利用礦物含量計(jì)算砂巖脆性指數(shù)
——以鄂爾多斯盆地合水地區(qū)長(zhǎng)6段致密砂巖儲(chǔ)層為例

王曉東, 王一航, 王永田, 尤 源, 王成玉

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 第七采油廠,西安 710200;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 第八采油廠, 西安 710200; 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 勘探開發(fā)研究院,西安 710018)

巖石的脆性指數(shù)是致密砂巖體積壓裂需考慮的重要參數(shù)[1]，也是致密油勘探“甜點(diǎn)”區(qū)優(yōu)選的重要指標(biāo)之一。對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，脆性指數(shù)預(yù)測(cè)為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及后期壓裂射孔井段的選擇提供依據(jù)[2-3]。

目前還沒有專門針對(duì)砂巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)的計(jì)算方法，大部分學(xué)者借鑒頁(yè)巖脆性指數(shù)計(jì)算方法來(lái)評(píng)價(jià)砂巖儲(chǔ)層的脆性[1-6]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)巖石脆性指數(shù)開展的研究工作，主要采用巖石彈性參數(shù)計(jì)算法和巖石礦物組分計(jì)算法。鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組儲(chǔ)層總體致密，近幾年對(duì)延長(zhǎng)組砂巖儲(chǔ)層的巖石脆性指數(shù)計(jì)算工作已積累有較多成果，表明不同區(qū)塊不同層位的砂巖脆性指數(shù)差異很大，主要研究成果集中在延長(zhǎng)組第7段(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)7段”)砂巖，而對(duì)合水地區(qū)延長(zhǎng)組第6段(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)6段”)致密砂巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)研究很少，已成為制約長(zhǎng)6段致密油高效開發(fā)的難題之一。針對(duì)鄂爾多斯盆地合水地區(qū)長(zhǎng)6段致密砂巖儲(chǔ)層，應(yīng)用巖石礦物組分計(jì)算了砂巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)，分析了礦物成分對(duì)脆性指數(shù)的影響、致密砂巖儲(chǔ)層脆性特征及其成因，在此基礎(chǔ)上，開展脆性指數(shù)的定量預(yù)測(cè)，為水平井體積壓裂和提高致密油的開發(fā)效益提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

圖1 合水地區(qū)地理位置圖Fig.1 The location of Heshui region

合水地區(qū)行政區(qū)劃包括甘肅省合水縣、慶城縣、寧縣和正寧縣的一部分(圖1)，構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部，構(gòu)造背景為一平緩的西北傾單斜，傾角僅0.5°左右，平均坡降6‰～8‰。區(qū)內(nèi)發(fā)育三疊系延長(zhǎng)組和侏羅系延安組2套含油層組，其中長(zhǎng)6段為延長(zhǎng)組的主要產(chǎn)油層段，以半深湖相重力流沉積為主。長(zhǎng)6段根據(jù)沉積旋回可劃分為3個(gè)亞段，其中長(zhǎng)63亞段砂巖最為發(fā)育，主要為重力流水道沉積，砂體厚度較大且連片分布，是主力層段。砂巖粒度以粉-細(xì)粒砂為主，孔隙度(q)為9%～10.5%，滲透率(K)為(0.16～0.2)×10-3μm2，為典型的低孔低滲致密油儲(chǔ)層，普遍含油，勘探開發(fā)潛力巨大。

合水地區(qū)長(zhǎng)6段以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，石英含量較高，其體積分?jǐn)?shù)(φ)為40%～58%，以單晶石英為主；長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)較低，為15%～25%，其中鉀長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)為5%～8%，鈉長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)為12%～20%，鈉長(zhǎng)石含量高于鉀長(zhǎng)石；巖屑的體積分?jǐn)?shù)中等，為12%～20%，以變質(zhì)巖屑為主，次為沉積巖屑和火成巖屑，云母的平均體積分?jǐn)?shù)為3.8%；填隙物主要由黏土和碳酸鹽礦物組成，約占砂巖總量的14.1%，其中黏土約占9%，伊利石占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2 巖石脆性指數(shù)計(jì)算方法

