富有機質頁巖的巖石力學性質及其影響因素研究進展

張瑤珈 陳志鵬 于春勇 董 峰 屈凱旋 施寶海

（①西安石油大學地球科學與工程學院；②西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室；③中國石油渤海鉆探第一錄井公司；④中國石油渤海鉆探第二錄井公司；⑤中國石油渤海鉆探油氣合作開發分公司）

0 引言

在過去的幾十年，不斷增長的化石能源需求推動了非常規油氣資源的開發，頁巖油氣等非常規油氣資源不僅徹底改變了美國的能源格局，而且深刻影響了全球能源格局。頁巖通常由富有機質的碎屑或碳酸鹽沉積物組成，具有油氣儲量大、分布廣、開采潛力大等特點[1]。但由于頁巖儲層固有滲透率極低，需要采用先進的增產技術才能實現工業油氣生產。眾所周知，頁巖油氣的開發能取得成功很大程度上歸功于水平鉆井和多級水力壓裂技術的應用。大型水力壓裂通過創建一個寬的、復雜的、可滲透的裂縫網絡，促進油氣在頁巖地層中的流動[2]。

成功的壓裂作業就是在有限支撐劑嵌入的頁巖儲層中最大限度地增加壓裂巖石體積，這就需要頁巖儲層具有高脆性的特征，以防止天然裂縫和水力壓裂裂縫的快速愈合，并降低重新啟動裂縫所需的破裂壓力[3]。然而，并不是所有的水力壓裂都可以顯著提高頁巖的油氣產量。人們發現不同成分和組構的頁巖對水力壓裂的響應存在較大的差異，即使是具有相似礦物組成、有機質豐度和熱演化程度的同一套頁巖在不同深度條件下也表現出完全不同的可壓性[4]。因此，頁巖油氣能否通過水力壓裂成功實現增產改造很大程度上取決于頁巖的巖石力學性質[5]，開展富有機質頁巖的巖石力學性質及其影響因素研究，對于篩選頁巖有利壓裂段以及甜點預測具有重要意義[6]。

本文通過整理近年來國內外取得的最新研究成果，對富有機質頁巖的巖石力學性質表征進行歸納與總結，梳理影響頁巖巖石力學性質的主要因素，展望頁巖巖石力學研究的發展趨勢，旨在加深對這一領域的了解和認識，以期對富有機質頁巖巖石力學性質的應用和研究有一定的啟示作用。

1 富有機質頁巖的巖石力學參數

富有機質頁巖是指具有相對較高有機質豐度和熱成熟度的頁巖，具體而言，它通常被定義為TOC（總有機碳）含量為0.5%～5.15%的頁巖，其熱成熟度介于成熟到過成熟之間，且具有一定的儲層物性特征和可經濟開采的潛力[7]。頁巖中的有機質在地質歷史漫長的作用下，會形成孔隙和裂縫等微觀結構，并對頁巖的巖石力學性質產生重要影響，涉及到多個因素的相互作用，主要包括彈性、強度、脆性等力學參數。本文對頁巖儲層評價中較為常用的巖石力學性質及其表征參數分述如下。

1.1 彈性

富有機質頁巖的彈性性質表現為巖石受力后能夠恢復原來的形狀和大小。人們通過大量的實驗建立了巖石應力-應變的關系，并在此基礎上，采用剪切模量（μ）、體積模量（K）、楊氏模量（E）、泊松比（υ）和拉梅系數（λ）共5個參數來定量表征巖石彈性。

這5個彈性參數相互關聯，只需得到其中兩個，就可求取其余量。在頁巖儲層評價中，楊氏模量和泊松比使用最為廣泛，前者指示巖石抵抗形變能力，后者反映巖石橫向變形系數。楊氏模量和泊松比這兩個地質力學參數被認為是水力壓裂處理評價的關鍵參數[8]。一般認為，泊松比越大，巖石可壓縮性越高，而楊氏模量越大，巖石抵抗外力的能力越強，硬度越高。因此，楊氏模量高、泊松比低的巖石通常被認為是脆性的，更容易在應力作用下破裂，并保持開放的裂縫。相比之下，楊氏模量低、泊松比高的巖石被認為是延性的，更能抵抗巖體起裂[6]。

