魏 源，赵迪斐, ，焦伟伟 ，张海杰

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；3.山东科技大学 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266590；4.重庆地质矿产研究院 页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心，重庆 401120；5.重庆页岩气勘探开发有限责任公司，重庆 401121）

1 研究背景

岩石的力学脆性特征是影响储层压裂效果的核心因素，脆性越好的储层越容易形成裂缝网络，储层改造效果越理想[1-3]。页岩储层具有较强的小尺度非均质性，各层段之间的物质组分与岩石结构差异决定其力学性质的不同，这为有利层段优选提供了重要参考[4-6]。

目前，在页岩气储层的力学脆性研究方面，学者们已经在页岩脆性室内评价方法、页岩脆性特征、储层力学脆性评价等方面进行了许多相关研究，形成几十种脆性表征方法与破坏机制基础上定义的页岩脆性[4]。近年来，对页岩脆性的研究正在向量化、全面、机理的方向加深，在脆性评价方法和评价结果之外，也研究了岩石层理、强度参数、围压等对力学脆性的影响，加深了对力学脆性影响因素的认识[7-8]。但是，对不同脆性评价方法的局限性、微观沉积特征对不同评价方法的影响等力学脆性特征与评价的认识有待进一步深入。不同评价参数对力学脆性的反映真实性、力学脆性的多尺度影响因素以及页岩储层力学脆性的非均质特征等还需要进一步深入研究[9-10]。近年来，非常规能源勘探开发向“深地”发展，对深度储层特征的表征及其不同之处的研究，将成为非常规油气地质研究的新难点。

该研究在前人的研究基础上，以渝西地区深层页岩储层为例，通过不同埋深下矿物组分与含量的关系和储层发育过程中的沉积分异作用，结合储层分析手段的力学脆性参数，对比评价储层的力学脆性特征。同时综合脆性评价结果，讨论储层力学脆性的影响因素，总结该区五峰组—龙马溪组页岩储层力学脆性的非均质特征，并基于储层力学脆性的非均质特征提出一套进行力学脆性评价的新思路、新方法，为研究区页岩气探勘开发与储层优选提供科学依据。

2 实验样品与测试方法

2.1 测试样品

研究区位于四川盆地川东地区渝西区块，如图1所示。对川东地区五峰组—龙马溪组页岩储层的研究，主要集中在渝中涪陵地区、渝东南、渝东北等地区，对渝西地区的研究仍然相对较少。研究区内五峰组—龙马溪组页岩储层稳定发育，手标本观测显示，五峰组—龙马溪组页岩储层主要发育碳质页岩、灰黑色泥页岩与粉砂质泥页岩，其中，五峰组—龙马溪组底部页岩储层颜色较深，具有发育的富笔石水平层理沉积构造，薄片下粒度细小，陆源碎屑颗粒含量较低，龙马溪组由底部向上陆源碎屑含量增多，水平层理发育变差，粉砂质纹层发育程度增高。测试样品选自渝西地区Z-3 井，在五峰组—龙马溪组页岩储层内不同层段共选取代表性样品90 块，以充分表征储层物质组分、岩石结构与物性特征的层段性差异。

2.2 测试方法

针对研究目标，采用手标本观测、岩石薄片观测、扫描电镜观测、X 射线衍射（XRD）、单轴抗压实验、三轴抗压实验、巴西抗拉强度等储层分析手段展开分析测试研究。首先，通过手标本研究、岩石薄片观察与扫描电镜分别在厘米/ 毫米/微米尺度上对储层的物质组分及分布特征展开观测研究，重点是对储层中的沉积构造与力学薄弱面及其层段性差异展开观测研究。X 射线衍射测试依据SY/T 5163—2010 标准，使用仪器为D8 ADVANCE 型X 射线衍射仪，将样品研磨后真空处理24h 去除水分。单轴抗压实验、三轴抗压实验、巴西抗拉强度等力学测试完成于西南石油大学，依据ASTM-D-7012—2014 标准，设备采用GCTS RTR—2000 岩石力学测试实验设备，为避免水平向力学薄弱面对储层力学性质的影响，均对样品进行垂向钻取。

图1 研究区及五峰组—龙马溪组代表性样品取样位置Fig.1 Sampling location of representative samples in the study area and Wufeng-Longmaxi formation

