第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

172 / 2021-06-10 10:27:19

页岩矿物组成对力学性质的控制及对页岩气保存的影响

龙马溪组页岩,矿物组成,岩石力学强度,抬升剥露作用,四川盆地东南缘

页岩油气理论与技术

四川盆地东南缘发育的下志留统龙马溪组富有机质页岩是我国目前唯一实现了页岩气商业突破的海相页岩目的层。该地区龙马溪组富有机质页岩形成于深水陆棚、浅水陆棚等不同的古沉积环境，矿物组成差异性较大。在经历了沉积深埋后，龙马溪组页岩在燕山-喜马拉雅期构造运动中遭受了剧烈的抬升剥露作用，埋藏深度大幅减小，甚至出露于地表或被剥蚀殆尽。这种强烈的改造作用致使页岩层发生了各类形变破裂，导致页岩气散失，严重制约了其保存条件。

本研究制备了16组共48枚矿物组成各异的钻井页岩岩心样品，分别在20/40/60 MPa围压下，进行了常温三轴压缩岩石力学实验，测取了各试样的岩石力学参数，分析了页岩强度与矿物组成的关系；在此基础上，通过对典型埋藏-抬升剥露过程中页岩所受外部应力及强度变化的模拟估算，探讨了差异矿物组成控制下的页岩岩石力学性质及其对页岩气保存的影响。结果表明：

（1）页岩在低围压条件下以脆性变形为主，破坏样式多为张性劈裂及张-剪复合破裂；高围压背景下以塑性变形为主，破裂样式多为双剪切与单剪切；黏土矿物含量过高的页岩在各围压下均呈现脆性变形特征，碳酸盐矿物含量过高的页岩则在各围压下均呈现塑性特征。

（2）页岩的三轴岩石力学强度与其粘土矿物含量呈显著的线性负相关关系；与碳酸盐矿物含量存在一定的正相关性；与长英质矿物含量无明显相关性；页岩三轴岩石力学强度与围压的线性关系可使用其黏土矿物含量进行表征。

（3）页岩在抬升过程中，水平地应力变化较小；上覆地层的剥蚀导致页岩所受围压下降，三轴强度随之降低，因此抬升剥露幅度越小越有利于页岩气保存；抬升过程中，黏土矿物含量相对较低的硅质页岩强度下降较少，抵御形变破裂能力较强；黏土矿物含量相对较高的黏土质页岩强度下降较多，更易发生形变破裂，页岩气保存条件较差。

上述结果指示：页岩矿物组成能显著的影响其岩石力学强度，进而控制着页岩在抬升剥蚀过程中的形变破裂特征，从而影响页岩气保存条件。实际页岩气勘探中，应选择抬升剥蚀幅度较小地区及黏土矿物含量相对较低的硅质页岩作为对象，以降低由保存条件不佳带来的风险。