昭通浅层页岩气储层岩石力学性质研究

朱俊星，冷元昊

（1.国家管网集团中原储气库有限责任公司，河南 濮阳 457000；2.辽宁大学 环境学院，沈阳 110036）

四川盆地南部昭通区块五峰组-龙马溪组具有储层厚度优质、有机碳硅质含量高等优点，资源潜力巨大，是我国页岩气压裂改造的主力开发区。页岩气储层作为一种非常规油气藏，储层低孔低渗，常规方式难以开采，要对其进行体积压裂改造并形成复杂的裂缝网络才能够使产能稳定。这主要取决于页岩气储层形成复杂缝网的能力即可压性，评价其可压性就要对其岩石的力学性质进行研究[1-3]。

前人凭借各种资料和方法对昭通区块的岩石特征、沉积背景、形成环境及赋存机制等方面开展了大量的研究[4-6]，WU 等[7]对四川盆地及周缘五峰组-龙马溪组页岩有机质宏微观赋存机制进行了研究；吴蓝宇等[8]研究了上扬子区奥陶系五峰组-志留系龙马溪组沉积期火山活动对页岩有机质富集程度的影响；王玉满等[9]探究了四川盆地东部五峰组-龙马溪组斑脱岩发育特征及地质意义；王濡岳等[10]研究了五峰组-龙马溪组页岩储层特征与演化机制；梁超等[11]探究了四川盆地五峰组-龙马溪组页岩岩相及储集空间特征；邱小松等[12]对五峰组-龙马溪组页岩气储层及含气性特征作了研究，但目前针对该储层的岩石力学性质的研究还较少。

本文以昭通上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组浅层页岩气储层岩心为研究对象，结合实验室数据，综合储层脆性、抗压强度、层理发育程度及储层地应力，获得了昭通浅层页岩气岩石力学性质、水力裂缝扩展主控因素及缝网形成能力，为研究区下一步的工程措施实施提供了有效的技术支持。

1 地区岩层概况及矿物组成

昭通示范区浅层页岩气储层地表以云贵高原山地地貌为特征，构造位置上处于四川盆地川南低陡褶皱带与滇黔北坳陷过渡部位[13-15]。区内发育有海相与陆相2 套地层，海相页岩主要有下震旦统陡山沱组、下寒武统筇竹寺组及上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组3套，以五峰组-龙马溪组为现实的页岩气主要勘探目的层系[16-20]。五峰组-龙马溪组龙一1 亚段东西方向发育稳定，而南北方向有变化，厚度整体呈现由北向南减薄趋势。五峰组由泥质介壳灰岩、黑色笔石页岩组成，厚度较薄，一般为2.0~6.0 m；龙马溪组龙一1 亚段以炭质页岩与黑色硅质页岩为主，富含笔石化石和黄铁矿，厚20.0~40.0 m。依据电性、岩性和笔石化石特征，在纵向上可划分出龙马溪组一段和龙马溪组二段2 个岩性段。

选取各井不同层位的岩心样品11 组进行X-射线衍射分析，实验结果如图1 所示。实验结果表明，矿物组分中脆性矿物石英和长石的含量在27.5%~58.6%，平均为46.25%，黏土矿物含量在15.1%~35.3%之间，平均为26.68%，岩心样品中的白云石和方解石含量为10.7%~42.7%，平均为27.07%，此外还含有少量的黄铁矿，总体上石英和长石所占比例较高，脆性整体较好。此外，又选取了13 组岩心样品进行了TOC 含量检测，实验结果表明，储层整体TOC 含量在1.3%~6.72%，平均为3.37%，整体属于较高水平。总体来看，昭通页岩气储层整体脆性矿物含量较高，TOC 含量较高，岩石脆性整体属于较高水平，有利于压裂改造。

图1 昭通区块储层岩石矿物组分

2 岩样三轴压缩力学参数研究

2.1 实验样品及实验装置

实验样品来自昭通区块三口直井的五峰组-龙马溪组页岩气储层岩心。样品沿垂直地层取心，切割成25 mm 直径，高度为直径的2 倍，约为50 mm 的标准岩心。试件制备的精度，在试件整个高度上，直径误差不超过0.3 mm。两端面的不平行度最大不超过0.02 mm。端面应垂直于试件轴线，最大偏差不超过0.25°（图2）。开展三轴岩石力学实验的设备为电液伺服高压动态岩石三轴测试系统-GCTS 压机（图3），型号为RTR-1500。RTR 高压岩石综合测试系统是一套闭环数字伺服控制装置，用于简便快速的进行岩石试样实验。该设备围压最高可达140 MPa，分辨率约为0.01 MPa，轴压最高可达1 500 kN，能够模拟地层在高压条件下测试岩石的三轴压缩实验，测试得到岩石的杨氏模量、泊松比、抗压强度等力学参数，为设计水力压裂提供参考。样品深度都位于2 000 m 以内，主要来自龙一2、龙一11、龙一12、龙一14和五峰层位的岩心样品，取心情况见表1。

