吉林省桦甸地区油页岩物理力学性能及裂隙开启压力的确定.pdf

第 2 2卷第 1 期 2 0 1 3年 1月 中 国 矿 业 CHI NA MI NI NG M AGAZI NE VoI 2 2，No1 J a n 2 0 1 3 吉林省桦 甸地 区油页岩物理 力学性能及 裂 隙开启压 力的确定 刘鑫鹏，陈 晨，严轩辰，张飞宇 ( 吉林大学建设工程学院，吉林 长春 1 3 0 0 2 6 ) 摘要 ：通过对吉林省桦甸地 区油页岩物理力 学性 能试验 的研究 ， 总结 出该地 区油页岩 物理力学 性 能参 数的大致范 围。计算得到 了毕奥特 系数 、 油藏平均压力 和最小 主应 力等参数 ， 进而确定 了水力压裂 技 术开采桦甸地 区不 同深度 油页岩的裂隙开启压力参数 。 关键词 ：桦甸地 区；油页岩 ；物理力学性 能 ；毕 奥特系数 ；裂隙开启压力 中 图分类号 ：P 6 1 8 1 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 4 0 5 1 ( 2 0 1 3 ) O l 一 0 0 8 3 0 3 De t e r min a t io n o f ph y s ica l a n d me cha nica l p r o p e r t ie s a n d cr a ck o p e nin g p r e s s u r e in Hu a d ia n，J il in p r o v in ce LI U Xin p e ng，CHEN Che n， YAN Xua n - che n，ZHANG Fe i y u ( Co l l e g e o f Co n s t r u ct i o n En g i n e e r i n g ，J i l i n Un i v e r s it y ，Ch a n g ch u n 1 3 0 0 2 6，Ch i n a ) Ab s t r a ct ： Th r o u g h t h e e x p e r ime n t o f p h y s ica l a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s ， t h e p h y s ica l a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s o f o il s h a l e in Hu a d ia n min in g s it e we r e o b t a in e d Th e B io t co e f f icie n t ， t h e a v e r a g e p r e s s u r e a n d minimum pr incipa l s t r e s s a nd o t he r p a r a me t e r s we r e ca l cu l a t e d The p a r a me t e r s of cr a ck o pe nin g pr e s s u r e in hy dr a ul ic f r a ct ur e we r e de t e r min e d Ke y wo r ds： H u ad ia n a r e a； o il s h al e； p hys ica l a nd me ch a nica l p r ope r t ie s； Biot coe f f icie nt ； cr ack o pe n in g pr e s s ur e 油页岩是在矿物机体 中含有固体可燃有机质 的 沉积岩 ， 在化石燃料 中它 的储量折算为发热量仅次 于煤而列第二位 。