袁玉松，劉俊新，周 雁

(1. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2. 西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

中國近期頁巖氣勘探開發(fā)正在快速推進，取得了多領域頁巖氣勘探突破，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展[1-2]。在頁巖氣勘探開發(fā)中，泥頁巖的脆-延性備受關注[3-4]。泥頁巖天然裂隙發(fā)育特征[5-6]、人工水力壓裂效果[7-8]、頁巖氣探井鉆井工程[9-11]以及頁巖氣保存環(huán)境[12-16]等均與泥頁巖脆-延性密切相關。脆-延性特征是頁巖氣勘探開發(fā)中地質評價和工程評價重要的力學參數(shù)[17-18]。脆性泥頁巖更可能形成天然裂縫，水力壓裂也更容易產生網狀裂縫，從而壓裂效果更好[19]。天然裂縫可以為頁巖氣提供一定的儲集空間，但也可能破壞保存條件，導致頁巖氣滲漏散失[13]?？梢?，泥頁巖脆-延性對頁巖氣保存和水力壓裂具有重要影響。巖石脆性大小通常用脆性指數(shù)來衡量。脆性指數(shù)目前存在多種定義和指標，如內聚力、斷裂力學特征[20]、應力-應變關系[21]等。在頁巖氣勘探開發(fā)中，楊氏模量和泊松比以及脆性礦物含量經常用于評價泥頁巖的脆性。泊松比越小，脆性越大；隨著楊氏模量的增加，脆性增加[22]。石英、長石和碳酸鹽巖礦物為泥頁巖中常見的脆性礦物組分，脆性礦物含量越高，脆性越大[23]。然而，脆性并非完全由泥頁巖本身決定，除了巖性特征、礦物組成、總有機碳(TOC)含量、成巖作用、熱成熟度、孔隙度等因素之外，還受有效應力、溫度、流體和埋深(圍壓)等多種因素的影響[24-26]。比如，具有同樣礦物組成的高成巖演化泥頁巖在不同的圍壓條件下可能為脆性、半脆性甚至延性。極端地，即使脆性礦物含量高達90%的泥頁巖，在深埋條件下也可以是延性的。沉積盆地中泥頁巖的脆性和延性隨著埋藏深度的變化可以相互轉化?？梢?，如果忽略了埋藏深度這個參數(shù)，完全采用脆性礦物含量或泊松比等參數(shù)來評價泥頁巖的脆性大小，有時可能會出錯。對于一定范圍內指定的泥頁巖，巖性特征、礦物組成、總有機碳(TOC)含量、成巖作用、熱成熟度、孔隙度等基本一致，且沉積盆地油氣勘探領域之內，溫度(小于200°)對巖石力學性質雖然有一定影響，但遠遠小于圍壓的影響[27]。因此，評價地下泥頁巖的脆-延性時，埋藏深度是首先要考慮的參數(shù)。如何定量評價埋藏深度對泥頁巖脆-延性的影響，是本文關注的焦點。

中國南方海相層系發(fā)育多套富有機質泥頁巖，其中志留系龍馬溪組是目前的頁巖氣勘探開發(fā)的主要對象[28-30]。龍馬溪組泥頁巖成巖演化程度高，經歷過早期埋深和晚期抬升過程，現(xiàn)今的埋藏深度并非在地質歷史時期的最大埋深。在本文中，我們在巖石力學試驗基礎上建立了一套技術方法，用于確定這類經過復雜構造改造的高演化泥頁巖的脆-延轉化深度，目的是為頁巖氣保存和水力壓裂評價提供關鍵參數(shù)指標，以降低頁巖氣勘探開發(fā)的地質風險和工程風險。

1 確定泥頁巖脆-延轉化帶的基本思路

文中泥頁巖脆-延轉化帶指脆性帶底界和延性帶頂界之間的深度帶。脆性帶底界采用超固結比門限值確定；延性帶的頂界依據(jù)脆延轉化臨界圍壓確定。

2 脆性帶底界的確定

基于OCR門限值確定脆性帶底界的具體過程包括：①單軸應變試驗確定前期固結壓力(亦稱名義固結壓力)；②三軸壓縮試驗計算不同圍壓下的OCR值，數(shù)學擬合確定OCR門限值;③確定脆性帶底界深度。