表1 各井各层位取心情况 m

图2 昭通地区岩心样品

图3 岩石三轴测试系统-GCTS 压机

2.2 三轴压缩实验结果

昭通区块储层埋深较浅，小于2 000 m，浅层页岩气储层所处的地应力较小，相应的其抗压强度以及弹性模量偏低。抗压强度作为储层力学性质以及可压性评价的因素之一，由三轴压缩实验结果表明，围压小于50 MPa 的条件下，岩石的抗压强度在106.31~233.37 MPa，整体不超过250 MPa（图4）。弹性模量在10.3~28.4 GPa，泊松比在0.2~0.39，整体表现出的抗压强度和弹性模量符合中等偏低的特征。

图4 三轴压缩应力应变曲线

各井各层位之间，抗压强度随围压升高都有增大的趋势，且速率逐渐降低（图5）；弹性模量随围压升高都有增大的趋势，且相比于抗压强度，其增长幅度及速率较小（图6）；泊松比随围压升高整体呈上升趋势，但趋势并不明显（图7）。

图5 围压与抗压强度关系曲线

图6 围压与弹性模量关系曲线

图7 围压与泊松比关系曲线

综上，由于层理及微裂隙的影响，储层岩心的抗压强度本身较低，但不同深度储层的抗压强度还是存在一定差异，整体较低的抗压强度有利于储层压裂改造。

并且在三轴压缩实验后，观察发现岩心裂缝形态呈现出许多水平裂隙（图8），显示出储层的层理发育，有利于储层的压裂改造形成复杂缝网。

图8 岩心压后裂缝形态

3 波速测量

岩石的沉积过程、孔隙结构和构成成分等物理特性，以及岩石的各项力学性质会直接影响到声波在岩石中的传播速度，所以可对不同岩心进行声波测试，利用能够同时发射和接收纵波与横波信号的仪器采集实验数据，并根据相应理论公式对所得数据进行进一步处理，得出各岩心动态弹性模量和动态泊松比。

利用Panametrics 5077PR 岩石声波仪分别测试岩样的径向及轴向的纵波和横波波速，实验装置如图9 所示。

图9 波速测量示意图

岩石声波测试时以声波在岩石中的传播特性与岩石的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩石中的传播特性参数，得到岩石本身动态力学参数：轴向纵波波速范围为3.81~4.91 km/s，轴向横波范围1.61~4.92 km/s；径向纵波波速范围为2.2~3.52 km/s，径向横波范围0.98~2.93 km/s，纵横波速比Vp/Vs 平均为1.56（图10）。动态泊松比和静态泊松比一般相差较小，所以一般并不转换成静态，直接用动态进行代替。但动、静态弹性模量之间有着明显的界限，无论是在高应力或者低应力加载状态下，动态模量都要大于静态弹性模量，所以不进行动静态转换将会对描述地层性质、计算地应力等有很大的影响。通过计算可以得到岩样弹性模量的动静态关系为：E静=0.34E动+7.99，如图11 所示。

图10 纵横波速比

图11 动静态弹性模量转换关系

层理以及天然裂隙是储层在水力压裂后能够形成复杂缝网的重要因素之一，层理及天然裂缝越发育，越有可能形成较大的储层改造体积，所以储层的层理和裂隙的发育对岩石的力学性质有着重要的影响。可通过波速应力敏感实验得到岩心样品微裂隙的发育程度，以此作为储层天然裂隙发育程度的评价参数。岩心应力敏感参数如图12 所示。

图12 岩心应力敏感参数

从实验得到的应力敏感系数来看，储层整体的应力敏感系数在20.93~69.93 之间，平均为38.8，应力敏感程度较高，由此可知昭通区块储层的天然裂隙较发育，有利于进行压裂改造。

4 结论

1）储层整体上，昭通上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组浅层页岩气储层埋深小于2 000 m，属于浅层页岩气储层，整体抗压强度和弹性模量较低，矿物成分中以石英、黏土矿物为主，脆性较好，TOC 含量高。岩石整体较高的脆性以及较低的抗压强度有利于储层的压裂改造。

2）抗压强度、弹性模量随围压升高都有增大的趋势，且速率逐渐降低；泊松比随围压升高整体呈上升趋势，但趋势并不明显；各井之间Q1 井力学性质及可压性最好，其次是S8，最次是S7；层位之间龙一11和龙一12岩石力学性质及可压性较好，脆性矿物含量较高，脆性指数较高，层间应力差较小，有利于裂缝的穿过，其次为五峰组，裂缝可在内部扩展。

3）储层整体的应力敏感程度较高，其水平层理以及天然裂隙较为发育，有利于压裂后复杂缝网的形成。