0 引言
鄂尔多斯盆地山西组沉积于三角洲前缘和滨海环境，为典型的海陆过渡相沉积环境［8］，山2 3亚段发育一套富有机质页岩，成为重点研究对象。基于岩相特征研究储层物理性质，越来越受到学者们的重视。武瑾等［9］以岩石矿物组成和TOC含量为指标，对山2 3亚段黑色页岩划分了岩相，并指出发育于潮控河口海湾相的硅质页岩相是优势岩相。彭思钟等［10］结合薄片观察和沉积构造描述，对山2 3亚段岩石划分岩相，其中页岩划分了粉砂质页岩、纹层状层理页岩、钙质页岩、炭质页岩以及黑色页岩，分别反映不同沉积环境。XUE等［11］基于矿物组成对山西组岩石划分了粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，并认为前者孔隙结构主要受黏土矿物含量和有机质含量的控制，后者则受硅质矿物和有机质含量控制。然而，页岩作为一种低孔低渗致密地质体，其地质特征表明依靠储层岩石本身的物性基本无法实现工业化开采，需要工程技术手段提高储层的渗流能力，因此将地质与工程有机结合是实现海陆过渡相页岩气地质—工程一体化的重要内容。基于岩相的储层岩石力学特征研究可作为地质与工程相互衔接的关键桥梁。袁余洋等［12］研究了龙马溪组页岩岩相对裂缝形成及演化的影响研究，认为硅质页岩具有较高的应力跌落速率和弹性能量转换效率，裂缝扩展能力较强。沈骋等［13］综合考虑页岩脆性矿物、层理等地质因素和压裂改造特征将龙马溪组页岩划分为不同岩相组合，并结合生产数据，研究了不同岩相压裂后改造效果。此外，国内外已有大量针对以龙马溪组页岩为代表的海相页岩岩石力学性质相关研究［14-17］，这些研究有力支撑了海相页岩气高效开发的基础科学研究，而对于海陆过渡相页岩储层，相关岩石力学特征研究亟需完善。因此，以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组储层岩石为研究对象，从岩石矿物组成、沉积构造发育特征出发，探讨山西组主要页岩岩相类型，开展不同岩相的室内单轴、三轴压缩实验和巴西劈裂实验，明确不同岩相的力学变形破坏特征，分析其力学变形行为的影响因素，为后续水平井布井选层和压裂施工方案制定提供借鉴。
1 地质背景与岩相特征
1.1 地质背景
研究区块位于鄂尔多斯盆地东缘南北走向的弧形条带区域，地跨山西、陕西两省。大宁—吉县地区二叠系山西组属于三角洲前缘和滨海环境，为典型的海陆过渡相沉积环境。早二叠世山西沉积期，受海西构造运动的影响，华北地台整体抬升，海水从东西两侧逐渐退出盆地，为陆表海背景下海陆过渡沉积阶段，受潮汐作用影响，发育滨浅海—潟湖—潮控三角洲沉积体系。大宁—吉县区块下二叠统山2 3亚段沉积了一套厚度在20~40 m之间的富有机质页岩，该层夹层少，被认为是海陆过渡相页岩勘探开发的有利层段［9］。
1.2 岩相特征
岩相作为沉积环境与岩石特征的综合体现，是页岩气勘探规模拓展和高效开发的关键。目前国内学者以矿物组成为岩相划分第一要素，采用X射线衍射实验可对页岩矿物组成定量获取。由图1（a）可知，目标层页岩矿物组成主要为石英、黏土矿物，少部分样品含方解石和长石等矿物，依据硅质矿物（石英+长石）、黏土矿物以及钙质矿物（方解石+白云石）含量三元图，以矿物含量50%为界，当硅质矿物含量大于50%时，划分为硅质页岩，按照相同的方式划分出黏土质页岩和钙质页岩。但划分结果表明，研究区页岩具有富黏土矿物的特点，碳酸盐岩矿物含量较少或者只有少部分样品含有碳酸盐岩矿物，因此，进一步以黏土矿物含量75%为界将黏土质页岩划分为硅质黏土质页岩和黏土质页岩，页岩岩相划分结果见图1（b）。