3 储层力学脆性特征

3.1 储层矿物组分特征

由测试结果可知，五峰组—龙马溪组页岩储层各层段物质组分类型相对一致，各层段含量与比例存在差异（见表1），研究区五峰组—龙马溪组页岩储层的微观物相主要由石英+黏土矿物构成，石英是主要的脆性矿物类型，黏土矿物则主要是伊利石、混层矿物的少量存在，示储层演化程度较高，达到了晚成岩作用阶段，而尚未达到极低级变质作用阶段[11]。黏土矿物组合属于伊利石+绿泥石+混层矿物，在黏土矿物演化序列中属于正常演化型（I 型）[3,11]。这样的微观物相组合，说明储层受到了埋藏与构造控制下的成岩作用深度改造。

表1 代表性页岩储层样品的矿物组分类型及含量比例特征Table 1 mineral composition type and content proportion characteristics of representative shale reservoir samples

续表1

五峰组石英矿物质量分数为34.3%～83.5%，平均含量59.7%，略低于龙马溪组底部储层；黏土矿物质量分数为8.9%～45.2%，平均含量为25.3%，长石和碳酸盐矿物质量分数分别为4.1%和9.4%，黄铁矿质量分数为2.2%。龙马溪组底部储层石英和黏土矿物含量变化明显，石英含量显著高于黏土矿物含量，在五峰组—龙马溪组页岩中此层段石英平均含量达到最高，石英矿物质量分数为54.6%～80.6%，平均含量增至66.3%，黏土矿物质量分数为8.6%～18.5%，平均含量减少到14.7%。长石、碳酸盐和黄铁矿平均质量分数分别为8.1%，12.5%和3.7%。

龙马溪组下部石英质量分数为43.2%～71.7%，均值为56%，与龙马溪组中部相比，石英含量明显增加。黏土矿物质量分数为13.0%～33.1%，均值为23.8%，含量占比有所减少；长石和碳酸盐矿物均值分别为8.1%和9.4%，黄铁矿均值为3.4%。龙马溪组中部石英矿物比例高于黏土矿物，其中石英质量分数为23.5%～54.3%，均值为41.5%，黏土矿物为20.7%～57.9%，均值为32.8%，较龙马溪组上部石英含量有所增加而黏土矿物明显减少；碳酸盐矿物也较为发育，均值为15.1%，为龙马溪组含量最高层段；黄铁矿和长石均值分别为5.9%和7.3%。龙马溪组上部黏土矿物和石英质量分数大致相同，其中石英质量分数为36.1%～49.7%，均值为42.8%，黏土矿物占39.9%～50.1%，均值为54.7%，黄铁矿均值为2.4%，长石平均质量分数为6.6%，碳酸盐岩质量分数为4.4%。

由矿物含量测试数据可知，各层段之间含量和比例有明显差异。以石英和长石矿物为主的脆性矿物含量随深度增加呈先增后减的变化趋势，石英在龙马溪组底部和五峰组含量最高，龙马溪组下部至顶部层段，石英含量整体向上降低；碳酸盐类矿物在龙马溪组底部含量最高。黏土矿物中，伊利石和绿泥石含量随深度增大变化与石英相反，呈先减后增的趋势，在龙马溪组底部和五峰组达到最低。各层段中黄铁矿普遍发育，黄铁矿在龙马溪组上部略有增加，其他层段含量占比变化不大。长石含量略有波动，层段性差异不显著。总体来说，Z-3 井五峰组—龙马溪组各层段之间矿物含量和比例存在明显的差异性，显示了较强的非均质性特征。

3.2 储层沉积分异特征

在基于脆性矿物比例等的储层力学参数评价方法里，岩石的微观结构、粒度、沉积分异、非均质性对储层力学性质的影响没有得到体现，影响了储层的精细评价与对优质压裂性能层段的优选效果，也引发了不同页岩储层力学脆性特征间的选用争议[15]。

岩石的小尺度结构和沉积构造也是影响储层力学脆性的重要因素[16]，在受到不均一的应力加载时，岩石中的小尺度结构可能造成在不同方向抵御应力的能力存在差异，同时，沉积构造与矿物组分沉积分异等可以在储层中形成大量的力学薄弱面，这些力学薄弱面在加载时更容易开裂[3-4]。薄片观测显示，Z-3 井五峰组页岩储层与下伏临湘组瘤状灰岩-灰泥页岩的微观结构差异显著（如图2a 所示），五峰组页岩储层不含钙质碎屑，微观观测显示其在部分层段沉积分异显著形成粉砂质-泥质层理，可见黄铁矿等（如图2b所示），部分层段放射虫等硅质化石极为富集，构成硅质-泥质层理（如图2c 所示），因此，五峰组页岩的微观结构特征反映其在沉积时受到多环境因素的干扰，脆性矿物的来源包含陆源碎屑与生物源硅质[17]。

