四川盆地威遠地區龍馬溪組頁巖儲層上下亞段脆性差異

陸益祥，潘仁芳，唐小玲，武文競，鄢杰

（1.油氣資源與勘查技術教育部重點實驗室（長江大學），湖北 武漢 430100；2.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552）

四川盆地威遠地區龍馬溪組頁巖儲層上下亞段脆性差異

陸益祥1，潘仁芳1，唐小玲2，武文競1，鄢杰1

（1.油氣資源與勘查技術教育部重點實驗室（長江大學），湖北 武漢 430100；2.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552）

頁巖氣的開發對于頁巖儲層的脆性有一定要求?，F今，我國頁巖氣的重點勘探開發層位位于四川盆地下志留統龍馬溪組。前人研究表明，龍馬溪組具有明顯的二分性，其上段和下段頁巖儲層脆性存在差異。目前，針對這方面的研究還比較少，筆者擬從礦物組分含量分析、脆性指數、彈性模量、泊松比、三軸壓力實驗等方面來比較龍一段和龍二段的儲層脆性差異。結果表明：龍一段比龍二段的脆性礦物含量更高，且脆性指數較大；相比龍二段，龍一段的巖石物理特征是彈性模量更高，泊松比更低；巖心的三軸壓力實驗表明，龍一段的應力—應變負坡曲線的斜率的絕對值較大。綜合以上結論可以得出，龍一段的脆性要比龍二段好，開發壓裂效果更好。

脆性差異；彈性模量；泊松比；威遠地區；龍馬溪組

我國頁巖氣資源量豐富，曾祥亮［1］、黃金亮［2］等研究表明，四川盆地龍馬溪組頁巖開發潛力巨大。頁巖氣儲層與常規天然氣儲層相比，具有明顯的低孔、低滲特征，儲層壓裂后才能形成經濟效益。其中，頁巖儲層的脆性是壓裂過程中必須考慮的關鍵因素。Chen［3］、白志強［4］等研究發現，龍馬溪組頁巖的巖性具有明顯的二分性，可分為龍馬溪組頁巖上段和龍馬溪組頁巖下段。龍馬溪組頁巖的二分性特點在脆性方面也同樣存在，但目前針對二分性特點的研究還較少。前人對頁巖脆性評價大多采用巖石力學實驗［5-6］的方法，該方法費錢費時費力、以點代面，具有較大的偶然性。筆者擬從礦物組分、脆性指數、巖石物理特征（彈性模量、泊松比）、巖石力學實驗（三軸壓力實驗）等幾個方面來比較威遠地區龍馬溪組一段和龍馬溪組二段頁巖儲層脆性差異，對這幾種方法使用的利弊進行簡要的說明，并討論形成這種差異的原因。

1　地質概況

研究區位于四川省威遠、榮縣和內江市境內，為頁巖氣國家重點示范區，面積約8 940 km2。威遠構造屬于川中隆起區的川西南低陸褶皺帶，有威遠、興隆場、靈音寺等多個構造（見圖1）。威遠構造為巨型的穹隆背斜，該背斜西北翼平緩、東南翼以基底斷裂為界產狀較陡，西南側與老龍場構造以基底斷裂為界呈鞍狀相連，東北側與磨溪—安平店構造以北西走向的基底斷裂帶相隔［7］。

威遠地區志留系地層由于加里東運動，缺失石牛欄組和韓家店組，所以志留系地層只有龍馬溪組?？傮w看來，四川地區龍馬溪組沉積以淺水陸棚相為主，從西向東沉積相類型依次為古隆起、泥質淺水陸棚、泥質深水陸棚、砂泥質淺水陸棚、泥質淺水陸棚。

2　頁巖儲層礦物組分分析

根據工區鉆遇地層情況，結合取心、測井、地震等資料，將龍馬溪組劃分為龍馬溪組一段 （3 612～3 703 m）、龍馬溪組二段（3 251～3 612 m）（以下簡稱龍一段、龍二段）。