目前 ， 我 国已经探明的油页岩储 量约 3 1 5 6 7亿 t ， 主要分布在吉林 、 辽宁、 广东 、 山 东 、 内蒙等近 2 O个省 区。吉林省的油页岩探 明的储 量约 1 7 4 2 7亿 t ， 占全 国总量 的 5 5 5 9 6 ， 主要分布 在农 安 、 桦甸 和 汪青 的罗 子沟 l_ 。 中国油页岩的沉积时代以新生代为主， 沉积环境 以陆相 为主 。中 国高 含油率 的油 页岩 主要 分 布在 新 生代小型聚煤断陷盆地 ， 而低含油率油页岩主要分布 在晚白垩纪大型含油气坳陷盆地， 且资源量巨大_ 2 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 8 2 2 基金项 目：油页岩地 下原 位钻采 与仂 生关键技 术项 目资助 ( 编 号 ： 2 2 1 0 9 P2 2 4 4 2 4 ) 作者简介 ：刘鑫鹏 ( 1 9 8 7 一) ， 男 ， 吉林省人 ， 吉林大学硕士研究生 ， 地 质工程专业 。E ma i l ： l i u x i n p e n g 6 O 2 9 4 2 2 1 6 3 co m； 陈晨 ( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 吉林大 学建设 工程 学院副 院长 ， 教 授 ， 博 士生 导 师 。 成本过高是制约油页岩大规模开发利用的主要 原 因。所以， 目前国际上对油页岩开发技术 的研究 中， 油页岩商业开采方法 以及对开采过程的可行性 和经济性的研究， 将是主要考虑 的内容。水力压裂 技术是提高油气井产量的有效手段之一 ， 它的 目的 是在地层中压开一条具有一定方向和几何形状的裂 缝 ， 并充填支撑剂 以提高裂缝 的导流能力 的作用。 水 力 压裂技 术 成功 与否 ， 除 了和压裂 液 、 支撑剂 有关 外 ， 地应力和岩石力学性质也非常关键_ 3 。通过 国 家潜在油气资源( 油页岩勘探开发利用) 产学研用合 作创新项 目， 水力压裂技术在油页岩开采过程 的可 行性已被项 目组众多专家提出， 因而水力压裂技术 参数的确定就显得尤为重要。 本文主要对吉林省桦甸地 区油页岩物理力学性 能进 行研究 ， 得 出吉 林 省 桦 甸 地 区油 页岩 物理 力 学 性能的范围。计算毕奥特系数 、 油藏平均压力 、 最小 主应力参数， 进而进一步确定开采该地 区油页岩裂 隙开启压力参数 。并对得 出的结果进行初步分析 ， 8 4 中 国 矿 业 第2 2 卷 为今后 水力 压裂 技术 在 桦 甸 地 区油 页 岩 开采 中 ， 裂 缝开启压力参数确定方面提供依据。 1 吉林省 桦甸 地 区油 页 岩 赋存 条 件 及 其物 理 力 学 性质 1 1 吉林省桦甸地区油页岩赋存条件 吉林桦甸地区为小型断陷盆地油页岩 ，其形成 主要受构造 、气候作用影响 ，且为含油泥质 页岩 ， 具 有 明显 的变 晶结 构 ，部分 为斑状 变 晶结构 ，属 变 质岩 系 的范畴 。多为 层 状 或 板 状 构 造 ，片状 构造 ， 或 片麻状构 造 ，层 间含油 ，某些 还具 有石油 天然 气 构造 的特征 ，有 的具 有 明显 的片 理 。桦 甸油 页岩 矿 按地质构造 以及 自然条件划分 ，由西向东依次划分 为北台子 、大城子、公朗头 以及南部庙岭四个区， 见图 1 。 图 1 桦甸地区油页岩地域分布图 1 2吉林省桦甸地区油页岩物理力学性质 由于世 界 各 地 油 页 岩 沉 积 年 代 及 沉 积 环 境 不 同 ， 引起 各 地 油 页 岩 的力 学 性 能 参 数 有 很 大 差 别 。 因此 ， 测定不 同地区油页岩的物理力学性能参数， 是 解决油页岩原为开采 、 大规模开发利用的关键 因素 。 