溫壓耦合作用下四川盆地深層龍馬溪組頁巖孔滲和巖石力學(xué)特征

孫川翔，聶海寬，蘇海琨，杜偉，盧婷，陳亞琳，劉秘，李京昌

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206；2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石油化工集團公司頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 102206；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；5.中國石化江漢油田勘探開發(fā)研究院，武漢 430223）

0 引言

深層頁巖氣（埋深大于3 500 m）是中國頁巖氣增儲上產(chǎn)最為現(xiàn)實的接替領(lǐng)域[1-2]。早在2011年，中國石油與殼牌合作在四川盆地南部（簡稱川南）低陡構(gòu)造帶瀘州區(qū)塊實施的Y101井（垂深3 577 m）獲測試產(chǎn)氣量為43×104m3/d，代表3 500 m以深頁巖氣勘探取得突破。此后，中國石油和中國石化在瀘州、渝西、丁山、永川和威榮等地區(qū)均獲得深層頁巖氣工業(yè)氣流，并在威榮、永川和瀘州等地提交了深層頁巖氣探明儲量[3]。在深層頁巖氣地質(zhì)評價[4-5]、儲集層改造[6]及產(chǎn)能預(yù)測[7]等方面也取得重要進展。

受深部高溫高壓條件的影響，深層頁巖與中淺層頁巖特征必然存在差異。目前對于深層頁巖的研究多沿用中淺層頁巖的常規(guī)測試方法，不能很好地揭示二者的差異性，這一問題突出表現(xiàn)在儲集層孔隙度、滲透率及巖石力學(xué)性質(zhì)等方面。對于深層頁巖孔滲特征，前人多采用常規(guī)地面靜態(tài)測試和常溫覆壓實驗開展研究。常規(guī)地面靜態(tài)測試方法結(jié)果表明，隨著埋深的增加，在層系超壓保孔作用下，深層頁巖孔滲與中淺層具有可比性[8]；常溫覆壓實驗表明，圍壓升至50 MPa時，頁巖孔隙度和滲透率有明顯降低，不同巖相的巖石物性變化存在差異[9]。在深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)方面，前人對比分析圍壓單因素變化時頁巖巖石力學(xué)參數(shù)的變化，提出高圍壓降低頁巖脆性[10-11]，基于彈性模量和泊松比評價深部巖石脆性的方法不再適用[12-13]。而高溫對深層頁巖巖石力學(xué)特征影響研究較少且觀點并不統(tǒng)一，部分學(xué)者認(rèn)為頁巖含有豐富的有機質(zhì)和高黏土礦物含量，高溫下微觀結(jié)構(gòu)易發(fā)生變化，導(dǎo)致頁巖塑性和變形能力增強[14]；也有學(xué)者提出高溫引起的熱膨脹效應(yīng)有利于微裂縫的開啟和巖石脆性的增加[15]。這些研究對認(rèn)識深層頁巖孔滲特征和巖石力學(xué)溫壓效應(yīng)起到了積極作用。然而，深層頁巖同時受到深部高溫高壓耦合作用的共同控制，目前對深層高溫高壓條件下孔滲、巖石力學(xué)性質(zhì)及其相互約束機制的認(rèn)識不足，制約了對深層頁巖儲集層改造和儲量、產(chǎn)量的合理評價。

為了探討高溫高壓條件下頁巖孔滲、巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)及相互約束機制，選取四川南部威榮和永川地區(qū)志留系龍馬溪組深層頁巖巖心，開展不同溫壓梯度的孔滲實驗和三軸壓縮巖石力學(xué)-聲波一體化實驗，實驗溫度為60～120 ℃，壓力為10～70 MPa。基于實驗數(shù)據(jù)分析溫壓耦合控制下深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)特征變化及原因，討論二者相互約束機制及不同地區(qū)的特征差異，以期為深層頁巖儲集層評價和“甜點”優(yōu)選、氣藏動態(tài)分析和儲集層改造工程的工藝優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

威榮氣田和永川頁巖氣區(qū)志留系龍馬溪組底部頁巖埋藏深度均超過3 500 m。威榮氣田位于威遠構(gòu)造東南翼與自流井水下高地之間，永川頁巖氣區(qū)整體處于華鎣山構(gòu)造帶上。研究區(qū)龍馬溪組頁巖沉積于奧陶紀(jì)冰期后，整體處于四川盆地中部（簡稱川中）古隆起南部的深水陸棚環(huán)境（見圖 1）。威榮氣田深層頁巖埋深為3 550～3 880 m，壓力系數(shù)為1.79～1.95，由于鄰近川中古隆起物源區(qū)，優(yōu)質(zhì)頁巖碳酸鹽礦物含量較高，巖性以含灰硅質(zhì)頁巖為主，碳酸鹽礦物紋層發(fā)育，儲集層非均質(zhì)性較強；永川地區(qū)深層頁巖埋深為 3 700～4 200 m，壓力系數(shù)為1.7～2.1，相比威榮氣田，距離川中古隆起較遠，優(yōu)質(zhì)頁巖層段以硅質(zhì)頁巖為主，均質(zhì)性較強。

