趙圣賢，劉 勇，馮江榮，范存輝 ，季春海

1.中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，四川 成都 610051；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司氣田開(kāi)發(fā)管理部，四川 成都 610051；3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500

引言

在全球能源日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，以頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣有望成為未來(lái)重要的接替能源[1]。近年來(lái)，中國(guó)掀起了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的熱潮，加快了中國(guó)能源戰(zhàn)略格局重塑的步伐[2]，在四川盆地的涪陵、長(zhǎng)寧_威遠(yuǎn)、昭通、富順_永川等頁(yè)巖氣富集區(qū)成功建立了商業(yè)產(chǎn)能示范區(qū)，截至2019 年年底，中國(guó)南方地區(qū)五峰組 _龍馬溪組頁(yè)巖氣累計(jì)地質(zhì)探明儲(chǔ)量超1.8×1012m3，年產(chǎn)超150×108m3[3]。

頁(yè)巖是一種天然多尺度且非均質(zhì)性極強(qiáng)的復(fù)合型致密地質(zhì)體材料[4]，對(duì)致密的頁(yè)巖氣層實(shí)施水力壓裂，以實(shí)現(xiàn)巖石的體積改造，是目前頁(yè)巖氣得到有效增產(chǎn)的關(guān)鍵開(kāi)采技術(shù)之一[5]。水力壓裂實(shí)質(zhì)上是通過(guò)制造人工裂縫來(lái)增強(qiáng)巖石的滲透能力，這是由于在致密頁(yè)巖中，大部分天然氣以吸附態(tài)或游離態(tài)存在于納米級(jí)_微米級(jí)孔隙中[6-7]，裂縫可以有效增強(qiáng)致密頁(yè)巖的滲流能力，促使氣體沿著裂縫運(yùn)移至井筒。然而，如何在確保安全生產(chǎn)條件下制造更大規(guī)模的人工裂縫，取決于巖石的脆性[8]。目前研究普遍認(rèn)為，脆性較高的頁(yè)巖壓裂后可形成復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)，往往可優(yōu)選為壓裂目標(biāo)[9]。截至目前，基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變、能量平衡與轉(zhuǎn)化、礦物組分、力學(xué)參數(shù)及微觀結(jié)構(gòu)等表征頁(yè)巖脆性的方法很多[10-11]，但對(duì)頁(yè)巖脆性的評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一、有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到的認(rèn)識(shí)也有所不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）石英等脆性礦物含量高，黏土礦物等韌性礦物含量少[12-13]；（2）巖樣呈現(xiàn)明顯的脆性破壞[14-16]；（3）巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的峰后模量等于彈性模量，巖石內(nèi)部所積累的能量全部轉(zhuǎn)化為釋放的能量[17]；（4）巖石具備高彈性模量和低泊松比[8]；（5）巖石到達(dá)抗壓極限時(shí)具有較低的應(yīng)變率[18]；（6）高壓拉比[19-20]；（7）內(nèi)摩擦角大[21]；（8）壓痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生更多微裂縫，且宏觀壓痕硬度大于微觀壓痕硬度[19，22]；（9）巖石的峰值應(yīng)力迅速降低至殘余應(yīng)力[18]等。頁(yè)巖的脆性受內(nèi)在和外在因素的綜合控制，特別是對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)背景的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)而言，常用的評(píng)價(jià)方法在現(xiàn)場(chǎng)往往達(dá)不到預(yù)期的效果，巖石壓裂后不能最大限度地產(chǎn)生具有較好疏導(dǎo)能力的裂縫系統(tǒng)。因此，開(kāi)展脆性評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)結(jié)合不同的沉積背景和巖相類(lèi)型，分析頁(yè)巖脆性的主控因素，并深入挖掘巖石脆性對(duì)裂縫控制的內(nèi)在機(jī)理。

為此，本文以川南長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖為例，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景和頁(yè)巖地質(zhì)特征，明確和揭示頁(yè)巖的脆性特征及其與裂縫發(fā)育的關(guān)系，通過(guò)深入認(rèn)識(shí)頁(yè)巖脆性對(duì)裂縫的影響，為現(xiàn)場(chǎng)壓裂方案的設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