研究区山2 3亚段页岩岩相测井分布特征表明（图2），钙质硅质页岩或硅质钙质页岩主要发育于山2 3亚段底部，向上演化为黏土质页岩和硅质黏土质页岩。下部早期为无障壁滨岸沉积，海侵淹没形成还原环境有利于有机质保存，因此，山2 3亚段的钙质硅质页岩TOC含量较高，平均值约为8.0%，但总厚度相对较薄。硅质黏土质页岩厚度相对较厚，是组成储层的主要页岩岩相，但TOC含量次之（4.1%），硅质页岩和黏土质页岩TOC含量最少，分别为2.8%和1.3%，总厚度相近，此外，黏土质页岩往往与煤层毗邻发育。武瑾等［9］将山2 3亚段优势页岩岩相按照TOC含量大小，以5.5%和8.5%为界线划分为低、中、高3种类型，本文研究的硅质和黏土质页岩属于低TOC的页岩。因此，根据最终制备的样品，主要对硅质页岩、硅质黏土质页岩和黏土质页岩的力学特性进行研究，特别是对岩石的破坏特征进行研究。
图3为页岩井下岩心和制备样品的照片。由图3可知，黏土质页岩以灰黑色和黑色为主，可见植物碎屑［图3（a）］，部分岩心可观察到完整植物茎叶化石，由于植物碎屑的存在，黏土质页岩的非均质大大增加。而硅质页岩和硅质黏土质页岩整体偏灰黑色，从全直径岩心上观察大多无特殊构造特征，部分样品含不等厚黑色泥质条带［图3（c）］，增强了硅质页岩的各向异性特征。现场岩心观察表明，由于植物碎屑与充填裂缝［图3（b）］、纹层的存在，岩石易破碎，常规液氮钻和空气干钻的方式均无法获得高质量、足量的实验样品，因此，采用线切割的方式制备研究区块山西组页岩实验样品［图3（d）］。通过观察线切割获取的实验样品，黏土质页岩和硅质页岩都可观察到毫米级充填裂缝，但裂缝物理性质差异较大，对于黏土质页岩，裂缝发育方向往往与层理存在一定夹角［图3（e）］，这部分裂缝充填程度也较低，对页岩基质的胶结较弱，与植物碎屑降低黏土质页岩的力学性能，遭受一定的外力作用，容易沿着薄弱面破裂［图3（f）］。而硅质页岩中裂缝充填一定的钙质矿物，胶结较强［图3（g）］。事实上，对垂直和平行裂缝方向的硅质页岩岩心测试渗透率，发现2个方向的岩心渗透率极低，但两者并无数量级差异，说明硅质页岩中充填的微裂纹对渗透率贡献不大，而黏土质页岩2种岩心出现渗透率数量级差异。
然而，由于裂纹引起基质结构连续性变差，导致裂纹处容易发生应力集中，因此，通过水力压裂有望激活硅质页岩的该类裂纹，破坏岩石内部结构，使该类岩相渗透能力大幅度提高。
2 不同岩相岩石力学特征
通过线切割的方式对硅质页岩、硅质黏土质页岩和黏土质页岩这3类岩相进行制样，对部分样品生物碎屑情况、纹层情况进行了描述，按照单三轴压缩力学特性测试和抗张强度测试等实验要求制备直径2.5 cm，长度5.0 cm的柱塞样品和直径2.5 cm、厚度为1.5~3.0 cm的巴西圆盘试样。3种岩石力学实验均采用位移加载，加载速率为1.5 mm/min。其中，三轴压缩力学特性测试中围压设置根据测井密度曲线计算而得，为了在同一围压条件下对比不同岩石抗压特性差异，实验围压均取25 MPa。
2.1 力学变形特征
三轴压缩实验是评价岩石在不同应力环境下力学特性的最有效方法，岩石在受载过程中的应力应变曲线反映了岩石力学变形特征，能够指示岩石强度和脆性特征。在单轴压缩条件下，研究区硅质和硅质黏土质页岩呈现弹脆性特征［图4（a）］，在应力到达峰值应力前，往往出现应力跌落的情况，反映出页岩在加载过程中的非线性力学行为，植物碎屑、纹层以及裂缝的发育都会增加页岩非线性力学行为的概率。对于黏土质页岩，特别是发育于煤岩附近的含植物碎屑黏土质页岩，其应力—应变曲线受控于高黏土矿物含量的影响，在单轴条件下呈现一定的延性特征，但是该类页岩往往承载能力较低，与煤岩的应力应变特征相似。围压的存在抑制了页岩裂缝扩展能力［图4（b）］，降低了页岩生物碎屑、纹层等结构和构造特征对岩石力学变形行为的影响，提高了页岩整体承载能力和抗变形能力，页岩峰后应力应变曲线由单轴压缩条件下的脆性跌落破坏转换为延性破坏特征，峰值应力对应的应变有所增加，表明围岩应力是降低页岩脆性的重要因素。在该类储层压裂改造中为了提升储层岩石的体积破碎率，应延长压裂施工时间，尽可能通过滤失作用降低待改造区域的有效应力，以提高岩石脆性破坏几率。
