页岩储层的岩石力学特性
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012年7月 天 然 气 工 业 2
页岩储层的岩石力学特性
杨建 付永强 陈鸿飞 曾立新 李金穗
中国石油西南油气田公司采气工程研究院
():页岩储层的岩石力学特性.天然气工业,2012,3271214. 杨建等.-
微裂隙、层理面发育,岩石性脆等非常规地质特征,其力学性质与一般的致密 摘 要 页岩储层岩石具有基质致密,
砂岩、碳酸盐岩相比具有一定的特殊性。为探寻这一特殊的岩石力学性质,利用MTS多功能岩石力学实验系统对取自,单轴、巴西力学实验。结果表明:页岩岩石三轴平均抗压强度为2平四川盆地某区的M组页岩开展了三轴、65.75MPa
4
,)平均泊松比为0.属于中硬地层;单轴垂向取样抗压强度(是水平取样抗均杨氏模量为4.59×10MPa25,151.92MPa
)。综合分析页岩储层脆性指数后认为,压强度(为6的2.页岩抗张强度较低,平均为2.9.18MPa2倍;94MPaM组页岩储层脆性指数均超过5有利于对页岩储层进行大型水力压裂;压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模属于脆性岩石,0,式,压裂设计应遵循“大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”的原则。 关键词 四川盆地 页岩 储集层 岩石力学实验 特性 矿物组分 脆性指数 压裂:/OI10.3787.issn.10000976.2012.07.003 D-j
1 页岩储层物性特征及矿物组分
1.1 页岩储层物性特征
志留系发育多套黑色页岩 四川盆地某区寒武系、
其中M组页岩有机碳含量高,分布稳定,是一套层系,
]13-
。据取心资料分析结果,高效烃源岩[该组页岩储层
孔隙度分布在2%~5%,原地应力条件下测得基质渗
透率介于0.但是由于页01~0.001mD级别或更低,岩气藏受裂缝因素的影响,其局部渗透率可以达到较高的水平。
1.2 页岩岩石矿物成分
利用X射线衍射分析某区页岩气井M组取心资料,页岩矿物组分主要以石英矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主,其中石英矿物含量占4黏土矿物3.41%,含量占2碳酸盐岩矿物含量占12.52%,6.67%。黏土)。矿物中主要以伊利石、绿泥石为主(图1
图1 页岩储层岩石矿物成分分析结果图
2 页岩岩石力学实验
2.1 力学实验条件
选取MS815型岩石力学实验仪, 实验利用MT
组不含天然层理面、天然裂缝的基质岩心,采取垂直或平行层理面2种方式取样。岩样加工成直径为2.54
)。中国博士后科学基金项目(编号:20090451422 基金项目:
杨建,工学博士;主要从事储层岩石力学、地应力及非常规1978年生,2008年毕业于西南石油大学开发地质学专业; 作者简介:
():四川省广汉市中山大道南二段。E-m天然气开发研究工作。地址:2000w@s618300ailina.comy
第32卷第7期 地 质 勘 探
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长度为5.端面磨平,模拟储层cm,50cm的柱状岩心,温度、压力条件,进行三轴、单轴力学实验;岩样加工成长度为1.端面磨直径为3.80cm,00cm的柱状岩心,平,进行巴西力学实验。2.2 页岩三轴力学实验
天然裂缝的基质岩 选取M组不含天然层理面、
平行于层理面加工实验样品。心,
该页岩储层基质岩石, 通过三轴岩石力学实验,
,抗压强度分布在2平均抗压强度为50~300MPa
4
,,平均杨氏模量为4.平均265.75MPa59×10MPa(,表1)三轴力学实验应力—应变曲线泊松比为0.25
如图2所示。
表1 页岩三轴力学实验结果表
岩样编号
密度/
·cm-3g2.670 2.688 2.690 2.694
实验条件
温度/℃88 88 89 89
上覆压力/
MPa
66 66 68 68
围压/
MPa53 53 54 54
孔压/
MPa25 25 25 25
抗压强度/
MPa266.218 256.724 250.053 290.014
实验结果杨氏模量/
4 10MPa3.662 3.576 5.525 5.599
泊松比0.1950.2220.3310.272
100901-- 100902-- 100903-- 100904--
表2 页岩单轴力学实验结果表
样
号12345
取样方式垂向水平垂向垂向水平
密度/·cm-3g2.623 2.616 2.62 2.532 2.508
抗压强度/杨氏模量/
4
MPa10MPa138.070 68.964 117.396 200.312 69.404
3.045 6.136 2.368 3.568 3.257
泊松比0.1400.2560.1280.2570.198
2.4 页岩巴西力学实验
通过实验测量,页岩样品 选取页岩基质岩石样品,,()。平均为2.表3抗张强度介于2~4MPa94MPa
表3 页岩巴西力学实验结果表
岩心编号4806-
图2 页岩三轴力学实验应力—应变曲线图
5105- 5408-
样品直径/mm样品长度/mm
37.52 37.61 37.75
9.73 11.31 9.43
抗张强度/MPa
3.262.702.86
2.3 页岩单轴力学实验
采取平行、垂直层理面2种 选取M组岩石样品,
取样方式,其中水平取样2个,垂直取样3个,进行单轴抗压力学对比实验。
水平方向取样的岩样平均杨氏模 实验结果表明,
4
,,抗压强度为6平均泊量为4.70×10MPa9.18MPa垂直方向取样的岩样平均杨氏模量为松比为0.227;
4
,,抗压强度为1平均泊松比2.99×10MPa51.92MPa
3 实验结果讨论
页 通过对页岩储层岩石力学特征参数研究表明,
岩岩石力学性质与致密砂岩有相似之处。四川盆地某区上三叠统须二段致密砂岩储层岩石力学实验结果表,抗压强度平均为2平均弹性模量为明,35.75MPa
4
(,与致密砂岩岩石样品对2.94×10MPa23个样品)
()。为0.表2175
