四川盆地威远地区龙马溪组页岩储层上下亚段脆性差异

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p

断　块　油　气　田　２０１６年７月　

１　地质概况　

研究区位于四川省威远、荣县和内江市境内，为页　

岩气国家重点示范区，面积约８　９４０　ｋｍ　。威远构造属　

于川中隆起区的川西南低陆褶皱带，有威远、兴隆场、　

灵音寺等多个构造（见图１）。威远构造为巨型的穹隆　

背斜．该背斜西北翼平缓、东南翼以基底断裂为界产状　

较陡．西南侧与老龙场构造以基底断裂为界呈鞍状相　

连．东北侧与磨溪一安平店构造以北西走向的基底断　

裂带相隔　

威远地区志留系地层由于加里东运动，缺失石牛　

栏组和韩家店组，所以志留系地层只有龙马溪组。总体　

看来．四川Ｉ地区龙马溪组沉积以浅水陆棚相为主，从西　

向东沉积相类型依次为古隆起、泥质浅水陆棚、泥质深　

水陆棚、砂泥质浅水陆棚、泥质浅水陆棚。　

e

、籁　咖瞧　

∞　

l

∞　

o

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回研究区圃

P

地名囹构造［　］断层　

z

图１研究工区示意　

２页岩储层矿物组分分析　

根据工区钻遇地层情况，结合取心、测井、地震等　

资料，将龙马溪组划分为龙马溪组一段

ｍ）、龙马溪组二段（３　２５１～３　

z

（３　６１２～３　７０３　

６１２　ｍ）（以下简称龙一段、　

龙二段）。　

ｘ射线衍射分析龙一段和龙二段的样品可知．页　

岩样品矿物组分以石英矿物和黏土矿物为主．含有部　

分的碳酸盐岩及少量长石和黄铁矿（见图２）。　

Ｗｏｏｄｆｏｒｄ与Ｂａｒｎｅｔｔ页岩的脆性矿物质量分数一　

般要大于４０％，黏土矿物质量分数要少于３Ｏ％，才具　

工业开发价值隅　］。相比龙二段，龙一段脆性矿物质量　

分数要更高、黏土矿物质量分数更低，且龙一段脆性矿　

物和黏土矿物质量分数都达到了北美页岩气开发的要　

求，从这方面来看，龙一段的开发压裂潜力要好。　

黄铁矿　

白云石　

方解石　

长石　

石英　

p

黏土矿物　

０　

r

１０　２Ｏ　３Ｏ　４０　５０　６０　

质量分数，％　

f

ａ龙一段与龙二段矿物成分质量分数对比　

P

加　Ｏ　

－　＿　

伊利石　伊，蒙　绿泥石　

ｂ龙一段与龙二段黏土矿物质量分数对比　

Ｉ－龙一段－龙二段ｉ　

图２龙一段与龙二段相关组分对比　

３页岩脆性综合评价法　

针对页岩的脆性参数研究方法主要有３种：实测　

页岩矿物成分含量，得出脆性矿物含量和黏土矿物含　

量，利用脆性公式计算页岩脆性指数；利用地球物理的　

方法及测井资料求取岩石弹性力学参数（弹性模量、泊　

松比）；采用岩石力学实验的方法。利用应力一应变曲线　

特征进行评价，如三轴压力实验＿９＿。　

３．１　Ｘ射线衍射分析　

ｘ射线衍射分析研究区龙马溪组龙一段、龙二段　

的取心资料（见图２ａ），根据Ｊａｒｖｉｅ　Ｅｍ　脆性计算式：　

朋　赢　（１）　

式中：ＢＲＩＴ为岩石脆性指数；　为矿物质量分数，％；　

下标Ｓ，ｔ，ｆ，ｎ分别代表石英、碳酸盐、方解石、黏土。　

由式（１）得出，龙二段脆性指数为０．４２．龙一段为　

０．５６，说明龙一段脆性要好于龙二段。Ｊａｒｖｉｅ方法的优　

点是简单且容易操作，然而实际情况下页岩的矿物成　

分是多种多样的，从精确性的角度来看，单从矿物组分　

来评价显得不够，而且这种方法需要大量岩心分析资　

z

第２３卷第４期　陆益祥，等．四川盆地威远地区龙马溪组页岩储层上下亚段脆性差异　４３ｌ　

料，使用起来费时费力。所以笔者决定采用文献［１０］中　

的加入矿物弹性模量和泊松比的新公式，来计算岩石　

的脆性指数。　

Ｅ：　

△　＼ＺＸＹｓ—ＡＴ　／　

ｆ　１　（５）　

ｆ旦１　

删　磕纛　…）　

密度，ｇ／ｅｍ　。　

