海陆过渡相不同页岩岩相的岩石力学特性及能量演化特征

刘峻杰，吴建军，熊 健，李 兵，刘向君，梁利喜

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500;2.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

中国页岩油气资源储量丰富，其中，海陆过渡相页岩气具有良好的勘探开发前景，约占中国页岩气总资源量的1/4[1]。目标区块位于鄂尔多斯盆地东缘南北走向的条带区域，区块横跨陕西与山西两省，该区块二叠系山西组沉积于三角洲前缘和滨海环境，为典型的海陆过渡相沉积环境[2]，二叠系山西组山23亚段沉积厚度约为20～40 m，夹层较少，是海陆过渡相页岩气勘探开发的有利层段[3]。目前，对于海陆过渡相页岩储层已进行了大量的研究，前人的研究主要集中在开发前景评价[4]、沉积环境[2]、页岩气形成[5]、页岩储层特征[6]、孔隙结构[7-8]、岩相划分[3]等方面，研究主要停留在较为初期的阶段，不能为后续的压裂施工提供岩石力学、能量演化等方面的基础参考数据。为此，针对鄂尔多斯盆地东缘的二叠系山西组山23亚段海陆过渡相页岩，基于单轴压缩实验和三轴压缩实验，研究了不同页岩岩相之间岩石力学特性的差异，并在此基础上，结合能量演化理论，进一步探讨了山西组海陆过渡相不同页岩岩相之间的能量演化差异。

1 实验样品与方案

鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组山23亚段海陆过渡相页岩的X射线衍射实验结果如表1所示。由表1可知：矿物组成主要为石英、黏土矿物、斜长石、方解石、白云石和黄铁矿，以石英和黏土矿物为主。根据其矿物成分不同，可进一步将其划为3类典型页岩相，即黏土质页岩相、混合质页岩相、硅质页岩相。

表1 测试样品矿物组成Table 1 The mineral composition of test samples

按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[8]的相关要求制样，将制备好的岩样通过声波测试进行筛选分组，把相同岩相且声波时差相近的样品选出，共19块岩样。单/三轴压缩实验在TRC-100高温高压岩石三轴流变仪上进行，实验过程中所施加的围压为25 MPa，以0.2 mm/min的应变加载速率在轴向上连续加载荷。基于应力-应变曲线，计算在连续加载过程中，实验岩样的总能量、弹性能量和耗散能量。

当岩样所在的外部环境对岩样施加相应大小、方向的应力时，应力将在岩样形变的方向做功产生应变能，从而达到外界对岩样输入能量的目的。总能量(由外界输入)可分弹性应变能和耗散能。各种能量在岩样从受力到破坏的整个过程中均是同时存在的，只是在不同情况下所占的比例不同[9]。其能量的表达式为[10]：

U=Ue+Ud

(1)

在单轴压缩的实验情况下，岩样的总能量和弹性能表达式分别为[11]：

(2)

(3)

式中：U为总能量，J/cm3；Ue为弹性能，J/cm3；Ud为耗散能，J/cm3；σ1为轴向应力，MPa；ε1为轴向应变；σ1i为轴向应力-应变曲线上第i点的轴向应力，MPa；ε1i为轴向应力-应变曲线上第i点的轴向应变；n为总的数据点数；E0为岩样初始的弹性模量，MPa。

三轴压缩的实验情况下，最初施加静水压力的阶段，岩样所受到的围压做功为正功；施加轴向载荷的压缩过程中，岩样所受到的轴向应力做功为正功；随着实验的进行，径向上的应变会逐渐增大，此时岩样需要克服围压做功，岩样受到的围压做功为负功。

在假三轴实验中，水平方向上的主应力相等，总能量表示为[11-12]：

(4)

施加静水压力的阶段做功U0以及三轴压缩实验条件下的弹性能Ue，可分别表示为[11]：

(5)

(6)

式中：U0为初始静水压力做功，J/cm3；U1为轴向应力做正功，J/cm3；U2为围压做负功，J/cm3；υ为泊松比；σ3为围压，MPa；ε3为径向应变。

2 结果与讨论

2.1 岩石力学特性参数

通过单轴、三轴压缩实验，获得了抗压强度、弹性模量和泊松比(图1)。由图1a可知，相同实验条件下，同一岩相中各岩样间的抗压强度差异较小，而不同岩相间各岩样的抗压强度存在较大差异。

图1 不同岩相岩样的单轴和三轴实验结果Fig.1 The uniaxial and triaxial experimental results of different lithofacies rock samples

在单轴实验条件下：黏土质页岩相的抗压强度为14.48～21.95 MPa，平均值为17.87 MPa；混合质页岩相的抗压强度为36.66～43.07 MPa，平均值为38.90 MPa；硅质页岩相的抗压强度为56.61～60.01 MPa，平均值为58.50 MPa。在三轴实验条件下：黏土质页岩相的抗压强度为50.05～56.26 MPa，平均值为53.15 MPa；混合质页岩相的抗压强度为81.13～88.90 MPa，平均值为85.88 MPa；硅质页岩相的抗压强度为131.49～143.62 MPa，平均值为137.22 MPa。

