蘇北盆地高郵凹陷阜四段泥頁巖儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)

劉 蕾，宋驥衍

(1. 長江大學(xué)，湖北 武漢 430100； 2 河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地形成于晚白堊世儀征運(yùn)動(dòng)，屬于蘇北—南黃海盆地的陸上部分。海相中、古生代沉積實(shí)體為基底；陸相中生代、新生代斷—坳陷沉積體為蓋層，包括泰州組、阜寧組等多套地層。高郵凹陷位居蘇北盆地東臺(tái)坳陷中部，南部是真①斷層、吳①斷層與通揚(yáng)隆起和吳堡低凸起相鄰，北部以平緩的斜坡與柘垛低凸起相接，西側(cè)以菱塘橋低凸起和柳堡低凸起與金湖凹陷相隔，東臨白駒凹陷，是蘇北盆地油氣最為富集、勘探程度最高的三級(jí)構(gòu)造單元。

阜四段(E1f4)沉積期屬盆地坳陷演化階段，地殼比較平穩(wěn)，海水又有較明顯的侵入，湖盆擴(kuò)大，水系后退，盆地主體為半深水、深水環(huán)境。沉積了大套深灰、灰黑色泥巖，夾泥灰?guī)r、油頁巖。早期源自西部物源區(qū)的三角洲體系繼承性發(fā)育，影響金湖凹陷西部地區(qū)，形成三角洲砂體，在泥沛、東陽、韓竹園等地尚有碳酸巖生物灘發(fā)育，形成生物碎屑巖沉積。依據(jù)巖性及電性特征。

E1f4縱向上可劃分為E1f41(俗稱“頂部尖峰段”，也稱頁1)、E1f42(俗稱“上泥”)、E1f43(俗稱“十八尖峰段”，也稱頁2)、E1f44(俗稱“下泥”)、E1f45(俗稱“三尖峰”—“C”，也稱頁3)、E1f46(俗稱“多尖峰段”，也稱頁4)、E1f47(“彈簧段”)等7個(gè)層,分別對(duì)應(yīng)E1f4A、E1f4B、 E1f4C、E1f4D、E1f4E、E1f4F、E1f4G。

2 泥頁巖巖性特征及儲(chǔ)積特征

2.1 泥頁巖巖性特征

本區(qū)泥頁巖主要成分為粉砂質(zhì)陸源碎屑、方解石以及粘土礦物。根據(jù)沉積構(gòu)造理論，結(jié)合巖心觀察、薄片鑒定及X衍射全巖礦物分析結(jié)果，將目的層泥頁巖分為4大類7種。首先根據(jù)礦物成分含量的多少，可以分為含灰泥巖、灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖4大類；再根據(jù)是否發(fā)育紋層狀構(gòu)造，將含灰泥巖分為紋層狀含灰泥巖、層狀含灰泥巖兩種，將灰質(zhì)泥巖分為紋層狀灰質(zhì)泥巖、層狀灰質(zhì)泥巖以及塊狀灰質(zhì)泥巖3種，粉砂質(zhì)泥巖及泥巖不發(fā)育紋層狀構(gòu)造[1]。

2.2 泥頁巖儲(chǔ)積特征

高郵凹陷E1f4頁巖發(fā)育微孔隙和微裂縫兩種主要的儲(chǔ)集空間類型，微孔隙類型主要以云母具溶蝕形成的次生片理孔為主，孔徑一般為20～80 μm。

高郵凹陷頁巖發(fā)育直立裂縫、陡傾裂縫、緩傾裂縫、水平裂縫、無定向裂縫等7種微裂縫；含油裂縫主要以陡傾裂縫和水平裂縫為主，形成于三垛組沉積沉積中—晚期。

高郵凹陷E1f4頁巖孔隙度平均為5.2%～6.54%，其中E1f4灰質(zhì)泥巖相孔隙度最大，平均達(dá)6.11%，水平滲透率也最高。E1f4E孔隙度較好，平均為6.54%；E1f4A、E1f4C和E1f4F孔隙度相差不大，平均介于5.2%～5.4%；E1f4頁巖的孔隙度與滲透率的相關(guān)性很差。

