濟陽坳陷古近系泥頁巖巖石學(xué)特征對可壓性的影響

郝運輕，宋國奇，周廣清，李　政，王偉慶，李　博，張存霞

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083；2.中國石化 勝利油田分公司，山東 東營　257015)

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濟陽坳陷古近系泥頁巖巖石學(xué)特征對可壓性的影響

郝運輕1，宋國奇2，周廣清2，李政2，王偉慶2，李博2，張存霞2

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石化 勝利油田分公司，山東 東營257015)

摘要：濟陽坳陷古近系泥頁巖蘊含著豐富的油氣資源,但針對性的壓裂未取得預(yù)期效果。立足于巖石學(xué)特征，從脆性礦物類型、含量、產(chǎn)狀及成因、黏土礦物組成、有機質(zhì)含量、成巖作用強度、天然裂縫發(fā)育程度等方面對泥頁巖可壓性的影響進行了剖析,并與美國相關(guān)盆地的頁巖有關(guān)參數(shù)進行了對比。研究認為：濟陽坳陷古近系沙三下亞段—沙四上亞段泥頁巖脆性礦物以硬度較低的方解石為主，總體抗嵌入能力較差；陸源的石英碎屑顆粒彌散狀分布，影響壓裂應(yīng)力集中造縫，但含量仍與巖石脆性正相關(guān)；結(jié)晶形成的碳酸鹽紋層導(dǎo)致巖石縱、橫向非均質(zhì)性增強，不利于壓裂形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫；有機質(zhì)含量與巖石脆性負相關(guān)，與源巖質(zhì)量正相關(guān)，有利可壓層段的選擇需辯證綜合分析；地層年代新、成巖時間短使巖石相對呈塑性，巖石脆性破裂難度增加。泥頁巖可壓性的影響因素非常復(fù)雜，既取決于巖石學(xué)特征又受圍壓條件及地應(yīng)力差異等地質(zhì)條件影響；壓裂效果還受壓裂液體系及施工參數(shù)的選擇等方面的影響。

關(guān)鍵詞：泥頁巖；巖石學(xué)特征；脆性礦物；可壓性；古近系；濟陽坳陷

可壓性是頁巖在水力壓裂中能夠被有效壓裂的基本性質(zhì)，是頁巖油氣開發(fā)最關(guān)鍵的評價參數(shù)之一[1]。國外一般用礦物組成或巖石力學(xué)參數(shù)來表征可壓性[2-4]；國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于礦物組成、巖石脆性、成巖作用及其他因素分析，嘗試對巖石可壓性進行了定量評價及應(yīng)用[5-11]。

濟陽坳陷古近系有800余口鉆井在泥頁巖段見油氣顯示，并有35口井獲得工業(yè)油流，說明頁巖油氣資源具有一定勘探前景[12-13]。2010年以來，勝利油田針對頁巖油氣在濟陽坳陷先后實施鉆探了4口直井、3口水平井，且在泥頁巖段均見到油氣顯示。但對渤頁平1、渤頁平2和樊頁1 井進行的壓裂試油及試采效果不理想，雖獲得油流，但產(chǎn)量遠不及預(yù)期。針對研究區(qū)泥頁巖油氣壓裂效果不理想的問題，本文從巖石物質(zhì)基礎(chǔ)出發(fā)，分脆性礦物類型、含量、產(chǎn)狀及成因、黏土礦物組成、有機質(zhì)含量、地層時代及成巖作用、天然裂縫發(fā)育程度等多個方面對巖石可壓性影響因素進行了剖析。

1巖石力學(xué)參數(shù)特征

選取牛頁1井等4口系統(tǒng)取心井共16塊巖石樣品，利用Terra Tek巖石力學(xué)三軸應(yīng)力測試系統(tǒng)進行了單軸(表1)和圍壓條件下共計60個巖心柱狀樣品的巖石力學(xué)參數(shù)測試，結(jié)果表明研究區(qū)沙三下—沙四上泥頁巖楊氏模量和泊松比變化范圍較大，說明巖石力學(xué)性質(zhì)非均質(zhì)性強，不同圍壓下楊氏模量測試范圍為1.636～43.574 GPa，泊松比測試范圍為0.16～0.362，楊氏模量和泊松比的優(yōu)勢范圍分別為15～25 GPa和0.18～0.28之間。據(jù)Schlumberger公司測井結(jié)果，東營凹陷泥頁巖楊氏模量一般10～30 GPa，泊松比一般0.20～0.35。