巖石脆性是指巖石受力破碎時(shí)所表現(xiàn)的一種性質(zhì)，Obert[7]則將脆性定義為材料需要很少或者不需要塑性變形就破裂或斷裂的性質(zhì)。在致密儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，主要通過巖石脆性表征巖石壓裂的難易程度。目前對(duì)于巖石脆性多用定性描述，尚無(wú)統(tǒng)一測(cè)量方法。巖石脆性大小通常用脆性指數(shù)來(lái)表征，巖石的礦物成分、力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)是影響脆性指數(shù)的重要因素，一般認(rèn)為，彈性模量越大、泊松比越小，脆性指數(shù)越高，巖石越容易破裂[1]。脆性指數(shù)較高的巖石性質(zhì)硬而脆，常發(fā)育構(gòu)造裂縫，壓裂過程中能迅速形成網(wǎng)狀裂縫而對(duì)提高產(chǎn)能有幫助。

目前，研究巖石脆性主要采用應(yīng)力-應(yīng)變、靜態(tài)彈性參數(shù)實(shí)驗(yàn)，以及巖石礦物成分分析等方法[1-2]。通常用巖石變形參數(shù)法定義脆性指數(shù)IB，計(jì)算公式為

式中：a為不可恢復(fù)應(yīng)變；b為殘余應(yīng)變。

國(guó)外學(xué)者分析不同礦物巖石力學(xué)性質(zhì)差異后，認(rèn)為礦物成分及其結(jié)構(gòu)是影響巖石脆性的主要因素，從而建立了通過巖石礦物成分定量計(jì)算巖石脆性的方法，在國(guó)內(nèi)也得到較好應(yīng)用；同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的巖石礦物結(jié)合測(cè)井參數(shù)提出了不同的評(píng)價(jià)方法[1-4,8]。

用礦物成分計(jì)算巖石脆性指數(shù)的方法簡(jiǎn)便實(shí)用，但由于不同學(xué)者對(duì)脆性礦物的認(rèn)識(shí)差異(一般將石英、碳酸鹽等歸為脆性礦物，黏土為塑性礦物)，所建立的脆性計(jì)算模型各有不同[1-6]，致密砂巖脆性指數(shù)計(jì)算公式多采用：IB=石英含量/(石英+碳酸鹽+黏土)含量。黃軍平等[3]對(duì)西北地區(qū)某盆地含煤地層提出的砂巖脆性指數(shù)計(jì)算公式為：IB=石英含量/(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽+黏土)含量；而對(duì)于非煤層地區(qū)將長(zhǎng)石礦物作為脆性組分，提出的脆性指數(shù)計(jì)算公式為：IB=(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽)含量/(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽+黏土)含量。

長(zhǎng)石是否為脆性礦物，不同學(xué)者看法不一。徐蕾等[9]從晶體光學(xué)角度對(duì)長(zhǎng)石族礦物的脆性差異進(jìn)行了分析，認(rèn)為鈣長(zhǎng)石等脆性較強(qiáng)，鈉長(zhǎng)石的脆性中等，鉀長(zhǎng)石的脆性最弱。通過對(duì)合水地區(qū)長(zhǎng)6段砂巖礦物成分研究表明，其長(zhǎng)石主要為鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，鈣長(zhǎng)石很少見到，長(zhǎng)石的巖石脆性遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于石英，因而，合水地區(qū)長(zhǎng)6段脆性指數(shù)計(jì)算中將長(zhǎng)石作為非脆性礦物處理。

通過對(duì)合水地區(qū)長(zhǎng)6段致密砂巖儲(chǔ)層巖石礦物成分及巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果分析，并與礦物成分相近的長(zhǎng)7段致密砂巖實(shí)測(cè)巖石脆性[9]進(jìn)行比較和整理，提出如下2個(gè)巖石脆性指數(shù)計(jì)算公式。