2.1 單軸應變試驗

利用單軸應變試驗確定前期固結壓力。

圖1 泥頁巖脆-延轉化帶確定方法流程Fig.1 Schematic diagram showing the workflow of determining brittle-ductile transition zone of shales

在單軸應變試驗中，采用壁厚為12 mm，內徑23.24 mm，外徑35.5 mm，高度140 mm的鋼質模具(45號鋼)對試樣的側向變形進行約束。在實驗過程中采用位移加載，位移加載速率為0.001 mm/s，同時在鋼質套筒的外壁中部沿環(huán)向均勻地粘貼6個應變片測量套筒的環(huán)向變形。通過所測鋼質模具外側的環(huán)向變形，可以計算作用在試樣側壁的側向應力，計算公式如下:

(1)

式中:p1為作用在內壁上的壓力，Pa；a,b,E1分別為鋼質模具的內、外半徑和鋼的楊氏模量，分別為23.24 mm，35.50 mm和2.20×1011Pa；εθ為鋼質模具外側測量的環(huán)向變形，%。

選取中國南方川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組和侏羅系桐竹園組兩種不同時代的泥頁巖樣品用于單軸應變試驗，每種樣品各鉆取兩件，測試結果見表1。

雖然兩種樣品成巖演化程度不同，但XRD分析得到的礦物組分基本一致。志留系龍馬溪組石英和粘土的含量分別為36%和50%，其余礦物占14%。侏羅系桐竹園組泥頁巖的石英和粘土礦物含量分別為40%和50%，其余占10%。利用公式(1)計算獲得側向應力，編制軸向應力-側向應力交會圖(圖2，圖3)，交會圖上曲線斜率發(fā)生轉折點所對應的軸向應力就是前期固結壓力[35-36]。志留系龍馬溪組和侏羅系桐竹園組的前期固結壓力平均值分別為155 MPa和26 MPa。可見成巖演化程度更高，古埋深更大的志留系龍馬溪組泥頁巖具有更高的前期固結壓力。

表1 川東-鄂西地區(qū)泥頁巖單軸應變試驗測試結果Table 1 Results of the uniaxial strain test for the shale samples from eastern Sichuan-western Hubei area

圖3 川東-鄂西地區(qū)侏羅系桐竹園組側向應力-軸向應力交會圖Fig.3 Crossplot of lateral stress and axial stress of the Jurassic Tongzhuyuan Formation in eastern Sichuan-western Hubei areaa.桐竹園組1號樣品(樣品J1-1)，名義固結壓力pc為25.85MPa;b.桐竹園組2號樣品(樣品J1-2)，名義固結壓力pc為25.3MPa

2.2 三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗的目的是確定OCR門限值。OCR可以反映泥頁巖的脆性，OCR越大，脆性越大[32,37]。那么OCR達到多大值時，泥頁巖完全轉化為脆性，這是問題的關鍵。本文將泥頁巖完全轉變?yōu)榇嘈詴r的OCR值定義為OCR門限值(OCR門限值)。

在三軸壓縮試驗中，給定了一系列圍壓值(對應于實際地質條件下的不同埋深)，測試不同圍壓下的峰值強度和殘余強度參數(shù)，再結合名義固結壓力，得到不同圍壓下的一系列OCR值，相當于得到了抬升過程中不同剝蝕量情況下的OCR值。即：

(2)

三軸壓縮試驗在長春新特實驗機械廠和中國科學院武漢巖土力學研究所共同研制的XTR01 型微機控制電液伺服巖石三軸實驗儀上完成。樣品采自與單軸應變試驗樣品相同地點的志留系龍馬溪組泥頁巖。三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)及OCR計算結果見表2。

在表2中，峰值應力即三軸壓縮試驗泥頁巖樣品破壞時的軸向應力，圍壓即與軸向應力垂直方向的應力，主應力差即峰值應力與圍壓之差。歸一化主應力差即主應力差與圍壓之比。由名義固結壓力與圍壓之比，即得到該圍壓下的OCR值。由表2可知，隨著圍壓的降低，OCR增大，意味著隨著抬升剝蝕的增加，泥頁巖的OCR增大。