2.2 力学参数特征
岩石的力学强度参数是钻井设计和压裂施工必要的基础参数，关系到施工安全以及裂缝延伸难易程度。依据《工程岩体试验方法标准》，计算了研究区页岩抗压强度、抗张强度以及弹性模量和泊松比。结果表明，山西组页岩力学强度整体偏低，80%的单轴抗压强度和抗张强度分别分布在5~71 MPa之间和0.5~6.3 MPa之间［图5（a），图5（b）］，文献［14］中龙马溪组页岩单轴抗压强度约为150 MPa，表明海陆过渡相页岩强度显著低于海相页岩。进一步分析山2 3亚段不同页岩岩相的力学参数［图5（c）—图5（f）］，受岩石结构非均质性的影响，不同岩相力学强度变化范围大，黏土质页岩单轴抗压强度分布在7.46~35.47 MPa之间，硅质黏土质页岩和硅质页岩单轴抗压强度分别分布在17.15~54.09 MPa之间和34.81~79.06 MPa之间，根据实验结果平均值，岩石力学强度与岩相具有一定的联系，抗张强度也具有类似的现象。围压改变了岩石的应力状态，削弱了层理、生物碎屑等对岩石强度的影响程度，但总体上与无围压条件下趋势一致。从矿物组成上，由黏土质页岩到硅质页岩，硅质矿物有增加的趋势。罗诚［18］研究了龙马溪组页岩力学强度与矿物组成的关系，岩石的抗压强度与黏土矿物呈负相关，与石英、方解石等矿物呈正相关，此外，GUNSALLUS等［19］研究也表明岩石的抗压强度与石英含量呈正相关性，说明海陆过渡相储层页岩强度宏观上受控于矿物组成。此外岩石颜色由灰色、灰黑色到黑色，颜色越深表明有机质越富集，而有机质会削弱岩石的力学性能。黏土质页岩往往比邻煤层发育，岩石强度普遍较低，单轴抗压强度可低至7.46 MPa，比该区块煤岩单轴抗压强度仅高2~6 MPa［图3（a）］，其力学强度与煤岩接近。
岩石的弹性模量和泊松比是水力压裂设计必要的参数，不同学者引入弹性模量和泊松比作为表征岩石脆性的评价指标，高弹性模量和低泊松比的岩石具有较强的脆性已达到共识。由图5（e）、图5（f）可知，对于该区页岩，或者陆相和海陆过渡相环境的页岩，大多都呈现较高的黏土矿物特征，相比于海相页岩，其弹性模量低而且岩石具有较强的泊松效应，基于弹性参数的岩石脆性评价方法可能导致工程甜点评价失准，而应该根据研究页岩本身的特点进行脆性评价：研究区页岩力学强度整体相比于海相页岩更低，岩石抗压不抗拉，不同类型页岩抗张强度在低值区间存在差异。而且，页岩发育的天然裂缝以及植物碎屑对岩石力学性质的影响往往体现在岩石力学强度上，因此通过力学强度评价更合理。
2.3 岩石破坏特征
不同岩石单轴和三轴压缩实验后破坏照片见图6，岩石的破坏形态较为复杂，与岩石类型及沉积构造密切相关。黏土质页岩破坏程度严重，破坏成类似煤块的块状形态，可能与植物碎屑［图3（a），图3（f）］导致其结构完整性差有关。结合其低强度特征以及常与煤层邻近分布的特点，在压裂过程中，与煤层共同形成地层的薄弱界面，将水力裂缝约束在煤层和黏土质页岩中传播。硅质黏土质页岩在单轴压缩条件下发生劈裂破坏，而在三轴压缩条件下以剪切破坏为主，并存一定的劈裂破坏形式。对于不发育特殊沉积构造的硅质页岩，其破坏模式类似于硅质黏土质页岩，在三轴压缩条件下形成单一剪切破坏面，而对于发育一定沉积构造的硅质页岩，其破坏模式与沉积构造密切相关，易沿着纹层破裂，即使在三轴压缩条件下也易沿着纹层破坏，因此纹层是决定该类岩石破坏模式的重要因素，而发育充填裂纹的硅质页岩很大程度受裂纹的分布特征影响，易沿着裂纹本身形态破坏。由不同页岩样品破坏后照片可知，沉积构造特征是影响页岩破坏形态重要的地质因素，甚至在一定情况下超过三轴围压对裂缝破坏形态的影响，因此，在海陆过渡相页岩储层中，不仅需要确定优势页岩岩相，还需要在此基础上对优势页岩的纹层、裂缝发育情况进行统计研究，为后续压裂施工措施制定提供指导。