实验结果表明，无论是在单轴压缩实验或三轴压缩实验条件下，硅质页岩相的抗压强度均为最大，其次为混合质页岩相、黏土质页岩相。这与不同岩相间的矿物成分差异有关，黏土质页岩相中黏土矿物的含量较高但石英的含量较低，而硅质页岩相与之相反。这说明海陆过渡相储层页岩在宏观上表现出的抗压强度特性，受控于微观上的矿物组成成分。

此外，根据部分学者的研究，陆相页岩的单轴抗压强度为41.88～125.08 MPa[13-14]，海相页岩的单轴抗压强度约为150.00 MPa[15]，由此可知，海陆过渡相页岩的抗压强度低于海相页岩和陆相页岩；这种力学强度上表现出的差异，结合海陆过渡相地层具有在纵向和横向上变化快、且单层厚度小而累计厚度大的特征，将影响海陆过渡相页岩储层不同层段的压裂改造措施[16-26]。

由图1b、c可知，在单轴压缩实验中，硅质页岩相弹性模量值最大，平均值为24.92 GPa。泊松比最小，平均值为0.214；混合质页岩相弹性模量的平均值为19.11 GPa，泊松比的平均值为0.235；黏土质页岩相弹性模量值最小，平均值为11.89 GPa，泊松比最大，平均值为0.401。硅质页岩相具有较高的弹性模量以及较低的泊松比，可见山西组海陆过渡相页岩储层中硅质页岩相有较好的可压裂性。

2.2 变形特征

部分不同页岩岩相样品在单轴和三轴压缩条件下的应力-应变曲线如图2所示。由图2a可知，单轴压缩实验中，不同页岩岩相均有较长的弹性变形阶段，且无明显的压缩阶段，这可能与页岩较为致密有关；仅硅质页岩相无塑性阶段，均表现为较强的脆性。由图2b可知，弹性变形阶段均有缩短，而塑性变形阶段有所增长。对于强度较低的黏土质页岩相和强度较高的硅质页岩相具有较长的塑性变形阶段，而强度适中的混合质页岩相塑性变形阶段较短。总体看来，在三轴围压状态下岩样的峰值强度提高，塑性增强，且峰值点处的应变均大于0.004 0。表明岩样的峰值强度、应变随围压的增大而增大，岩样逐渐由脆性过渡到塑性。

图2 不同实验条件下应力-应变曲线Fig.2 The stress-strain curve under different experimental conditions

2.3 岩样破坏模式

不同页岩岩相样品实验后的破坏照片如图3所示。在单轴压缩实验条件下，以劈裂破坏模式为主，硅质页岩相岩样在破坏后相较于其他岩样更为破碎，形成了更加复杂的裂缝网络，体现出了较强的脆性。在三轴压缩实验条件下，以剪切破坏模式为主，除黏土质页岩相形成的裂缝较简单外，硅质页岩相与混合质页岩相产生的裂缝为低角度剪切缝，两者可以形成较为复杂的裂缝网络，相较于劈裂破坏，岩样较为完整。该结果与图2吻合，即随围压增加，塑性增强，峰值点处的应变也随之增大。

图3 不同页岩岩相单轴、三轴实验压后破坏图Fig.3 The failure diagram of different shale lithofacies after uniaxial and triaxial experiments

2.4 能量演化特征

通过单轴、三轴压缩实验数据，绘制能量演化特征曲线，由于篇幅有限，仅展示部分岩样的能量演化特征曲线，如图4所示。 通过对岩样的能量演化特征曲线与轴向应力-应变曲线结合分析，将能量演化过程分为弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段3个阶段。

图4 不同实验条件下不同页岩岩相能量演化特征Fig.4 The energy evolution characteristics of different shale lithofacies under different experimental conditions

①弹性阶段：应力-应变曲线近似呈斜线段。总能量、弹性能随加载的进行快速上升，2条曲线呈相互平行的趋势；耗散能的值较小，但其曲线随应变的增大几乎呈水平发展。在该阶段内，由外界输入的总能量，主要以弹性能的方式储存起来，耗散的能量少。

②塑性阶段：应力-应变曲线呈曲线发展，应力增大的速率逐渐减小直至峰值强度点处。总能量随加载过程中应变增加而增加，弹性能增加的速率逐渐放缓，此时耗散能上升；总能量曲线与弹性能曲线不再保持平行，耗散能曲线上升。在该阶段内，随着应变的增大逐渐出现新裂缝并慢慢延伸，导致耗散能增加，而输入的能量逐渐不利用于岩石以弹性能储存。

