海陸過渡相不同頁巖巖相的巖石力學特性及能量演化特征

劉峻杰，吳建軍，熊 健，李 兵，劉向君，梁利喜

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

中國頁巖油氣資源儲量豐富，其中，海陸過渡相頁巖氣具有良好的勘探開發前景，約占中國頁巖氣總資源量的1/4[1]。目標區塊位于鄂爾多斯盆地東緣南北走向的條帶區域，區塊橫跨陜西與山西兩省，該區塊二疊系山西組沉積于三角洲前緣和濱海環境，為典型的海陸過渡相沉積環境[2]，二疊系山西組山23亞段沉積厚度約為20～40 m，夾層較少，是海陸過渡相頁巖氣勘探開發的有利層段[3]。目前，對于海陸過渡相頁巖儲層已進行了大量的研究，前人的研究主要集中在開發前景評價[4]、沉積環境[2]、頁巖氣形成[5]、頁巖儲層特征[6]、孔隙結構[7-8]、巖相劃分[3]等方面，研究主要停留在較為初期的階段，不能為后續的壓裂施工提供巖石力學、能量演化等方面的基礎參考數據。為此，針對鄂爾多斯盆地東緣的二疊系山西組山23亞段海陸過渡相頁巖，基于單軸壓縮實驗和三軸壓縮實驗，研究了不同頁巖巖相之間巖石力學特性的差異，并在此基礎上，結合能量演化理論，進一步探討了山西組海陸過渡相不同頁巖巖相之間的能量演化差異。

1 實驗樣品與方案

鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組山23亞段海陸過渡相頁巖的X射線衍射實驗結果如表1所示。由表1可知：礦物組成主要為石英、黏土礦物、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦，以石英和黏土礦物為主。根據其礦物成分不同，可進一步將其劃為3類典型頁巖相，即黏土質頁巖相、混合質頁巖相、硅質頁巖相。

表1 測試樣品礦物組成Table 1 The mineral composition of test samples

按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)[8]的相關要求制樣，將制備好的巖樣通過聲波測試進行篩選分組，把相同巖相且聲波時差相近的樣品選出，共19塊巖樣。單/三軸壓縮實驗在TRC-100高溫高壓巖石三軸流變儀上進行，實驗過程中所施加的圍壓為25 MPa，以0.2 mm/min的應變加載速率在軸向上連續加載荷?；趹?應變曲線，計算在連續加載過程中，實驗巖樣的總能量、彈性能量和耗散能量。

當巖樣所在的外部環境對巖樣施加相應大小、方向的應力時，應力將在巖樣形變的方向做功產生應變能，從而達到外界對巖樣輸入能量的目的?？偰芰?由外界輸入)可分彈性應變能和耗散能。各種能量在巖樣從受力到破壞的整個過程中均是同時存在的，只是在不同情況下所占的比例不同[9]。其能量的表達式為[10]：

U=Ue+Ud

(1)

在單軸壓縮的實驗情況下，巖樣的總能量和彈性能表達式分別為[11]：

(2)

(3)

式中：U為總能量，J/cm3；Ue為彈性能，J/cm3；Ud為耗散能，J/cm3；σ1為軸向應力，MPa；ε1為軸向應變；σ1i為軸向應力-應變曲線上第i點的軸向應力，MPa；ε1i為軸向應力-應變曲線上第i點的軸向應變；n為總的數據點數；E0為巖樣初始的彈性模量，MPa。

三軸壓縮的實驗情況下，最初施加靜水壓力的階段，巖樣所受到的圍壓做功為正功；施加軸向載荷的壓縮過程中，巖樣所受到的軸向應力做功為正功；隨著實驗的進行，徑向上的應變會逐漸增大，此時巖樣需要克服圍壓做功，巖樣受到的圍壓做功為負功。

在假三軸實驗中，水平方向上的主應力相等，總能量表示為[11-12]：

(4)