巴西劈裂实验沿着圆盘试样直径方向加载，在垂直于圆盘直径方向形成拉张应力，随着加载进行，拉张应力超过岩石的抗张强度而导致岩石破坏，因此对于相对均质的岩石，常常形成一条竖线的劈裂缝，这是大多数岩石存在的现象。对于海陆过渡相岩石在张应力破坏形态着重分析纹层、条带的发育情况对圆盘破坏模式的影响（图7）。对于纹层、条带缝层理不发育的岩石，裂缝形态体现出受矿物颗粒非均质性影响，裂缝普遍曲折，而非一条竖直裂缝；当发育一定的纹层，裂缝容易因岩石结构非均质发生偏转而被纹层捕捉，使之沿着纹层传播，而一定厚度的泥质条带对裂缝的捕捉更强，导致裂缝完全沿着泥质条带与基岩之间的界面延伸扩展。当加载方向与层理垂直，裂缝在传播到层理时，先诱使层理剪切破坏，然后再进一步向前扩展，形成多层理破坏的复杂结构，从图7中也可以看出，并不是所有层理都会被破坏，而是与层理面与岩石本体相对力学性质有关。结合岩石单轴、三轴压缩实验和巴西劈裂实验结果，纹层、条带和植物碎屑的发育情况对岩石破坏模式具有重要的影响，加强海陆过渡相储层岩石结构及沉积构造等相关基础研究对于多层叠置储层深化压裂认识具有重要意义。
3 典型破坏模式及渗透性评价
由于不同岩相岩石组构存在差异，其破坏模式存在多种多样，但归根到底属于3类破坏模式，分别是张性劈裂破坏、剪切破坏以及剪切劈裂复合破坏（图8），评价岩石破坏后渗透率对于压裂后储层生产制度制定具有重要意义。由于页岩往往十分致密，岩心孔隙渗透率一般在微达西乃至纳达西，因此，储层压裂后裂缝渗透率超过基质渗透率的几个数量级，因此裂缝渗透率往往决定了后期开发过程中油气在储层中的渗流能力，选择单轴和三轴压缩实验后具有典型破坏模式的岩心进行不同围压下的渗透率测试，明确不同破坏模式下岩心渗透率特征，为深化认识不同岩相岩石压裂改造效果提供一定的参考。
天然裂缝在岩石内部往往为一定形状的曲面，裂缝壁面两侧的凹凸不平，由不同的数量和大小的微凸体构成［20］。随着页岩气不断被采出，地层压力降低，裂缝壁面上的有效应力增加，导致裂缝壁面上的微凸体相互接触支撑，壁面的闭合导致储层的渗透性降低。而通过水力压裂的方式往往导致地层岩石发生张性劈裂破坏或者在剪应力作用下剪切破坏，这类裂缝相比于天然裂缝则粗糙度更低，更容易在有效应力增加过程中闭合。
图9为不同破坏模式岩心渗透率随着围压的变化曲线。随着围压增加，岩心渗透率呈负指数形式下降，随着围压卸载，渗透率有一定恢复，但都恢复不到初始渗透率水平。不同破坏模式对岩石的渗透率加卸载曲线的起始点有影响，当储层岩石仅仅发生单一劈裂破坏时，在初始围压下（2 MPa）岩心渗透率仅为0.614×10-3 μm2，低于发生剪切或者复合破坏下的3.831×10-3 μm2和4.517×10-3 μm2，表明储层岩石发生剪切破坏更利于提高储层的渗透性。此外，不同破坏模式下对岩石渗透率的应力敏感性有影响，依据石油天然气行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》（SY/T 5358—2010）计算了岩石破坏后渗透率损害率，并按式（1） 拟合了围压对渗透率的指数损害方程。由图9（d）可知，不同破坏模式下岩心渗透率损害率与围压有关，在围压增加初期，渗透率损害快，随着裂缝逐渐闭合，渗透率损害速度变缓。为了进一步说明不同破坏模式下的岩心应力敏感性特征，计算了岩心样品的不可恢复渗透率损害率，即恢复到初始围压下渗透率差值与初始值的百分比，也计算了岩心样品的最大渗透率损害率，即加载过程中初始和最大围压下的渗透率差值与初始值的百分比，相关结果见表1。
图9 破裂岩心在不同围压下渗透率特征Fig. 9 Permeability characteristics of fractured cores under different confining pressures |