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比,页岩同样具有较高的三轴抗压强度及弹性模量,属于中硬地层。
取样方式的不同对单轴抗压 页岩储层层理发育,
力学实验结果影响较大。M组单轴岩石力学实验表
4
水平方向取样的岩样平均杨氏模量为4.明,70×10
。前置液比、小粒径支撑剂、低砂浓度”
4 结论
)四川盆地M组页岩矿物组分主要以石英矿物、 1
黏土矿物及碳酸盐岩矿物为主,其中石英矿物含量占黏土矿物含量占2碳酸盐岩矿物含43.41%,2.52%,
绿泥石量占16.67%。黏土矿物中主要以伊利石、为主。
)岩石三轴力学实验表明,页岩基质岩石抗压强 2
,度分布在2平均抗压强度为250~300MPa65.75
4
,,平均杨氏模量为4.平均泊松比为59×10MPaMPa
属于中硬地层;单轴力学实验表明,水平方向取0.25,
,;抗压强度为6垂直方向取样的岩样平MPa9.18MPa
4
,抗压强度为1均杨氏模量为2.99×10MPa51.92。垂向抗压强度是水平向抗压强度的2.分2倍,MPa
页岩岩性较脆,析认为页岩储层本身水平层理面发育,
易顺层理面脆裂,导致水平方向取样抗压强度低。页岩脆性矿物成分含量 通过岩石力学特征参数、
结合测井数据,计算了川南某区块X井页岩M储层岩石脆性指数,X井拟改造段2440~2540m储层脆性
。根据国外已有的页岩开发经图3)指数都超过50(验,岩石脆性与压裂液和支撑剂选取有重要联系,随着岩石脆性的增高,压裂液选择从交联压裂液逐步向滑溜水压裂液过渡,形成的裂缝也由双翼对称裂缝向复杂的网络裂缝过渡;在支撑剂的选取上,岩石脆性指数液体体积用量越大,支撑剂的用量越少,支撑剂越高,
]
47-
。浓度越低[
,样的岩样抗压强度为6垂直方向取样的岩9.18MPa,两者相差2.巴西力样抗压强度为151.92MPa2倍;。学实验揭示,页岩抗张强度较低,平均为2.94MPa)通过综合分析页岩储层脆性指数,表明四川盆 3
地M组页岩属于脆性岩石,储层脆性指数均超过50,压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式,压裂设计大液量、大排量、高前置液比、小粒径支撑剂、应遵循“
低砂浓度”的原则。
参 考 文 献
[]方俊华,朱炎铭,魏伟,等.蜀南地区龙马溪组页岩气成藏基1
]():础分析[特种油气藏,J.2010,1764649.-
[]黄勇斌,李其荣,高贵冬,等.蜀南地区下古生界页岩气勘探2
]:潜力评价及区带优选[天然气工业,增刊1)J.2012,32(2527.-
[]叶登胜,尹丛彬,蒋海,等.四川盆地南部页岩气藏大型水力3
]():压裂作业先导性试验[天然气工业,J.2011,3144850.-[]陈作,薛承瑾.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议4
[]():天然气工业,J.2010,30103032.-
[]付永强,马发明,曾立新,等.页岩气藏储层压裂实验评价关5
]():键技术[天然气工业,J.2011,3145154.-
[]叶登胜,尹丛彬,蒋海,等.四川盆地南部页岩气藏大型水力6
]():天然气工业,压裂作业先导性试验[J.2011,3144850.-[]7ZAHIDS,BHATTIA A,KHAN H A,etal.Develoment p
:[ofunconventionalresourcesstimulationC]asersective gppaer107053presentedatthe2007SPEProductionand∥p pOerationsSmosium,31March-3Aril2007,Oklahoma pypp,,CitOklahomaUSA.New York:SPE,2007.y
图3 X井M组页岩岩石脆性剖面图
通过综合分析X井M组页岩储层岩石脆性情况,
该组岩石属于脆性岩石,压裂应选择以滑溜水为主的体积压裂模式,压裂设计原则应为“大液量、大排量、高
(修改回稿日期 20120521-- 编辑 罗冬梅)
·100·aturalGasIndustrol.32,Issue7,2012 N y,V
,(markers.Onthisbasisaseuencestratirahicframeworkisthenestablishedforthisstudarea.ThelowerseuenceS1)onl qgpyqqy ,wartualitinthecentralofthefaultderessionwheresemideelakefandeltafrontsubfaciesaredeveloedheresourceoccurs -- pqyppp
th rocksaredominatedbdarkmudstoneswithsufficienthdrocarbonssuliedtotheoverlin4memberoftheYinchenForma -yyppyggg
,)tion.Incontrasttheuerseuence(S2isbraidedriverdeltafrontsubfacieswithcharacteristicsfavorablefortheoodoroerm ppqqgpp,ualitoolindevelomentofreservoirs.Finalltwomodesofhdrocarbonareestablishedforthisstudarea.Thefirstisthe qypgpyyy ,lowersourcerockwithuerreservoirmodeinwhichsourcerocksareintheunderlinShaheziFormationfaultsactasmiration ppygg ,,athwasoolinlaandsandconlomerate&volcanicrocksarereservoirs.Forthiskindofhdrocarbonmodethefairwasare pypgpyygyy
3
,inXinchenXudonandXunanareaswithestimatedoriinalasinlace(OGIP)of45billionm.Theotheristheindielocated -gggggpg