2 0 1 0年 8月 2 8日， 吉林大学根据 中华 人民共 和国国家标 准 工 程岩 体 试验 方 法标 准 ( G B T 5 0 2 6 6 9 9 ) ， 测定 了桦 甸油 页岩 开发 用油 页 岩力 学性 质 。试 验成 果见 表 1 。表 1中 的油页 岩 样 品泥 质有 机质含 量 达 9 O 以上 。桦 甸油 页岩 开发 用 力 学 实 验表 明， 其 油 页 岩 抗 压 强 度 范 围 介 于 9 MP a 1 2 MP a 之 间 ， 内聚力 范 围介 于 1 3 8 MP a 1 4 8 MP a 之 间 ， 内摩擦角介 于 1 5 。 2 2 。 。 2 0 1 1 年 1 2月 5 E t ， 桦 甸 孙 家 屯南 部 工 程 地 质 勘察执行 中华人民共和国国家标准 工程岩体试验 方法标准 GB T 5 0 2 6 6 9 9 ， 测定油页 岩力学性质。 由于桦甸孙家屯油页岩样 品泥质含量较 大， 遇水软 化崩解呈碎块 ， 故无法完成饱和抗压强度试验。试 验成果见表 2 。桦甸孙家 屯力学实验表 明， 桦甸油 页 岩抗 压强度 介于 1 O 1 9 MP a 之 间 ， 抗拉 强度 介于 0 8 MP a 1 5 MP a 之 间 ， 弹性 模 量 介 于 2 0 0 MP a 4 0 0 MP a 之 间 ， 泊 松 比是 0 3左右 。 桦甸孙家屯南部工程地质勘察执行中华人 民共 和国国家 标 准 工程 岩 体试 验 方 法标 准 ( G B T 5 0 2 6 6 9 9 ) ， 于 2 0 1 2年 2月 1 8日， 对桦甸地 区油页 岩 进行测 定 ， 其力学 性质试 验成 果如 表 3 所 示 。 桦 甸孙 家屯 ( Z K0 0 4 、 Z KOo7 钻 孔 ) 油 页 岩力 学 实 验表 明 ， 油 页岩 上覆 岩层岩 性为砂 岩 ， 油页岩 的 密 度 、 抗压强度 、 抗拉强度 、 弹性模量、 泊松 比、 内聚力 和内摩擦角等参数， 都介于不同性质上覆砂岩之间， 相差 不大 。其 中饱 和抗 压强 度依然 无法 完成 。桦甸 油页岩 埋深 约 7 5 0 m 左 右 ， 内 聚力 约 为 0 7 MP a左 右 ， 内摩擦 角约 3 0 。 左右 。 表 1 桦甸油 页岩开发用试样力学性质试验结果 表 2 桦 甸孙 家屯南部 工程油 页岩试样力学性质实验结果 组名 天然密度 泊松 比 ( g cm。 ) 弹性模量抗压强度抗拉强度 M Pa M P a M Pa 第一组 2 2 1 第二组 2 2 2 第三组 2 2 2 第 四组 2 2 6 第五组 2 2 5 第 1 期 刘鑫鹏 ，等 ；吉林省桦甸地 区油 页岩物理 力学性 能及裂隙开启压力的确定8 5 表 3 桦甸孙家 屯南部 ( Z K 0 0 4 、 Z K 0 0 7钻 孔 ) 油页岩试样 力学性质试验 结果 组别 第一组 第二 组 第三组 第 四组 岩石名称 取样深度 m 天然密度 ( g cm。 ) 抗压 强度 MP a 抗拉 强度 MP a 弹性模量 MP a 泊松 比 内聚力 MP a 内摩擦角 。 1 3 桦甸 地 区油 页岩 物理 力学试 验 结果 分析 通 过 对桦 甸地 区不 同埋 层 深 度 ， 不 同区 域 的 油 页岩样 品力学 性质 的对 比和 总 结 ， 发 现 桦 甸 地 区 油 页岩的密度范围是 1 9 5 2 3 4 g cm 抗压强度范 围是 9 MP a 1 9 MP a ， 抗 拉 强 度 范 围 是 0 。 8 MP a 1 5 MP a ， 内聚力范 围是 0 7 MP a 1 5 MP a ， 内摩擦 角 范 围是 1 5 。 3 3 。 ， 泊 松 比范 围是 0 2 7 0 3 5 ， 弹 性模量范 围是 2 1 6 MP a 3 8 6 MP a 。油页岩力学性 质与上覆岩层砂岩和泥岩的性质相近。由于得 出桦 甸地区油页岩的抗拉强度低 ， 满足文献E 6 提供 的水 力压裂计算公式 。 2水 力压 裂参 数 的确定 2 1 裂隙开启压力的计算方程 基 本假 设 1 )地层厚度均为 h ， 饱 含流体 的地层 初始饱和 压力 为 P i。 2 )岩 石是 弹性 ， 各 向 同性 ， 均匀 的 。 3 )岩 石 的抗拉 强度 低 。 2 1 1 裂隙开启压力 P 如 。计算方程 P 。 。一 ( 口 3 一 ) ( 1一 叼 ) ( 1 ) 一 1 一 Ap ( 1 +s ) Ap 一 a ( 1 2 1 1 ) ( 1一 肚) 一 ( a h + 丌+ 1 6 ) 4 P 一 P o+ G D 式 中： 17 为效率因子； 为油藏平均压力 ； 为泊松 比； a为毕奥特( B io t ) 系数 ； 。为 自重应力 ； D为埋 藏深度 ； G p为地层压 力， G P g， D为岩石密度 ， g 为重力加速度 为最小主应力 。 2 1 2 毕奥特( B io t ) 系数的确定 由式( 2 ) 给出毕奥特( B io t ) 系数的定义 d一 1一 ( 2 ) L 6 式中： C 为颗粒压缩系数 ， C 为体积压缩系数 。 对于 C 、 C 的测定 ， 首先在空 隙压力不变的条 件下增加围压， 求 出 C 。然后 围压和孔压同时以同 速率增加 ， 求得 C ， 从而计算 出毕奥特 ( B io t ) 系数 0 。但桦甸地区油页岩抗压强度较小 ， 遇水崩解 ， 极 难准确测定 与 C 数值。因而 ， 采用 由文献 8 计 算出毕奥特( B io t ) 系数 ： 朋 号 ( 3 ) a 一1 式中： 为岩石孔隙度 ； 为岩石临界孔隙度 ， 取 一 40 。 2 2 以桦甸地区油页岩为例， 计算水力压裂参数 2 2 1 桦甸油页岩水力压裂相关参数 桦甸油页岩埋深 D为 6 0 0 8 0 0 m， 矿层厚度 h 为 4 5 m， 密度 lD 取 1 9 6 0 gcm一； 泊松 比 取 0 3 ； 不同埋深下 ， P 取值见图 2 ； 、 及 a的取值 川 见表 4 。 油藏平均压力 P 的取值见 图 2 。 表 4 桦甸 地区油页岩相 关参数表 埋深 m 6 O O 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 。 3 5 8 7 3 5 3 4 3 4 8 2 3 4 3 0 3 3 7 9 3 MP a 1 1 6 8 1 2 8 8 1 3 5 4 1 4 5 8 1 5 3 8 邑 厂 深度 m 图 2桦甸地 区不 同埋深值 2 2 3 裂隙开启压力的计算 由以上数据及公式( 1 ) 得到不同埋深 的裂隙开 启压力 P 。 。 ， 计算结果见图 3 。 由图 3 可 以看 出 ， 在 桦甸 地 区地下埋 深 6 0 0 m 8 0 0 m范围内裂隙开启压力较小 ， 表 明对该地 区油 页岩进行水力压裂技术进行开采是可行的 ， 允许进 行大规模开采 。 ( 下转第 9 6页) 潴 瑚 朋 啪 岩 0 4 n 砂 L 一 = 三 粉 蚰 0 0 0 0 引 岩 0 4 砂 。 ； 粗 ” 0 姐 0 岩 0舟 砂 互 细弘 0 0 0 中 国 矿 业 第2 2 卷 英 和黏 土矿 物 ， 且 黏 土 矿 物 含量 在 3 O 左 右 ， 这 导 致矿石容易泥化 ； 有用矿物粒度细 ， 从光片和电子 探针分析结果来看 ， 粒度多在 1 2 p t m， 钼钙矿的结 晶较差 ， 不利于浮选富集 ； 褐铁矿中的钼是 Mo的 主要赋存形式 ， 褐铁矿含量约 6 0, 4， 电子探针分析褐 铁 矿 中平 均 含 Mo为 3 4 7 ， 说 明褐 铁 矿 中 的 Mo 约占总 Mo的 7 1 2 。