X射線衍射分析龍一段和龍二段的樣品可知，頁巖樣品礦物組分以石英礦物和黏土礦物為主，含有部分的碳酸鹽巖及少量長石和黃鐵礦（見圖2）。

Woodford與Barnett頁巖的脆性礦物質量分數一般要大于40%，黏土礦物質量分數要少于30%，才具工業開發價值［8-9］。相比龍二段，龍一段脆性礦物質量分數要更高、黏土礦物質量分數更低，且龍一段脆性礦物和黏土礦物質量分數都達到了北美頁巖氣開發的要求，從這方面來看，龍一段的開發壓裂潛力要好。

3　頁巖脆性綜合評價法

針對頁巖的脆性參數研究方法主要有3種：實測頁巖礦物成分含量，得出脆性礦物含量和黏土礦物含量，利用脆性公式計算頁巖脆性指數；利用地球物理的方法及測井資料求取巖石彈性力學參數（彈性模量、泊松比）；采用巖石力學實驗的方法，利用應力-應變曲線特征進行評價，如三軸壓力實驗［9］。

3.1X射線衍射分析

X射線衍射分析研究區龍馬溪組龍一段、龍二段的取心資料（見圖2a），根據Jarvie［10］脆性計算式：

式中：BRIT為巖石脆性指數；V為礦物質量分數，%；下標s，t，f，n分別代表石英、碳酸鹽、方解石、黏土。

由式（1）得出，龍二段脆性指數為0.42，龍一段為0.56，說明龍一段脆性要好于龍二段。Jarvie方法的優點是簡單且容易操作，然而實際情況下頁巖的礦物成分是多種多樣的，從精確性的角度來看，單從礦物組分來評價顯得不夠，而且這種方法需要大量巖心分析資料，使用起來費時費力。所以筆者決定采用文獻［10］中的加入礦物彈性模量和泊松比的新公式，來計算巖石的脆性指數。

式中：E為彈性模量，GPa；PR為泊松比。

巖石礦物分析表明，石英、方解石和伊利石是主要的礦物成分，3種礦物的彈性模量和泊松比見表1。

根據圖2和表1中的數據，利用式（2）得出，龍二段脆性指數為84.44，龍一段為86.57?？芍?，龍一段的脆性更好。從脆性指數處理結果來看，新方法比Jarvie方法更加符合實際。

3.2地球物理測井方法

通過有效方法獲得頁巖的泊松比和彈性模量［11-12］可以作為主要依據來評價頁巖脆性。Rickman等人對美國福特沃斯盆地Barnett頁巖彈性模量和泊松比進行了總結，統計結果表明，高彈性模量、低泊松比的頁巖脆性更強［12］。Halliburton和Baker Hughes利用測井數據的橫縱波時差計算巖石的泊松比和彈性模量，并以此結果作為評價頁巖脆性程度的依據［13-14］。

3.2.1Rickman等人的方法

對龍一段和龍二段樣品進行實驗，測出樣品彈性模量和泊松比，結果見圖3。由圖3可知，龍一段彈性模量38.21～49.27 GPa，平均為44.17 GPa；龍二段彈性模量30.20～39.52 GPa，平均為35.31 GPa。龍一段泊松比0.18～0.33，平均為0.24；龍二段泊松比0.28~0.40，平均為0.36。說明龍一段具有更高的彈性模量和更低的泊松比，脆性更好，可壓裂性更強。

3.2.2BakerHughes和Halliburton的方法

由龍馬溪組的測井數據（見圖4）中縱、橫波時差，計算彈性模量和泊松比，評價頁巖的脆性。利用參考文獻［11］中的公式：

式中：ΔTp，ΔTs分別表示縱、橫波時差，μs·m-1；ρb為體積密度，g/cm3。

利用式（3）代入橫、縱波時差，得到泊松比；同理，利用式（5）得到彈性模量。利用求出的彈性模量和泊松比評價巖石的脆性。

據圖5可看出，龍一段彈性模量平均23 GPa，泊松比平均0.22；龍二段彈性模量平均18 GPa，泊松比平均0.32。由此可知：龍一段具有較低泊松比和更高的彈性模量，龍一段的脆性更好。由式（3）可以推算出式（4），說明，橫縱波時差比值和泊松比有一定相關性。觀察圖6可知，龍二段的橫縱波時差比明顯高于龍一段，證明頁巖的脆性用低橫縱波時差比表示也是可行的。

