．６８８　８８　６６　５３　２５　２５６．７２４　３．５７６　０．２２２１０－０９－０３　２．６９０　８９　６８　５４　２５　２５０．０５３　５．５２５　０．３３１１０－０９－０４　２．６９４　８９　６８　５４　２５　２９０．０１４　５．５９９　０．２７２

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６９．１８ＭＰａ，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１５１．９２ＭＰａ，平均泊松比为０．１７５（表２）。

表２　页岩单轴力学实验结果表

样

号

取样

方式

密度／

ｇ·ｃｍ－３

抗压强度／

ＭＰａ

杨氏模量／

１０４　ＭＰａ

泊松比１垂向２．６２３　１３８．０７０　３．０４５　０．１４０２水平２．６１６　６８．９６４　６．１３６　０．２５６３垂向２．６２　１１７．３９６　２．３６８　０．１２８４垂向２．５３２　２００．３１２　３．５６８　０．２５７５水平２．５０８　６９．４０４　３．２５７　０．１９８２．４　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２～４ＭＰａ，平均为２．９４ＭＰａ（表３）。

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／ＭＰａ４８－０６　３７．５２　９．７３　３．２６

５１－０５　３７．６１　１１．３１　２．７０

５４－０８　３７．７５　９．４３　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学实验结果表明，抗压强度平均为２３５．７５ＭＰａ，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

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第３２卷第７期 地　质　勘　探