表2 川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)及OCR計算結果Table 2 Triaxial compression test data and calculated OCR of samples collected from the Silurian Longmaxi Formation in eastern Sichuan-western Hubei area

泥頁巖的OCR不僅能反映泥頁巖的脆性，而且能反映泥頁巖的抗剪強度[38]。OCR與歸一化抗剪強度(qu/σ3)之間存在如下關系[32]

qu/σ3=a×OCRb

(3)

式中:qu為三軸試驗中對應的主應力差，MPa ；σ3為三軸試驗中對應的圍壓，MPa ；經驗系數(shù)a相當于正常固結泥頁巖(OCR=1)的歸一化抗剪強度，b為擬合參數(shù)?？梢?，OCR越大，泥頁巖的歸一化抗剪強度也越大。

如果將超固結比(OCR)與脆性指數(shù)(BRI)關聯(lián)[17]，則有：

(4)

BRI越大，脆性越大，當BRI>2時，泥頁巖完全變成脆性[17]。因此，可將OCRb=2時的OCR值，作為泥頁巖的脆性破裂門限值，其中b為經驗系數(shù)，由歸一化抗剪強度與OCR數(shù)據(jù)擬合得到。由表2中的歸一化主應力差和OCR數(shù)據(jù)繪制交會圖(圖4)。通過數(shù)據(jù)擬合，得到歸一化主應力差與OCR之間的函數(shù)關系為：y=2.472 3x0.728 5，R2=0.992 7，擬合程度非常高?？梢?，擬合系數(shù)b=0.73，再由OCRb=2，得到OCR的門限值為2.6。即當志留系龍馬溪組的OCR達到2.6時，將變?yōu)榇嘈浴?/p>

2.3 脆性帶底界深度

在獲得OCR門限值之后，結合最大垂直有效壓力，便可計算脆性帶底界深度。地下泥頁巖最大垂直有效壓力可以通過埋藏史恢復得到。由埋藏史恢復得到最大古埋深，由最大古埋深計算最大垂直有效壓力。由OCR的定義可知：

(5)

式中:ρ1為最大埋深時上覆地層平均密度，g/cm3；ρ2為現(xiàn)今上覆地層平均密度，g/cm3；Hmax，最大古埋深，m；Hpresent為現(xiàn)今埋深，m。

當OCR達到門限值時的埋深，即為脆性帶底界深度(Hb)：

(6)

以中國南方川東-鄂西地區(qū)焦頁1井、河頁1井、建深1井、丁頁1HF和丁頁2HF為例，采用回剝法[39]恢復埋藏史，得到最大古埋深Hmax。由志留系底界最大古埋深和龍馬溪組泥頁巖OCR門限值2.6，即可計算脆性帶的底界深度，計算結果見表3。由表3可知，川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組脆性帶底界埋深變化于1 940～2 763 m。脆性帶的底界深度隨最大古埋深的變化而變化，最大古埋深越大，脆性帶的底界深度也越大。

圖4 川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖OCR與歸一化最大主應力差交會圖Fig.4 Crossplot of normalized principal stress difference and OCR of the Silurian Longmaxi Formation shales in eastern Sichuan-western Hubei area

井名最大埋深/m現(xiàn)今埋深/m脆性帶底界埋深/m焦頁1井5 7082 4092 195河頁1井6 4612 1622 485建深1井7 1844 9862 763丁頁1HF井5 0452 0501 940丁頁2HF井6 3544 3592 443

3 延性帶頂界的確定

延性帶頂界由脆-延轉化臨界圍壓折算成深度獲得。通常認為，當三軸壓縮試驗的峰后應力-應變曲線反映完全塑性特征時的圍壓為脆-延轉化臨界圍壓[40]。利用三軸壓縮試驗獲得的峰值強度與殘余強度數(shù)據(jù)，計算殘余強度與峰值強度之比，編制圍壓和殘余強度與峰值強度之比交會圖(圖5)，線性擬合得到泥頁巖的圍壓與殘余強度/峰值強度之間的數(shù)學模型。當殘余強度/峰值強度為1時對應的圍壓，即為泥頁巖脆延轉化臨界圍壓。

