大民屯凹陷沙四下段礦物組分與脆性特征研究

周雪松，張 雷，劉興周，金 科，李金鵬

(1. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 3. 中石油遼河油田勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010)

0 前 言

致密油已成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的新熱點。借助頁巖氣開采的成熟技術(shù)和成功經(jīng)驗，美國先后實現(xiàn)了Bakken、Eagle Ford等致密油大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，對美國及世界能源格局產(chǎn)生了重大影響[1]。在我國鄂爾多斯盆地三疊系延長組、松遼盆地白堊系青山口組—泉頭組、準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組、三塘湖盆地二疊系條湖組和渤海灣盆地古近系沙河街組都已獲得重大勘探發(fā)現(xiàn)，致密油資源潛力巨大[2-4]。

遼河油田在七十年代初期就提出并開始加強致密油氣的勘探工作，目前，致密油氣勘探工作的范圍正逐年擴大，在大民屯地區(qū)致密油氣勘探成效顯著，2017年下半年，沈平2井在沙河街組層位經(jīng)多段壓裂后投產(chǎn)，取得良好效果，證明該區(qū)致密儲層具有很大的油氣勘探潛力，因此加強并提高對該地區(qū)致密儲層的認識是必要的。礦物組分及脆性的分析是致密油開發(fā)的基礎，其中脆性礦物含量的高低，是影響人工裂縫是否發(fā)育的主要內(nèi)在因素[5]，而脆性指數(shù)的高低則是壓裂選段的重要參考指標。本文通過采集大量巖心樣品，運用X射線衍射(XRD)分析技術(shù)對大民屯凹陷沙四下段樣品礦物組分進行研究，并與Bakken組和Eagle Ford組礦物組分進行對比，結(jié)合聲波測井資料利用礦物法和彈性參數(shù)法對脆性特征進行研究，優(yōu)選出高脆性層段，為該區(qū)致密油的勘探與開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

大民屯凹陷是遼河坳陷的三大凹陷之一，位于遼河坳陷的東北部，面積約為800 km2，是一個典型的“小而肥”的富油氣凹陷[5-7](圖1)。大民屯凹陷地層中古近系地層分布面積廣、沉積厚度大，其中沙河街組四段發(fā)育多套深湖—半深湖環(huán)境下的暗色泥頁巖，是凹陷的主力烴源巖。截止2014年底，凹陷共探明儲量3.78×108t，沙四段探明儲量僅709×104t，占總儲量的1.9%，各層系儲量分布的不均衡性預示了沙四段具有很大的勘探潛力[8-9]。

根據(jù)沉積旋回和巖性組合特征，將大民屯凹陷沙四組下段劃分為3個準層序，從下到上分別為PS1準層序、PS2準層序和PS3準層序。其中PS1準層序和PS3準層序為較好的油頁巖發(fā)育層位，PS2準層序為泥質(zhì)巖夾粉砂巖和泥質(zhì)白云石發(fā)育層位，具有典型的致密油源儲“三明治”結(jié)構(gòu)特征[10](圖2)。

圖1 遼河坳陷大民屯凹陷構(gòu)造圖

圖2 大民屯凹陷沙四下段沈352地質(zhì)綜合柱狀圖

2 樣品采集與實驗方法

實驗樣品均取自大民屯凹陷安福屯洼陷沈352井，均為井下巖心樣品，其中PS1準層序樣品112個，主要為黑色油頁巖、灰色—深灰色泥巖、泥質(zhì)白云石和白云質(zhì)泥巖；PS2準層序樣品73個，主要為灰綠色泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖；PS3準層序樣品58個，黑色、褐黑色油頁巖為主。

將巖心樣品進行粉碎，研磨至約0.075 mm(200目)。XRD實驗分析儀器采用德國布魯克公司生產(chǎn)的D8-ADVANCE X 射線衍射儀。實驗測試條件：Cu靶，Ka射線，工作電壓30～45 kV，掃描電流20～100 mA，采用連續(xù)掃描，掃描速度6(°)/min，采樣步寬0.02(°)，掃面范圍5(°)～45(°)。執(zhí)行沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X射線衍射分析方法標準(SY/T5163-2010)，進行礦物組分定量分析，得到樣品的礦物組成與含量數(shù)據(jù)。

3 礦物組分特征

根據(jù)X衍射全巖定量分析實驗結(jié)果，大民屯凹陷沙四下段主要礦物組分較為復雜，且不同層序內(nèi)差別較大，主要礦物組分由高到低為：石英、白云石、長石、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦、伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙混層等粘土礦物。其中石英相對含量最高，為2.70%～60.90%，平均為34.74%；其次為粘土礦物，為7.60%～49.80%，平均為33.57%；白云石相對含量為0～80.00%，平均為16.38%；長石相對含量分布在0～44.40%，平均為7.14%；黃鐵礦、方解石、菱鐵礦含量較少，平均含量分別為3.51%、2.90%、1.76%。

粘土礦物中以伊/蒙混層相對含量在36.00%～84.00%，平均為72.21%；伊利石相對含量在5.00%～38.00%，平均為18.06%；高嶺石相對含量在0～22.00%，平均為4.47%，綠泥石相對含量在1.00%～31.00%，平均為5.26%(見圖3)。