1.2 強度

巖石的強度性質是指巖石抵抗外力破壞的能力。常見的指示巖石強度性質的參數包括：抗壓強度、抗剪強度、抗拉強度。常用的巖石強度計算準則包括莫爾-庫侖破裂準則、格里菲斯強度理論。莫爾-庫侖破裂準則認為均質物體發生破壞是因為其中某個面的剪切應力超過其所能承受的極限剪切應力，并建立了剪應力和正應力之間的函數關系，進而得到抗剪強度；格里菲斯強度理論認為物體是不均勻介質，其內部存在很多微小的裂紋或裂隙，在應力作用下，這些裂紋或裂隙周圍會發生應力集中，當應力值超過其抗拉強度時，原有裂紋或裂隙會進一步擴展進而導致物體完全被破壞[9]。

但在實際應用中，這兩種準則仍存在以下問題：（1）莫爾-庫侖破裂準則的線性描述過于簡單，無法反映材料破壞變形的非線性效應，且沒有考慮中間主應力的影響，不符合實驗結果所反映的事實，此外，對空間中的不光滑棱角也不便于開展數值模擬；（2）格里菲斯強度理論雖然考慮了巖石內隨機取向和分布的微隙裂縫和孔隙對巖石強度的影響，但其預測的巖石單軸抗壓強度與實驗結果相差很大，并且圍壓越大，預測結果誤差越大。因此，對不同的強度變形準則進行融合和拓展對研究巖石強度性質具有重要意義。

1.3 脆性

關于脆性的定義目前仍存在一定的爭議。Rickman R 等[1]將脆性定義為楊氏模量和泊松比的函數。一般認為，脆性巖石具有低泊松比和高楊氏模量，這表明它們分別具有斷裂和保持斷裂的能力；而延性巖石則被認為是具有低楊氏模量和高泊松比的巖石。Jarvie D M 等[10]則將脆性指數定義為脆性礦物與總礦物的比率。一般認為，巖石中脆性礦物含量越高，巖石的脆性程度也越高，越容易發生破裂或斷裂。綜合大量研究認為，脆性是巖石斷裂能力的衡量指標，是巖性、礦物組成、總有機碳（TOC）、有效應力、儲層溫度、成巖作用、熱成熟度、孔隙度和流體類型的復雜函數[11]。

盡管富有機質頁巖通常被認為是一種軟性巖石，但實際上也具有一定的脆性。這種脆性主要來源于以下幾個方面：（1）頁巖中的有機質質量分數較高，但它的密度相對較小，內部孔隙相對較大；（2）頁巖中的有機質通常含有許多微小的孔隙和裂隙，這些微觀結構容易受到外力的影響而發生變形和破壞，從而導致頁巖的破裂；（3）富有機質頁巖通常比較軟且脆弱，其中的有機質往往較軟且易于破碎，這使得它在承受外力時，容易發生微觀破裂，隨后擴展并導致整塊頁巖的斷裂[6]。

2 影響頁巖儲層巖石力學性質的主要因素

影響頁巖儲層巖石力學性質的因素非常多，前人圍繞礦物組分、有機質、含水率、圍壓、溫度、層理、天然裂縫、各向異性等因素開展了大量的研究。明確不同因素影響頁巖儲層巖石力學的規律和機制，對頁巖油氣開發具有重要意義。

2.1 礦物組分

頁巖主要由黏土礦物、石英、長石和碳酸鹽等泥級礦物和微孔隙組成。這些礦物的粘結作用會影響巖石的力學性質，如強度、彈性模量等。已有研究表明，礦物組成（如石英、黏土礦物、碳酸鹽、長石和黃鐵礦含量）和總有機碳（TOC）與巖石力學參數相關性較強[1]。

Kumar V 等[12]構建了石英、石英+碳酸鹽、碳酸鹽、長石、黃鐵礦、黏土礦物等礦物成分與總有機碳（TOC）、孔隙度（?）、楊氏模量（E）和硬度（H）的相關性矩陣（表1），結果表明，楊氏模量與黏土礦物、碳酸鹽、長石、總有機碳和孔隙度之間的相關關系密切。