長(zhǎng)寧地區(qū)整體位于四川盆地南緣，地理位置處于長(zhǎng)寧縣南部，筠連縣東北部，西至高縣，東鄰敘永縣。構(gòu)造位置為川東高陡褶皺帶向西南延伸的末端，即川南斷褶帶和婁山斷褶帶交界處，西靠華鎣山南斷褶帶。長(zhǎng)寧構(gòu)造呈現(xiàn)為NW_SE 向的長(zhǎng)軸背斜，南西翼平緩，北東翼陡傾（圖1，圖2）。長(zhǎng)寧地區(qū)歷經(jīng)了加里東、海西、印支、燕山及喜馬拉雅等多期不同方向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加和改造，定型于喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)末期[23]，褶皺、斷裂以及裂縫等構(gòu)造體系復(fù)雜多樣。

圖1 長(zhǎng)寧地區(qū)位置Fig.1 Location of Changning Area

圖2 N211 井五峰組--龍馬溪組綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic histogram of Wufeng–Longmaxi Formation in Well N211

研究區(qū)普遍缺失泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、古近紀(jì)以及新近紀(jì)等地層，自長(zhǎng)寧背斜核部往兩翼依次出露寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系以及白堊系，第四系零星分布。奧陶紀(jì)早期，受都勻構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，揚(yáng)子板塊普遍遭受海侵，研究區(qū)整體處于川中水下隆起、黔中隆起和雪峰隆起三者圍陷而成的深水陸棚的還原環(huán)境[24]，有機(jī)質(zhì)與硅質(zhì)于底部大量富集和連續(xù)分布，形成了面積達(dá)10.7×104km2的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖相帶，其中的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段厚度累計(jì)超過(guò)35 m[25-26]。

2 頁(yè)巖地質(zhì)特征及脆性特征

大量研究結(jié)果表明，巖石的脆性是由脆性礦物、有機(jī)質(zhì)、埋深等因素綜合控制的一種力學(xué)性質(zhì)[27-28]。對(duì)于長(zhǎng)寧地區(qū)而言，一方面，受控于早奧陶世至晚志留世沉積環(huán)境的變遷，龍馬溪組在縱向上呈現(xiàn)明顯的巖性和巖相差異[29]；另一方面，長(zhǎng)寧地區(qū)目前的大部分頁(yè)巖氣井主要位于背斜的南西翼，頁(yè)巖氣產(chǎn)層埋深范圍較大（2 300～3 200 m）[30]。

2.1 巖相類(lèi)型與脆性礦物

在長(zhǎng)寧地區(qū)具備頁(yè)巖氣產(chǎn)能的頁(yè)巖氣井中，開(kāi)發(fā)效益較好的層段普遍為龍一1 亞段。N201 井龍一1 亞段的礦物組分的分析結(jié)果（圖3）顯示，石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦等相對(duì)礦物含量為47.0%～68.7%，平均含量為58.3%；碳酸鹽巖相對(duì)礦物含量為1.1%～24.3%，平均含量為12.0%；黏土礦物相對(duì)礦物含量為10.5%～45.7%，平均含量為29.7%。結(jié)合前人對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖相劃分方案，龍一1 亞段發(fā)育富有機(jī)質(zhì)巖相（有機(jī)碳含量大于2.0%）和貧有機(jī)質(zhì)巖相（有機(jī)碳含量小于2.0%）兩大類(lèi)，具體包括6 種巖相類(lèi)型：富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、貧有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，以及少量的富有機(jī)質(zhì)鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖。

圖3 N201 井龍一1 亞段礦物相對(duì)含量三角圖和主要巖相類(lèi)型[31]Fig.3 Triangle diagram of mineral relative content and main lithofacies types of Long 1 sub section in Well N201