和北美地區(qū)相比，濟陽坳陷沙三下—沙四上泥頁巖部分層段脆性能夠達到美國頁巖氣儲層評價巖石力學(xué)參數(shù)的基本要求[14]，即泊松比小于0.25、楊氏模量大于20 GPa，但總體脆性偏低，壓裂效果難以準(zhǔn)確預(yù)測。

2脆性礦物組成與可壓性

脆性礦物含量影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度，脆性礦物含量越高，巖石脆性越強，易形成天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫[15]。Jarvie等[3]、Sondergeld等[16]采用石英含量計算巖石脆性；Slatt[17]將石英和白云石作為脆性礦物；Nelson等[18]認為除石英外，長石和白云石也是頁巖儲層中的易脆組分；杜金虎等[19]和康玉柱[20]將石英、長石和方解石等碳酸鹽礦物均作為脆性礦物。

表1　濟陽坳陷重點井泥頁巖單軸力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Table 1　Rock mechanical parameters measured using axial tests, Jiyang Depression

2.1脆性礦物組成面貌對比性分析

石英是北美地區(qū)頁巖儲層的主要脆性礦物。據(jù)統(tǒng)計，北美地區(qū)頁巖油氣產(chǎn)層[19-23]脆性礦物總量在60%左右，以石英等硅質(zhì)礦物為主，含量多在40%～60%之間，碳酸鹽礦物較少，一般小于20%；Eagle Ford頁巖較為特殊，其碳酸鹽含量可達50%，而石英等硅質(zhì)礦物含量約20%[21]。

濟陽坳陷沙河街組泥頁巖以普含碳酸鹽礦物為特征[24-25](圖1)，脆性礦物相應(yīng)以方解石為主，少量石英，長石和白云石少量或微量。據(jù)統(tǒng)計，脆性礦物總量一般大于60%，其中方解石含量一般大于30%，石英等碎屑礦物含量一般小于20%。因此，脆性礦物組成明顯不同于北美地區(qū)。

2.2脆性礦物力學(xué)性質(zhì)差異性分析

對比方解石和石英礦物的物理力學(xué)性質(zhì)，有助于理解濟陽坳陷古近系泥頁巖脆性總體較低的原因。方解石和白云石摩氏硬度分別為3和3.5～4，而石英摩氏硬度為7，遠高于方解石和白云石；石英彈性模量為96 GPa，泊松比為0.08，方解石彈性模量為81 GPa，泊松比為0.30，即石英抗壓強度明顯高于方解石，方解石更易于發(fā)生塑性形變。朱彤等[26]對比了Barnett頁巖和Eagle Ford頁巖礦物組成對可壓性的影響，認為前者礦物組成以硅質(zhì)為主，巖石脆性強，易于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；后者礦物組成以鈣質(zhì)為主，巖石脆性較弱，巖石相對柔軟，容易引起支撐劑嵌入。綜上，以方解石為主要脆性礦物組成的濟陽坳陷泥頁巖總體上楊氏模量偏低、泊松比偏高，相對塑性較強，在壓裂施工過程中不易形成脆性裂縫，支撐劑容易發(fā)生嵌入效應(yīng)。

2.3脆性礦物含量與可壓性

統(tǒng)計分析泥頁巖力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果與脆性礦物含量相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)方解石、白云石含量與巖石脆性關(guān)系沒有明顯規(guī)律，原因可能在于碳酸鹽礦物的產(chǎn)狀變化較大(詳見后文論述)；石英含量與巖石脆性明顯正相關(guān)(圖2)，說明研究區(qū)泥頁巖石英含量雖然總體較低，但對巖石壓裂仍有重要貢獻。

圖1　濟陽坳陷沙河街組泥頁巖X衍射全巖礦物組成Fig.1　Triangular diagram of mineral composition by X-ray diffraction analysis, Jiyang Depression

