泥页岩脆塑性主控因素及定量评价研究

Brittle evaluation of shale is an important issue in the research of the shale oil and gas. Through the three axial stress compression tests of the typical samples, observe and classify the specimen deformation microstructures. Through the analysis of deformation, study the deformation mechanism of different maturity of organic matter and different types of minerals or mineral associations to establish the brittle contribution sequences. Through the effects of confining temperature and pressure on the deformation characteristics of rocks, definite the brittle convergence law and mechanical properties of different mineral compositions of shale as the confining pressure increases, study the main controlling factors of different shale brittle evolution stages, establish the complete shale brittle evolution model. According to the distribution of sedimentary facies and authigenic minerals generated sequences of shale oil prospecting areas of research targets, combined with in situ temperature and confining pressure conditions, determine the distribution of brittle minerals or mineral associations richness layers to evaluate the shale brittleness in different evolution stages. Based on the rock physics model, through the analysis of mineral quantitative, mechanical testing and logging data, simulated in-situ stress condition and forecast the development of fractures after fracturing degree to evluate the shale brittleness quantificationally.

泥页岩的脆性评价是当前页岩油气研究中的一个重要基础问题。通过典型样品的三轴应力压缩试验，对试样变形显微构造现象进行观察、分类，通过其变形行为，分析不同成熟度有机质、不同矿物及矿物组合的微观变形机制，建立泥页岩岩石矿物组成的脆性贡献序列。通过温度、围压对岩石形变特征的影响，确定不同类型泥页岩脆塑性转换的临界深度及其力学性质随围压增大的规律，研究不同转换阶段影响泥页岩脆塑性的主控因素，建立完整的岩石脆塑性演化模式。根据研究靶区页岩油气远景区的沉积环境分布与自生矿物生成序列，确定脆性矿物或矿物组合发育层段的空间分布，结合原地温度及围压条件，分力学性质转换阶段对该层段的脆塑性进行分级评价。基于岩石物理模型，通过矿物定量分析、力学试验与测井数据，模拟原地应力条件，预测压裂后的裂缝发育及开启程度，对泥页岩脆性进行精细评价。

水力压裂是提高非常规页岩油气产量的最重要方法，研究泥页岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法对压裂优化设计具有重要意义。本次研究以不同盆地的泥页岩样品为例，开展了不同矿物组成泥页岩的三轴压缩实验，分析了宏观破裂行为和压后岩石显微裂缝的发育类型，通过对比常规的弹性参数法和矿物组分法等脆性评价方法，建立了基于三轴压缩破裂过程中能量守恒的新脆性评价方法和动态模拟。实验表明，岩石破裂特征受控于岩石脆性和岩石所处的围压条件。偏最小二乘法(PLS)分析结果表明，长石和方解石是对力学性能产生正向影响的主要矿物，而粘土矿物和有机物对结果可能产生负面影响。一方面，脆性较强的岩石主要发育穿晶张裂缝，随着脆性程度减弱，裂缝数量逐渐减少，类型则以晶内裂缝为主；另一方面，随着围压增加，压裂后岩石内部微裂缝类型从穿粒张裂缝向晶内裂缝过渡，说明围压极大的抑制了微裂缝的扩展。传统弹性参数法表征的脆性结果与实验描述的脆性破裂特征相反（即脆性指数高，而岩石破裂程度差），而矿物组分法不能描述不同围压下岩石的脆性程度。而本次研究提出新脆性评价方法，可以连续地描述岩石从超脆性到韧性变形的力学演化过程，脆性指数不仅与峰前的杨氏模量有关，而且还与峰后应力降梯度（软化模量）有关。利用该方法表征了不同围压下泥页岩脆性程度，其结果与实验描述岩石脆性破裂特征相符合，证实了方法的可行性。