圖1 研究區(qū)志留系龍馬溪組底部頁巖沉積相及研究區(qū)位置圖

2 樣品和實驗

2.1 高溫高壓孔滲實驗

2.1.1 樣品信息

實驗樣品來自四川盆地威榮氣田 A1井龍馬溪組含灰硅質(zhì)頁巖和永川地區(qū)B1井龍馬溪組硅質(zhì)頁巖，通過巖心切割機制成10塊標(biāo)準(zhǔn)柱樣（見表1）。

表1 頁巖孔滲測試樣品基本參數(shù)

2.1.2 實驗設(shè)備、實驗?zāi)康暮头桨?/p>

實驗采用西南石油大學(xué)脈沖衰減法實驗裝置開展測試，裝置主體由上下游瓶、三軸巖心夾持器，圍壓泵和壓力傳感器構(gòu)成，測試執(zhí)行GB/T 34533-2017標(biāo)準(zhǔn)。

實驗?zāi)康氖悄M不同埋藏深度（1 500～4 500 m）的地層溫度和壓力條件下深層頁巖孔滲特征的差異變化。威榮地區(qū)龍馬溪組底部地溫梯度2.8～3.0 ℃/100 m，實測地層溫度為125～134 ℃；壓力梯度1.9～2.1 MPa/100 m，實測地層壓力為 68.69～77.48 MPa。永川地區(qū)龍馬溪組目的層地溫梯度2.70 ℃/100 m，地層溫度為134 ℃；壓力梯度1.8～1.9 MPa/100 m，地層壓力70 MPa。據(jù)此，實驗設(shè)計了 7 組溫壓條件：（10 MPa，60 ℃）、（20 MPa，70 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（40 MPa，90 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（60 MPa，110 ℃）、（70 MPa，120 ℃），分別對應(yīng)埋深約為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 m。其中溫度根據(jù)埋深和地溫梯度計算，地溫梯度取2.8～3.0 ℃/100 m；壓力按照地層壓力計算公式乘壓力系數(shù)得出，考慮到地層深埋-抬升階段壓力系數(shù)的動態(tài)變化，取值范圍為 1.0～1.7（由淺至深壓力系數(shù)增加），如埋深3 500 m時，計算所得的地層溫度為 98 ℃，取地層壓力系數(shù)為 1.5時，地層壓力為50.4 MPa。采用氦氣法和脈沖滲透率法分別測定孔隙度和滲透率（均為頁巖的順層滲透率）。實驗開始前檢查巖心柱樣，將無破損柱樣放入三軸應(yīng)力巖心夾持器中，加三向圍壓、溫度至設(shè)定值，記錄實驗過程中測得的相關(guān)參數(shù)，然后重復(fù)上述步驟，按照實驗設(shè)計溫度壓力完成溫壓條件升高和溫壓條件降低的循環(huán)測試，計算得出巖心孔隙度和滲透率。

2.2 高溫高壓巖石力學(xué)實驗

2.2.1 樣品信息

兩組樣品分別來自威榮頁巖氣田A1井、A2井龍馬溪組含灰硅質(zhì)頁巖和永川地區(qū)B2井龍馬溪組硅質(zhì)頁巖，通過巖心制備得到尺寸25 mm×50 mm的柱樣10塊，切割方向均為平行于層理面方向（見表2）。

表2 巖石力學(xué)測試樣品基本參數(shù)

2.2.2 實驗設(shè)備、實驗?zāi)康暮头桨?/p>

實驗在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的XTR01-01伺服控制巖石力學(xué)試驗機上完成，主體由軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)、聲波一體化監(jiān)測裝置構(gòu)成，能夠模擬地層高溫高壓條件下巖石單軸、三軸加卸載等實驗，測試執(zhí)行GB/T50266-2013標(biāo)準(zhǔn)。