圖2　濟陽坳陷羅69井石英含量與力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.2　Relationship between quartz content and mechanical parameters of well Luo69, Jiyang Depression

3韌性組分與巖石可壓性

和脆性礦物相對，韌性組分會增加巖石塑性，主要包括黏土礦物和有機組分。

3.1韌性組分含量與巖石可壓性

根據(jù)文獻資料統(tǒng)計，北美地區(qū)頁巖黏土礦物總量在25%～45%，富含碳酸鹽的Eagle Ford頁巖相對黏土礦物含量較低，在15%左右[21]；濟陽坳陷沙三下—沙四上泥頁巖黏土礦物總量一般15%～30%；黏土礦物類型以伊利石或伊/蒙間層礦物為主。

統(tǒng)計巖石中黏土礦物和有機碳含量與測井力學(xué)參數(shù)關(guān)系可見，黏土礦物含量和有機碳含量正相關(guān)，二者均與楊氏模量負相關(guān)(圖3)，即黏土含量、有機碳含量越高，則巖石脆性越差。需要指出的是，有機碳含量是頁巖油氣地質(zhì)評價的重要參數(shù)，和源巖質(zhì)量正相關(guān)，因此頁巖油氣有利可壓層段的選擇需要綜合考慮多因素抗壓強度。

抗壓強度反映巖石在無側(cè)束狀態(tài)下受力破碎的難易程度，抗壓強度越大，脆性越強。以牛頁1井3 389.10 m巖心為例，巖性為泥質(zhì)灰?guī)r，呈層—紋層狀構(gòu)造；礦物平均組成為：黏土礦物13%，石英23.5%，長石1.5%，方解石52.5%，白云石7%，黃鐵礦2%，菱鐵礦0.5%；全尺寸巖心強度連續(xù)測試結(jié)果表明(圖4)，富碳酸鹽的淺色紋層抗壓強度大，一般在120～190 MPa，均值約140 MPa，而富含泥質(zhì)及有機質(zhì)的暗色紋層巖心抗壓強度較小，一般30～80 MPa，均值約50 MPa。

圖3　濟陽坳陷羅69井巖心測試有機碳含量、 黏土礦物含量與測井解釋楊氏模量關(guān)系Fig.3　Relationship between Young’s modulus and content of measured TOC and clay minerals from well Luo69, Jiyang Depression

圖4　濟陽坳陷牛頁1井3 389.10 m巖心強度連續(xù)測試結(jié)果Fig.4　Unconfined strength of a core sample from well Niuye1, Jiyang Depression

3.2黏土礦物類型與巖石脆性

據(jù)Schlumberger公司對濟陽坳陷沙三下—沙四上泥頁巖力學(xué)參數(shù)測井解釋結(jié)果，東營凹陷和沾化凹陷羅家地區(qū)楊氏模量差別較大而泊松比相對較為接近。前者楊氏模量一般20～30 GPa，泊松比一般0.20～0.35；后者楊氏模量一般10～20 GPa，泊松比一般在0.25左右，即東營凹陷沙三下泥頁巖脆性比羅家地區(qū)強。而據(jù)X衍射分析測試結(jié)果，羅家地區(qū)沙三下泥頁巖方解石等脆性礦物含量高于東營凹陷(圖1)，二者脆性程度發(fā)生反轉(zhuǎn)的原因可能在于黏土礦物類型的不同(圖5)，羅家地區(qū)黏土礦物以伊/蒙間層礦物為主，東營凹陷黏土礦物則以伊利石占優(yōu)勢。

4巖石結(jié)構(gòu)與巖石力學(xué)各向異性

4.1硅質(zhì)礦物成因及產(chǎn)狀

北美地區(qū)頁巖油主要產(chǎn)于Barnett和Eagle Ford等頁巖地層。Barnett頁巖以硅質(zhì)泥巖相為主，脆性礦物主要為石英等硅質(zhì)礦物，含量約45%，碳酸鹽含量約15%；硅質(zhì)主要為海綿和放射蟲等生物成巖轉(zhuǎn)變形成的蛋白石，含量遠高于碎屑石英[23]。濟陽坳陷陸相泥頁巖中石英主要為陸源碎屑搬運沉積產(chǎn)物，與泥質(zhì)不均勻相混，主要呈分散狀(圖6a，b)、部分呈紋層和條帶狀與泥質(zhì)相混(圖6c)。陸相彌散狀的石英抗壓強度低于海相硅質(zhì)泥巖，在巖石壓裂中起分散應(yīng)力的作用，不易形成網(wǎng)狀裂縫。

