基于能量耗散的页岩脆性特征

针对脆性矿物含量作为页岩脆性评价标准时不能反映不同力学背景下脆性变化的局限性,基于单轴和三轴压缩时页岩的全过程应力-应变曲线,通过能量释放与耗散定义能综合反映岩石破坏前后力学特征的脆性指数和评价指标,并对不同围压下的脆性特征进行评价。研究结果表明:建议的脆性表征方法能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱,可深入分析脆性破坏的实质,评价不同力学背景下的脆性变化特征。页岩峰后稳定破坏所消耗的破裂能越小、剩余能越大,其破裂指数越大,脆性指数越小,脆性越强;反之,其破裂指数越小,脆性指数越大,脆性减弱而延性增强;建议的评价指标均从不同角度反映了页岩脆性特征,可用来对其进行脆性评价。一定围压范围内,随着围压的升高,页岩脆性减弱,破坏后岩块数不断减少,碎裂较不完全,其破坏机制依次为张拉破坏、张-剪破坏和剪切破坏,并呈现出脆性机制向延性机制转变的趋势。     

基于统计学页岩脆性矿物定量界定及评价——以四川盆地及其周缘五峰—龙马溪组页岩为例

根据四川盆地10口钻井的矿物组分数据,采用系统聚类分析方法,提出页岩脆性评价公式,定量界定页岩中有效脆性矿物组分和非有效脆性矿物组分,并探究了其结果同目前常用矿物组分法评价结果的关系。系统聚类分析的方法能定量界定页岩矿物组分中的有效脆性矿物和非有效脆性矿物,用本文页岩脆性指数计算公式对页岩脆性进行评价,其结果同常用的矿物组分法计算结果能较稳定地对照,对不同的有效脆性矿物组合的评价,前者比后者大0～17%。页岩脆性随深度增大而增强,且页岩采样层段的均质性越好、石英和黏土矿物含量的变化趋势越稳定,页岩脆性指数变化趋势就越稳定。     

基于灰度关联法的陆相页岩脆性评价新方法

利用RTR-1000岩石三轴测试系统和X射线衍射仪对鄂尔多斯盆地南部长7陆相页岩10块岩心进行力学性质和矿物组分测试,采用灰度关联法确定影响页岩脆性的主要矿物及其在脆性评价时所占的权重。在此基础上,提出一种新的结合页岩矿物组分和其脆性影响系数的脆性评价方法,并利用该方法对W区块L井页岩层段进行脆性评价,指导该井压裂设计。结果表明,W区块陆相页岩中含量较高的主要矿物为长石、石英、伊利石、白云石、透辉石、绿泥石、菱铁矿7种矿物,其在脆性评价中所占权重依次为0. 136、0. 117、0. 138、0. 173、0. 145、0. 136、0. 157,权重相差不超过0. 06,说明该区块页岩脆性评价时7种矿物对脆性的贡献均应考虑;新的脆性评价模型可快速建立页岩储层脆性指数剖面,优选出高脆性段,为储层压裂施工提供一定依据。     

龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包 括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。 研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间 和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影 响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩 组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧 性下降,后者使I 型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观 裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

页岩纹层与破裂方式实验研究

页岩纹层发育，微观非均质性强，页岩破裂方式受多种因素控制。以川南地区X101井龙马溪组深层页岩为研究对象，利用岩芯、薄片、测井资料、X–射线衍射与CT扫描等手段，结合单轴压缩与常规三轴压缩实验，系统研究了页岩破裂方式与纹层产状、矿物组成的关系。结果表明，主压应力垂直纹层方向的单轴压缩岩样形成张拉劈裂破坏，产生80°左右的垂直缝；三轴压缩实验中，主压应力垂直于纹层的岩样形成剪切破坏，裂缝与纹层以45° ~65°高角度斜交，主压应力与纹层45°斜交的岩样以沿纹层面的剪切滑移破坏为主，主压应力平行纹层的岩样产生共轭剪切破坏，两者形成的裂缝与纹层呈10° ~45°低角度斜交。对于不同纹层倾角的岩样，杨氏模量均与石英含量呈显著正相关，与黏土矿物呈显著负相关的关系，抗压强度与石英、黏土矿物含量的相关性受不同纹层倾角的影响。硅质纹层发育单层厚度大将增强页岩力学性质。     

四川盆地周缘牛蹄塘组页岩微观孔隙结构特征

以四川盆地周缘地区下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩为研究对象,通过X衍射全岩分析、低温液氮吸/脱附等实验方法技术对研究区页岩储层微观孔隙结构进行了系统研究;并探讨了控制纳米尺度微观孔隙结构的主要原因。结果表明:四川盆地周缘牛蹄塘组富有机质页岩矿物组分中石英、长石等脆性矿物含量较高,其次是黏土矿物;页岩微孔结构复杂,多为开放型空隙,以管状孔和平行壁的狭缝状孔为主;微观孔隙孔径主要分布在2~10 nm,以微孔为主。通过分析控制该区页岩储层微观孔隙结构的主要因素,认为有机碳含量是控制纳米级孔隙发育的主要因素,同时也是页岩气赋存的重要物质基础。     

