罗新辉苏 杭

1.湖南科技大学土木工程学院

2.中铁十六局第三工程有限公司

页岩气储层可压裂性评价

罗新辉1苏 杭2

1.湖南科技大学土木工程学院

2.中铁十六局第三工程有限公司

为了探索湘西牛蹄塘组页岩气储层的可压力性，选取了湖南常德牛蹄塘组页岩进行了室内基本力学和基本物理试验，测定了页岩的基本力学参数。选取影响页岩可压裂性的部分影响因素包括正向影响因素脆性系数和脆性矿物含量，负向影响因素包括黏土矿物含量和粘聚力作为评价指标来具体评价页岩的可压裂性。采用层次分析法计算页岩的可压裂性影响因素的权重系数，最后量化湘西页岩的可压裂性的具体值。结果表明，湘西页岩气储层的可压裂性处于中等水平，页岩的脆性处于较高水平，商业开采的潜力较大。

页岩；可压裂性；湘西牛蹄塘组；层次分析法

1 引言

水裂压裂作为页岩气开采的手段，其效果主要取决于页岩在高压情况下产生裂缝的能力，即可压裂性[1-2]。学者为了定量分析页岩可压裂性提出了利用脆性系数来评价页岩可压裂性，李庆辉等[3]进行了页岩储层脆性特征的综合评价，为了评价可压裂性做铺垫，显然，量化以后的脆性特征来评价可压裂性考虑的因素过于单一，不能全面反映页岩可压裂性的综合特征。自此，国内很多学者主要综合考虑了各种评价指标，并进行量化来具体评价页岩的可压裂性。唐颖等[13]提出了利用岩石脆性、石英含量、天然裂缝和成岩作用等指标定量评价可压裂性，但是没有考虑内摩擦角和粘聚力等因素对可压裂性的负向影响，评价因素不够客观。基于此，笔者针对湘西牛蹄塘组黑色炭质页岩开展研究，基于岩石力学和物理实验，测量和分析了影响页岩可压裂性的物理力学参数，并且探讨了这种参数之间的联系。

2 页岩可压裂性物理力学参数测量和分析

2.1 脆性系数

脆性系数是影响页岩可压裂性非常重要的指标，在很长一段时间内，脆性系数被作为评价页岩可压裂性的唯一指标。目前，对于脆性的定义在岩石力学这一块并没有统一的标准，泊松比反映了页岩在压力下破裂的能力，杨氏模量反映了当页岩被压裂后保持裂缝的能力，页岩的泊松比越小，杨氏模量越大，页岩的脆性越大。为了定量描述页岩的脆性特征，引入了脆性系数这个概念，主要是测量和计算出泊松比和杨氏模量两个力学参数。

2.2 页岩的内摩擦角和粘聚力

由摩尔库伦定律可知，粘聚力越大，页岩是抗剪强度越大，岩石越坚硬，可压裂性越差。岩页不同岩的粘聚力和内摩擦角是页岩可压裂性评价里的两个负向指标，一般情况下高脆性岩石内摩擦角很大，对地区页岩抗剪强度值影响的变化不大，所以本文中不单独区分摩擦强度对可压裂性的评价，只将粘聚力作为影响可压裂性的一个负向指标。

测定页岩的内摩擦角和粘聚力和分析其对页岩强度的影响，采用RMT-150C试验机进行三轴压缩试验，试验分成三组，每一组分别在围压10，25，40MPa的围压下破坏，第一组试验为SZ-01，02，03、第二组试件为SZ-11，12，13、第三组试件为SZ-21，22，23。在加压的过程中测定了不同荷载下的应变值，利用摩尔-库伦强度理论分析和计算了每一组页岩的粘聚力和内摩擦角等力学参数。

