川东南龙马溪组埋深对页岩力学性质的影响试验研究

川东南埋深大于3500m的龙马溪组页岩分布范围广,页岩气资源量丰富,对其进行高效的压裂改造以获取高产和稳产页岩气具有重要的商业价值。通过设定不同埋深下温度和围压实验条件,对岩石进行三轴压缩试验测试,探讨了岩石在不同埋深条件下的应力-应变特征、峰值应变和峰值强度、脆性以及破裂模式。实验结果表明：埋深由2044m下降至4388m过程中,页岩的峰值应变和峰值强度分别由0.54%和173.0MP升高至1.14%和107.8MPa,相应的脆性指数下降趋势,同时岩石的破裂程度和破裂模式由复杂的劈裂型向单一的剪切型过渡。结合前人研究成果,认为脆性矿物含量介于60~65%的页岩层系的勘探开发埋深下限为4400~4500m,接近于深层页岩气藏的埋深下限和岩石力学延性带的上限,埋深小于此范围内的龙马溪组为目前技术条件下有利压裂目标。提出了采用经优化配比的预处理酸液对岩石进行酸化处理;压裂过程中利用液氮汽化压裂技术;充分钻遇天然裂缝发育的密集区域;同时采用多尺度粒径的支撑剂以便充填并支撑更多级别的裂缝等压裂技术方面的建议。     

四川盆地五峰-龙马溪组深层页岩气勘探开发进展及建议

四川盆地五峰-龙马溪组页岩气资源量主要集中在大于3 500 m埋深范围内,对其实施勘探开发具有重要意义。通过明确四川盆地深层页岩气藏的主要分布范围,在总结分析深层页岩气藏中关于应力与物性关系、脆性与岩石破裂模式、水平应力差与压裂改造效果等方面的特征基础上,深入剖析在对四川盆地五峰-龙马溪组深层页岩气实施勘探与开发过程中出现的关于勘探开发风险深度、钻完井以及压裂技术等相关问题。对此提出以下几个方面的建议:埋深4 500 m为目前深层页岩气藏的勘探风险深度;在钻完井方面,建议采用强抑制水基钻井液,加强地震解释,优化水平井钻井轨迹和方位,采用旋转导向钻井工具等;在水力压裂方面,建议改变射孔方式,采用拉链式同步压裂,使用多尺寸粒径支撑剂以充填多级裂缝,考虑使用液氮等环保型压裂介质,建立和优化多流体运移机制的试井数学模型等。     

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。     

页岩气储层体积压裂的可行性分析——以习页1井龙马溪组页岩气储层为例

页岩气藏体积压裂是指在水力压裂过程中,使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移,形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络,从而增加改造体积,提高气体产量和最终采收率。页岩的塑脆性是影响页岩可压裂性的主要因素之一,脆性越强压裂越容易形成裂缝网络从而提高产能,因此一直以来都是研究的重点。页岩的脆性特征与页岩的脆性矿物含量和页岩的岩石力学参数有直接的关系,目前国内外计算脆性指数的方法很多。本文通过对所采集的龙马溪组页岩样品进行室内实验对习页1井龙马溪组页岩储层进行了体积压裂的前期可行性分析,并结合灰色关联分析法提出了一种关于计算综合脆性指数的经验公式的探讨,并给出了综合脆性指数的等级划分,为页岩气储层体积压裂的可行性分析和压裂层段的选取提供了一定的依据。     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

黔西北五峰-龙马溪组页岩气成藏条件综合评价

通过黔西北五峰-龙马溪组页岩岩心样品地球化学、岩石矿物学、储层孔隙和含气量等成藏条件分析发现,五峰-龙马溪组有机质产率高,还原环境强,有机碳含量4.15%～8.46%,古生物以甲藻等水生生物占优势,有机质类型以I型为主,有机质成熟度2.34%～3.96%,处于成熟-高成熟阶段。页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主,平均含量分别为42.6%和27.9%,具有良好的脆性。页岩孔隙类型主要为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝,孔隙表面粗糙程度中等,吸附能力中等,孔隙结构复杂。现场解析实验数据测得五峰-龙马溪组的含气量为0.04～2.81m3/t,气体主要成分为CH4。黔西北五峰-龙马溪组虽然具有良好的页岩气成藏条件,但不同地区页岩含气性差异较大,后期保存条件是影响页岩气能否富集的关键因素。     