p

式中：△ｒ，ｐ，△　分别表示纵、横波时差，Ｉｘｓ。ｉｎ～；　为体积　

式中：Ｅ为弹性模量，ＧＰａ；ＰＲ为泊松比。　

岩石矿物分析表明。石英、方解石和伊利石是主要　

的矿物成分，３种矿物的弹性模量和泊松比见表１。　

表１矿物弹性参数　

根据图２和表１中的数据，利用式（２）得出，龙二　

段脆性指数为８４．４４，龙一段为８６．５７。可知，龙一段的　

脆性更好。从脆性指数处理结果来看，新方法比Ｊａｒｖｉｅ　

e

方法更加符合实际。　

l

３．２地球物理测井方法　

o

通过有效方法获得页岩的泊松比和弹性模量Ｅ

i

ｕ　１２３　

可以作为主要依据来评价页岩脆性。Ｒｉｃｋｍａｎ等人对　

美国福特沃斯盆地Ｂａｒｎｅｔｔ页岩弹性模量和泊松比进　

行了总结，统计结果表明，高弹性模量、低泊松比的页　

岩脆性更强＿１２］。Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ和Ｂａｋｅｒ　

g

Ｈｕｇｈｅｓ利用测井数　

据的横纵波时差计算岩石的泊松比和弹性模量，并以　

此结果作为评价页岩脆性程度的依据［

　Ｒｉｃｋｍａｎ等人的方法　

s

１３－１４］。　

３．２．１

对龙一段和龙二段样品进行实验，测出样品弹性　

模量和泊松比，结果见图３。南图３可知，龙一段弹性　

P

模量３８．２ｌ～４９．

２０～３９．

z

２７　ＧＰａ，平均为４４．１７　ＧＰａ；龙二段弹性　

模量３０．５２　ＧＰａ，平均为３５－３１　ＧＰａ。龙一段泊松　

比０．１８－０．３３，平均为０．２４；龙二段泊松比０．２８～０．４０，　

平均为０．３６。说明龙一段具有更高的弹性模量和更低　

的泊松比，脆性更好，

３．２．

z

可压裂性更强。　

２　Ｂａｋｅｒ　Ｈｕｇｈｅｓ和Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ的方法　

由龙马溪组的测井数据（见图４）中纵、横波时差，　

计算弹性模量和泊松比，评价页岩的脆性。利用参考文　

献『１１］中的公式：　

ＰＲ：垒　二垒　（３）　

２ｆ△ｒ一２Ａ　｝　

…、

２　

（筹）＝　十２　（４）　

删　

敲　

r

f

P

泊松比　

图３龙一段和龙二段样品的弹性模量和泊松比关系　

横波时差／　岩心实测泊松比　实测弹性模量／　

（ＬＬ　ｓ－ｍ－’）　ＧＰａ　

６５０　１５０　地层密度，　分　横纵波　Ｏ　０

．

４　０　５Ｏ　

纵波时差／（

Ｉｘｓ·ｍ－　）　

　（ｇ·ｃｍ－３）　层　深度，

ｍ　

　时差比　测井计算泊松比　笼　

６５０　ｌ５０　２　３　ｌ　３　０　Ｏ．４　Ｏ　５Ｏ　

，　３　２２１）一　＜一　

３　２５０—　

。——　

３　２８０—　

３　３１０—　

３　３４Ｏ｛　

一　

３　３７０—　乏　

龙　３　４００—　

马　

溪　３　４３０—　

●　

组　

二　３　４６０—　

｝　段　

３　４９０—　

３　５２０—　

３　５５０．　ｊ　

３　５８０—　

龙　３　６１０—　——　

马　３　６４０—　

｝　

溪　

组　３　６７０—　

ｌ　——段　　３　７ｏｏ一　

图４测井数据计算出的泊松比和弹性模量　

利用式（３）代入横、纵波时差，得到泊松比；同理，　

利用式（５）得到弹性模量。利用求出的弹性模量和泊松　

比评价岩石的脆性　

据图５可看出，龙一段弹性模量平均２３　ＧＰａ，泊　

松比平均０．２２；龙二段弹性模量平均１８　ＧＰａ，泊松比　

平均０．３２。由此可知：龙一段具有较低泊松比和更高的　

弹性模量，龙一段的脆性更好。由式（３）可以推算出式　

（４），说明，横纵波时差比值和泊松比有一定相关性。观　

察图６可知，龙二段的横纵波时差比明显高于龙一段．　

证明页岩的脆性用低横纵波时差比表示也是可行的　

z

断　块　油　气　田　

果，都彼此相互证明龙一段比龙二二段脆性要好．具有　