noussourcinmodeorthelowersourcerockwithuerreservoirmodeinwhichsourcerocksarethedarkmudstonesinS1andres- -gppq ,ervoirsaremainlthesandconlomerateinS2.Forthiskindofhdrocarbonoolinmodethereresentativelafairwasoccur yygqypgppyy
3
theXS22wellblockinthecenteroffaultderessionwiththeestimatedOGIPofabout10billionm.in p
:,,,,,KewordsSonliaoBasinXuiaweizifaultderessionEarlCretaceousseuencestratirahsandconlomeratereservoirh -gjpyqgpyygyy ,,drocarbonoolinmodesstemtractlafairwa pgypyy :/.issn.1000DOI10.37870976.2012.07.002-j
,,eoloistHuanWeiseniorbornin1964,ismainlenaedinreservoirdescritionandreservearaisal. ggyggpppg :,HAddDaineilonian163712,P.R.Chinaqggjg :wE-maileihuanetrochina.com.cn@pg
Rockmechanicalcharacteristicsofshalereservoirs
,,,,YanJianFuYonianChenHonfeiZenLixinLiJinhui ggqggg
(GasProduction EnineerinResearchInstituteoSouthwestOil&Gasield ComanPetroChina,Guan gg f fpy,g-
han,Sichuan610081,China)
//)NATUR.GASIND.VOLUME32,ISSUE7,1214,7252012.(ISSN10000976;InChinese -- pp.
:,AbstractShalereservoirsarefeaturedbtihtmatrixwelldeveloedmicrofissuresandlaminationsaswellasbrittlenessandtheir - - ygp ,,mechanicalcharacteristicsaredifferentfromthoseofordinartihtsandstonesorcarbonates.Inviewofthistriaxialunieculiar -ygp axialandBrazilianmechanicalexerimentsareerformedonshalesamlesfromtheM FormationinoneareaoftheSichuanBasinb pppy,,useofanMTStestsstem.Thetriaxialaveraecomressivestrenthis265.75MPatheaveraeYon'smodulusis45900MPa ygpggg)andtheaveraePoissonratiois0.25,revealinmoderatehardness.Theuniaxialverticalcomressivestrenth(151.92MPais2.2 ggpg )ofthehorizontalcomressivestrenth(69.18MPa.Thetensilestrenthofshalesisrelativellow,averainat2.94MPa.times pggygg ThecomrehensiveanalsisofshalereservoirbrittlenessrevealsthattheM Formationshalesbelontorockswithbrittlenessindex pyg over50,beinfavorableforhdraulicfracturin.Thevolumetricfracturinmodewithfracturinfluiddominatedbslickwater gygggy "ashouldbeselectedforfracturinoeration.Thedesinoffracturinshouldfollowtherincilesoflarevolumeoffracturinflu -gpggppgg ,,,,".adroantrainsidlaredischarecaacitahihfluidratiosmallsizesofandalowsandcontent ppppgggpyg
:,,,,,,,KewordsSichuanBasinshalereservoirrockrockmechanicalexerimentfeaturemineralcomositionbrittlenessindexfrac -ppy turing
:/10.3787.issn.10000976.2012.07.003DOI-j
,,asYanJianbornin1978,ismainlenaedinresearchofrockmechanicsearthstressandunconventionalnaturaldeveloment. gyggpg :,,AddSouthSec.2,ZhonshanStreetGuanhanSichuan618300,P.R.China gg:2000w@sE-mailina.comy
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,Diaenesisanddiaeneticfaciesoftihtsandstonereservoirsinthe8memberoftheShiheziFormationsouthern ggg
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