3.3頁巖巖石力學實驗

從龍一段和龍二段各取一塊巖心，取心位置為圖4中紅色點（1號巖心，取樣深度為3 655 m）和藍色點（2號巖心，取樣深度為3 460 m）。模擬巖心地下溫度、壓力環境，進行三軸壓力實驗。實驗結果表明：龍馬溪組頁巖儲層平均抗壓強度為241.10 MPa，平均彈性模量為16.84 GPa，平均泊松比為0.28（見表2）。由此可知，相比2號巖心，1號巖心的彈性模量更高和泊松比更低，證明龍一段比龍二段的脆性要好。

應力-應變曲線的負坡斜率絕對值大小可以劃分巖石脆性好壞。負坡斜率絕對值較大者脆性較好；反之脆性較差。由圖7、圖8可知：1號巖心在應力為262.01 MPa，應變為0.008時破碎；2號巖心在應力為199.96 MPa，應變為0.012時破碎。1號巖心負坡斜率絕對值較大，故其脆性優于2號巖心，即龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。

3.4綜合分析

通過對龍一段和龍二段的礦物成分分析，結合脆性指數、彈性模量、泊松比及三軸壓力實驗等比較結果，都彼此相互證明龍一段比龍二段脆性要好，具有更好的水力壓裂效果。

龍一段和龍二段兩段彼此相鄰，所受圍壓、溫度、埋藏時間等外界因素對頁巖脆性影響大致相當［15］。龍一段以深水陸棚上的沉積的灰黑色、黑色頁巖為主；龍二段以淺水陸棚上沉積的灰色、深灰色頁巖和粉砂質泥巖為主［16-18］。龍一段和龍二段脆性差異主要是由巖性差異引起的，而巖性差異是由沉積環境所決定的。所以，造成龍一段和龍二段脆性差異的根本原因是沉積環境不同。

4　結論

1）龍一段的脆性礦物質量分數大于40%，黏土礦物質量分數小于30%。根據美國Barnett和Woodford頁巖成功的開發經驗，龍一段都達到了開發條件，相比龍二段，龍一段的開發潛力大。龍二段巖石脆性指數為84.44，龍一段為86.57，證明龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。龍一段比龍二段具有更高的彈性模量和更低的泊松比，說明龍一段的脆性比龍二段的脆性要好。龍一段負坡斜率絕對值較大，故脆性較優。沉積環境的不同是造成龍一段和龍二段脆性差異的根本原因。

2）Jarvie方法單從礦物組分含量來評價脆性，從精確性角度來看不夠；新脆性公式要比Jarvie方法結果更加符合實際。Baker Hughes和Halliburton方法在原狀地層中獲得數據值，精確度相比與Rickman等人的方法要高；三軸壓力實驗是直接測量巖心脆性的一種重要手段。

［1］曾祥亮，劉樹根，黃文明，等．四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖地質特征對比［J］．地質通報，2011，31（2）：372-384.

［2］黃金亮，鄒才能，李建忠，等．川南志留系龍馬溪組頁巖氣形成條件與有利區分析［J］．煤炭學報，2012，37（5）：782-787．

［3］CHEN S B，ZHU Y M，WANG H Y，et al.Shale gas reservoir characterization：a typical case in t the southern Sichuan Basin of China［J］.Energy，2011，36（11）：6609-6616.

［4］白志強，劉樹根，孫偉，等．四川盆地西南雷波地區五峰組龍馬溪組頁巖儲層特征［J］．成都理工大學學報（自然科學版），2013，40（5）：521-531．

［5］楊建，付永強，陳鴻飛，等．頁巖儲層的巖石力學特性［J］．天然氣工業，2012，32（7）：12-14．

［6］李慶輝，陳勉，金衍，等．頁巖氣儲層巖石力學特性及脆性評價［J］．石油鉆探技術，2012，40（4）：18-22．

［7］谷志東，翟秀芬，江興福，等．四川盆地威遠構造基地花崗巖地球化學特征及其構造環境［J］．地球科學，2013，38（1）：32-42．

［8］SOUNDERGELD C H，NEWSHAM K E，COMISKY J T，et al. Petrophysical considerations in evaluation and producing shale gas resources［R］.SPE 131768，2010.