實驗?zāi)康氖欠治龈邷馗邏簩ι顚禹搸r巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，為此設(shè)計了4組溫壓條件，分別為（10 MPa，60 ℃）、（30 MPa，80 ℃）、（50 MPa，100 ℃）、（70 MPa，120 ℃），開展高溫高壓三軸壓縮巖石力學(xué)實驗，獲取頁巖樣品在不同溫壓下發(fā)生脆性破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征參數(shù)，并動態(tài)監(jiān)測每個樣品的縱波波速。實驗開始前，聲波設(shè)置激發(fā)波形為正弦波，激發(fā)頻率為300 kHz。聲波信號的激發(fā)周期為 40 s，每個周期里激發(fā)一個縱波信號，時間間隔為 1 s。設(shè)置聲波信號放大倍數(shù)為40 dB，縱波噪音門檻值為60 dB，采樣率均為1 MSPS。為了獲得更詳細(xì)的聲波信號，實驗過程中采用較低的加載速率，其值為0.06 mm/min。首先啟動聲波信號激發(fā)系統(tǒng)，然后啟動聲波采集系統(tǒng)和實驗加載系統(tǒng)，將樣品的測試溫度從室溫（25 ℃）升高到設(shè)定溫度值，記錄聲波信號；隨后圍壓從0 MPa加載至設(shè)定圍壓值，記錄聲波信號；最后進行壓縮實驗，實驗過程中以軸向壓力20 MPa為一個間隔，記錄聲波信號，直至實驗結(jié)束。捕捉實驗過程中頁巖樣品從常溫到高溫、從壓實到破壞的動態(tài)變化。一體化測試后，利用CT成像技術(shù)刻畫不同樣品破壞后的裂縫三維形態(tài)特征，并計算裂縫體積占比。

3 實驗結(jié)果

3.1 高溫高壓孔滲實驗結(jié)果

溫壓加載過程中，兩口井頁巖巖心孔隙度和滲透率整體呈現(xiàn)先陡后緩的非線性降低。溫壓條件從10 MPa、60 ℃變化到30 MPa、80 ℃，深層頁巖孔隙度和滲透率變化最為敏感，降低幅度超過總降幅的三分之二。繼續(xù)增加溫度和壓力，孔隙度和滲透率進一步降低，但幅度有限（見表3、表4）。隨著溫度和壓力的恢復(fù)，孔隙度和滲透率出現(xiàn)回升但低于增加溫壓過程所測得的孔滲值。

表3 A1井高溫高壓孔滲實驗結(jié)果

表4 B1井高溫高壓孔滲實驗結(jié)果

隨著溫壓增加，威榮A1井深層頁巖孔隙度和滲透率非線性減小，當(dāng)增大到最高溫壓條件 120 ℃、70 MPa，頁巖孔隙度、滲透率達到最小值（見圖2）。不同賦存深度頁巖樣品孔隙度降低 34%～47%，平均41%。滲透率降低87%～95%，平均92%。隨著溫度壓力恢復(fù)至60 ℃、10 MPa，孔滲恢復(fù)曲線出現(xiàn)明顯“滯后現(xiàn)象”，即孔隙度和滲透率不及初始值，孔隙度恢復(fù)率為69%～78%，滲透率恢復(fù)率為16%～40%。永川B1井深層頁巖在溫壓加載過程中（見圖3），不同深度頁巖孔隙度降低54%～71%，平均59%；滲透率降低85%～97%，平均值為91%。溫壓條件降低至10 MPa、60 ℃時，孔隙度恢復(fù)率48%～74%、滲透率恢復(fù)率為17%～36%。

圖2 A1井深層頁巖高溫高壓孔滲變化圖（虛線表示溫壓降低時的孔滲恢復(fù)曲線）

圖3 B1井深層頁巖高溫高壓孔滲變化圖（虛線表示溫壓降低時的孔滲恢復(fù)曲線）

3.2 高溫高壓巖石力學(xué)實驗結(jié)果

高溫高壓三軸壓縮與聲波一體化測試結(jié)果顯示，隨著溫壓條件的升高，深層頁巖的抗壓強度、應(yīng)變量、峰前平均縱波波速呈現(xiàn)先陡后緩的非線性增加，彈性模量和泊松比小幅波動、變化特征不明顯（見表 5），壓后CT掃描實驗揭示，裂縫復(fù)雜度和裂縫體積占比降低。

表5 高溫高壓三軸壓縮與聲波一體化測試結(jié)果

永川地區(qū) B2井頁巖應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示：①溫度60 ℃、圍壓10 MPa升至溫度80 ℃、圍壓30 MPa，抗壓強度、峰值應(yīng)變量變化最大，分別從 165.3 MPa、1.27%變?yōu)?26.4 MPa、1.89%，抗壓強度增加一倍，應(yīng)變量增加0.6%；②溫壓條件超過80 ℃、30 MPa后，增幅明顯降低；③溫壓條件達到100 ℃、50 MPa時，峰前應(yīng)變量開始超過2%，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后坡降陡度明顯變緩（見圖4a）；④溫壓條件達到120 ℃、70 MPa時，抗壓強度達到最大值435.1 MPa，峰后巖石強度持續(xù)保持在400 MPa以上。威榮A2井頁巖抗壓強度為215.2～266.5 MPa（見圖4b），最大峰值應(yīng)變?yōu)?.83%，隨著溫壓上升，峰后坡降陡度明顯變緩。