表1 礦物成分與TOC、?、E、H的相關性矩陣（據文獻[12]）

Rybacki E 等[5]通過對德國西北部下侏羅統明礬頁巖、巴耐特頁巖等頁巖樣品研究發現，單獨處理礦物成分得到的相關性不明顯，但將孔隙度、強相（石英+長石+黃鐵礦）含量、弱相（黏土礦物+TOC）含量、碳酸鹽含量與楊氏模量相結合則能建立良好的相關性（圖1）。實驗結果表明，楊氏模量隨著孔隙度的增加而降低（圖1a），隨著強相（石英+長石+黃鐵礦）含量的增加而增加（圖1b）。在應力平行于層理的情況下，楊氏模量隨著弱相（黏土礦物+TOC）含量的增加而增加（圖1c），隨著碳酸鹽含量的增加而降低[5]（圖1d）?？傮w上，石英、長石、碳酸鹽和孔隙被認為是相對脆性的，而黏土被認為是延性的。頁巖中各種礦物的含量和比例各不同，會對脆性和強度等產生迥然不同的影響，很難用單一礦物或某幾種礦物來確定巖石力學性質，而需要在勘探過程中綜合分析。

圖1 孔隙度、強相含量、弱相含量、碳酸鹽含量與楊氏模量的關系（據文獻[4]）

2.2 有機質

有機質豐度和有機質成熟度是影響頁巖產氣量的重要因素，對力學性質也具有重要影響。熱成熟度通過改變頁巖有機質性質進而影響頁巖的巖石力學性質，但這也取決于有機質豐度的高低。有機質豐度較低時，熱成熟度對脆性的影響不明顯。Vanorio T等[13]提出了頁巖成熟度與鏡質體反射率和各向異性參數之間的關系。根據他們的發現，盡管富有機質頁巖的各向異性是一個復雜的成熟度函數，但一般來說，從未成熟到早成熟階段，各向異性會增加。

雖然彈性模量與TOC 含量似乎表現為一個復雜函數關系，但一般可以推斷，有機質的增加將導致楊氏模量的增加和泊松比的降低，可以解釋為脆性的增加。Ibanez W D 等[14]、Passey Q R 等[4]、Dong T 等[6]也研究過脆性與TOC 含量之間的類似關系，這些研究結果可以直接歸因于有機質密度相對較低，通常在1.1～1.4 g/cm3范圍內[5]，導致巖石體積密度和聲波速度降低。此外，對不同來源和成熟度的有機質的直接實驗測量表明，其楊氏模量范圍為0～40 GPa，遠小于主要巖石成分方解石（79 GPa）、白云石（120 GPa）和石英（96 GPa）的近似值。干酪根的剛度與熱成熟度之間的正相關關系通常被歸因于有機質組分分子結構的改變，使其更加穩定[15]。

此外，大量研究表明，頁巖儲層中的有機質熱解產物會與黏土礦物反應，從而影響巖石的力學性質[8]。已有實驗表明有機質熱裂解產生的烴類會增加礦物顆粒之間的聯系，導致可變形性下降或相當于增加楊氏模量[16]。另一方面，Labani M M 等[8]認為有機質孔隙度的演化、含水飽和度的降低和頁巖儲層超壓都是熱成熟度的直接或間接結果。這些變化會降低頁巖儲層的體積密度和聲波速度，進而增加脆性。脆性與TOC 含量的相關關系在所有成熟度范圍內都很明顯，表明有機質在所有階段的巖石骨架中都起著承載作用。

相對而言，成熟度的變化與頁巖脆性的關系顯得更復雜。事實上，只有當巖石中的有機質足夠豐富并以有效的方式分布時，由熱演化引起的有機質物理性質的微小變化才有可能改變其整體力學行為[15]。

2.3 含水率

含水率是影響頁巖巖石力學性質的另一個重要因素。適量的水分可以提高頁巖的強度和韌性，但過多的水分會使其變得脆弱[17]。

Liu Z 等[18]分別研究了黏土巖樣在圍壓12.4 MPa條件下不同含水率（干燥、76%、85%和98%）的斷裂模式（圖2）。結果表明干泥巖試樣的斷裂面比濕泥巖試樣的斷裂面粗糙，說明水的存在使材料顆粒間的摩擦變弱。此外，試樣軸向與斷裂面夾角（α）顯示隨著含水率的增加，夾角逐漸增大，表明巖石試樣的脆性降低。巖石的脆性變化與含水率具有良好的相關性，即含水率越高，巖石的脆性越低。

