页岩储层岩石脆性破裂机理及评价方法

页岩油气储层只有通过水力压裂形成复杂缝网才能获得理想的产能,缝网能否形成的地质因素取决于天然裂缝发育程度、地应力差异系数以及岩石脆性,高脆性页岩是压裂形成缝网的必要条件之一。目前脆性评价方法主要有Jarvie的矿物脆性指数和Rickman的力学脆性指数,但均存在一定的局限性,难以表征页岩在脆性破坏过程中的综合性质。本文首先使用x射线衍射仪分析了国内四套页岩岩样矿物组成特征,使用RTR—1000三轴岩石力学测试系统分析了四套页岩的岩石力学参数,并分别利用Jarvie矿物脆性指数和Rickman力学脆性指数对四套页岩的脆性进行了评价,分析了两种脆性评价方法存在的问题。然后利用三轴实验结果,分析了页岩脆性变形破坏过程中的应力—应变特征、裂纹扩展特征、强度演化特征以及能量耗散特征,认识了页岩脆性变形破坏规律。利用3D激光扫描仪和Quanta450环境扫描电子显微镜获取了试样破裂后破裂面特征,对页岩形成不同破裂模式的受控机制进行了分析。基于破裂面微观观测结果、页岩岩性特征及广义胡克定律,考虑页岩中含有大量的粉砂岩等岩性层理条带及各层理具有不同的力学性质,建立了层理页岩单层应力模型,分析了层间力学差异性对页岩形成复杂破裂形态的影响。最后在页岩变形破坏规律以及复杂破裂模式形成受控因素的基础上,综合考虑页岩在应力环境中由于自身力学性质获取外界张性拉力以及抵抗变形破坏的能力,提出了新的脆性指数计算公式以及利用测井资料获取脆性剖面的方法。主要研究结果如下： (1) Jarvie矿物脆性指数忽略了方解石以及应力环境对岩石脆性的影响,相同矿物组成的岩石在不同的应力环境中可能会表现出不同的脆性破裂特征,单从矿物角度表征脆性可能存在误差。 (2) Rickman力学脆性指数忽略了破裂强度对脆性的影响,高脆性指数段可能因为高破裂强度而成为缝网延伸的阻隔层。 (3)围压主要影响岩石发生破坏的阀值,围压越大,裂纹各阶段扩展特征应力越大,岩石发生破坏的强度越大,发生破坏所吸收外界的能量越大,岩石越难发生复杂破坏。 (4)页岩的破坏过程是粘聚力弱化—摩擦角强化的过程,峰前强度主要由黏结强度控制,形成宏观破裂面后由黏结强度和摩擦强度共同控制,随着岩石的进一步破坏黏结强度逐步降低、摩擦强度逐步增高,两者最终趋于稳定值。 (5)从矿物组成与破坏模式的角度建议矿物角度评价页岩脆性指数的计算公式为：BI=(石英+方解石)/(石英+碳酸盐岩+粘土)。初步探索了矿物组成对页岩破坏模式的影响,在围压40MPa、温度70℃下页岩变形破坏形成复杂破裂的物质基础是：石英、方解石总含量大于40%,脆性指数大于50,方解石含量不低于6.4%。 (6)利用3D激光扫描仪和Quanta450环境扫描电子显微镜等设备对三轴后页岩破裂面宏、微观特征分析。劈裂破坏试样破裂面等高线呈现出杂乱无章的特征,此类裂缝闭合后易形成桥墩状支撑的高导流裂缝,剪切破坏试样破裂面较为平直,闭合后裂缝宽度较低。发现多维破裂面以脆性剪断为主,页岩破坏过程中剪切破坏作用越强,裂缝面越少,多维破裂面的形成是张性裂纹控制机制占主导作用的结果。 (7)基于实验结果、岩性特征及广义胡克定律,考虑页岩含有大量的粉砂岩等岩性层理条带及各层理具有不同的力学性质,建立了层理页岩单层应力模型。围压下单层理杨氏模量越大、泊松比越低,其所受的压应力越低,越可能发生张性破裂。杨氏模量越小、泊松比越大的小层,其所受的压应力越大,其越可能发生剪切破裂。层间力学差异性是影响复杂破坏的根本原因。岩石所受压应力的大小只与力学参数有关,与该层所在空间位置无关。 (8)影响页岩形成复杂破裂模式的主要因素为杨氏模量、泊松比以及地层围压。 (9)定义了一种新的表征页岩脆性的脆性指数,建立了利用测井资料获取脆性剖面的方法。岩石杨氏模量越大,泊松比越低,岩石抗拉强度越低,地层围压越低,岩石脆性越强,越有利于缝网的延伸,现场验证表明改造体积越大。