石英含量对页岩力学特性及能量演化的影响

石英作为页岩中最主要的矿物成分,研究其含量对页岩储层力学性质和压裂起裂机制具有重要意义。通过X射线衍射仪分析黔北地区下寒武统牛蹄塘组五个页岩样品矿物组分,采用INSTRON 1346电液伺服控制材料试验机（200T）对岩样进行单轴压缩试验,并分析不同石英含量页岩在单轴压缩条件下的能量演化特征。研究表明：1）样品石英含量均超过49%,最高可达81.3%,石英含量与脆性指数拟合为R2=0.933;2）岩样1和5的应力-应变曲线无屈服阶段,呈典型的塑-弹性型,且裂纹扩展多而复杂,而岩样2、3和4的破坏面几乎垂直贯穿整个岩样,且连续性好而简单;3）石英和黏土矿物含量与弹性模量分别呈正负相关,其拟合指数分别为0.88和0.73;4）能量演化趋势可划分为平缓-上凹-近线性增长和跌落4个阶段,岩样受压过程中消耗能比弹性应变能大,且低石英含量的岩样吸收总能量普遍要比高石英含量大。本文所取得的研究进一步完善石英含量对页岩储层力学性质和压裂改造的认识,并加深页岩受压破坏过程能量演化的了解。     

海陆过渡相页岩孔隙结构特征及分形维数研究

页岩孔隙结构的研究是页岩储集性及含气性评价的重要方面。运用低温氮气等温吸附实验对龙潭组页岩储层的孔隙特征进行了测定,通过孔隙分形维数的计算结合岩石矿物组分、有机质含量及热成熟度测试探讨了龙潭组页岩孔隙结构特征及影响因素。分析结果表明:龙潭组页岩孔隙结构复杂,孔隙类型包括一端封闭型的不透气孔、开放型平行板状狭缝及墨水瓶状孔,平均孔径分布在5.38~13.3 nm,平均为7.78 nm,孔径分布呈双峰型分布的特征;孔隙分形特征明显,分形维数在2.49~2.62,平均为2.54;分形维数受有机质特征、矿物成分及孔隙结构特征共同影响,具体表现为分形维数随TOC(有机碳含量)、R_O、黏土矿物含量及比表面积的增加而增大,随长石含量及样品的平均孔径的增加而减小,与石英及其他矿物成分无明显的相关性。     

长宁地区富有机质页岩脆性及与裂缝发育关系

页岩的脆性控制着裂缝的形成和演化,对页岩气层的体积改造和页岩气的增产极为关键。以川南长宁地区龙马溪组页岩为例,通过岩石矿物、地球化学和岩石力学等实验对龙一₁亚段的矿物组分、有机地球化学、孔隙-裂缝结构以及力学性质进行测试,分析不同脆性矿物、有机质以及埋深的页岩脆性特征及其与裂缝发育的关系。结果表明,龙一₁亚段脆性最高者为富有机质硅质页岩岩相,石英、长石和黄铁矿等脆性矿物的总含量大于50%,它们能够调节岩石断块的剪切滑移,所积累的能量大于完成岩石整体剪切破坏过程所需的能量;有机质及其在成熟过程中所产生的有机孔隙与微裂缝可促进裂缝的拓展、贯通以及连接,有机碳含量越高,裂缝系统越发育;随着埋深增加,页岩的脆性下降,岩石破裂模式由复杂的劈裂型向单一的剪切型转变;龙一₁¹、龙一₁²小层脆性矿物和有机碳含量最高,脆性指数分别达到了61.31%和60.70%,为压裂甜点层段。     

基于室内试验的页岩脆性特征评价方法

基于全应力应变曲线,提出了包含多参数的综合脆性指标Bd1和Bd2.从扩容拐点(峰前曲线)、残余强度(峰后曲线)、能量分析(全过程曲线)等多角度对脆性指标进行了诠释,通过页岩单三轴实验并结合破坏模式对其适用性进行了验证.结果表明,该指标较好地反应了页岩的脆性,Bd1可根据不同的目的需求选择不同的参数,对脆性评价具有侧重性,且Bd1与围压具有较好的拟合关系,拟合曲线为指数函数;Bd2综合性强,可作为脆性的综合评价指标,但围压较高时对围压不够敏感;90°取芯角度下,随着围压的增加,脆性指数降低,岩石有脆性向延性转化的趋势;低围压下脆性指数对围压比较敏感,降低速度较快,高围压下则相反.     