圖2 黏土巖樣在不同含水率條件下的斷裂模式（據文獻[18]）

水的存在對頁巖的強度和彈性有很大的影響。假設強度和含水率之間存在線性關系，隨著含水率的增加，水化頁巖的峰值強度降低的梯度要明顯大于脫水頁巖。水的存在和數量也可能通過物理化學過程降低頁巖的強度和彈性，例如滲透膨脹和毛細吸力。從圖3可以看出，隨著滲透壓的增加，頁巖的抗壓強度顯著降低。這是由于滲透壓和細觀結構的不均勻性所導致的，且滲透壓越大，效果越明顯。

圖3 不同滲透壓下層理角度與抗壓強度的關系（據文獻[19]）

2.4 圍壓

不同圍壓下頁巖的破壞模式存在明顯差異，圍壓會對巖石的強度、彈性、縱橫波速度等產生重要影響。對三軸試驗后的頁巖樣進行裂縫形態CT 掃描，結果顯示裂縫分布的分形維數幾乎隨著圍壓的增大而增大。此外，反映了形成復雜裂縫網絡能力的壓裂裂縫密度也隨圍壓的增大而增大。Wang Y 等[20]通過模擬實驗提出頁巖壓裂裂縫形態的發育同時取決于圍壓和層理方向。

通常情況下，圍壓會增加頁巖中微裂隙的閉合度，導致楊氏模量和強度增大、泊松比和脆性減小。研究表明：當頁巖處于較低圍壓（<50 MPa）時，增加圍壓使得楊氏模量的增大趨勢加快；當處于中高圍壓時，楊氏模量幾乎保持不變（圖4）[5]。

圖4 頁巖圍壓與楊氏模量的關系（據文獻[5]）

2.5 溫度

地層中頁巖所處的環境溫度隨埋藏深度增加而升高。隨著地層深度的增加和溫度的升高，頁巖的力學性質會發生變化，其中包括強度、塑性和脆性等方面。溫度的升高促進了塑性變形，降低了強度。

Rybacki E 等[5]測試了在壓力約為50 MPa、溫度由60℃增加至100℃時，實驗條件下頁巖的巖石力學性質變化。天然頁巖處于這個階段時，往往發生蒙脫石脫水，轉化為脆性更大的伊利石。實驗表明，隨著溫度的升高，頁巖峰值強度幾乎呈線性下降（圖5a）。頁巖強度的溫度依賴性是典型的熱激活變形機制，如黏土礦物的錯位滑動。與峰值強度變化相似，大多數樣品的楊氏模量也隨著溫度的升高而降低（圖5b）。Masri M 等[21]將頁巖置于不同圍壓、溫度范圍20～250℃實驗條件下也得出了類似的結論。

圖5 頁巖溫度與峰值強度、楊氏模量的關系（據文獻[5]）

2.6 層理

層理面是頁巖中層狀沉積構造和膠結作用較弱的部位，也是控制頁巖各向異性的主要構造因素。Ibanez W D 等[14]、Niandou H 等[22]和Masri M 等[21]先后開展了不同加載方向對頁巖層理的壓力敏感性研究，結果表明，頁巖單軸抗壓強度和楊氏模量主要取決于相對于層理取向的加載方向。Gholami R 等[23]觀察到，在實驗環境條件下，平行于層理加載的試樣，其單軸抗壓和抗拉強度通常略低，但楊氏模量高于垂直于層理加載的試樣。因此，頁巖的脆性也在很大程度上取決于層理面和加載方向。

Vernik I 等[24]認為，頁巖中聲波速度的強各向異性很大程度上取決于平行于層理面的有機物質和黏土礦物的透鏡狀分布。Hornby B E 等[25]研究黏土薄片中頁巖力學各向異性的分布影響也得出了類似的結論。

2.7 天然裂縫

天然裂縫是指在巖石中自然形成的開裂或裂隙。對于富有機質頁巖的巖石力學性質而言，天然裂縫可能會產生重要影響。首先，天然裂縫會破壞巖石的連續性和完整性，使得巖石在這些區域內的強度和剛度降低，從而使整體巖石的強度和剛度受到影響[5]；其次，天然裂縫可能會影響有機質巖石的應力傳遞。巖石中的應力通常是通過巖石內部顆粒間的摩擦和壓縮傳遞的，而天然裂縫的存在可能導致應力在這些裂縫中聚集和變形，從而影響整體巖石中應力的傳遞和分布[26]。

此外，天然裂縫還可能導致有機質巖石的滲透性增加。天然裂縫可能會成為水或其他流體的通道，從而使得有機質巖石中流體的滲透性增加，這可能會對巖石的物理和力學性質產生影響。已有研究表明，脆性頁巖中的天然裂縫通常較為發育，而韌性頁巖中的天然裂縫則更傾向于閉合[27]。