前人研究認(rèn)為，較高的石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等礦物含量通常與較高的彈性、硬度及較低韌性有關(guān)，可促進(jìn)巖石裂縫的分支與交匯，而較高的黏土礦物含量與較高的韌性及延展性有關(guān)，巖石通常呈現(xiàn)塑性屈服，巖石形成的裂縫呈現(xiàn)短小和連接不良特征[32]。研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相中石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦的總含量普遍大于50%，對(duì)應(yīng)層段的巖芯常見(jiàn)層理縫、網(wǎng)狀縫、多角度剪切縫等多種類(lèi)型裂縫（圖4a，圖4b，圖4c，圖4d），而黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖巖相石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦的總含量小于50%，對(duì)應(yīng)層段的巖芯主要發(fā)育層理縫，同時(shí)發(fā)育少量的高角度斜交縫（圖4e，圖4f，圖4g，圖4h）。由此表明，相對(duì)其他巖相而言，硅質(zhì)頁(yè)巖巖相具有較高的脆性。

圖4 不同巖相類(lèi)型裂縫發(fā)育模式及巖樣Fig.4 Fracture development model and core sample of different lithofacies types

2.2 有機(jī)質(zhì)與孔縫結(jié)構(gòu)

有機(jī)地球化學(xué)與顯微鏡等測(cè)試結(jié)果顯示，N201井龍一1 亞段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)組分以腐泥組為主，類(lèi)型以I 型干酪根為主，少量II1型，有機(jī)質(zhì)豐度總體較高，巖芯實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量為1.3%～7.6%，平均3.9%。有機(jī)質(zhì)熱成熟度在3.1%～3.2%，整體處于過(guò)成熟階段，鏡下可觀察到大量有機(jī)質(zhì)成熟過(guò)程中產(chǎn)生的納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)（圖5a，圖5b），同時(shí)亦可見(jiàn)由有機(jī)質(zhì)在生烴和排烴作用過(guò)程形成的異常高壓縫（圖5c）和收縮縫（圖5d）等微米級(jí)裂縫。

圖5 N201 井龍一1 亞段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)生烴與排烴后形成的有關(guān)孔隙與微裂縫Fig.5 Pores and microfractures formed after hydrocarbon generation and expulsion of organic carbon of Long 1 sub section in Well N201

對(duì)不同有機(jī)碳含量頁(yè)巖的相關(guān)彈性參數(shù)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，龍一1 亞段的頁(yè)巖楊氏模量在19.0～43.2 GPa，泊松比在0.16～0.25，結(jié)合對(duì)應(yīng)有機(jī)碳含量分析發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)碳含量的升高，巖石的泊松比下降，楊氏模量上升（圖6）。目前普遍認(rèn)為，具有較高楊氏模量、較低泊松比的頁(yè)巖往往具有較明顯的脆性特征[33]。由此表明，隨著頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量的增加，巖石的脆性有所增強(qiáng)。

圖6 N201 井龍一1 亞段不同有機(jī)碳含量的頁(yè)巖的楊氏模量和泊松比Fig.6 Young′s modulus and Poisson′s ratio of shale with different organic carbon content of Long 1 sub section in Well N201

2.3 埋深與巖石力學(xué)性質(zhì)

川南地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)10 余年的攻關(guān)試驗(yàn)與實(shí)踐，在埋深小于3 500 m 的范圍內(nèi)建成了規(guī)模產(chǎn)能，但資源量?jī)H為1.2×1012m3，而埋深3 500～4 500 m 的深層頁(yè)巖氣資源量卻超過(guò)8.5×1012m3，有利面積超過(guò)17 000 km2[30]。因此，深層頁(yè)巖氣資源潛力大、勘探開(kāi)發(fā)前景廣闊。