鄂尔多斯长7致密砂岩储层体积压裂可行性评价

从储层岩石矿物组分、岩石脆性指数、天然裂缝发育状况以及体积压裂所需地应力条件4个方面分析了鄂尔多斯盆地长7致密砂岩储层实施体积压裂的可行性。结果表明:鄂尔多斯长7储层岩石石英质量分数为40.3%,脆性指数为35%~50%;储层微裂缝发育概率在60%左右,裂缝密度为3条/10 m,天然裂缝及水平层理较发育;水平两向主应力差为4~5 MPa,均可满足实现体积压裂复杂形态裂缝扩展的条件。体积压裂井试采效果表明,体积压裂后可形成一定程度复杂缝网。水平井体积压裂技术可成为该储层高效开发的重要措施。     

二氧化碳对页岩力学性质劣化规律的影响

针对目前缺少不同相态CO_2对页岩微观结构及力学参数影响规律研究的现状,通过室内岩石-压裂液浸泡测试系统,对不同相态CO_2浸泡后岩石矿物组分、微观结构及力学参数进行了测试。研究结果表明:液态、超临界态CO_2相比较滑溜水对矿物颗粒微观结构的影响更为明显,矿物颗粒之间的孔隙增大4%～15%,易导致页岩宏观力学性质受到劣化影响;不同介质浸泡后页岩力学参数劣化受影响程度排序为:抗拉强度泊松比峰值强度弹性模量,滑溜水浸泡后页岩脆性特征变化不明显,而液态、超临界态CO_2浸泡后页岩脆性增强40%～50%。液态CO_2有利于改善岩石微观孔隙和降低岩石抗拉强度,超临界态CO_2有利于提高微孔隙/裂隙穿透性,提高岩石脆性和降低破裂压力。研究结果为页岩气CO_2干法压裂工艺优化提供了一定的实验支撑和理论依据。     

上扬子地区下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利区预测

上扬子地区下志留统龙马溪组页岩气具有较好的勘探前景。早志留世龙马溪期为浅水-深水陆棚沉积环境,笔石页岩尤为发育。利用最新的钻井资料以及野外露头等样品的分析测试资料,以龙马溪组富有机质页岩分布特征、有机地球化学特征、储集条件、保存条件及页岩含气性等为重点,研究龙马溪组页岩气的成藏条件与资源潜力。研究表明上扬子地区下志留统龙马溪组页岩底界深度2 000~8 000 m(一般在4 500 m以内),分布广泛,连续沉积厚度大(一般在50~500 m);机碳含量较高(0.15%~12.5%),有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型,有机质成熟度达到高-过成熟阶段;富有机质页岩脆性矿物含量高,储层空间丰富;多处勘探井中龙马溪组显示气测异常。综合研究认为宜宾-习水-正安一带和彭水-咸丰-鹤峰一带是研究区最有利勘探区带。     

黔北地区志留系下统龙马溪组页岩气成藏潜力

在野外地质露头观察和样品测试数据综合分析的基础上,对黔北地区志留系下统龙马溪组页岩的沉积特征及展布、地球化学特征、埋藏热演化史、储层特征等页岩气藏形成条件进行研究。研究结果表明:研究区龙马溪组页岩区域分布广,残余面积约为14 600 km~2;厚度大,最厚可达200 m;有机质类型好,干酪根为腐泥型;有机质质量分数高,残余有机碳质量分数w(TOC)高达3.92%;含气量好,饱和吸附量高达2.77 m~3/t;热演化程度高,镜质体反射率高达2.68%;埋藏深度适中,大部分地区埋深为1~2 km;脆性矿物质量分数高,平均值为43.2%;非均质性强,脆性矿物质量分数横向、纵向上变化都大;孔隙度较低,集中在4%~10%;渗透率低,平均值为0.088×10~(-3)μm~2。因此,研究区龙马溪组具备良好的页岩气成藏地质条件和压裂开采条件,习水—仁怀地区和道真—务川—沿河地区为最有利的页岩气勘探区带。研究区龙马溪组页岩资源丰富,运用概率体积法和地质类比法算出的资源量吻合很好,为(3.52~4.69)×10~(12) m~3。     