③破坏阶段：应力-应变曲线在峰值强度点后以斜率为负发展。在该阶段内，岩石内部的微裂缝贯穿造成其发生失稳破坏；此时，输入的总能量用于岩石破坏，不能以弹性能的方式继续储存能量，且在之前储存的弹性能得到释放，表现出弹性能减小，耗散能增大。

将单轴压缩实验条件下不同页岩岩相间的峰前总能量、峰前弹性能分别进行对比(图5)。整体上看，不同页岩岩相的峰前总能量、峰前弹性能的变化趋势相同。对于峰前总能量，随着外界应力和岩样应变的逐渐增大，不断由外界向系统内输入能量，但不同页岩岩相在相同应变处所对应的总能量不同，应变约为0.001 5时，黏土质页岩相、混合质页岩相、硅质页岩相的总能量分别为5.79×10-3、8.85×10-3、12.62×10-3J/cm3；同时，在峰值点处的总能量也不相同。对于峰前弹性能，随着外界能量的持续输入，岩样吸收储存的能量越来越多，不同页岩岩相在相同应变条件下以及在峰值点处的弹性能不相同。这表明不同页岩岩相对外界输入能量的接收能力以及储存能力不同。图5反映了海陆过渡相页岩储层的不同页岩岩相在峰前的能量演化过程中存在差异，致使在发生破坏时用于消耗的能量不同，从而导致对不同层段进行压裂改造时，其所需消耗的能量不同。

图5 单轴条件下不同页岩岩相峰前的总能量与弹性能Fig.5 The total energy and elastic energy before different shale facies peaks under uniaxial conditions

将不同实验条件下全部岩样峰值点处的不同能量参数进行统计(表2)。由表2可知，三轴压缩条件下，不同页岩岩相的不同能量参数相较于单轴压缩实验条件均有提升，如硅质页岩相、混合质页岩相、黏土质页岩相的平均总能量分别提高了4.57、2.89、7.26倍。这说明在同一围压下，对不同页岩岩相的影响作用不同。不同页岩岩相的弹性能与总能量之比不同，且在三轴压缩实验条件下其比值有所下降。

表2 峰值点处能量参数Table 2 The energy parameters at the peak point

单轴压缩实验条件下，不同页岩岩相的平均Ue/U分别为：硅质页岩相为0.976，混合质页岩相为0.905，黏土质页岩相为0.896。三轴压缩实验条件下，不同页岩岩相的平均Ue/U分别为：硅质页岩相为0.846，混合质页岩相为0.797，黏土质页岩相为0.614。这说明围压的增大，在提高峰值强度处总能量和弹性能的同时，也因围压的作用使岩样塑性提升，在塑性阶段内有较多的能量被消耗(图4)，导致在峰值点处的弹性能占比下降；在单轴条件下弹性能占比较高，岩样发生破坏时释放的弹性能相对较大，释放速率较快，岩样破坏更加激烈。三轴条件下，围压延缓弹性能的释放，减轻岩样的破坏。这与图3中岩样的破坏结果相吻合，如硅质页岩相在单轴压缩条件下的峰值点处弹性能占比最高，发生破坏时弹性能的释放速度快，岩样最为破碎。

同时，根据温韬[16]、张萍等[17]、曾韦等[18]的研究成果可知，单轴压缩实验条件下，海相龙马溪组页岩露头在峰值点处的总能量分布范围为0.327 5～0.612 0 J/cm3，平均值为0.456 0 J/cm3；表2中单轴压缩实验条件下，海陆过渡相山西组页岩在峰值点处的总能量分布范围为0.010 0～0.077 0 J/cm3，平均值为0.041 2 J/cm3。将两者进行比较可知，海相龙马溪组页岩在发生破坏时所需的能量远大于海陆过渡相山西组页岩所需的能量。因此，相较于龙马溪组页岩，海陆过渡相山西组储层压裂施工改造时，可降低排量，以达到安全施工、降低成本的目的。

3 结 论

(1) 不同页岩岩相的力学特性差异较大，在单轴压缩实验条件下，硅质页岩相、黏土质页岩相的抗压强度平均值分别为58.5、17.9 MPa，弹性模量平均值分别为24.9、11.9 GPa。

(2) 单轴压缩条件下，不同页岩岩相均有较强的脆性且为劈裂破坏，随围压增大，塑性增强且为剪切破坏，硅质页岩相破坏最为严重。因此，在后期的开发过程中，对硅质页岩相储层段进行水力压裂施工，可能会获得较好的裂缝网格。

(3) 不同页岩岩相在峰值强度点处的能量有较大差异且受围压影响程度不同，单轴压缩条件下，硅质页岩相、黏土质页岩相、混合质页岩相的平均总能量分别为：0.071 0、0.016 0、0.044 0 J/cm3。三轴压缩条件下，硅质页岩相、黏土质页岩相、混合质页岩相的平均总能量分别为：0.118 0、0.127 0、0.322 7 J/cm3。因此，在对硅质页岩相储层段进行压裂施工时可能需要更高的泵压。