施加靜水壓力的階段做功U0以及三軸壓縮實驗條件下的彈性能Ue，可分別表示為[11]：

(5)

(6)

式中：U0為初始靜水壓力做功，J/cm3；U1為軸向應力做正功，J/cm3；U2為圍壓做負功，J/cm3；υ為泊松比；σ3為圍壓，MPa；ε3為徑向應變。

2 結果與討論

2.1 巖石力學特性參數

通過單軸、三軸壓縮實驗，獲得了抗壓強度、彈性模量和泊松比(圖1)。由圖1a可知，相同實驗條件下，同一巖相中各巖樣間的抗壓強度差異較小，而不同巖相間各巖樣的抗壓強度存在較大差異。

圖1 不同巖相巖樣的單軸和三軸實驗結果Fig.1 The uniaxial and triaxial experimental results of different lithofacies rock samples

在單軸實驗條件下：黏土質頁巖相的抗壓強度為14.48～21.95 MPa，平均值為17.87 MPa；混合質頁巖相的抗壓強度為36.66～43.07 MPa，平均值為38.90 MPa；硅質頁巖相的抗壓強度為56.61～60.01 MPa，平均值為58.50 MPa。在三軸實驗條件下：黏土質頁巖相的抗壓強度為50.05～56.26 MPa，平均值為53.15 MPa；混合質頁巖相的抗壓強度為81.13～88.90 MPa，平均值為85.88 MPa；硅質頁巖相的抗壓強度為131.49～143.62 MPa，平均值為137.22 MPa。

實驗結果表明，無論是在單軸壓縮實驗或三軸壓縮實驗條件下，硅質頁巖相的抗壓強度均為最大，其次為混合質頁巖相、黏土質頁巖相。這與不同巖相間的礦物成分差異有關，黏土質頁巖相中黏土礦物的含量較高但石英的含量較低，而硅質頁巖相與之相反。這說明海陸過渡相儲層頁巖在宏觀上表現出的抗壓強度特性，受控于微觀上的礦物組成成分。

此外，根據部分學者的研究，陸相頁巖的單軸抗壓強度為41.88～125.08 MPa[13-14]，海相頁巖的單軸抗壓強度約為150.00 MPa[15]，由此可知，海陸過渡相頁巖的抗壓強度低于海相頁巖和陸相頁巖；這種力學強度上表現出的差異，結合海陸過渡相地層具有在縱向和橫向上變化快、且單層厚度小而累計厚度大的特征，將影響海陸過渡相頁巖儲層不同層段的壓裂改造措施[16-26]。

由圖1b、c可知，在單軸壓縮實驗中，硅質頁巖相彈性模量值最大，平均值為24.92 GPa。泊松比最小，平均值為0.214；混合質頁巖相彈性模量的平均值為19.11 GPa，泊松比的平均值為0.235；黏土質頁巖相彈性模量值最小，平均值為11.89 GPa，泊松比最大，平均值為0.401。硅質頁巖相具有較高的彈性模量以及較低的泊松比，可見山西組海陸過渡相頁巖儲層中硅質頁巖相有較好的可壓裂性。

2.2 變形特征

部分不同頁巖巖相樣品在單軸和三軸壓縮條件下的應力-應變曲線如圖2所示。由圖2a可知，單軸壓縮實驗中，不同頁巖巖相均有較長的彈性變形階段，且無明顯的壓縮階段，這可能與頁巖較為致密有關；僅硅質頁巖相無塑性階段，均表現為較強的脆性。由圖2b可知，彈性變形階段均有縮短，而塑性變形階段有所增長。對于強度較低的黏土質頁巖相和強度較高的硅質頁巖相具有較長的塑性變形階段，而強度適中的混合質頁巖相塑性變形階段較短?？傮w看來，在三軸圍壓狀態下巖樣的峰值強度提高，塑性增強，且峰值點處的應變均大于0.004 0。表明巖樣的峰值強度、應變隨圍壓的增大而增大，巖樣逐漸由脆性過渡到塑性。