川南龙马溪页岩地层井壁失稳实验研究

川南地区页岩气开采是我国页岩气发展的重点工程,然而其主要产气层龙马溪页岩地层的井壁失稳问题十分严重,影响了该地区页岩气藏勘探开发的进程。基于室内试验的方法对页岩矿物组成、微观结构和理化性质进行了归纳分析;并对流体作用下,页岩力学性质变化进行了研究,分析了页岩的稳定性。实验结果表明:龙马溪页岩属于典型的硬脆性页岩,以伊利石为主,具有弱膨胀性。微裂缝发育明显,为流体侵入的主要通道。流体侵入后,导致微裂缝扩展延伸,页岩岩石整体强度减弱,从而影响井壁稳定。     

四川盆地东南部习水地区上奥陶统—下志留统泥页岩裂缝发育特征

四川盆地上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩是页岩气勘探开发的重要目标层位之一。根据裂缝(节理)产状统计、薄片研究、纳米级扫描电镜研究、脆性矿物含量分析、地球化学分析和岩石力学分析,对四川盆地东南部贵州习水骑龙村五峰组-龙马溪组泥页岩剖面进行研究。整个剖面的裂缝(节理)产状与区域断裂近似一致,走向主要有3组(近东西方向、北西西-南东东方向和北北东-南南西方向),此外还有一组近南北方向的次要节理发育。页岩储层中的裂缝多以微裂缝形式存在。随着抗压强度的增加,岩石微裂缝也被破坏严重,并逐渐形成大规模复杂的裂缝网络体系。平行层理方向上岩石力学性质主要受到地应力的控制。水力压裂若沿着垂直于最大水平应力(北东东-南西西)的方向,可以扩大水力压裂的处理面积。     

济阳拗陷页岩储层水平井裂缝扩展数值模拟

由于物理实验受到实验条件、数量的限制,难以对裂缝扩展规律开展大规模的研究。因此,在有了一定的岩石力学测试、页岩压裂破裂方式测试以及页岩压裂裂缝扩展物模试验的基础上,开展了页岩压裂裂缝起裂及扩展规律数值模拟研究。基于流固耦合Biot固结理论、Darcy渗流定律,采用最大拉伸强度准则和Mohr Coulomb准则损伤阈值进行单元损伤判断,引入全新的材料分布算法,建立了水力压裂裂缝扩展的有限元计算模型。进行了岩石样本的参数标定试验。采用有限元计算方法研究了地应力、页岩脆性指数、压裂液黏度和层理特征等关键物理参数对页岩裂缝扩展的影响。结果表明,当脆性指数较小时,水力裂缝主要沿最大主应力方向在页岩基质中扩展,难以转向形成复杂缝网。层理胶结强度较高时,水力作用即便在局部压开天然层理,也难以持续以大角度偏离,而只能形成比较单一的裂缝。地应力比、压裂液黏度越低,层理密度等特性越高时,裂纹网络越复杂。     

四川盆地及周缘地区五峰—龙马溪组页岩气概况及前景评价

探讨四川盆地及周缘地区上奥陶统-下志留统五峰-龙马溪组黑色页岩的基础地质特征,并对该层页岩气前景进行评价。通过野外露头、钻井和地震剖面资料研究表明,四川盆地及周缘地区五峰-龙马溪组泥页岩分布于环乐山-龙女寺和黔中加里东古隆起地区,向川南、川北和川东方向逐渐变厚,厚度达200～500m;其中黑色页岩厚度的分布趋势与之相似,一般为20～80m。有机碳质量分数>1%,属腐泥型Ⅰ型干酪根,一般Ro>2%。黑色页岩段为海侵至最大海平面时的沉积产物,现今埋藏较浅,盆地内川南地区埋深1.5～3km,鄂西渝东地区埋深1.5～3km。川东及鄂西渝东过渡带埋深2～3.5km的黑色页岩段将是页岩气勘探的主要目标区,大巴山前缘是未来勘探的潜在有利区。     

建南气田页岩储层可压性评价方法研究

页岩气勘探开发技术在北美地区海相地层中已经比较成熟,主要形成了页岩气缝网体积压裂形成的判断条件、减阻水大型加砂分段压裂工艺技术、裂缝实时监测技术,实现了储层的有效动用。而建南地区页岩气的沉积类型、矿物组分及流体特征与国外存在一定的差异,因此通过开展岩石力学试验,对页岩气的可压性进行了研究,根据建南地区陆相页岩储层的岩石矿物组分特征,结合室内静态岩石力学试验及地应力大小测试,计算脆性指数和应力各向异性,综合评价页岩储层的可压性。     