然而，深層地層條件更為復(fù)雜，高壓、高溫以及較高的水平差應(yīng)力下，即使具備較高脆性礦物含量的頁(yè)巖，深埋時(shí)也由最初的脆性向延性轉(zhuǎn)變[34]。為進(jìn)一步分析和探究不同埋深條件下頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1 亞段的埋深情況，通過(guò)設(shè)置不同埋深（0～5 000 m）對(duì)應(yīng)的溫度和圍壓條件，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行三軸抗壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將樣品切割并打磨成25 mm×50 mm 的圓柱狀，采用RTR-1000 靜（動(dòng)）態(tài)巖石力學(xué)伺服測(cè)試系統(tǒng)施加載荷，速度為2.0 kN/s。不同埋深條件下頁(yè)巖的彈性模量和泊松比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，可以看出，不同埋深條件下頁(yè)巖的彈性模量為18.954～36.541 GPa，沒(méi)有明顯的變化規(guī)律（圖7a），而泊松比為0.162～0.266，與埋深呈較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.733 24（圖7b），表明在埋深增加過(guò)程中，巖石的橫向應(yīng)變有所增加，意味著巖石發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變程度有所加大，延性增加，也就是說(shuō)頁(yè)巖的脆性發(fā)生了一定程度的下降。

圖7 不同埋深條件下頁(yè)巖的彈性模量和泊松比Fig.7 Young′s modulus and Poisson′s ratio of shale under different burial depth

3 頁(yè)巖脆性與裂縫發(fā)育的關(guān)系

脆性礦物、有機(jī)質(zhì)以及埋深都在不同程度上控制著長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的脆性，同時(shí)也是目前控制頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育和演化過(guò)程中較為重要的地質(zhì)因素[35]。

3.1 不同富有機(jī)質(zhì)巖相頁(yè)巖的剪切破壞機(jī)理

從彈性參數(shù)的角度分析，石英和黃鐵礦具有較高的脆性因子，而方解石和白云石脆性因子次之，干酪根和黏土脆性因子最低（表1）。需要指出的是，表中所列出的是各種礦物在實(shí)驗(yàn)條件下的力學(xué)參數(shù)，由于巖石內(nèi)部實(shí)際成分復(fù)雜多樣，其力學(xué)指標(biāo)會(huì)差異很大。此外，鈣質(zhì)礦物對(duì)脆性的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于部分具備脆性的礦物[36]，因此，對(duì)巖石整體的脆性貢獻(xiàn)度有限。

表1 頁(yè)巖不同組分的彈性參數(shù)與脆性因子Tab.1 Elastic parameters and brittle factors of different shale components

另外，基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量的角度進(jìn)行分析，巖石在受載荷下發(fā)生剪切破壞所體現(xiàn)出來(lái)的脆性其實(shí)質(zhì)代表了自我維持宏觀破壞的能力，巖石的破壞是應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，期間不僅伴隨著裂縫的形成、演化和拓展，還包含著能量的積累、消耗和轉(zhuǎn)化。通過(guò)對(duì)不同巖相的巖芯沿垂直層理方向鉆取一定數(shù)量的樣品，在常溫常壓下施加載荷直至巖樣完全失效，對(duì)不同巖相頁(yè)巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析可知，富有機(jī)質(zhì)鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖其峰值后階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖的有所不同，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）富有機(jī)質(zhì)鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的峰后模量為負(fù)值，意味著巖石在應(yīng)力加載過(guò)程中所積累的能量不足以維持整個(gè)巖石剪切破壞的過(guò)程，需要后期應(yīng)力持續(xù)加載以補(bǔ)充巖體破壞所需要的額外能量，即附加能量（圖8a）；而硅質(zhì)頁(yè)巖的峰后模量為正值，意味著巖石在前期能量的積累不僅足夠維持巖石破壞的整體過(guò)程，后期還伴隨著一些能量釋放（圖8b）。

（2）巖石剪切破壞其內(nèi)在的斷裂機(jī)理主要體現(xiàn)在黏聚力到內(nèi)摩擦力的轉(zhuǎn)變，巖石內(nèi)部剪切過(guò)程中伴隨著礦物晶體的變形和變位，富有機(jī)質(zhì)鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖中碳酸鹽巖礦物受剪切作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)并破碎成較小碎片，此過(guò)程中剪切阻力轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ亮?，由此載荷提供的能量一部分轉(zhuǎn)化為礦物的破碎能，另一部分轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)巖石斷塊之間的位移由碎片組成的剪切帶上的摩擦能（圖8）；而富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)礦物受剪切作用可承受較大的壓力發(fā)生旋轉(zhuǎn)不被壓碎，巖石斷塊之間的位移靠礦物之間的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，期間需要的能量相對(duì)較少（圖8）。