陆相泥页岩储层岩石物理性质及含气性影响因素

川西须五段地层发育大套陆相泥页岩夹砂岩层,泥页岩层含气性较好,具有巨大的页岩气勘探开发潜力;但目前研究程度尚浅。基于该现状,结合大量测试及测井资料,对须五段页岩的物理性质及含气性影响因素进行了综合研究。研究结果表明,须五段陆相泥页岩属富黏土硅质泥页岩相,与美国Fort及Barnett地区潜质页岩具有类似的岩石物理性质。影响须五段页岩含气性的影响因素包括:有机质含量、矿物组成及含量、物性、脆性、气体赋存状态及超压。须五段泥页岩的主要储集空间为有机质孔、矿物晶间孔、溶蚀孔及微裂缝。页岩气含气量与有效孔隙度及气相渗透率均具有较好的正相关性。当页岩中黏土含量35%时,含气性及脆性均较高;随着黏土含量的增加,页岩含气性与脆性间无明显相关性。含气量较高的页岩层具有较高的含气饱和度,须五段陆相泥页岩吸附气含量约占60%,以吸附气为主,表明吸附态是陆相页岩储层中一种重要的气体赋存方式。     

四川盆地长宁地区龙马溪组上、下段页岩储层差异研究

以四川盆地宜宾长宁地区露头页岩为研究对象,综合利用矿物组成测试、有机碳含量测试、阳离子交换容量测试、低压氮气吸附测试、分形理论等方法,对比分析龙马溪组页岩上段和下段的矿物组成分布、有机碳含量分布及孔隙结构的差异,并讨论这种差异对龙马溪组页岩储层特征的影响。研究结果表明,四川盆地长宁地区龙马溪组页岩上段和下段的矿物组成主要以石英和黏土矿物为主,其中上段石英含量低于下段石英含量,上段黏土矿物含量高于下段黏土矿物含量,下段有机碳含量高于上段有机碳含量;相比龙马溪组页岩上段,龙马溪组页岩下段有较低的黏土矿物含量和较高的石英含量,使其水化膨胀能力较低及其有较高的脆性特征;相比龙马溪组页岩上段,龙马溪组页岩下段富含更多的有机质,使其比表面积和总孔容较高,分形维数较大,孔隙结构复杂,吸附气体能力强。     

渝东南下志留统龙马溪组页岩矿物成分及脆性特征实验研究

水力压裂作业已被公认为实现页岩气工业开采的关键技术,压裂方案的设计离不开地层脆性特征分析。本文选取了渝东南龙马溪组露头页岩,从脆性角度对其压裂可行性进行了实验研究。结果显示：该区域页岩具有层理发育,致密、低孔、低渗等特点,具有储层改造的必要性;从矿物组分结果来看,龙马溪组页岩石英、碳酸盐等脆性矿物含量高,在49%-65%范围变化,平均含量为57%,粘土矿物含量低,同时不含强水化膨胀性的高岭土和蒙脱石;在此基础上,利用矿物成分及动态弹性参数计算得到的页岩脆性系数在49%-77%范围变化,平均值在57%以上,显示该地层脆性较好;与北美成功开采的储层数据对比,渝东南龙马溪组地层更适合压裂作业。根据北美页岩压裂实践经验,建议本区块页岩压裂设计中考虑到岩石脆性,选择液体用量多、支撑剂浓度低、支撑剂用量少的压裂液。     

鄂尔多斯盆地南部长7陆相页岩基质孔隙发育类型及影响因素

为了探究鄂尔多斯盆地南部长7陆相储层页岩基质孔隙发育影响因素,应用氩离子抛光-扫描电镜、X射线衍射能谱仪、有机碳测定、有机质成熟度测定、高压压汞和Image J图像处理等分析测试处理技术对其进行了系统研究。研究表明:长7陆相页岩中的基质孔隙类型主要包括长石和碳酸盐矿物粒内溶孔、粒间溶孔和黏土矿物层间孔,其中页岩孔隙中65%为溶蚀孔,20%为黏土矿物层间孔,其余为有机孔、微裂缝和残余粒间孔;页岩中黏土矿物含量最高;页岩中溶蚀孔的比例随有机质成熟度升高而增大。有机质热演化过程中产生的有机酸促进了基质孔隙发育,脆性矿物和胶结物充填了基质孔隙不利于孔隙发育,黏土矿物含量越高基质孔隙发育程度越低。     

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.     