［9］王鵬，紀友亮，潘仁芳，等．頁巖脆性的綜合評價方法：以四川盆W區下志留統龍馬溪組為例［J］．天然氣工業，2012，33（12）：48-52．

［10］刁海燕．泥頁巖儲層巖石力學特性及脆性評價［J］．巖石學報，2013，29（9）：3300-3306．

［11］MULLEN M，ROUNDTREE R，BARREE R，et al.A composite determination of Mechanical rock properties for stimulation design：what to do when you don′t have a sonic log［R］.SPE 108139，2007.

［12］劉雙蓮，陸黃生．頁巖氣測井評價技術特點及評價方法探討［J］．測井技術，2011，35（2）：112-116．

［13］RICKMAN R，MULLEN M，PETRE E，et al.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization：all shale plays are not clones of the Barnett Shale［R］.SPE 115258，2008.

［14］GRIESER B，BRAY H.Identification of production potential in unconventional reservoirs［R］.SPE 106623，2007.

［15］楊寶剛，潘仁芳，趙丹，等.四川盆地長寧示范區龍馬溪組頁巖巖石力學特性及脆性評價［J］.地質科技情報，2015，7（4）：185-187．

［16］鄢杰，潘仁芳，唐小玲，等.頁巖中油氣的滯留機制及富集機理差異性比較［J］.斷塊油氣田，2015，22（6）：711-716．

［17］吳艷艷，曹海虹，丁安徐，等.頁巖氣儲層孔隙特征差異及其對含氣量影響［J］.石油實驗地質，2015，37（2）：231-236.

［18］馬勇，鐘寧寧，程禮軍，等.渝東南兩套富有機質頁巖的孔隙結構特征：來自FIB-SEM的新啟示［J］.石油實驗地質，2015，37（1）：109-116.

（編輯趙旭亞）

Brittleness comparison between upper and lower sub-sections of Longmaxi Formation shale reservoir in Weiyuan Area，Sichuan Basin

LU Yixiang1，PAN Renfang1，TANG Xiaoling2，WU Wenjing1，YAN Jie1
（1.MOE Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Research Institute of Exploration and Development，Huabei Oilfield Company，PetroChina，Renqiu 062552，China）

The development of shale gas has a certain demand for the brittleness of shale reservoir.Today，shale gas exploration and development focuses on the Lower Silurian Longmaxi Formation in Sichuan Basin，China.Previous studies showed that the Longmaxi Formation has two different properties obviously，and the brittleness of the upper and lower sections of Longmaxi Formation shale reservoirs are different.At present，few researches are focused on this aspect.The author intends to analyze the composition of the mineral，the brittleness index，Young′s modulus，Poisson′s ratio，and the three axis pressure to compare the difference of brittleness between the Long 1 and Long 2.The results show that the content of brittle mineral of Long 1 is higher than that of Long 2，so is the brittle index；comparing with Long 2，Young′s modulus of the Long 1 is higher and Poisson′s ratio is lower；three axis pressure test shows that the absolute value of the slope of stress-strain curve for Long 1 is larger.Comprehensive conclusion is that the brittleness of Long 1 is better than that of Long 2，which has a better fracturing effect.

brittlenessdifference；Young′smodulus；Poisson′sratio；WeiyuanArea；LongmaxiFormation

國家自然科學基金項目“頁巖油、氣甜點構成要素比較研究”（41472123）

TE122.2+3

A

10.6056/dkyqt201604005

2015-12-19；改回日期：2016-04-15。

陸益祥，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事非常規頁巖油氣的儲層特性研究。E-mail：1069363009@qq.com。

引用格式：陸益祥，潘仁芳，唐小玲，等.四川盆地威遠地區龍馬溪組頁巖儲層上下亞段脆性差異［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：429-433.

LU Yixiang，PAN Renfang，TANG Xiaoling，et al.Brittleness comparison between upper and lower sub-sections of Longmaxi Formation shale reservoir in Weiyuan，Sichuan Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：429-433.