圖4 高溫高壓三軸壓縮試驗深層頁巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化

縱波波速動態(tài)監(jiān)測顯示，B2井峰前平均縱波波速為3 310～3 941 m/s（見圖5）。隨著軸向壓力增加，溫壓較低時，波速先短暫增加后逐漸降低（見圖 5a、圖5b），溫壓條件較高時，波速趨向于保持高值后發(fā)生陡降（見圖5c）。壓后裂縫CT掃描圖像對比可見：①溫度和圍壓較低時，以縱向劈裂式拉張縫破壞為主，裂縫數(shù)量多，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)且縫面較粗糙（見圖6a—6c）。溫度 80 ℃、圍壓 30 MPa時，壓后裂縫體積占比為2.21%。②隨著溫度和圍壓增加，受力后以雙剪裂縫為主（見圖6d—6i），但裂縫數(shù)量明顯減少且剪切面較為平滑。③當(dāng)溫度120 ℃、圍壓70 MPa時，壓后裂縫體積占比僅為1.97%，減少11%。B1井頁巖樣品巖石力學(xué)性質(zhì)變化特征與B2井整體相似，相同溫壓條件下，B1井硅質(zhì)頁巖樣品的抗壓強度277.3～300.9 MPa、峰值應(yīng)變量1.65%～1.99%、峰前平均縱波波速3 356～3 764 m/s，均低于B2井。

圖5 B2井硅質(zhì)頁巖高溫高壓三軸巖石力學(xué)實驗縱波波速動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

圖6 B2井硅質(zhì)頁巖壓后CT掃描3D視圖

A2井平均波速介于3 281.08～3 654.91 m/s。從壓后CT掃描結(jié)果可見，溫壓較低時，以劈裂式破壞為主（見圖7a—7c）；溫壓較高時，主破裂縫傾斜角較大，以單剪裂縫為主（見圖7d—7i），壓后裂縫數(shù)量少且復(fù)雜程度低，可見支縫尖滅于鈣質(zhì)紋層，破裂面平整光滑，裂縫體積占比為1.46%～1.78%。

圖7 A2井含灰硅質(zhì)頁巖壓后CT掃描3D視圖

4 討論

4.1 深層頁巖儲集層孔滲的影響因素

4.1.1 測試方法對深層頁巖儲集層孔滲的影響

與常溫常壓、常溫覆壓實驗相比，高溫高壓孔滲實驗?zāi)M了深層頁巖的實際地質(zhì)環(huán)境，采用的溫壓條件先升后降的循環(huán)測試方法，能夠更加準(zhǔn)確地反映深層頁巖孔滲特征。以A1-5樣品為例，在初始實驗條件為 60 ℃、10 MPa時，孔隙度為 4.87%、滲透率為3.69×10-6μm2；溫壓升至 100 ℃、50 MPa 時（埋深約3 500 m），孔隙度為3.09%，比初始實驗條件降低37%，滲透率為0.58×10-6μm2，比初始實驗條件降低84%；溫壓條件進一步升高至120 ℃、70 MPa（埋深4 000～4 500 m），孔隙度為2.76%，比初始實驗條件降低43%，滲透率為0.27×10-6μm2、比初始實驗條件降低92%。在溫度和壓力降低至100 ℃、50 MPa（模擬地層逐漸抬升至當(dāng)前埋深），孔隙度為 2.89%、滲透率為 0.30×10-6μm2，小于實驗首次在該溫壓條件下的 3.09%和0.58×10-6μm2，分別降低了6%和48%。由于是達到更大的溫壓條件后降低溫壓模擬地層抬升過程測得的數(shù)據(jù)，溫壓恢復(fù)過程對應(yīng)的孔隙度和滲透率更能反映深層頁巖實際孔滲大小。

已有測試研究主要是根據(jù)樣品深度直接加溫壓至某一溫度或壓力條件[16-17]，測得的孔隙度和滲透率結(jié)果相比實際值偏大，不能準(zhǔn)確反映實際高溫高壓地質(zhì)環(huán)境。建議考慮沉積構(gòu)造演化全過程，先加溫壓到最大埋深對應(yīng)條件后，采用降壓至某一溫壓（深度）時的孔滲數(shù)據(jù)。