2.8 各向異性

各向異性指的是材料在不同方向上的性質不同，對于有機質巖石的力學性質有重要影響。頁巖不同力學參數的各向異性表現不同，楊氏模量各向異性較弱，而斷裂韌性各向異性較強。平行層理方向斷裂韌性為垂直層理方向斷裂韌性的80%。

富有機質頁巖是一種細粒沉積巖，具有復雜的多相體系，基本成分包括石英、長石和黃鐵礦等硬礦物，以及軟黏土顆粒和有機物質，其力學行為取決于其無機組分和有機組分的性質。由于沉積環境的演化，這些組分的含量呈現出多樣性[28]。

此外，頁巖通常是橫向各向同性的。頁巖的力學試驗和概念/數學模型都需要考慮各向異性，這主要是由各向異性黏土顆粒的優選方向決定的。因此，頁巖成分非均質性和各向異性是研究頁巖力學性質的兩個主要課題。

3 巖石力學性質在頁巖開發中的應用及展望

巖石力學性質在富有機質頁巖開發中起著至關重要的作用，目前已在儲層力學性質評價、水力壓裂設計、巖石斷裂和裂縫預測以及井筒穩定性評估方面得到了廣泛應用。但在其應用中仍存在許多問題，特別是關于富有機質頁巖力學評價的方法仍不統一。例如，由于對脆性指數定義方法的不同，也隨之產生了多種評價方法，包括：基于彈性參數的方法、基于礦物成分和含量的方法、基于應力與應變關系的方法、基于強度的方法、基于能量關系的方法等。雖然頁巖脆性的評價方法眾多，但尚未有一種方法能得到廣泛認同。由于富有機質頁巖巖石力學性質的影響因素眾多，并且頁巖的脆性并不完全是固定的，而是隨著環境條件的變化而變化，未來很有必要建立基于巖石力學性質的頁巖分類標準，在開展巖石力學性質評價時，根據不同類型的巖石選擇相應的計算方法和參數。

由于水力壓裂的復雜性，了解頁巖的巖石力學性質是成功增產致密巖石儲層、提高產量、評估井眼穩定性以及評估鉆井、壓裂和生產過程中穩定鉆井液密度窗口的關鍵[5]。雖然水力壓裂技術在工程應用上取得了前所未有的成功，但在針對埋藏深度超過4000 m 的頁巖儲層方面，突破性的壓裂技術進展緩慢，這與對深層頁巖的巖石力學性質變化規律認識不足有很大關系，特別是在巖石性質（如礦物學、孔隙度和滲透率）、天然裂縫以及圍壓和溫度等影響裂縫的擴展和閉合行為方面的研究仍不足[29]。

此外，隨著技術的不斷進步，未來頁巖開發中巖石力學性質的應用將更加廣泛。處于數字時代，人工智能在巖石力學方面的應用前景也非常廣闊，例如：利用機器學習和深度學習技術可以對地質數據進行處理和分析，預測鉆井現場事故（如井噴、套管變形、井眼坍塌等）的概率和影響程度以及壓裂現場的人造裂縫延伸；利用計算機視覺和圖像處理技術來分析巖石的圖像數據，識別區分不同類型的巖石和礦物，幫助礦物勘探和采礦過程中的礦物分離和提??；利用計算機模擬技術，模擬巖石開采過程中的力學響應，更好地預測巖石的應力響應和變形行為，結合不同尺度的實驗和模擬結果，建立多尺度的巖石力學模型，了解頁巖的結構和力學行為，進一步優化開發方案等。

4 結論

（1）彈性、強度和脆性是富有機質頁巖巖石力學評價的重要參數，不同應用場合對評價參數各有側重，通常認為楊氏模量高、泊松比低的頁巖脆性大。

（2）富有機質頁巖的力學性質受礦物組分、有機質、含水率、圍壓、溫度、層理、天然裂縫、各向異性等因素影響，需根據實際情況明確主控因素。

（3）解決深層頁巖的力學問題是推動4 000 m 以深的頁巖油氣開發的關鍵，開展基于巖石力學性質的頁巖分類研究有助于統一評價標準，計算模擬和機器學習等新技術在巖石力學表征的應用前景廣闊。