页岩力学特性及水力压裂机理分析——以川南龙马溪组为例

加载倾角为 0°~60°之间的圆盘试样的整体抗拉强度以及变形特征与圆盘基质比较接近，加载倾角超过 60°后其整体抗拉强度和变形能力迅速降低。可将不同加载倾角下页岩圆盘的破坏模式分为以下三类：中央裂纹贯通（CF）、非中央裂纹贯通（NF）以及层理活化裂纹贯通（LA），其分别主要出现在层理面倾角为 0°~30°、45°~60°以及 75°~90°的加载情况下。当层理倾角小于 71.6°时，圆盘存在两种破坏情况，岩石基质受拉破坏和层理面剪切破坏；当层理倾角大于 71.6°时，圆盘会发生层理面的受拉或是受剪破坏
1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance）

一直以来，常规化石能源，如煤炭、石油等在我国国民经济中始终占据着主导地位，但随着这些能源的大量开采和消耗，我国将不得不面临能源紧张及由此带来的环境污染等问题，这将严重制约我国经济的健康发展，因此，积极发展非常规化石能源具有十分重要的战略意义。近些年来，煤炭和石油两大传统化石能源的消费比例呈现缓慢下降的趋势，而天然气的消费比例逐年上升。与煤炭和石油相比，天然气单位热值高，使用安全，二氧化碳和氮氧化合物排放量更少，能缓解温室效应，改善地球环境。因此，天然气兼具传统化石燃料和清洁能源的优点，是未来能源发展的重要趋势之一。页岩气是继煤层气、致密砂岩气之后重要的非常规天然气资源，是常规油气资源的重要补充，其具有开采寿命长、生产周期长、烃类运移距离较短及含气面积大等特点[1]。美国是世界上最早开发和利用页岩气的国家，世界上第一口页岩气井是 1821 年在纽约州的 Chautauga 县泥盆系 Dunkirk 页岩中完井[2]。在 20 世纪，页岩气在美国完成了从发现到工业化生产，再到技术改造后的高速增产等过程。相比于美国，中国页岩气的勘探开发历程虽然短暂，但相关研究表明我国页岩气的储存含量很高[3-8]。2011 年 12 月，国务院批准页岩气为我国独立矿种第 172 种[9]，同年，中国第一口页岩气资源战略调查井—渝页 1 井在重庆市彭水县莲湖乡成功实施。目前，我国在四川盆地、鄂尔多斯盆地取得了重大突破，初步形成了鄂尔多斯盆地、四川盆地威远、长宁(长宁一昭通)、富顺一永川、涪陵等几个页岩气产区，产能超过 70 亿立方米/年。如表 1-1 所示，与美国页岩气勘探开采相比，我国主要的页岩产区储层具有埋深大、页岩孔隙度小、地层压力系数大等特点[10]。更多的文献资料[11-13]已经指出，我国页岩气的地质条件更为复杂，页岩层系时代老，热演化程度高，经历了多期构造演化，埋藏深，保存条件不够理想，开发技术要求更高。而目前中国在页岩气勘探开发的一些技术上还不完善，在许多方面诸如水平钻井以及体积改造等技术方面还有待提高。

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

页岩气开采的核心技术是水力压裂，水力压裂后页岩内人工裂缝与天然裂缝能否形成良好的裂缝网络是广大页岩气开采者最关心的问题。由于我国的页岩气勘探开发还处于初级阶段，因此，目前大部分的文献多集中在页岩气储层的成藏机理、气藏特征以及页岩气与页岩基质吸附转运机理等方面[16-23]，而涉及到页岩本身力学特性的研究较少。因此，本文研究所关注的重点是页岩的物理、力学以及渗透特性，以此应用到深部页岩储层的水力压裂数值模拟中。为此，以下将主要就页岩储层的岩石物理力学特性、渗流特性以及水力压裂技术方面进行文献调研，总结出这几个方面的研究现状。

2 页岩的物理及微观特性研究

2 Study on Physical and Microcosmic Properties of Shale
2.1 页岩取样（Preparation of Shale Specimens）

为保证本文研究能得到优质可靠的页岩试样，采取野外现场取样和室内加工的方式来获得试验所需的页岩试样。

2.1.1 取样地点及地质背景

对页岩气成藏机理及成藏的物质基础等分析表明[3-7]，中国南方海相地层发育区具有优越的页岩气成藏地质条件和丰富的页岩气资源，有望成为中国油气资源的重要战略接替新领域，其中对四川盆地页岩气成藏的物质基础、地质条件、勘探油气显示以及实验结果等研究较为详细，因此四川盆地最值得首先关注。许多学者对四川盆地内具体区域和层位选择进行了研究和探讨，尽管对于关键要素的选择及勘探首选地区不尽相同，但综合地质条件、成藏要素以及研究程度等因素来看，将四川盆地南部的泸州—自贡—永川或泸州—宜宾—自贡等地龙马溪组作为勘探开发首选目标更为可行。国土资源部中国地质调查局已基本查明，中上扬子地区龙马溪组优质页岩分布广、厚度大、含气性好，资源潜力大，占全国页岩气资源的 20%。图 2-1 为中国地质调查局《中国页岩气资源调查报告（2014 年）》给出的下志留统龙马溪组主要探井分布图，从图中可以看到四川盆地南部已有多处页岩气钻井取得突破，威 201、宁 201、丁页 1、焦页 1、彭页 1 以及盐志1等气井的产量已经突破万方。因此，将该地区的页岩作为研究对象更具有实际意义。

2.2 试验测试系统（Test Equipment）

2.2.1 试验设备

本文所使用的试验设备包括物理特性分析设备、力学特性试验设备以及其他附属设备等。下面对主要设备仪器进行简单的介绍。

（1）页岩试样矿物成分分析设备。

该试验分析在苏州泰纽测试服务有限公司地质实验室进行，使用的设备为德国Bruker D8 DISCOVER X 射线衍射仪。该设备测量精度高，可以对样品进行物相定性和定量分析，可以测定精确的晶胞参数、简单晶体的晶体结构、样品的结晶度、微晶的粒度等参数。利用相应附件还可以测定纳米粒度、薄膜厚度等。测样前先将块状样品研磨成粉末状，并过 325 目筛，送检的粉末样品质量不少于 0.5g，然后对样品进行测试，得到的数据结果使用相关分析软件进行后续处理分析，最终得到所需的实验分析报告。室内测试条件为温度 20℃，湿度 35%RH。

（2）页岩试样孔隙度分析设备。

该测试采用压汞实验的方法，同样在苏州泰纽测试服务有限公司地质实验室进行，使用的设备为美国麦克高性能 AutoPore Ⅳ 9505 全自动压汞仪。该压汞仪最大压力228MPa，孔径测量范围 0.003μm~1100μm，有两个高压和四个低压站，进汞和退汞体积的测量分辨率极高，为 0.1μL。该设备不仅可以得到样品的多种孔体积、孔面积和孔尺寸曲线，同时还可计算得到总进汞体积、总孔比表面积、中值孔径、平均孔径、堆积密度和表观（骨架）密度等参数值。室内测试条件为温度 20℃，湿度 35%RH。