4.1.2 巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)對深層頁巖孔滲的約束

高溫和高圍壓通過改變深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)對孔滲產(chǎn)生重要控制作用。對比溫壓升高和降低兩個過程，發(fā)現(xiàn)孔隙度和滲透率的恢復(fù)均存在明顯“滯后現(xiàn)象”（見圖2、圖3），孔隙度恢復(fù)率48%～78%，滲透率恢復(fù)率 16%～40%，反映溫壓加載過程中巖石內(nèi)部既有塑性變形也有彈性變形[17]。從孔滲變化軌跡來看，明顯分為兩個階段，即從60 ℃、10 MPa變化到80 ℃、30 MPa的快速降低階段和溫壓進一步升高后的緩慢降低階段。高溫壓縮中深層頁巖孔滲變化的兩個階段實際反映了巖石內(nèi)部不同的形變階段?？诐B快速降低階段代表巖石內(nèi)部發(fā)生以有機質(zhì)孔、黏土礦物孔和微裂縫（構(gòu)造微縫和少量成巖收縮縫）受壓閉合的塑性變形為主。降幅變緩階段則代表進入到以脆性礦物孔（粒間孔、粒內(nèi)溶孔、黃鐵礦晶間孔）和巖石骨架顆粒本體被壓縮為主的彈性變形階段。在頁巖中，有機質(zhì)孔和黏土礦物孔在總孔隙度中的占比較大，這兩類孔隙和微裂縫的連通性好，是頁巖內(nèi)部的主要滲流通道，孔隙度和滲透率在塑性變形階段有大幅下降，且溫壓升高后較難恢復(fù)，造成孔滲恢復(fù)階段的“滯后現(xiàn)象”。脆性礦物孔在脆性礦物顆粒保護下，受壓實作用影響較小，在高溫高壓條件下，深層頁巖孔隙度降幅較滲透率小、恢復(fù)率較高，此類孔隙連通性差，對滲透率貢獻小，因此滲透率降幅明顯，且恢復(fù)率低。

常溫覆壓孔滲實驗表明，圍壓增至50 MPa時，龍馬溪組頁巖孔隙度降低15%～20%，滲透率降低90%～95%[9]。高溫高壓孔滲實驗中，當(dāng)溫壓條件升高至100 ℃、50 MPa時，頁巖孔隙度平均降低40%，滲透率平均降低 85%。對比來看，高溫高壓條件下“先快降后平緩”的變化與前人研究常溫覆壓下的孔滲變化規(guī)律總體一致，說明在高溫高壓耦合變化過程中，圍壓起主導(dǎo)作用，但附加高溫條件后，頁巖孔隙度降幅增加20%～25%，滲透率降幅減小10%～15%，說明了溫度對頁巖孔隙度和滲透率的應(yīng)力敏感性有重要影響且影響不同，具體表現(xiàn)為高溫能加劇孔隙度的降低，而抑制滲透率的降低。主要原因在于頁巖中有機質(zhì)和黏土礦物含量高，隨著溫度的增加巖石塑性增強[18-19]，孔隙更易發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致孔隙度降低幅度增加。當(dāng)溫度進一步升高，巖石骨架顆粒熱膨脹增強，在高圍壓側(cè)限作用下，巖石不能自由膨脹進而產(chǎn)生熱應(yīng)力，此時由于巖石總體積變化不大，不會造成總孔隙空間有顯著改變，但向外的熱應(yīng)力使得頁巖中的層理面重新開啟或沿層理等軟弱面產(chǎn)生新縫。總之，高溫導(dǎo)致壓實作用增強，對孔隙度影響較大，卻抑制了對沿層理面滲透率的降低，使得頁巖滲透率隨溫度和圍壓升高而降低的程度減弱。

可見，在實際地質(zhì)條件下，深層頁巖儲集空間相比已有認(rèn)識要小。由于孔隙度與頁巖中游離氣含量呈正相關(guān)，而高溫加劇深層頁巖孔隙度的降低必然會導(dǎo)致總含氣量和氣體賦存特征的變化，因此基于高溫高壓下頁巖孔隙體積的大小和變化，對頁巖含氣量理論值及其吸游比有待進一步研究[20]。在高溫作用下，深層頁巖仍保持了一定的滲流能力。采用常規(guī)的定孔隙壓縮系數(shù)不能客觀預(yù)測深部儲集層滲透率[21]，需要考慮溫壓耦合影響下巖石形變效應(yīng)引起的孔隙體積和滲透率變化，進一步優(yōu)化深層頁巖儲集層物性特征的預(yù)測方法和模型。

