硬脆/塑性泥页岩微裂缝产生的岩石物理学机制基础研究

The situation of the world's energy is becoming increasingly serious. Shale gas has become the third major unconventional gas resources after tight sandstone gas and coal-bed gas. The production level of shale gas is closely related to the development degree of microfractures. In our previous studies of T3X5 formation in Sichuan Basin, we found that mud shale rock mechanics properties is complicated, and as the hard brittle and hard plastic coexist .Samples have broken order and pattern are also different. In this study，the deep shale formation is studied by thin section,casting section, field emission electric microscope scanning and CT scanning technical methods. Mainly through the rock mechanics and ultrasonics rock physics experiment study the following four questions:（1）rock mechanics behavior and its synchronous ultrasonics response of the shale under Gradient of confining pressure and study；（2）rock mechanics behavior and its changing mechanism of the shale Under the geological conditions；（3）microfractures mechanism research with different types of rock mechanics properties, mineral composition and structure of mud shale formation；（4）Based on rock physics experiment and the experimental data to establish hard brittle/ductile shale formation rock physical and mathematical model, and using the finite element method to simulate the microfractures formation process and fracture mechanism of shale under the reservoir condition, explore formation mechanism and theory of microfractures in shales.

世界能源形势日益严峻。页岩气已成为继致密砂岩气和煤层气之后的第三种重要的非常规天然气资源。而页岩气产量的高低与其微裂缝发育程度密切相关。在对四川盆地须五段泥页岩研究过程中，发现泥页岩的岩石力学性质极其复杂，硬脆性、硬塑性共存，样品产生破裂的序次及模式亦不同。本研究以深部泥页岩地层为研究对象，借助于普通薄片、铸体薄片、场发射电镜扫描、CT扫描等现代测试手段，重点通过岩石力学及超声学等岩石物理学实验研究以下问题：（1）递变围压下泥页岩地层岩石力学行为及同步超声学响应研究；（2）地层条件下泥页岩地层岩石力学行为及其变化机理；（3）不同岩石力学性质、矿物成分及结构类型的泥页岩地层岩石微裂缝破裂机理研究；（4）基于岩石物理实验及实验数据建立硬脆/塑性泥页岩地层岩石物理-数学模型，通过有限元法对地层条件下泥页岩地层微裂缝形成过程及破裂机理进行数值模拟，探讨泥页岩地层微裂缝产生机制及理论。

页岩气是新兴的能源资源。页岩气产量的高低与水平井压裂开发及其微裂缝发育程度密切相关。鉴于页岩气巨大的勘探开发前景，以及其微裂缝发育对页岩气开发的重要性。本项目以四川盆地陆相泥页岩地层为重点，运用现代测试技术，从岩石物理学的角度对深部硬脆/塑性泥页岩微裂缝产生机制进行研究，取得了如下几方面的成果：. （1）砂泥岩变形特征差异明显，砂岩以为弹性变形为主，泥页岩以塑性变形为主；随着围压的增加，砂岩和泥页岩的屈服应力水平均增加，并且砂岩增加的更快，砂岩的屈服应力大于泥页岩，而屈服应变小于泥岩。. （2）常温常压条件下，饱水砂岩的弹性模量大于饱气弹性模量，饱水泥页岩的弹性模量小于饱气弹性模量；砂岩、泥页岩纵横波波速均随着围压和轴压的增加而增加；随着轴压的增加，杨氏模量和剪切模量先增大后减小，体积模量和泊松比增大；地层条件下泥页岩的纵横波波速、杨氏模量、剪切模量及体积模量要比砂岩小，而泊松比大于砂岩。. （3）砂泥岩互层地层的裂缝产状以斜交裂缝为主，在拉张应力区，砂岩是拉张破裂产生的主体，在挤压应力区可以产生剪破裂；泥页岩塑性强，剪破裂较发育，泥页岩中张性缝多为砂岩中产生，贯穿至泥页岩内的张破裂。. （4）含裂缝岩石等效杨氏模量与裂缝角度无关，但泊松比与裂缝倾角存在cos2α的关系。应力分布主要受岩性、裂缝、断层的影响，其中岩性是主要因素，裂缝、断层将导致应力方向发生偏转及局部应力集中。. （5）水平井眼存在垂直裂缝时，井筒内压越接近地层压力点，井壁不易破裂；水平井眼与最小水平主应力一致时，裂缝倾角在35°~65°时，井眼不易破裂；垂直裂缝走向在15°~80°时，井壁不易破裂。水平井眼与最大水平主应力一致时，裂缝倾角在10°~20°时，井壁不易破裂；垂直裂缝走向在10°~30°时，井壁不易破裂。. 通过本项目研究，搞清了地层条件下硬脆/塑性泥页岩岩石力学行为特征与变化规律，明确了泥页岩地层微裂缝产生机制，对指导页岩气储层大型缝网体积压裂实践具有重要的地质意义。