龙马溪组底部层段的薄片观测显示，该层段显微沉积特征与其他层段差异显著，沉积粒度极为细小，层理密集发育，但由于小尺度沉积分异并不显著，层理相对不明显（如图2d 和图2e 所示）。龙马溪组底部厚度较薄，至龙马溪组下部页岩储层矿物粒度迅速增大，出现显著的粉砂质-泥质纹层，向上具有陆源碎屑矿物整体增加、矿物粒度整体变大的趋势（如图2f 和图2g 所示），微观尺度下矿物粒度差异较大，分选差（如图2h 所示）。龙马溪组上部除了透镜状粉砂质纹层、夹层等，沉积分异更加显著（如图2i 所示），指示水体受到动力沉积作用的影响，水体进一步变浅[18]。

图2 研究区五峰组—龙马溪组代表性样品的岩石薄片与扫描电镜特征Fig.2 Thin slice and SEM characteristics of representative samples of Wufeng-Longmaxi formation

3.3 储层力学脆性测试参数

选取6 组样品，分别为五峰组、龙马溪组下部、龙马溪组中部取样各1 个，龙马溪组底部取样2 个。对选取的6 组样品进行单轴、三轴抗压力学实验及巴西抗拉力学实验。这6 组样品的实验结果如表2所示。

表2 渝西地区Z-3 井五峰组—龙马溪组单轴力学实验结果Table2 Uniaxial mechanical experiment from Wufeng—Longmaxi formation shale of well Z-3 in western Chongqing area

从岩心应力/应变关系曲线看出，五峰组—龙马溪组各层位岩心在到达破裂压力时，岩心均未立即破裂。五峰组岩心在初始加载过程中弹性变形特征较明显（如图3a 所示）。龙马溪组底部页岩储层岩心初始加载过程中弹性变形特征明显，与五峰组岩心相比，龙马溪组底部页岩储层单轴最大应变值略大，脆性特征略弱。龙马溪组下部页岩储层岩心初始加载过程中产生应变硬化现象。龙马溪组下部页岩储层与底部的单轴最大应变值相对较大。龙马溪组中部页岩储层在初始加载过程中弹性变形特征明显，与下部岩心相比，中部页岩的单轴最大应变值相近。龙马溪组上部页岩储层在初始加载过程中塑性变形阶段明显，与龙马溪组中部岩心相比，龙马溪组上部页岩的单轴最大应变值更小。

图3 五峰组—龙马溪组各层段代表性样品的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of representative samples from Wufeng —Longmaxi formation

4 储层力学脆性特征综合评价

4.1 基于矿物组成的力学脆性指数

根据矿物组成特征，Jarvie 等[6]认为石英具有显著的高杨氏模量和低泊松比特性，脆性程度最高，提出以石英含量所占比例表征页岩脆性特征。测试页岩矿物组成主要为石英和黏土矿物，石英是该区最主要脆性矿物的矿物组成，大多数层段石英含量占比超过了总矿物含量的一半，而碳酸盐类矿物平均含量不足10%，黄铁矿平均含量不足5%，因此以石英含量所占比例表征页岩脆性特征，适用于研究区各层段矿物脆性指数的表征：

其中，B1为矿物脆性指数，W石英，W碳酸盐，W黏土分别指代石英、碳酸盐矿物、黏土矿物的比例，评价结果如表3 所示。各层段脆性指数相差较大，随深度增大，脆性指数先增后减，龙马溪组底部的脆性指数最高。现有研究结果表明，脆性指数与储层力学脆性呈正相关。因此，龙马溪组底部的页岩脆性最优，五峰组及龙马溪组下部的页岩脆性较好。

表3 渝西地区Z-3 井五峰组—龙马溪组页岩矿物组成和脆性特征Table 3 Mineral composition and brittleness characteristics from Wufeng —Longmaxi formation shale of well Z-3 in western Chongqing area

4.2 基于弹性参数的力学脆性指数

泊松比可以反映页岩在应力下破裂的能力；杨氏模量反映页岩维持裂缝的能力[22]。因此，基于泊松比、杨氏模量参数的区域归一化数值可以表征页岩的力学脆性[21]，即

式中：B2为基于泊松比、杨氏模量区域归一化数值的脆性评价参数；E为杨氏模量；Emax为杨氏模量的最大值，100 GPa；Emin为杨氏模量的最小值，0 GPa；V为泊松比；Vmax为泊松比的最大值，0.4；Vmin为泊松比的最小值，0。