4.2碳酸鹽礦物成因及產(chǎn)狀

北美地區(qū)以Eagle Ford為代表的高碳酸鹽含量頁巖，碳酸鹽主要源自顆石藻和有孔蟲，系生物成因[27]，巖石結(jié)構(gòu)致密；Barnett頁巖中碳酸鹽礦物主要賦存于化石分布層[23]，以生物骨架和生物碎屑產(chǎn)狀產(chǎn)出。濟陽坳陷陸相泥頁巖中碳酸鹽礦物主要為化學(xué)或生物化學(xué)成因，以泥晶為主，與泥質(zhì)相混(圖6d)或相對富集呈層狀及紋層狀產(chǎn)出(圖6e，f)。紋層狀構(gòu)造易于造成壓裂能量順層釋放，垂直層面壓裂不利于形成較大的縫高及復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果表明，紋層狀巖石(圖7a)與塊狀、層狀樣品(圖7b)相比，易于塑性變形，即不易形成破裂縫。渤頁平2井第2段壓裂對紋層狀巖相施工，壓后裂縫與井筒方向平行，判斷裂縫沿層理方向延伸，沒有形成網(wǎng)狀裂縫。

圖5　濟陽坳陷沙三下—沙四上代表井X衍射黏土礦物相對組成Fig.5　Relative measured content of clay minerals from the upper section of the fourth member to the lower section of the third member of Shahejie Formation in the Jiyang Depression

圖6　濟陽坳陷湖相泥頁巖脆性礦物產(chǎn)狀Fig.6　Distribution of brittle minerals (quartz and calcite) in lacustrine shale, Jiyang Depression

圖7　濟陽坳陷羅69井巖心樣品差應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.7　Curves of stress-strain by triaxial test of core samples from well Luo69 in the Jiyang Depression

5成巖作用與巖石可壓性

北美地區(qū)含油氣頁巖為海相沉積產(chǎn)物，時代以中、古生代為主[21]，沉積時間均在85 Ma(大部分在170 Ma)以前，成巖時間長，成巖作用強。例如Barnett頁巖中由生物捕獲的硅質(zhì)已在成巖過程中形成蛋白石，巖石相對硬、脆；從熱演化程度看[19-21]，除Antrim頁巖和New Albany頁巖Ro低于1.0%外，其他代表性頁巖Ro均可達到1.3%以上，最高可達4.9%。

濟陽坳陷含油氣頁巖段為古近系陸相沉積，沉積時間距今50.5～32.8 Ma，成巖作用時間短，成巖作用較弱；從熱演化程度看，沙三下亞段Ro在1.0%以下，沙四上亞段Ro多在1.0%左右，最高不超過1.4%。

綜上，研究區(qū)古近系泥頁巖熱演化程度低于、成巖時間短于、成巖強度弱于北美地區(qū)，決定了其整體塑性較強的特點，在壓裂過程中不易脆性破裂而形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。

6圍壓條件與巖石脆性

隨埋深增大，圍壓和地溫也隨之增加，巖石脆延性相應(yīng)會有所變化[28-30]。羅69井2 995.00 m巖心樣品實驗測試數(shù)據(jù)表明，巖石脆性系數(shù)與圍壓負相關(guān)(圖8)，即隨圍壓(埋深)增大，巖石向延性方向演化。

圖8　濟陽坳陷羅69井2 995.00 m 巖心樣品脆性系數(shù)與圍壓關(guān)系Fig.8　Relationship between confining pressure and brittleness of core samples from well Luo69, Jiyang Depression