公式①：IB=w石英/w石英+碳酸鹽+黏土

公式②：IB=w石英+碳酸鹽/w礦物總量

用公式①計(jì)算巖石脆性指數(shù)較簡(jiǎn)便，應(yīng)用全巖分析資料預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，但存在2個(gè)缺點(diǎn)：一是沒有考慮脆性礦物碳酸鹽及其他非脆性礦物；二是應(yīng)用薄片鑒定資料時(shí)，需要結(jié)合X射線衍射黏土礦物分析資料，才能確定黏土含量。

用公式②計(jì)算巖石脆性指數(shù)也比較簡(jiǎn)便，在確定石英、碳酸鹽等脆性礦物含量的基礎(chǔ)上，若長(zhǎng)石主要為鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石，則包括長(zhǎng)石在內(nèi)的其他成分為非脆性礦物?？捎萌珟r分析、薄片鑒定等資料計(jì)算脆性指數(shù)，其中礦物總量包括：石英、長(zhǎng)石、巖屑、云母、黏土、碳酸鹽等，礦物總量為100%，所以公式②計(jì)算脆性指數(shù)時(shí)，實(shí)際值等于石英+碳酸鹽含量值。

根據(jù)合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63砂巖儲(chǔ)層7塊X射線衍射全巖及15塊巖石薄片樣品分析資料，應(yīng)用上述2個(gè)公式，計(jì)算砂石脆性指數(shù)，其結(jié)果如表1。

公式①計(jì)算結(jié)果脆性指數(shù)平均值為74.8%，公式②脆性指數(shù)平均值為56.3%，其中公式②計(jì)算結(jié)果與用巖石力學(xué)方法預(yù)測(cè)結(jié)果相近(表2)。根據(jù)合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63儲(chǔ)層8塊樣品巖石力學(xué)測(cè)試的彈性模量和泊松比，經(jīng)過歸一化處理后，計(jì)算的巖石脆性指數(shù)平均值為50.8%；在長(zhǎng)63同一層段中，相鄰近的樣品用礦物分析法公式②計(jì)算巖石脆性指數(shù)，平均值為51.2%，兩者結(jié)果相近。因?yàn)椴蓸佣尾煌瑔螇K樣兩者分析有差別，但平均值相近。

趙向原等[10]用巖石力學(xué)方法預(yù)測(cè)合水地區(qū)長(zhǎng)6段砂巖脆性指數(shù),結(jié)果是多數(shù)>50%，峰值為50%～60%，與本文用礦物法預(yù)測(cè)結(jié)果一致。由此可見，本文用巖石礦物法計(jì)算的巖石脆性指數(shù)結(jié)果較為客觀，且實(shí)用性強(qiáng)。一般情況下各盆地在對(duì)儲(chǔ)層研究中均開展了大量巖石薄片鑒定以及X射線衍射全巖分析，只要知道礦物成分中石英和碳酸鹽含量，就可預(yù)測(cè)出巖石脆性指數(shù)。

表1 合水地區(qū)長(zhǎng)63巖石礦物分析法計(jì)算脆性指數(shù)Table 1 The brittleness index calculated by mineral analysis method for Chang-63 Formation in Heshui region

表2 合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63砂巖樣品力學(xué)試驗(yàn)與礦物分析法脆性指數(shù)對(duì)比Table 2 The comparison of brittleness index by rock mechanics method with that by mineral analysis method for sandstone samples from Chang-63 Formation in Heshui region

3 長(zhǎng)6砂巖脆性指數(shù)特征及分布

3.1 脆性特征

前已述及在致密砂巖儲(chǔ)層中，用脆性礦物含量表征巖石脆性，脆性礦物含量越高，巖石脆性越強(qiáng)。脆性越大的巖石，往往容易受壓破碎，形成裂縫；否則受壓或受拉容易變形，不易破碎。