评价结果如表4 所示，龙马溪组底部层段脆性指数B2最低，五峰组次之，龙马溪组下部至顶部则较高。基于泊松比、杨氏模量区域归一化数值的脆性评价结果与脆性矿物评价结果相左。

表4 基于泊松比、杨氏模量区域归一化数值的脆性评价Table 4 Brittleness evaluation based on Poisson"s ratio and Young"s modulus regional normalized value

4.3 基于强度的力学脆性指数

强度比值法利用抗压和抗拉强度的差异性评价脆性[4]。基于强度比值的力学脆性表征方法[23]基于抗压和抗拉强度的差异评价脆性，即

式中：B3为基于强度比值的脆性评价参数；δc为抗压强度；δt为抗拉强度。

由单轴抗压实验与巴西抗拉试验结果（见表2），可知龙马溪组底部的强度比值脆性指数为0.78，五峰组的强度比值脆性指数为0.73，两者脆性指数相差不大，龙马溪组底部略高于五峰组。

4.4 基于全应力-应变的脆性评价方法

全应力-应变的脆性评价方法根据力学破坏在单轴应力-应变曲线上的表现评价脆性[22]，可以同时表征峰前和峰后的力学特征，全应力-应变特征表征脆性的公式为：

式中：IB为全应力-应变特征脆性表征参数；B1为峰值应变指数；B2为峰后形态形成指数。

IB越大，脆性相对越优，实验结果见表5。由结果可知，全应力-应变表征的力学脆性指数纵向上由浅到深脆性逐渐增大，与矿物组分表征的脆性指数在深度上的变化规律大致相似。

表5 基于全应力-应变的页岩储层脆性评价Table 5 Shale reservoir brittleness evaluation based on total stress-strain

综合对比以上多种评价参数可知，单轴和三轴的杨氏模量、泊松比都不能用于优选五峰组和龙马溪组优质脆性储层。基于单轴应力应变曲线，通过峰前和峰后曲线特征的脆性指数并综合脆性矿物比例参数，可以优选出龙马溪组底部为最优层段。应用三轴应力曲线，基于五峰组、龙马溪组底部的抗压强度和五峰组、龙马溪组底部的巴西抗拉强度，以强度比值法可以合理评价不同层位的力学脆性指数。综合峰前峰后数值和强度比值法，龙马溪组底部脆性特征最好，五峰组次之，其他层段力学脆性特征显著变差。

5 页岩储层力学脆性的非均质性特征及影响因素

受控于沉积环境与储层成岩演化，页岩储层具有显著的小尺度非均质性[9,24]。通过实验研究，页岩储层的力学脆性非均质特征主要体现在脆性矿物含量、储层沉积分异和力学性质等方面。对五峰组—龙马溪组页岩储层的力学脆性评价对比来看，由矿物组成表征的力学脆性指数，在纵向上随深度加深呈先增后减的趋势，在龙马溪组底部达到最高，因此，基于储层矿物组成评价，龙马溪组底部为力学脆性好的层位，五峰组、龙马溪组下部储层次之。在基于强度的力学脆性评价中，运用强度比值法比较了龙马溪组底部与五峰组的力学脆性，龙马溪组底部略高于五峰组，因此龙马溪组底部与五峰组力学脆性基本相似，略优于五峰组页岩；同时，随深度增加，全应力-应变特征表征的龙马溪组力学脆性指数逐渐增加，在龙马溪组底部达到最高。对深层页岩储层力学脆性的科学评价，需要综合不同指标[25]。