圖2 不同實驗條件下應力-應變曲線Fig.2 The stress-strain curve under different experimental conditions

2.3 巖樣破壞模式

不同頁巖巖相樣品實驗后的破壞照片如圖3所示。在單軸壓縮實驗條件下，以劈裂破壞模式為主，硅質頁巖相巖樣在破壞后相較于其他巖樣更為破碎，形成了更加復雜的裂縫網絡，體現出了較強的脆性。在三軸壓縮實驗條件下，以剪切破壞模式為主，除黏土質頁巖相形成的裂縫較簡單外，硅質頁巖相與混合質頁巖相產生的裂縫為低角度剪切縫，兩者可以形成較為復雜的裂縫網絡，相較于劈裂破壞，巖樣較為完整。該結果與圖2吻合，即隨圍壓增加，塑性增強，峰值點處的應變也隨之增大。

圖3 不同頁巖巖相單軸、三軸實驗壓后破壞圖Fig.3 The failure diagram of different shale lithofacies after uniaxial and triaxial experiments

2.4 能量演化特征

通過單軸、三軸壓縮實驗數據，繪制能量演化特征曲線，由于篇幅有限，僅展示部分巖樣的能量演化特征曲線，如圖4所示。 通過對巖樣的能量演化特征曲線與軸向應力-應變曲線結合分析，將能量演化過程分為彈性階段、塑性階段、破壞階段3個階段。

圖4 不同實驗條件下不同頁巖巖相能量演化特征Fig.4 The energy evolution characteristics of different shale lithofacies under different experimental conditions

①彈性階段：應力-應變曲線近似呈斜線段?？偰芰?、彈性能隨加載的進行快速上升，2條曲線呈相互平行的趨勢；耗散能的值較小，但其曲線隨應變的增大幾乎呈水平發展。在該階段內，由外界輸入的總能量，主要以彈性能的方式儲存起來，耗散的能量少。

②塑性階段：應力-應變曲線呈曲線發展，應力增大的速率逐漸減小直至峰值強度點處?？偰芰侩S加載過程中應變增加而增加，彈性能增加的速率逐漸放緩，此時耗散能上升；總能量曲線與彈性能曲線不再保持平行，耗散能曲線上升。在該階段內，隨著應變的增大逐漸出現新裂縫并慢慢延伸，導致耗散能增加，而輸入的能量逐漸不利用于巖石以彈性能儲存。

③破壞階段：應力-應變曲線在峰值強度點后以斜率為負發展。在該階段內，巖石內部的微裂縫貫穿造成其發生失穩破壞；此時，輸入的總能量用于巖石破壞，不能以彈性能的方式繼續儲存能量，且在之前儲存的彈性能得到釋放，表現出彈性能減小，耗散能增大。

將單軸壓縮實驗條件下不同頁巖巖相間的峰前總能量、峰前彈性能分別進行對比(圖5)。整體上看，不同頁巖巖相的峰前總能量、峰前彈性能的變化趨勢相同。對于峰前總能量，隨著外界應力和巖樣應變的逐漸增大，不斷由外界向系統內輸入能量，但不同頁巖巖相在相同應變處所對應的總能量不同，應變約為0.001 5時，黏土質頁巖相、混合質頁巖相、硅質頁巖相的總能量分別為5.79×10-3、8.85×10-3、12.62×10-3J/cm3；同時，在峰值點處的總能量也不相同。對于峰前彈性能，隨著外界能量的持續輸入，巖樣吸收儲存的能量越來越多，不同頁巖巖相在相同應變條件下以及在峰值點處的彈性能不相同。這表明不同頁巖巖相對外界輸入能量的接收能力以及儲存能力不同。圖5反映了海陸過渡相頁巖儲層的不同頁巖巖相在峰前的能量演化過程中存在差異，致使在發生破壞時用于消耗的能量不同，從而導致對不同層段進行壓裂改造時，其所需消耗的能量不同。