4.1.3 巖相和礦物組分差異對深層頁巖孔滲的控制

巖相和礦物組分差異對孔滲大小絕對值和隨溫壓升降孔滲變化量具有一定控制作用。與永川地區(qū)相比，威榮區(qū)塊深度較淺，整體上孔隙度較大但滲透率相對較?。ㄒ妶D 8），原因在于：①灰質(zhì)頁巖中白云石、方解石含量高，礦物顆粒內(nèi)部溶蝕孔隙更加發(fā)育，有助于孔隙度的增加；②溶蝕孔呈星散狀分布，與其他孔縫的連通性差，對滲透率貢獻有限；③白云石和方解石顆粒數(shù)量多，與微晶石英顆粒半徑相差大，粒徑差異大的不同礦物顆粒堆積在一定程度上增加了粒間孔隙度，但連通性不及粒徑均一時，滲透率相對較低。不同巖相和礦物組分的頁巖，受溫壓變化的孔滲敏感性也不同。前人研究表明，四川盆地龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖中硅質(zhì)以生物成因為主，有利于剛性支撐格架的形成[22]。龍馬溪組A1-5樣品（深度3 848.2 m）硅質(zhì)頁巖處，孔隙度、滲透率達到該組樣品最大值，且在溫壓條件變化時孔隙度、滲透率變化率小，說明石英含量大于 50%的硅質(zhì)頁巖相比灰質(zhì)頁巖既有良好的原始物性參數(shù)，又表現(xiàn)出硅質(zhì)格架抗壓實能力強的特點。對于樣品B1-1（深度3 857.33 m）處的黏土質(zhì)頁巖和樣品B1-5（深度3 865.64 m）的含灰硅質(zhì)頁巖，由于塑性較硅質(zhì)頁巖增強，孔隙度、滲透率受溫壓影響變化最大，70 MPa、120 ℃時，孔隙度降低61%～71%，滲透率降低95%～97%，溫壓條件恢復(fù)初始值，孔隙度、滲透率恢復(fù)程度也最差。可見，硅質(zhì)頁巖的儲集能力最強，隨著頁巖礦物組分中鈣質(zhì)和黏土質(zhì)礦物增加，頁巖抗壓實能力下降，在深層高溫高壓條件下孔隙度和滲透率保持能力減弱，儲集性能不及硅質(zhì)頁巖[23]。

圖8 研究區(qū)A1、B1井頁巖樣品在高溫高壓條件下孔隙度和滲透率變化特征

受高溫高壓條件影響，深層頁巖優(yōu)質(zhì)層段需要具備更高的抗壓實能力，現(xiàn)有工程工藝條件下，硅質(zhì)頁巖具有較好的勘探開發(fā)潛力。而塑性較強、抗壓實能力弱的黏土質(zhì)頁巖，由于高溫下較高的應(yīng)力敏感性導(dǎo)致儲集性能變差。在中淺層溫壓條件較低時，黏土質(zhì)頁巖仍可以保持良好的孔滲性，與儲集性能最優(yōu)的硅質(zhì)頁巖均可作為有利開發(fā)層段，已被焦石壩背斜上部氣層的開發(fā)所證實。

4.2 深層頁巖巖石力學(xué)特征的影響因素

4.2.1 微觀孔滲溫壓效應(yīng)對深層頁巖巖石力學(xué)特征的約束

巖石變形破裂的本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，高溫高壓引起頁巖微觀孔滲變化對巖石形變具有約束作用，主要體現(xiàn)在以下 3個方面：①對主破裂縫形成的約束作用。由于波速對巖石內(nèi)部微裂縫和孔隙變化更敏感，本次研究首次開展了高溫高壓三軸壓縮實驗與縱波波速一體化監(jiān)測，能夠動態(tài)反映巖石微觀結(jié)構(gòu)對巖石變形破裂的控制。以B2的3個樣品為例，當(dāng)溫度從室溫25 ℃逐漸升至設(shè)定溫度，在無圍壓的側(cè)限作用下，孔隙度和滲透率增大，頁巖發(fā)生自由膨脹，縱波波速降低；調(diào)整圍壓至設(shè)定值，由于樣品切割方向平行于層理，微裂縫在圍壓作用下表現(xiàn)明顯閉合趨勢，波速回升；加載軸向壓力，溫壓條件較低的頁巖中，巖石內(nèi)部微裂縫開啟并加速生長，縱波波速在軸壓略大于圍壓時開始下降（見圖 5a、圖 5b），溫壓條件較高的頁巖樣品中，微裂縫開啟和擴展受到抑制，縱波波速趨向于維持高值（見圖5c）；繼續(xù)增加軸壓至某一臨界值，微裂隙數(shù)量急劇增加，體積膨脹，形成貫穿巖體的主破裂[24]，縱波波速快速下降。②對巖石宏觀破裂類型的約束作用。從壓后CT掃描圖像來看，巖石在較低和較高溫壓條件下分別發(fā)生拉張破裂（見圖 6a—6c、圖 7a—7c）和剪切破裂（見圖 6d—6i、圖 7d—7i）。巖石的最終宏觀破裂由其內(nèi)部的微裂縫和孔隙擴展演化形成，即微裂隙的拉張型破裂引起宏觀拉張破裂，而微裂隙的剪切破裂決定了宏觀剪切破裂[24]。③對裂縫擴展形態(tài)的約束作用。隨著溫壓條件升高，總體上裂縫面角度和層理面夾角呈現(xiàn)出變大的趨勢，裂縫發(fā)育逐漸變差、復(fù)雜度降低。當(dāng)圍壓較低時，軸向應(yīng)力作用下的巖石內(nèi)部裂紋發(fā)生拉張性破裂，由于頁巖中的裂紋主要發(fā)育在泥質(zhì)含量較高的力學(xué)軟弱面（層理面）中，因此裂縫面與層理面夾角較小，此種情況下微裂隙表面摩擦力小，容易發(fā)生擴展，形成裂紋最多（見圖6a—6c、圖7a—7c）。當(dāng)圍壓較高時，圍壓和軸向應(yīng)力的合力方向與層理面形成一定夾角，此時與層理面具有一定夾角的微裂隙會發(fā)生剪切擴展，導(dǎo)致裂縫面與層理面夾角增大，而與層理面平行或角度較小的微裂隙多數(shù)會發(fā)生閉合或擴展困難，裂紋發(fā)育較差，宏觀上裂縫復(fù)雜度降低（見圖6d—6i、圖7d—7i）。