综上所述，在研究区内，五峰组— 龙马溪组页岩力学脆性的层段性差异具有普遍性[3,15-16,22,26-27]，页岩储层力学脆性的非均质性特征表现如下：①五峰组— 龙马溪组不同层段的沉积环境存在差异，研究区内五峰组页岩沉积期古地理环境较为闭塞，水体相对较浅，页岩脆性矿物来源受到陆源碎屑与水体生物源硅质的共同影响，脆性矿物含量较为丰富，龙马溪组底部则在海平面快速上升的背景上沉积粒度极细、生物源硅质丰富的富笔石页岩，至龙马溪组底部开始，水体逐渐变浅，陆源碎屑影响程度上升，生物源硅质显著减少[28]；②储层沉积分异的非均质性体现在各层位岩石小尺度结构和沉积构造的不同，在沉积环境的控制下，研究区内龙马溪组底部具有最高的脆性矿物含量指数，五峰组次之，五峰组与龙马溪组底部共同构成脆性矿物比例最优层段；③受沉积环境与水体水动力条件的影响，五峰组— 龙马溪组不同层段所发育的主要沉积构造存在差异，五峰组—龙马溪组页岩储层下部发育富笔石水平层理，龙马溪组中上部发育粉砂质纹层、夹层[29]；④在储层成岩作用改造下，五峰组— 龙马溪组底部具有丰富的生物源硅质与蒙脱石等黏土矿物，生物源硅质与黏土矿物通过矿物转化作用形成丰富的自生脆性矿物，增加了页岩储层的脆性矿物比例[11]；⑤由于五峰组— 龙马溪组底部具有较高的原始脆性矿物比例，自生脆性矿物增加作用显著，富笔石水平层理发育，岩石兼具较好的力学脆性与丰富的力学薄弱面，有利于页岩储层压裂与页岩气的渗流释放[30]，成为层系内具有最优脆性的层段；⑥龙马溪组底部— 中上部陆源碎屑矿物丰富，沉积构造转变为一粉砂质纹层、夹层为主，脆性矿物含量降低，力学薄弱面发育程度降低。因此，受沉积环境、矿物组分与沉积分异、差异成岩作用等因素的控制，五峰组— 龙马溪组页岩储层具有力学脆性非均质性，尤其是其横向稳定的层段性差异可以作为页岩气压裂层段优选的科学依据。

基于目前对储层力学脆性特征研究的现状，页岩储层力学脆性研究将可能在以下几个方向取得进一步深入研究：①页岩中的特殊结构，或因特殊构造位置、特殊改造事件影响的页岩力学脆性特征[31]；②页岩微尺度力学脆性特征；③通过力学脆性模拟探究储层力学脆性特征成因，如细观力学模型等；④力学脆性研究成果在地下工程等其他领域的应用[32]。从对深层页岩储层的单井解剖来看，垂向力学脆性非均质性受到了特殊成岩作用等因素的影响而减弱，中浅层页岩储层中稳定发育的层段性力学薄弱面结构差异也因此减弱，因此，深层页岩储层必须考虑物质基础之上的储层成岩作用等对力学脆性的影响，同时需要格外注意的是，中-浅层页岩储层中较为适用的矿物组分法等，可能在深层页岩储层中因特殊的储层成岩作用而不再适用。

6 结论

1）研究区页岩储层矿物组分类型稳定，储层矿物含量与比例均有层段性差异；储层矿物组分主要为石英和黏土矿物，同时含有少量长石、碳酸盐类矿物和黄铁矿，石英、碳酸盐和长石为主要脆性矿物，黏土矿物组合由伊利石+绿泥石+伊蒙混层构成；龙马溪组底部脆性矿物含量最高，五峰组次之；微观物相显示储层受到了成岩作用的深度改造。

2）单轴杨氏模量在龙马溪组中部最大，其他层位大小相近，泊松比波动明显，龙马溪组下部降至最小；强度比值通过抗拉强度和抗压强度的差异判断龙马溪组底部和五峰组力学脆性显示，龙马溪组底部与五峰组相差不大，龙马溪组底部力学脆性略好；应力-应变曲线结合峰前和峰后的力学特征评价，认为龙马溪组页岩力学脆性随深度增大，在龙马溪组底部的页岩脆性最好。

3）储层矿物组分表征的力学脆性指数评价得出龙马溪组底部为力学脆性最优层位，龙马溪组下部和五峰组的脆性略差于底部；基于强度的脆性评价，强度比值法得出龙马溪组底部与五峰组的力学脆性大体相同，龙马溪组底部相对较好，而全应力-应变特征表征的该储层龙马溪组页岩力学脆性指数在龙马溪组底部最高，因此龙马溪组底部在各层段中脆性最高。综合储层各层段基于矿物组分、弹性参数和强度的力学脆性指数可得，龙马溪组底部在该研究区五峰组—龙马溪组页岩储层中脆性最高，为储层最优层段。

4）储层力学脆性的非均质性主要体现在脆性矿物含量、储层沉积分异和力学性质等的层段性差异。受沉积环境、矿物组分与沉积分异、差异成岩作用等因素的控制，五峰组—龙马溪组页岩储层具有力学脆性非均质性，表现为横向稳定的层段性差异，可以作为页岩气压裂层段优选与勘探开发的科学依据。深层页岩储层的力学脆性评价必须考虑物质基础之上的储层成岩作用等对力学脆性的影响，中-浅层页岩储层中较为适用的矿物组分法等可能在深层页岩储层中因特殊的储层成岩作用而不再适用。