由圖5可知，隨著圍壓的增加，殘余強度/峰值強度也增大，二者之間呈高度線性相關性(y=ax-b)。那么，當x=1時，y=a-b即為臨界圍壓。由脆-延轉化的臨界圍壓所折算的深度，即為延性帶頂界深度。即：

Hd=100(a-b)/(ρ-1.07)

(7)

式中:Hd為延性帶頂界深度，m；ρ為上覆地層密度，g/cm3；a和b為擬合常數(shù)。

圖5 川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖殘余強度/峰值強度隨圍壓變化關系Fig.5 Variation of residual strength/peak intensity with the confining pressure of the Longmaxi Formation shales in eastern Sichuan-western Hubei area

井名上覆地層平均密度/(g·cm-3)密度標準偏差/(g·cm-3)延性帶頂界深度/m深度標準偏差/m焦頁1井2.670.0784 464319焦頁11-4井2.670.0384 466109河頁1井2.680.0494 428184建深1井2.640.0824 545252丁頁1HF2.670.0984 492411丁頁2HF2.680.0434 438132總體平均2.670.0654 470230

由圖5得到的線性擬合關系式為y=112.66x- 41.415，可以計算得到志留系龍馬溪組的脆-延轉化臨界圍壓為71.2 MPa。由密度測井曲線計算獲得上覆地層的平均密度。地層水的密度取1.07 g/cm3，將脆-延轉化臨界圍壓和密度結合，得到川東-鄂西地區(qū)代表性頁巖氣探井志留系龍馬溪組泥頁巖延性帶的頂界深度為4 470 m±230 m(表4)，也就是說，在川東-鄂西地區(qū)，當志留系龍馬溪組泥頁巖的埋深超過4 470 m±230 m，就轉變?yōu)檠有浴?/p>

4 泥頁巖脆-延轉化帶及其意義

4.1 脆-延轉化帶

在抬升過程中由圍壓控制的脆-延轉化不是突變的而是逐漸轉化的。在完全脆性和完全延性之間存在一個脆-延轉化帶。在確定了脆性帶底界和延性帶頂界之后，二者之間的過渡帶即為脆-延轉化帶。川東-鄂西地區(qū)焦頁1井、河頁1井、丁頁2HF井和建深1井志留系龍馬溪組泥頁巖的脆性帶底界深度分別為2 195，2 485，2 443和2 763 m，延性帶頂界深度分別為4 464，4 428，4 438和4 545 m，那么，脆-延轉化帶的深度區(qū)間分別為：2 195～4 464，2485～4 428，2 443～4 438和2 763～ 4 545 m。

由于不同地區(qū)某套泥頁巖的最大古埋深不同，抬升剝蝕程度不同，所受最大垂直有效壓力也不同，因此，脆性帶底界深度也不同。雖然對于給定泥頁巖的脆-延轉化臨界圍壓相同，但由于上覆地層密度的差異性，導致延性帶的頂界也存在一定的差別。因此，同一套泥頁巖的脆-延轉化帶在不同地區(qū)也相應地存在一定的差別。計算結果顯示，河頁1井、焦頁1井和丁頁2HF井志留系龍馬溪組泥頁巖分別處于脆性帶、脆-延轉化帶和延性帶。

4.2 脆-延轉化帶的地質意義

由本文建立的技術方法所確定的脆-延轉化帶可以作為中國南方復雜構造改造區(qū)頁巖氣保存條件評價的關鍵參數(shù)，并且對水力壓裂效果評價也具有重要參考價值。

泥頁巖的脆-延性特征與天然裂縫發(fā)育及裂縫性質密切相關，從而控制頁巖氣保存條件、影響泥頁巖儲集性能和可壓性。在構造應力作用下，脆性泥頁巖容易發(fā)生脆性破裂，產生開啟裂縫，導致其封閉能力顯著降低[32]。處于脆性帶的泥頁巖，雖然脆性好，可壓性好，但在構造應力或隆升剝蝕過程產生的張性裂縫導致保存條件變差，引起泥頁巖中游離氣大量散失。處于延性帶的泥頁巖，雖然延性好，不容易發(fā)生脆性破裂，保存條件好，但是水力壓裂時可壓性差，高圍壓下裂縫又容易發(fā)生閉合。而處于脆-延轉化帶的泥頁巖，既具有較好的可壓性、又可以形成一定的天然微裂縫且不破壞保存條件，因此，對儲集空間發(fā)育和頁巖氣保存都有利。