鄂尔多斯盆地长7段泥页岩层系储层特征及其页岩油意义

陆相页岩油气资源是当前非常规油气研究领域热点。综合使用多种实验手段对鄂尔多斯盆地三叠系长7段泥页岩的岩性特征、成因类型、储集空间及地球化学特征进行分析。结果表明:岩石组分以泥质矿物为主、有机组分和陆源粉砂其次;成因类型主要为深湖—半深湖相页岩、三角洲相泥岩和沼泽相泥岩;储集空间类型主要为页理缝和基质微孔;实际地质样品的地球化学分析表明,样品中烃类组分随热演化程度的不断升高,呈规律性变化。泥页岩层系的热演化程度接近生油窗结束阶段时,已生成的烃类中有相当一部分进入了临近的非源岩夹层中,砂岩夹层含油性优于泥页岩段,烃类组分以饱和烃、芳香烃含量高为主要特征;H317井长7段泥页岩层系中砂岩夹层及部分块状泥岩具有较好的含油性,物性相对较好,脆性矿物含量较高,加之该段泥页岩层系中烃类流体的黏度和密度相对较低,流动性较好,因此砂岩夹层及部分块状泥岩可以作为页岩油勘探的有利目标。针对黑色页岩,可参考油页岩原位改质等相关技术方法进行试探性开采页岩油。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

基于损伤理论的硬脆性泥页岩井壁稳定分析

硬脆性泥页岩地层的失稳破坏机理是非常规油气开发工作者的重点研究对象之一。从硬脆性泥页岩微裂缝的角度出发,将微裂缝视为硬脆性泥页岩的损伤,通过随机函数确定微裂缝的分布,将损伤力学和断裂力学相结合建立了硬脆性泥页岩的损伤本构模型。利用FLAC3D软件将硬脆性泥页岩的损伤破坏模型应用到井壁稳定分析中,并通过计算结果分析了钻井液、微裂缝形态等在硬脆性泥页岩破坏中占有的比重。计算结果显示,硬脆性泥页岩对钻井液的敏感度以及硬脆性泥页岩微裂缝的发育程度对井壁稳定影响最大,硬脆性泥页岩微裂缝的方向对井壁稳定影响很小。因此,钻井液的封堵性和密度是确保硬脆性泥页岩稳定的重要手段,控制钻井方向对维持硬脆性泥页岩稳定的作用有限。     

牛蹄塘与陡山沱组页岩孔隙发育差异性与主控因素分析——以鄂西某井为例

鄂西地区是长江中下游地区页岩气勘探开发的重点区域,其中震旦系、寒武系等层系均获页岩气流,因此,对其储层微观孔隙结构特征及其影响因素进行研究具有十分重要的意义。通过对研究区页岩样品进行FE-SEM观察、TOC含量测定、全岩及粘土X-衍射分析及其岩石物性等的分析,明确了研究区储层孔渗特征及储集空间类型、有机质丰度及成熟度、矿物组成等。研究表明,牛蹄塘组页岩核磁总孔隙度及渗透率均大于陡山沱组页岩,陡山沱组页岩有机质孔隙发育较好且发育更多白云石晶间孔,部分层段发育方解石溶蚀晶锥及溶蚀坑洞;TOC含量及有机质热演化程度与有机质孔隙呈现负相关关系;矿物组分中,石英及长石含量与核磁总孔隙度呈现正相关关系,而白云石含量与其呈现负相关关系,黏土矿物与核磁总孔隙度的相关性并不明显;此外,核磁总孔隙度与深度呈负相关关系,表现在随深度的加深,核磁孔隙度总体呈波动下降趋势。分析认为：矿物组分、有机质丰度及热演化程度、埋藏深度是影响页岩储集能力的重要因素,有机质的富集有利于页岩气的生成与吸附,脆性矿物的存在提高了储层的脆性,有利于储层的增产改造;埋藏深度影响储集空间的保存条件优劣。     

试论长英质颗粒对湖相泥页岩脆性的控制条件

泥页岩的脆性是评价页岩油气开发潜力的重要指标,一般认为长英质颗粒含量与泥页岩的脆性指数具有正相关性。在渤南洼陷沙一段泥页岩矿物成分特征分析的基础上,利用三轴实验系统测试泥页岩的弹性模量与泊松比,计算泥页岩脆性指数,并分析泥页岩矿物成分与脆性指数之间的对应关系。结果表明:碳酸盐矿物含量与泥页岩的脆性指数呈正相关,而长英质矿物含量则与脆性指数基本不相关,这与常规认识有很大不同;长英质含量作为泥页岩的脆性指标是有条件的,研究区沙一段处于中成岩A期,成岩作用比较弱,泥页岩的固结程度差,陆源沉积物质之间的黏结程度低,造成长英质矿物含量与脆性指数不相关;从成岩作用过程的角度推测泥页岩在中成岩B期是长英质颗粒与脆性指数由不相关转为正相关的过渡阶段,因此较强的成岩作用是提高湖相泥页岩脆性的关键因素之一。