好的水力斥裂效果．、　

删　

塑　

慧　

埋藏时间等外界［大Ｊ素对贞岩脆性影响大致柑　

一

泊松比　

性差异引起的，ｌ　岩性差蚌足ｎ１沉积环境所决定的　所　

以．造成龙一段和龙二段脆性差异的根本原　足沉ｊ＝＿｝！　

图５测井数据算出的弹性模量和泊松比　

p

龙一段和龙二段两段彼此　邻，所受　压、温度、　

段以深水陆棚上的沉积的灰黑色、黑色贝岩为主：坨　

二段以浅水陆棚上沉积的灰色、深灰色贝岩和粉砂质　

泥岩为主［１６　１８］。龙一段和龙二段脆性差异主要是…柑　

e

图６测井数据算出的泊松比和横纵波时差比　

l

３．３页岩岩石力学实验　

从龙一一段和龙二段各取一块岩心，取心位置为冈　

o

４中红色点（　号岩心，取佯深度为３　６５５　Ｉ

i

ｌ１）和蓝色点　

（２号岩心，取样深度为３　４６０　ｎ１）。模拟岩心地下温度、

g

压力环境，进行　轴压力实验。实验结果表明：龙马溪　

组页岩储层平均抗压强度为２４１．１０　ＭＰａ．平均弹性模　

量为ｌ６．８４　ＧＰａ，平均泊松比为０．

s

２８（见表２）。由此可　

知．相比２号岩心，１号岩心的弹性模量更高和泊松比　

更低，证明龙一段比龙二段的脆性要好　．　

表２岩心样品三轴压力实验结果　

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应力一应变曲线的负坡斜率绝对值大小可以划分　

岩石脆性好坏。负坡斜率绝对值较大者脆性较好；反之　

脆性较差。ｒ｝ｊ图７、图８可知：ｌ号岩心在应力为　

２６２．０１　ＭＰａ，应变为０．００８时破碎；２号岩心在应力为　

１９９．９６　ＭＰａ，府变为０．０１２时破碎。１号岩心负坡斜率　

绝对值较大，故其脆性优于２号岩心，即龙一段的脆性　

比龙二段的脆性要好　

３．４综合分析　

通过对龙一段和龙二段的矿物成分分析，结合脆　

性指数、弹性模量、泊松比及　轴压力实验等比较结　

环境不同　

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图７　１号岩心的三轴压力实验应力一应变曲线　

图８　２号岩心的三轴压力实验应力一应变曲线　

４结论　

１）龙一段的脆性矿物质　分数火Ｊ：４（）％，黏土矿　

物质量分数小于３０％。根据关　Ｂａｒｎｅｔｔ和Ｗｏｏｄｆ¨ｒ（１　

页岩成功的开发经验，龙一·段郁达到了升发条件，卡¨比　

龙二段，龙一段的开发潜力人。龙二段　脆性指数为　

８４．４４．龙一段为８６．５７，证叫龙一段的脆性比庀二段的　

脆性要好．．龙一段比龙二段具有史高的弹性模量　

低的泊松比，说明龙一段的脆性比龙■段的脆性要好　

龙一段负坡斜率绝对值较人，故脆性较优　沉积环境的　

不同是造成龙一段和龙二段脆性差异的｛士｛本原　

２）Ｊａｒｖｉｅ方法单从矿物绀分含量米　价脆　，从　

精确性角度来看不够：新脆性公式要比Ｊａｒｖｉｅ　法结　

果更加符合实际。Ｂａｋｅｒ　Ｈｕｇｔ１ｅｓ和Ｈａｌｌｉｂｒａ’ｔｏｎ　法　

z

第２３卷第４期　

二ｌ　

］　

陆益祥．等．四川盆地威远地区龙马溪组页岩储层上下亚段脆性差异　

卜＿　

］　］　］　ｉ　］　

…　

４３３　

…

原状地层中获得数据值，精确度相比与Ｒｉｃｋｍａｎ等人　

的方法要高；三轴压力实验是直接测量岩心脆性的一　

种重要手段。　

参　考　文　献　

曾祥亮，刘树根，黄文明，等．四川盆地志留系龙马溪组页岩与美国　

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（上接第４２２页）　

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（编辑赵旭亚）　

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（编辑赵旭亚）