對比常溫高壓三軸力學(xué)實驗測試結(jié)果，高溫高壓下的深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出顯著差異?？紤]到頁巖儲集層在平行層理與垂向上的非均質(zhì)性對巖石力學(xué)性質(zhì)的控制，選擇同樣為平行層理方向的深層頁巖巖心樣品開展的常溫三軸力學(xué)實驗對比。①從全應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況來看，常溫高圍壓三軸力學(xué)實驗在圍壓從0 MPa變?yōu)?5 MPa時的抗壓強度近似線性增大，75 MPa對應(yīng)的抗壓強度為 250 MPa、峰值應(yīng)變1.25%，隨著圍壓的升高，彈性模量顯著升高，而泊松比隨之降低[25]。然而，在高溫高壓三軸力學(xué)實驗中，溫壓超過80 ℃、30 MPa后，抗壓強度隨溫壓條件的增幅明顯減小，在圍壓70 MPa時，受高溫影響抗壓強度最高達 435 MPa，對應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?2.18%（見圖4a），增加近 1%。②形變參數(shù)上，隨著溫度壓力的增加，彈性模量和泊松比變化小且特征不明顯。這種差異的主要原因在于高溫能夠顯著增加巖石塑性[18-19]，高圍壓下樣品中沿層理方向的微裂隙快速閉合達到極限，導(dǎo)致抗壓強度的增幅明顯降低，同時高抗壓強度、高峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比僅在小范圍內(nèi)波動都是高溫降低巖石脆性的反映。以上對比可見，在接近深層頁巖儲集層溫壓的實驗條件下，深層頁巖抗壓強度增大一倍，說明相比以往認(rèn)識，要成功實現(xiàn)深層頁巖的儲集層改造，需要更高的施工泵壓；應(yīng)變量增加1%代表在壓裂過程中，巖石產(chǎn)生新縫前需發(fā)生大幅變形，顯著增加了壓裂形成新縫尤其是穿層縫的難度，而頁巖中天然裂縫的開啟和延伸將成為油氣的主要滲流通道，說明對于埋深大、塑性強、應(yīng)變量絕對值大的深層頁巖來說，天然裂縫是否發(fā)育很大程度上決定了儲集層改造效果。

4.2.2 巖相和礦物組分對深層頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)的控制

不同巖性頁巖由于礦物組分不同導(dǎo)致巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)和脆延轉(zhuǎn)化有明顯差異[10]。與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖表現(xiàn)出峰前應(yīng)變量小、抗壓強度低、平均縱波波速低等特征（見圖 4、表 5），原因在于隨著碳酸鹽礦物組分的增加，巖石硬度變低、抗壓實能力變差，使得含灰硅質(zhì)頁巖發(fā)生脆性破壞難度低于硅質(zhì)頁巖。

壓后CT掃描結(jié)果顯示溫壓較低時，不同巖性樣品均形成縱向延伸的拉張型裂縫，表現(xiàn)出較好的脆性特征（見圖6a—6c、圖7a—7c）。當(dāng)溫壓條件超過80 ℃、30 MPa，不同巖性的深層頁巖均顯示由彈—脆性向塑—延性力學(xué)狀態(tài)過渡。含灰硅質(zhì)頁巖在高溫壓條件下表現(xiàn)為以傾斜角度更大的單剪裂縫為主、縫面平直、分支縫細(xì)小（見圖7d—7i）。硅質(zhì)頁巖則以傾斜角度較小的雙剪裂縫為主，剪切裂縫縱向貫通截面、縫面粗糙、裂縫整體復(fù)雜度高（見圖6d—6i）。從裂縫體積占比來看，含灰硅質(zhì)頁巖顯著低于硅質(zhì)頁巖（見表 5）。其原因在于：①壓縮荷載條件下，頁巖中顆粒的存在對裂紋的擴展、集結(jié)會起到誘導(dǎo)、限制作用[26]。含灰硅質(zhì)頁巖中存在搬運而來的方解石和白云石，這些顆粒的嵌入使得微晶石英網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)，導(dǎo)致含灰硅質(zhì)頁巖脆性破壞程度低。②通過威榮和永川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC值大于4%）礦物組分的對比可知，威榮碳酸鹽礦物的增加擠占和抑制了石英礦物發(fā)育的空間，造成礦物組分中可壓裂性較好的硅質(zhì)成分偏低。已有研究提出，灰質(zhì)含量較高的泥頁巖具有較高的斷裂韌性和抗拉強度，雖然脆性指數(shù)較高、易破碎，但可壓裂性較硅質(zhì)低，巖石破裂后難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)[27]。