在砂巖儲(chǔ)層中，巖石脆性指數(shù)受脆性礦物石英含量影響最大，其次為碳酸鹽膠結(jié)物。合水地區(qū)長(zhǎng)6段致密砂巖儲(chǔ)層中石英礦物含量較高(平均體積分?jǐn)?shù)為49.3%)，其與脆性指數(shù)成正比(圖2-A)；碳酸鹽膠結(jié)物的體積分?jǐn)?shù)為4%～10%，對(duì)巖石脆性具有一定的影響；相反，黏土含量及其他非脆性礦物(如云母、泥質(zhì)巖屑、火山灰等)與脆性指數(shù)成反比(圖2-B)。

3.2 脆性指數(shù)分布

從合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63砂巖脆性指數(shù)分布可以看出(圖3)，脆性指數(shù)一般大于40%，峰值在55%～60%，說(shuō)明儲(chǔ)層脆性較大。通過盆地周緣露頭剖面與盆地內(nèi)部鉆井巖心的重礦物和輕礦物組合特征的對(duì)比分析，合水地區(qū)長(zhǎng)6期沉積主要受西南及南部物源控制，石英含量較高、長(zhǎng)石含量較低、巖屑中等，因此，造成了合水地區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層具有高巖石脆性指數(shù)。

圖2 合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63礦物成分與脆性指數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 The relation curves between rock constituents and brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

圖3 合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63砂巖脆性指數(shù)分布圖Fig.3 The histogram of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

針對(duì)合水地區(qū)56口井主力層長(zhǎng)63巖石薄片鑒定和全巖分析資料，采用本文提出的公式②計(jì)算了單井巖石脆性指數(shù)并編制脆性指數(shù)平面分布圖(圖4)，結(jié)果表明合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63巖石脆性指數(shù)較高，主力區(qū)塊脆性指數(shù)>60%，有利于開展大型體積壓裂改造，不僅可形成眾多的人工裂縫，而且還將會(huì)連通、擴(kuò)大和增大天然裂縫而形成滲流性更好的裂縫網(wǎng)絡(luò)[11-17]，增加泄油面積，大幅度提高油井單井產(chǎn)量。如合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63前期采用直井開發(fā)，單井產(chǎn)量平均為1.0 t/d左右，而近年采用水平井和大型體積壓裂改造措施后，由于巖石脆性高，形成了大量的網(wǎng)狀裂縫(圖5)，單井產(chǎn)量普遍增大到8.0～9.0 t/d，最高可達(dá)10 t/d以上。

圖4 合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63砂巖脆性指數(shù)分布圖Fig.4 Contour map of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

圖5 合水地區(qū)GP27-18井長(zhǎng)63儲(chǔ)層壓裂裂縫微地震檢測(cè)俯視圖Fig.5 The micro-seismic monitoring map of Chang-63 Formation during hydro-fracturing in Well GP27-18, Heshui region不同顏色小球代表不同壓裂段裂縫分布范圍，橫向?yàn)榱芽p半長(zhǎng)，縱向?yàn)榱芽p寬度。裂縫半長(zhǎng)200～300 m，裂縫寬35～70 m

4 結(jié) 論

a.脆性指數(shù)與巖石礦物成分密切相關(guān)，脆性礦物含量越高，巖石越容易破裂。脆性礦物主要是石英、碳酸鹽等，巖石脆性指數(shù)受石英含量影響最大，石英含量越高脆性指數(shù)越大。

b.采用“脆性指數(shù)=(石英+碳酸鹽)含量/礦物總量”計(jì)算巖石脆性指數(shù)，其值與實(shí)測(cè)巖石脆性指數(shù)比較接近，且實(shí)用性強(qiáng)。

c.合水地區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層高石英含量是形成高巖石脆性指數(shù)的主控因素，主力層長(zhǎng)63脆性指數(shù)平均為56.3%，適合大型體積壓裂改造。

d.根據(jù)單井巖石脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)了合水地區(qū)主力層長(zhǎng)63巖石脆性指數(shù)平面分布特征，主力區(qū)塊巖石脆性指數(shù)>60%。

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