表1 不同破坏模式下岩石样品的渗透率损害评价结果Table 1 Evaluation results of permeability damage of samples with different failure modes |
| 序号 | 破坏模式 | 破坏前渗透率 /（10-3 μm2） | 破坏后渗透率 /（10-3 μm2） | 最大渗透率 损害率/% | 不可逆渗透率 损害率/% | 渗透率损害方程拟合系数 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| a | b | c | ||||||
| 1 | 劈裂破坏 | 0.000 2 | 0.614 | 82.33 | 79.12 | 212.62 | 2.07 | 81.47 |
| 2 | 剪切破坏 | 0.003 8 | 3.831 | 95.43 | 92.23 | 179.48 | 3.21 | 95.77 |
| 3 | 剪切劈裂复合破坏 | 0.002 4 | 4.517 | 91.75 | 72.56 | 145.34 | 4.39 | 92.20 |
式中：D K为渗透率伤害率，%；σ为围压，MPa；a、b、c为拟合系数，正数。
对比不同破坏模式下岩石的渗透率及损害率（图10），一次围压加载与卸载循环后，剪切破坏与剪切劈裂复合破坏下的岩心渗透率最大损害率分别为95.43%和91.75%，高于劈裂破坏岩心渗透率的最大损害率，但绝对渗透率（0.294×10-3 μm2和1.239×10-3 μm2）依然高于劈裂破坏岩心渗透率（0.128×10-3 μm2），因此，即使含剪切破坏岩心渗透率对应力更敏感，由于其初始渗透率高，页岩气开发过程中储层应力调整虽然引起储层渗透性下降，但是依然具有较好的开发效果。剪切缝往往形成为与最大主应力方向呈现一定夹角，劈裂缝与最大主应力方向平行，因此剪切与劈裂复合破坏促使页岩裂缝呈交错分布特征，这种交错分布特征减轻了裂缝易在应力作用下闭合的特性，使该类页岩呈现较低的不可逆渗透率损害率（72.56%），比仅含劈裂缝和仅含剪切缝岩心不可逆渗透率损害率分别低6.56%和19.67%。前文分析不同岩相具有不同的破坏模式，含纹层和充填裂纹的硅质页岩破坏模式最为复杂，压裂后储层产出能力提高的前景较大，硅质黏土质页岩则相对较差，对于黏土质页岩，从破坏模式来讲，压裂后渗透能力提高不言而喻，但由于该类储层岩石强度过低，面临的问题是如何控制压裂穿越该种岩层，使压裂缝不要被约束在低强度的黏土质页岩层和煤层中，以提高压裂缝对其他层位的改造效率。
4 结论
（1）鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组页岩主要矿物类型为石英和黏土矿物，按照矿物组成可划分为5种页岩岩相，硅质黏土质页岩在测井上总厚度最大，黏土质页岩和硅质页岩次之，硅质钙质页岩和钙质硅质页岩厚度最小并主要分布于山2 3亚段底部。
（2）储层页岩具有力学强度变化范围大、整体低值的特点。受控于岩相的影响，硅质页岩和硅质黏土质页岩力学强度和弹性模量强于黏土质页岩。纹层、充填裂纹以及生物碎屑等结构和构造，增大了力学非均质性，也容易影响裂缝的传播路径。巴西圆盘劈裂实验表明山西组页岩纹层和泥质条带对裂缝具有极强的捕获作用，容易导致裂缝沿着纹层和泥质条带扩展。
（3）围压降低了页岩的脆性，使页岩由劈裂破坏转换为剪切破坏，并伴随着充填裂纹和泥质条带的破坏，呈现出破坏形态由沉积构造和围压双重控制的模式。
（4）不同破坏模式页岩的渗透率应力敏感性测试结果表明，过渡相页岩发生剪切—劈裂的复合破坏模式有利于减轻储层应力改变对储层渗透性的影响，使储层维持在较高的产气能力。
致射：本文页岩岩相测井划分工作得到西南石油大学谷一凡博士的帮助，在此表示感谢！
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