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。     

四川盆地外复杂构造区页岩气地质条件及含气性特征:以湘西北五峰组—龙马溪组为例

以永页2井页岩气地质条件分析为基础,结合其他钻井及前人成果,对比国内外页岩气田地质特征,系统研究四川盆地外复杂构造区湘西北五峰组—龙马溪组页岩气地质特征及含气性,指出未来勘探方向。研究结果表明湘西北五峰组—龙马溪组与四川盆地涪陵地区的页岩气聚集条件相近,具有4个显著特征:1)深水陆棚相发育富有机质页岩厚度超过20 m,富含有机质、硅质、黄铁矿以及笔石化石;2)有机质属于Ⅰ型干酪根,有机碳质量分数w(TOC)普遍大于2.0%,自西向东逐渐减小,镜体反射率Ro主要在2.0%~3.0%之间,热演化达到过成熟阶段;3)矿物成分以石英为主,平均质量分数为47.9%,黏土矿物(主要是伊/蒙混层)次之,平均质量分数为26.9%,碳酸盐岩矿物质量分数低于10%,页岩普遍发育微孔隙(主要为有机质孔、晶间孔、溶蚀孔)和微裂缝,储层吸附能力强;4)五峰组—龙马溪组页岩含气量为1.0~3.5 m3/t,以解吸气为主,甲烷体积分数超过90%。深水陆棚相发育丰富有机质,奠定了五峰组—龙马溪组页岩气聚集基础,但含气性受控于盖层、埋深及断裂等保存条件。未来勘探方向应集中于桑植—石门复向斜内龙山—永顺一带向斜核部。     

鲁西地区石炭-二叠系太原组页岩气潜力

通过野外剖面观测取样、室内薄片鉴定、X射线衍射分析、扫描电镜分析及有机地球化学分析,结合钻井资料,从富有机质页岩的地质背景、有机地球化学指标、储层特征等方面,探讨鲁西石炭-二叠系太原组页岩特征。研究发现,鲁西地区太原组页岩厚度20~140m,平均70m,单层页岩厚度一般5~80m,埋深140~4 000m,厚度大,埋深适中。太原组页岩有机碳含量为0.82%~10.1%,平均值达3.59%,有机质含量高,属非常好的烃源岩;干酪根类型为Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅲ型,生气及吸附能力强;Ro为1.05%~1.9%,平均值为1.31%,处于高成熟热裂解生气阶段。太原组页岩脆性矿物含量30%~60%,平均值为46.44%,含量高,易于水力压裂人工造缝;页岩孔隙主要为晶间微孔、粒内溶蚀微孔和裂缝。鲁西地区太原组页岩与美国Barnett页岩具有相似性,具有良好的页岩气潜力。     

贵州下志留统龙马溪组页岩气成藏条件分析

针对贵州地区页岩气成藏条件复杂的问题,从钻井、岩芯、露头样品等实验测试资料出发,以下志留统龙马溪组页岩为研究对象,对贵州地区龙马溪组海相页岩气成藏条件进行研究。研究结果表明:贵州地区龙马溪组潜质页岩主要形成于深水陆棚沉积环境,其特点为潜质页岩厚度大,有机碳质量分数高(潜质页岩段平均w(TOC)4%),有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ1型,有机质热演化程度处于成熟—过成熟阶段,页岩中脆性矿物质量分数高,孔隙度中等,含气量高。通过与成功勘探开发页岩气的北美以及四川盆地的成藏条件相比,认为贵州地区下志留统龙马溪组具有良好的页岩气成藏条件,且龙马溪底部炭质页岩段是页岩勘探的目标层系,并预测了其页岩气富集有利区。     

义马地区上古生界页岩气储层特征及有利目标层优选

以钻孔编录为基础查明义马地区上古生界富有机质泥页岩分布特征,利用X衍射、扫描电镜分析、孔渗测试、等温吸附实验等手段,从矿物组成、孔隙结构特征、渗透性和含气性方面展开上古生界页岩气储层特征分析,评价富有机质泥页岩层段生烃条件并优选页岩气有利目标层。研究表明:研究区发育5套富有机质泥页岩层段,平均厚度为7.88~24.80 m,上古生界富有机质泥页岩脆性系数集中分布在40%~60%,纳米-微米级裂缝和粒间-粒内微小孔发育,孔隙度平均2.2%,埋深在1 800 m以浅的富有机质泥页岩渗透率大于0.1×10~(-3)μm~2,吸附气含量为1.15~1.84 m~3/t。优选埋深在600~1 800 m的山2段和山1—太1段为页岩气有利目标层。