但褐铁矿呈多胶状 、 细脉一 微 细脉结构 ， 结 晶较差， 粒度极细 ， 大部分在 1 0 u m 以 下， 如果磨矿粒度粗 ， 不能单体解离 ， 如果细磨则容 易泥化 。如果 采用 强磁选 ， 粗 粒 的褐 铁矿 可 以 回收 ， 但是细粒泥化部分则很难 回收， 导致 回收率较低； 由 于褐铁 矿 中本 身 Mo含 量 较 低 ， 再 加上 褐 铁 矿 与 石 英 的连生体 ， 这导致磁选精矿 品位较低 。采用重 选可回收比重较大 、 粒度较粗的钼钙矿、 铀钼矿 以及 含钼的褐铁矿， 对于粒度极细的、 易泥化的钼矿不能 回收 。 为了更好的开发利用该矿， 作者提出磁化焙烧一 磁选的方 案 ，选 矿 指标 为 钼粗 精 矿 的 品位选 到 0 8 6 ， 抛掉近 8 O 的尾矿， 回收率 近 6 O 的相对 较好选矿指标 。但是， 磁化焙烧成本过高 ， 在实际生 产中无法推广使用 。 6小 结 1 )该矿为中低温热液斑岩型铀一 钼矿床 ，赋矿 岩石为火山碎屑岩。主要矿物是褐铁矿 、黄铁矿、 钼钙矿 、铀钼矿 ，脉石矿物主要是石英、黏土矿物 和长石 。 2 )Mo主要赋存在褐铁矿中， 部分以钼钙矿 、 铀 钼矿 、 蓝钼矿 和胶硫 钼矿 的形式 存 在 。 3 )难选 的原因， 主要是 Mo的主要载体矿物褐 铁矿粒度较 细，Mo的赋存状态复杂 多样 ， 其他含 Mo矿物 粒度 细 小 ， 结 晶较 差 ， 这 不 利 于 选 矿 富 集 。 并且该矿石中黏土矿物含量较高， 矿石容易泥化。 一 参 考文 献 1 王启滨 ， 汤 国平 ， 叶林春 安远县银坑 山铀钼矿地 质特征及 找 矿方向 J 黑龙江科技信息 ， 2 0 0 9 ( 3 1 ) ： 5 7 2 金淼张 浙 江蒋村铀钼矿地质 特征及控矿 因素 J 华东理 工 大 学 学 报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 2 9 - 1 3 4 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 ( 上接第 8 5页) 压力参数 ， 说明水力压裂技术在桦甸地 区开采油页 6 0 0 6 5 0 7 O 0 7 5 0 8 0 0 埋深， m 图 3 桦甸地区水力压裂裂隙开启压 力 P 扣 o 3 结语 1 )由对吉林省桦甸地区不同埋藏深度、 区域的 油页岩样品力学性能参数 的试验 ， 得出该地 区油页 岩各项 力 学 性 能参 数范 围， 如 抗 压 强 度 范 围是 9 MP a 1 9 MP a ， 抗 拉 强 度 范 围 是0 8 MP a 1 5 MP a ， 内聚力范围是 0 7 MP a 1 5 MP a ， 内摩擦 角范围是 1 5 。 3 3 。 ， 泊松 比范围是 0 2 7 0 3 5 ， 弹 性模量 范围是 2 1 6 MP a 3 8 6 MP a 。并发现桦甸地 区油页岩力学性质与其上覆岩层砂岩和泥岩的性质 相近 。 2 )基于此上研究成果 ， 得到桦甸地 区油页岩的 毕奥特系数 、 最小 主应力、 油藏平均压力， 进而计算 出水力 压裂 开采 吉林 省桦甸 地 区油页岩 的裂 隙开启 岩是可 行 的 。 l 参 考文 献 陈晨 ， 孙友宏 油页岩开采模式 J 探矿工程 ： 岩土钻掘工程 ， 2 O 1 0， 3 7 ( 1 0 )： 2 6 2 8 刘招君 ， 柳 蓉 中国油页岩特征及开发利用前景分析 J 地学 前缘 ， 2 0 0 5 ， 1 2 ( 3 ) ： 3 1 5 3 2 3 张保平 ， 申卫兵 ， 单文 文 岩石弹性模