圖8 不同巖相的頁(yè)巖剪切破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線、能量演化過(guò)程和剪切破壞機(jī)理示意圖Fig.8 Stress-strain curves,energy evolution and shear failure mechanism of shale with different lithofacies

3.2 不同有機(jī)碳含量巖石的裂縫發(fā)育特征

為進(jìn)一步揭示有機(jī)質(zhì)以及有關(guān)孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖脆性的影響機(jī)制，筆者通過(guò)對(duì)不同有機(jī)碳含量的硅質(zhì)頁(yè)巖樣品破壞后的裂縫發(fā)育特征進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖破壞后形成的裂縫比較單一，單條裂縫延伸較遠(yuǎn)，與其他裂縫發(fā)生交匯現(xiàn)象并不明顯（圖9a），而富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖破壞后形成的裂縫較為復(fù)雜[37-38]，單條延伸較短便于其他裂縫發(fā)生聯(lián)結(jié)和交匯，整體形成較為密集的縫網(wǎng)系統(tǒng)（圖9b）。

圖9 貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征Fig.9 Fracture development characteristics of organic poor siliceous shale and organic rich siliceous shale

前人的研究表明，隨著有機(jī)碳含量增加，巖石內(nèi)部有機(jī)質(zhì)間距離減小，對(duì)應(yīng)的納米級(jí)--微米級(jí)孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)趨向密集，一定程度可極大降低巖石整體的強(qiáng)度，這是由于微裂隙受應(yīng)變能的轉(zhuǎn)化，于末端出現(xiàn)應(yīng)力集中[39]，一旦孔隙或裂縫的末端應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重疊，則會(huì)出現(xiàn)聯(lián)結(jié)，這些納米級(jí)--微米級(jí)孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)則得到拓展、貫通，形成次一級(jí)微裂縫，這些微裂縫不斷演化，形成更為復(fù)雜的微裂縫系統(tǒng)（圖9b）[40]，當(dāng)后期外部繼續(xù)施加載荷（構(gòu)造應(yīng)力或水力壓裂泵壓）時(shí)，巖石會(huì)沿著內(nèi)部微裂縫發(fā)生進(jìn)一步拓展、貫通，最終造成明顯的破裂。綜合分析表明，有機(jī)碳含量增加，在一定程度上有助于增強(qiáng)頁(yè)巖的脆性，進(jìn)而促進(jìn)巖石裂縫的發(fā)育。

3.3 不同埋深下巖石的破裂模式

深層頁(yè)巖氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)對(duì)現(xiàn)階段的壓裂技術(shù)水平、施工工藝與裝備等都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，由于深層地質(zhì)條件復(fù)雜，深埋巖石壓裂后常常不能獲得復(fù)雜裂縫或者壓后裂縫差異較大，同時(shí)，壓開(kāi)后的裂縫容易迅速閉合，初期產(chǎn)能迅速下降[41]。

頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)很大程度取決于溫度和圍壓，不同埋深具有不同的溫度和圍壓。由此，為明確不同埋深條件下巖石的脆性及巖石對(duì)應(yīng)的破裂模式，本文借鑒Rickman 脆性指數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)不同埋深下巖石的脆性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析不同埋深下巖石破壞后的破裂樣式。結(jié)果顯示，淺層、中淺層的巖石主要沿著縱向發(fā)生破壞，裂縫呈現(xiàn)劈裂式縱向延伸，僅有局部呈現(xiàn)剪切破壞，脆性破壞特征明顯，對(duì)應(yīng)的Rickman 脆性指數(shù)為57.1%～62.0%，平均為60.5%；中深層、深層的巖石主要呈現(xiàn)劈裂型和剪切型混合破壞特征，裂縫主要呈現(xiàn)1～2 條主裂縫和數(shù)條伴生的微裂縫特征，對(duì)應(yīng)的Rickman 脆性指數(shù)為36.8%～52.8%，平均為47.2%；超深層的巖石呈現(xiàn)單一的剪切破壞特征，微裂縫并不發(fā)育，裂縫發(fā)育程度整體較為單一，同時(shí)，橫向應(yīng)變程度較大，對(duì)應(yīng)的Rickman 脆性指數(shù)為44.8%～47.4%，平均為46.1%（圖10）。綜合分析可知，隨著埋深的增加，巖石的脆性下降，破裂模式由劈裂型向剪切型過(guò)渡，破壞程度由復(fù)雜轉(zhuǎn)為單一。

圖10 不同埋深下頁(yè)巖的脆性變化趨勢(shì)與破裂模式Fig.10 Brittleness change trend and fracture mode of shale under different burial depth

3.4 頁(yè)巖脆性與壓裂“甜點(diǎn)”層優(yōu)選的關(guān)系

壓裂“甜點(diǎn)”層的優(yōu)選與有機(jī)質(zhì)、脆性礦物和埋深等地質(zhì)因素具有直接關(guān)系，研究證實(shí)，那些具備經(jīng)濟(jì)高產(chǎn)的頁(yè)巖氣井產(chǎn)層普遍具有有機(jī)質(zhì)豐度高、脆性礦物含量高、埋藏淺等特征，并且脆性程度高，可壓性好，水力壓裂后容易形成復(fù)雜裂縫[9，28]。

N201 井龍一1亞段埋深在2 486.0～2 521.5 m，其中，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段厚度大于30 m，綜合巖石礦物、地球化學(xué)及測(cè)井資料，將龍一1 亞段劃分為4 個(gè)小層（表2），分析可知脆性礦物和有機(jī)碳含量總體由上往下逐漸增加，同時(shí)含氣量在龍一達(dá)到峰值。龍一和龍一楊氏模量最大，而泊松比無(wú)明顯變化，龍一和龍一脆性指數(shù)最高，分別為60.70%和61.31%。另外，據(jù)巖芯裂縫的觀察發(fā)現(xiàn)，龍一天然裂縫整體欠發(fā)育，而龍一和龍一則均有一定厚度的裂縫發(fā)育段。

表2 N201 井龍一1 亞段各小層綜合地質(zhì)特征Tab.2 Comprehensive geological characteristics of each sublayer of Long 1 sub section in Well N201

圖11 N201 井龍馬溪組龍一1 亞段可壓性綜合評(píng)價(jià)圖Fig.11 Comprehensive evaluation of fracturing property of Long 1 sub section in Well N201

4 結(jié)論

（1）長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組龍一1 亞段可分為富有機(jī)質(zhì)和貧有機(jī)質(zhì)巖相，共發(fā)育6 種頁(yè)巖巖相類(lèi)型，其中富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相中石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦含量大于50%，頁(yè)巖具有較高的脆性，易于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在巖石破壞過(guò)程中具有明顯的脆性響應(yīng)和自我維持宏觀破壞的能力。

（2）頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量增加，楊氏模量增加，泊松比下降，頁(yè)巖脆性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)在巖石破壞過(guò)程能夠誘導(dǎo)裂縫的形成。隨著埋深的增加，頁(yè)巖脆性下降，巖石破裂模式由劈裂型向剪切型過(guò)渡，破壞程度由復(fù)雜轉(zhuǎn)為單一。

（3）頁(yè)巖氣井產(chǎn)層脆性指數(shù)高，水力壓裂后易形成復(fù)雜裂縫。N201 井龍一1亞段龍一和龍一小層具有較高的脆性礦物含量和有機(jī)碳含量，其楊氏模量最大，脆性指數(shù)最高，可壓性好，優(yōu)選為該井良好的“甜點(diǎn)”層段。