4.2.3 高溫高壓對深層頁巖可壓裂性的控制

深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)性質(zhì)在溫壓80 ℃、30 MPa下均開始出現(xiàn)由陡變緩的變化特征，巖石破裂變形表現(xiàn)出明顯的脆性向脆延性轉(zhuǎn)變的特征，該溫壓對應(yīng)的儲集層深度2 000～2 500 m為龍馬溪組頁巖脆性向脆延性過渡的臨界深度，相比He等[28]基于常溫高圍壓三軸力學(xué)實驗得出的2 000～2 700 m的脆性底界深度更淺，表明附加高溫條件后，由于巖石塑性增加，加快了深部頁巖的脆延性轉(zhuǎn)變。頁巖儲集層的脆延性能夠直接影響水力壓裂改造效果，延性增強降低了深層頁巖可壓裂性，增加了儲集層改造難度[29]。裂縫起裂前，巖石需發(fā)生大幅形變，起裂壓力升高；裂縫起裂后，擴展、轉(zhuǎn)向難度增加，人工裂縫對天然裂縫的激活效應(yīng)降低，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大；巖石塑性增強，裂縫開度越小，支撐劑進入人工縫網(wǎng)難度增大，且在高閉合壓力條件下，易發(fā)生支撐劑嵌入；縫網(wǎng)復(fù)雜度降低和裂縫形式由張性縫變?yōu)榧羟锌p為主。本研究基于對地層實際溫壓條件模擬，揭示隨深度增加頁巖巖石力學(xué)參數(shù)和破裂特征的變化規(guī)律，對深層頁巖儲集層壓裂改造工藝、支撐劑材料和壓裂液配方、用量等的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖具有發(fā)生脆性破壞的難度和脆性破壞的充分程度“雙低”的特征，即高溫高壓條件下含灰硅質(zhì)頁巖中裂縫更易起裂，但受高灰質(zhì)含量影響，裂縫延伸復(fù)雜度低，破裂面平滑后期易發(fā)生閉合。若考慮頁巖儲集層壓裂，將頁巖儲集層脆性定義為頁巖在一定應(yīng)力作用下破壞產(chǎn)生復(fù)雜破裂面的能力，則威榮地區(qū)頁巖脆性和可壓裂性顯然比永川地區(qū)差。在實際的儲集層壓裂中，含灰硅質(zhì)頁巖所需的施工泵壓相對較低。如何促進裂縫延伸、提高并維持縫網(wǎng)復(fù)雜度，有效增加儲集層滲流通道是優(yōu)化儲集層壓裂改造的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

高溫高壓孔滲實驗中，高溫能夠通過增加巖石塑性、引發(fā)巖石骨架顆粒間產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，加劇孔隙度的降低，而抑制滲透率的降低。相比常溫覆壓實驗，孔隙度降低20%～25%，滲透率增大10%～15%。高溫高壓巖石力學(xué)實驗中，高溫能夠加劇高圍壓對巖石內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生和擴展的抑制，相比常溫三軸應(yīng)力試驗，深層頁巖抗壓強度增加一倍、峰值應(yīng)變量增加近1%，有效改造深層頁巖需要更高的施工泵壓。

深層頁巖孔滲及巖石力學(xué)的溫壓效應(yīng)之間相互聯(lián)系、相互約束。高溫高壓條件下，深層頁巖孔滲和巖石力學(xué)性質(zhì)變化均表現(xiàn)出先快后緩的特征，快速變化代表巖石內(nèi)部發(fā)生有機質(zhì)孔、黏土礦物孔被壓縮和微裂縫受壓閉合的塑性變形，之后的緩慢變化代表進入到以脆性礦物孔和巖石骨架顆粒本體被壓縮為主的彈性變形。巖石發(fā)生變形的不同階段及其特征約束著內(nèi)部孔滲特征的變化，微觀孔滲也對深層頁巖巖石變形、破裂和壓后裂縫擴展具有約束作用。

深層頁巖的巖相和礦物組分對孔滲和巖石力學(xué)特征有重要影響，不同巖性頁巖發(fā)生脆性破壞的難度和充分程度不同。與硅質(zhì)頁巖相比，含灰硅質(zhì)頁巖具有巖石硬度低、抗壓實能力較差的特征，孔隙度和滲透率的應(yīng)力敏感性較強。含灰硅質(zhì)頁巖發(fā)生脆性破壞難度和脆性破壞充分程度表現(xiàn)出“雙低”的特征。