圖3 大民屯凹陷沙四下段礦物組成

從表1可以看出：研究區(qū)PS3準層序中石英和粘土礦物含量較高，分別占總量的39.38%和38.61%，菱鐵礦和黃鐵礦的含量明顯高于其他兩個準層序；PS2準層序為礦物組分中脆性礦物含量高，白云石類含量高達27.77%，石英含量占30.25%；PS1準層序粘土礦物含量占總量的33.42%，石英含量達35.26%，長石和方解石含量達12.51%，白云石類占總量的13.84%，白云石和石英含量高有利于裂縫、溶蝕孔的形成。

表1 沙四下段礦物含量/(質(zhì)量分數(shù)) %

4 與北美典型致密油儲層礦物組分對比

Bakken組和Eagle Ford組致密油是美國致密油勘探開發(fā)中最具代表性的2個實例。Williston 盆地Bakken 組是美國最早開展致密油勘探開發(fā)的目的層系[11]，資源量巨大；而Eagle Ford 組目前已成為美國致密油第1大產(chǎn)層。二者在礦物學特征方面有很大區(qū)別，脆性礦物含量普遍較高，儲層大都有很高的脆性。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看(表2)，Bakken組硅質(zhì)礦物含量穩(wěn)定，平均為58.63%，平均碳酸鹽巖礦物含量為28.41%。Eagle Ford組粘土礦物含量明顯偏低[12]，僅占7.5%，石英含量占20%，碳酸鹽巖平均含量高達67%。

表2 各組儲層礦物含量/(質(zhì)量分數(shù)) %

沙四下段礦物組分中，粘土礦物含量明顯高于Bakken組和Eagle Ford組，硅質(zhì)礦物含量中等，碳酸鹽巖礦物含量偏低，PS1準層序碳酸巖礦物含量17.98%，PS2準層序碳酸巖礦物含量0～80%，平均27.77%，PS3準層序碳酸巖礦物含量9.82%；Bakken組下段碳酸巖礦物含量為6%，中段碳酸巖礦物含量為21%～70%，平均為38%，上段碳酸巖礦物含量為10%[13]，且二者碳酸鹽巖礦物中均以白云石為主。

脆性礦物含量上，沙四下段明顯偏低，但平均含量在40%以上，達到致密油商業(yè)開發(fā)的標準[3,14]。

5 脆性特征綜合研究

目前巖石脆性計算主要有兩種常用的方法。一種是礦物法，即采用巖石中的脆性礦物含量來表征巖石脆性。礦物組分中石英，白云石含量越高，巖石脆性越強[15-17]，公式如下。

(1)

其中BI1——脆性指數(shù)；

VQ——石英體積分數(shù)；

VD——白云石體積分數(shù)；

VT——總礦物的體積分數(shù)。

另一種是彈性參數(shù)法，認為楊氏模量越高，泊松比越低的巖石脆性更強[18]。通過聲波測井數(shù)據(jù)計算得到楊氏模量和泊松比，用歸一化楊氏模量和歸一化泊松比的平均值表示巖石脆性[19-20]，公式如下。

(2)

(3)

BI2=(Ebrit+σbrit)/2

(4)

式中Ebrit——楊氏模量計算的脆性；

E——計算的楊氏模量，GPa；

Emin——楊氏模量最小值，GPa；

Emax——楊氏模量最大值，GPa；

σbrit——泊松比計算的脆性；

σ——計算的泊松比；

σmin——泊松比最小值；

σmax——泊松比最大值；

BI2——脆性指數(shù)。

利用以上兩種方法對大民屯凹陷沙四下段致密油儲層脆性進行綜合評價(圖4)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)巖石脆性受石英和白云石含量共同控制，不同深度，不同礦物組分含量下，石英和白云石對脆性的影響程度也不同。以礦物法脆性指數(shù)高于40%，彈性參數(shù)法脆性指數(shù)大于40，厚度大于10 m為標準，確定高脆性層位，共有兩段：1段3 172.32～3 185.09 m，位于PS3準層序內(nèi)，石英含量高，白云石含量較低，石英和白云石對脆性的影響程度差異不明顯，但含有一定量的黃鐵礦，平均為4.1%，黃鐵礦的存在有利于水力壓裂過程中復雜網(wǎng)縫的形成[21]；2段：3 241.46～3 283.10 m，位于PS2準層序內(nèi)，主要含有黏土礦物，石英，白云石和長石4種礦物，幾乎不含其他礦物；石英和白云石總量平均高達59.1%，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該層段白云石含量與脆性呈正相關性，而石英含量與脆性呈負相關性(圖5)，說明白云石含量是影響該段位脆性的主要因素。

圖4 大民屯凹陷沙四下段脆性分析結(jié)果圖

6 結(jié) 語

1)大民屯凹陷沙四下段主要礦物組分為石英、白云石、長石、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦和伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙混層等粘土礦物；大民屯凹陷沙四下段礦物組分中，粘土礦物含量明顯高于Bakken組和Eagle Ford組，白云石和方解石等碳酸鹽巖礦物含量較低，石英和長石等硅質(zhì)礦物含量中等。

圖5 脆性指數(shù)隨石英含量、白云石含量變化圖

2)研究區(qū)儲層脆性受石英和白云石含量共同控制，不同深度，不同礦物組分含量下，石英和白云石對脆性的影響程度也不同。

3)基于礦物法與彈性參數(shù)法脆性綜合評價，共選出兩段高脆性層段為：1段3 172.32～3 185.09 m，位于PS3準層序內(nèi)，石英和白云石對脆性的影響程度差異不明顯，適量的黃鐵礦對脆性有積極的貢獻；2段3 241.46～3 283.10 m，位于PS2準層序內(nèi)，白云石含量是影響該段位脆性的主要因素。

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