圖5 單軸條件下不同頁巖巖相峰前的總能量與彈性能Fig.5 The total energy and elastic energy before different shale facies peaks under uniaxial conditions

將不同實驗條件下全部巖樣峰值點處的不同能量參數進行統計(表2)。由表2可知，三軸壓縮條件下，不同頁巖巖相的不同能量參數相較于單軸壓縮實驗條件均有提升，如硅質頁巖相、混合質頁巖相、黏土質頁巖相的平均總能量分別提高了4.57、2.89、7.26倍。這說明在同一圍壓下，對不同頁巖巖相的影響作用不同。不同頁巖巖相的彈性能與總能量之比不同，且在三軸壓縮實驗條件下其比值有所下降。

表2 峰值點處能量參數Table 2 The energy parameters at the peak point

單軸壓縮實驗條件下，不同頁巖巖相的平均Ue/U分別為：硅質頁巖相為0.976，混合質頁巖相為0.905，黏土質頁巖相為0.896。三軸壓縮實驗條件下，不同頁巖巖相的平均Ue/U分別為：硅質頁巖相為0.846，混合質頁巖相為0.797，黏土質頁巖相為0.614。這說明圍壓的增大，在提高峰值強度處總能量和彈性能的同時，也因圍壓的作用使巖樣塑性提升，在塑性階段內有較多的能量被消耗(圖4)，導致在峰值點處的彈性能占比下降；在單軸條件下彈性能占比較高，巖樣發生破壞時釋放的彈性能相對較大，釋放速率較快，巖樣破壞更加激烈。三軸條件下，圍壓延緩彈性能的釋放，減輕巖樣的破壞。這與圖3中巖樣的破壞結果相吻合，如硅質頁巖相在單軸壓縮條件下的峰值點處彈性能占比最高，發生破壞時彈性能的釋放速度快，巖樣最為破碎。

同時，根據溫韜[16]、張萍等[17]、曾韋等[18]的研究成果可知，單軸壓縮實驗條件下，海相龍馬溪組頁巖露頭在峰值點處的總能量分布范圍為0.327 5～0.612 0 J/cm3，平均值為0.456 0 J/cm3；表2中單軸壓縮實驗條件下，海陸過渡相山西組頁巖在峰值點處的總能量分布范圍為0.010 0～0.077 0 J/cm3，平均值為0.041 2 J/cm3。將兩者進行比較可知，海相龍馬溪組頁巖在發生破壞時所需的能量遠大于海陸過渡相山西組頁巖所需的能量。因此，相較于龍馬溪組頁巖，海陸過渡相山西組儲層壓裂施工改造時，可降低排量，以達到安全施工、降低成本的目的。

3 結 論

(1) 不同頁巖巖相的力學特性差異較大，在單軸壓縮實驗條件下，硅質頁巖相、黏土質頁巖相的抗壓強度平均值分別為58.5、17.9 MPa，彈性模量平均值分別為24.9、11.9 GPa。

(2) 單軸壓縮條件下，不同頁巖巖相均有較強的脆性且為劈裂破壞，隨圍壓增大，塑性增強且為剪切破壞，硅質頁巖相破壞最為嚴重。因此，在后期的開發過程中，對硅質頁巖相儲層段進行水力壓裂施工，可能會獲得較好的裂縫網格。

(3) 不同頁巖巖相在峰值強度點處的能量有較大差異且受圍壓影響程度不同，單軸壓縮條件下，硅質頁巖相、黏土質頁巖相、混合質頁巖相的平均總能量分別為：0.071 0、0.016 0、0.044 0 J/cm3。三軸壓縮條件下，硅質頁巖相、黏土質頁巖相、混合質頁巖相的平均總能量分別為：0.118 0、0.127 0、0.322 7 J/cm3。因此，在對硅質頁巖相儲層段進行壓裂施工時可能需要更高的泵壓。