目的層處于脆性帶之內的探井，由于保存條件被破壞，往往不具備工業(yè)產能，且頁巖氣組分以吸附氣為主，游離氣含量很低。鄂西地區(qū)的河頁1井志留系龍馬溪組位于脆性帶，壓裂未獲氣流，僅在泥頁巖巖芯表面見零星狀氣泡，做浸水試驗無氣泡逸出，地層呈正常壓力變化，壓力系數(shù)約為1.0。在河頁1井井深2 156.22 m和2 163.87 m處的含氣量測試顯示總含氣量分別為0.74 m3/t和0.86 m3/t，以吸附氣為主。

目的層處于延性帶之內的探井，由于水力壓裂裂縫容易閉合，即使初產產量高，但難以穩(wěn)產。川東南地區(qū)的丁頁2HF井志留系龍馬溪組接近于延性帶，最高初產達10×104m3/d，但很快降至2.6×104m3/d。

目的層處于脆-延轉化帶的探井雖然不一定高產穩(wěn)產(因為除了脆-延性和保存條件之外，頁巖氣富集成藏還受有機碳含量(TOC)、鏡質體反射率(Ro)、孔隙度等其他很多因素控制)，但高產穩(wěn)產井通常位于脆-延轉化帶之內。川東礁石壩地區(qū)的探井志留系龍馬溪組位于脆-延轉化帶，既高產又穩(wěn)產(因斷層破壞除外)。焦頁1井初產氣產量20.3×104m3/d，穩(wěn)產(6～6.5)×104m3/d，游離氣含量超過50%。

以上鉆井的頁巖氣產量高低、穩(wěn)產時間、吸附氣與游離氣含量之間的巨大差別，并非烴源條件、儲集條件等成藏要素的控制，而是受保存條件和水力壓裂效果控制。河頁1井和焦頁1井的TOC及Ro基本一致。河頁1井志留系龍馬溪組有TOC介于1.28%～5.28% ,平均為2.54%；Ro為2.6%～2.8%，平均值2.7%。焦頁1井龍馬溪組泥頁巖TOC為0.8%～5.8%，平均為2.5%；Ro為2.5%～3.1%。但前者失利，后者為工業(yè)頁巖氣井，其主要原因可能在于河頁1井抬升剝蝕大，志留系龍馬溪組泥頁巖處于脆性帶，保存條件遭受破壞。河頁1井志留系龍馬溪組不僅含氣量低，且以吸附氣為主，說明游離氣已經大量散失，地層壓力系數(shù)為1.0，保存條件較差可能是主要原因。焦頁1井志留系龍馬溪組泥壓力系數(shù)為1.45[41]，頁巖氣中游離氣含量高，表明保存條件良好。丁頁2HF井志留系龍馬溪組泥頁巖接近于延性帶，雖然保存條件好，初產高，但泥頁巖延性大，水利壓裂裂縫在高圍壓下容易閉合，導致產量快速降低。

鑒于以上頁巖氣探井具有很好的代表性，因此，由本文提出的研究思路和技術方法所確定的脆-延轉化帶可以作為中國南方復雜構造改造區(qū)海相頁巖氣保存條件和水力壓裂評價的關鍵參數(shù)。

5 結論

1) 泥頁巖脆性帶底界可以依據(jù)名義固結壓力和OCR門限值確定；延性帶的頂界可根據(jù)脆-延轉化臨界圍壓確定。脆性帶底界深度隨最大古埋深的變化而變化，最大古埋深越大，脆性帶的底界深度也越大。延性帶的頂界受脆延轉化臨界圍壓和上覆地層密度共同控制。

2) 川東-鄂西地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖脆性帶底界深度介于1 940 m～2 763 m，延性帶頂界深度大約為4 470 m±230 m。

3) 脆-延轉化帶可以作為中國南方復雜構造改造區(qū)頁巖氣保存條件和水力壓裂評價的關鍵參數(shù)。脆性帶通常保存條件不好，延性帶往往壓裂效果不好，脆-延轉化帶既具有一定的保存條件，又具有較好的可壓性，是中國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)的最佳深度帶。