7天然裂縫與壓裂縫繼承性發(fā)育

渤頁平2井水平段實施了5段壓裂。成像測井顯示天然裂縫發(fā)育的第1，5段施工順利，且第5段獲得油流，壓后微破裂檢測結(jié)果顯示壓裂縫延伸較好、分布范圍較廣；而天然裂縫不發(fā)育的第2，3，4段壓裂砂堵。該井壓裂實踐說明了2個問題：井區(qū)泥頁巖可壓性具有非均質(zhì)性；壓裂縫能夠在天然裂縫存在基礎(chǔ)上繼承發(fā)育。

8結(jié)論

(1)濟陽坳陷沙三下—沙四上泥頁巖，與北美地區(qū)頁巖相比，地層年代新、成巖時間短、熱演化程度低、成巖強度弱；脆性礦物以方解石為主，相對硬度低、脆性差、抗嵌入能力弱；層狀和紋層狀構(gòu)造發(fā)育，巖石縱、橫向力學(xué)性質(zhì)非均質(zhì)性強，不易整體壓裂。因此，研究區(qū)泥頁巖層整體上具有一定塑性，這種塑性會造成壓裂過程中壓力吸收和顆粒嵌入等不利于形成穩(wěn)定裂縫的現(xiàn)象，從而影響壓裂效果；巖石力學(xué)性質(zhì)的強非均質(zhì)性，使水平井垂直層面壓裂施工時應(yīng)力可能在單層面擴散，巖層不易被整體壓開，增加巖石破裂難度。

(2)泥頁巖可壓性的影響因素非常復(fù)雜，既取決于脆性礦物類型、含量、產(chǎn)狀及成因、黏土礦物類型及相對組成、成巖作用強度、巖石天然裂縫發(fā)育程度等巖石學(xué)特征，又受圍壓條件及地應(yīng)力差異等地質(zhì)條件影響。另外，壓裂施工是一項復(fù)雜工作，壓裂液體體系及施工參數(shù)的選擇都影響壓裂效果?？傊芯繀^(qū)陸相泥頁巖本身的非均質(zhì)性、地質(zhì)條件的多變性及壓裂具體實施的情況共同決定了壓裂結(jié)果的復(fù)雜性。

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(編輯黃娟)

文章編號：1001-6112(2016)04-0489-07

doi：10.11781/sysydz201604489

收稿日期：2015-10-22；

修訂日期：2016-06-01。

作者簡介：郝運輕(1973—)，女，高級工程師，從事油氣儲層綜合研究工作。E-mail: haoyq.syky@sinopec.com。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB239100)之課題5“陸相頁巖油資源潛力與分布規(guī)律”(2014CB239105)和“山東省頁巖氣成礦條件研究和資源潛力預(yù)測” 項目(00魯勘字2013-1號)資助。

中圖分類號：TE122.23

文獻標(biāo)識碼：A

Influence of petrological characteristics on fracability of the Paleogene shale, Jiyang Depression

Hao Yunqing1, Song Guoqi2, Zhou Guangqing2, Li Zheng2, Wang Weiqing2, Li Bo2, Zhang Cunxia2

(1. SINOPEC Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100083, China;2.PetroleumExplorationandProductionResearchInstituteofSINOPECShengliOilfield,Dongying,Shandong257015,China)

Abstract:The Paleogene shale is rich in oil and gas in the Jiyang Depression. However, the recent fracturing effect of certain exploration wells was not as successful as expected. The influencing factors for shale fracability were analyzed based on petrological characteristics, such as the occurrence and genesis of brittle minerals, types and relative composition of clay minerals, organic content, diagenesis stage and the development degree of natural fractures. The main brittle minerals in shale from the Jiyang Depression are calcites with lower hardness, which determine that the shale is brittle on the whole, but the degree of brittleness is relatively low and the shale shows the characteristics of "plastic". Scattered quartz debris, higher TOC content and younger diagenesis age play a negative role in formation fracturing. The stronger heterogeneity resulting from laminated structure is not conducive to form a complex fracture system during the fracturing process. In addition to the petrological characteristics, the shale fracturing effect is also affected by formation pressure, in situ stress and fracturing scheme, etc.

Key words:shale; petrological characteristics; brittle mineral; fracability; Paleogene; Jiyang Depression