2.3 脆性矿物和黏土矿物含量

石英是页岩中主要的脆性矿物，石英的含量越高，页岩的脆性越强，更加容易下外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝。除了石英以外，长石和白云石也是页岩储层中的脆性矿物。脆性矿物越多，页岩可压裂改造的性能越好，所以脆性矿物的含量作为评价页岩可压裂性的一个正向指标。但是页岩中除了脆性矿物以外，黏土矿物比如高岭石、伊利石、蒙脱石等也是构成页岩气储层的主要矿物。黏土矿物是储层改造中的不稳定因素，水敏性的黏土矿物含量较高时，在水力压裂的过程中容易溶解导致页岩气产出通道的堵塞，影响页岩气产出的效率，从这个角度出发，黏土矿物的存在对页岩气储层改造产生了负面的影响。并且页岩气的的黏土矿物含量越高，页岩的塑性越强，在压裂改造的过程中吸收的能量越多，越难压裂。综合以上两点以及其他不可预见的影响，黏土矿物的影响页岩可压裂性的一个负向指标。笔者通过XRD(X-Ray Diffraction，XRD)实验测试了页岩中脆性矿物和黏土矿物的含量矿物成分。

3 页岩可压裂性评价模型的建立和计算

3.1 评价模型的建立

按照权重分析法的具体思想和步骤具体确定页岩可压裂性的影响因素的权重分配，首先构造页岩可压裂性的递阶层次结构图，再构造权重的判断矩阵，检验矩阵的一致性，调整合理化检验合格以后再进行计算。具体计算步骤如下：

（1）影响因素标准化评价页岩可压裂性的指标包括脆性系数、脆性矿物含量、黏土矿物含量、粘聚力等指标，这些评价指标具有不同的单位和量纲，并且各个指标数值的大小和有效范围不一样，为了进行评价，必须把所有的指标进行归一化的处理，本文采用的极差变换的方法将各个参数标准化。极差变换中参数分为正向指标—脆性系数、脆性矿物含量和负向指标—黏土矿物含量、粘聚力，以及其他未考虑或许不需要考虑的中性指标和非定量指标四种。正向指标的值越大，负向指标的值越小，可压裂性越大。

正向指标：

（2）影响因素权重分析计算。初步确定了页岩可压裂性影响的四个评价元素判断矩阵的元素矩阵取值。

（3）层次总排序的选择，层次总排序的选择就是矩阵通过检验以后计算具体的权重，层次分析法权重计算的方法有几种，本文具体采用几何平均法来计算各因素的权重分配，计算的具体方法如公式（3）计算出来的权重和检验的结果.

负向指标：

3.2 评价模型的计算

根据公式（1）和（2）将各个参数进行归一化后，考虑到实验的准确性，再将归一化以后的数值取其平均数，其中脆性系数，脆性矿物含量，黏土矿物含量其数值本身在0～1之间，直接取其平均值，粘聚力归一化以后取其平均值。归一化以后的取值结果和权重结果如表1。

表1 影响因素归一化的结果和权重计算值

定义可压裂系为R=A*W=0.5208。从计算的结果可以看出来湘西页岩的可压裂处于平均水平，一般情况看运用此种方法计算出来的可压裂性在0～0.3之间，可压裂性较差；在0.3～0.6之间可压裂性处于平均水平；在0.6～0.8之间可压裂性好。页岩的可压裂性的研究是一个非常复杂的从定性走向定量的一个评价机制，不同的数学模型计算出来的可压裂性系数的大小不一样，为了进一步确定湘西页岩的可压裂性的好坏程度，需要进一步对比不同地区的页岩进行试验分析，对此，作者在进一步的研究中。

4 结论

（1）从试验测试和计算的单一结果看，湘西页岩的脆性系数为0.56，脆性处于较高的水平，湘西页岩的一种在同类水平中脆性很高的岩石，同时脆性矿物含量平均为0.542，脆性矿物含量在中等水平。

（2）从页岩可压裂性的计算结果可以看出来湘西页岩的可压裂性处于中等偏上的水平，这与实验过程中的现象和实验的结果是相符合了，需要进一步深入研究其商业开采的可行性。

（3）采用层次分析法评价页岩的可压裂性，是将抽象的概念可压裂性进行具体化，这种评价方法具有概念清晰、计算方便的优点，但是评价参数的权重的取值如何取得最优的数值需要进一步研究。

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湖南省研究生科研创新项目（CX2015B493）