3 阜四段泥頁巖儲(chǔ)層可壓裂性分級(jí)

參考國內(nèi)外分類方案，本次研究將研究區(qū)泥頁巖的可壓裂性級(jí)別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，其中，Ⅰ類的脆性指數(shù)(BI)最低，處于10～30之間，說明其可壓裂性低，使用支撐劑的顆粒體積較小且濃度較高；Ⅱ類脆性指數(shù)BI中等，處于30～50之間，其可壓裂性中等，使用支撐劑的顆粒體積和濃度均適中；Ⅲ類脆性指數(shù)BI最高。而頁巖脆性的大小對(duì)壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫的形態(tài)可產(chǎn)生比較大的影響。塑性頁巖泥質(zhì)含量越高，壓裂時(shí)越容易產(chǎn)生裂縫變形，形成較簡(jiǎn)單的裂縫網(wǎng)絡(luò)，脆性頁巖石英等脆性礦物含量比較高，壓裂時(shí)較易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。所以，頁巖脆性越高，裂縫所形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，脆性系數(shù)在50～70之間時(shí)，可壓裂性高，使用支撐劑的顆粒體積較大且濃度較低[2-3]，如表1所示。

表1 不同級(jí)別可壓裂性頁巖儲(chǔ)層特征

4 評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算

4.1 楊氏模量

楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量，是沿縱向的彈性模量。其值越大，使巖石發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即巖石剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小[4]。根據(jù)彈性波動(dòng)理論可得到以下公式:

(1)

式(1)中：E為楊氏模量，反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，一般為10～80 GPa；△ts為橫波時(shí)差，μs/ft；AC為縱波時(shí)差，μs/ft；g為重力加速度。

4.2 泊松比

泊松比是在巖石的比例極限內(nèi)巖石相對(duì)壓縮與相對(duì)伸長的比值，反應(yīng)橫向變形的參數(shù)[5]。根據(jù)彈性波動(dòng)理論可得出以下公式:

(2)

式(2)中：U為泊松比，無量綱；△ts為橫波時(shí)差，μs/ft；AC為縱波時(shí)差，μs/ft。

4.3 脆性特征參數(shù)BI

頁巖脆性參數(shù)是影響頁巖可壓裂性的最重要的因素，頁巖脆性包括泊松比和楊氏模量，泊松比反映了頁巖在壓力下的破裂能力，楊氏模量反映了壓裂后保持裂縫的能力[6]。頁巖楊氏模量越高、泊松比越低、脆性越高，可壓裂性越高[7]。則根據(jù)泊松比和楊氏模量可得到以下公式。

阜四段E1f4C、E1f4F、E1f4E脆性指數(shù)BI值含量平面等值線圖分別見圖1～3。

圖1 阜四段E1f4C 脆性指數(shù)BI值含量平面等值線

圖2 阜四段E1f4F 脆性指數(shù)BI值含量平面等值線

圖3 阜四段E1f4E 脆性指數(shù)BI值含量平面等值線

一般來說，脆性特征指數(shù)BI越高，泥頁巖儲(chǔ)層的可壓裂性越好[8]，由圖1～3可知：馬3井—馬10井—黃158井—黃20井—馬4井區(qū)域?yàn)楦哙]凹陷E1f4C儲(chǔ)集及改造Ⅰ類區(qū)；聯(lián)5井—甲 1井—富42井—富深1井—曹21井區(qū)域和凹陷東部的花2井—陳X12井區(qū)域?yàn)棰蝾愑欣麉^(qū)。黃20井—黃158井區(qū)域?yàn)镋1f4E儲(chǔ)集改造Ⅰ類區(qū)，馬10井—馬3井—聯(lián)5井—永12井—曹21井區(qū)域和花2井周圍為Ⅱ類有利區(qū)。馬3井—馬10井—黃158井—黃20井—馬4井區(qū)域?yàn)镋1f4F儲(chǔ)集改造Ⅰ類區(qū)，聯(lián)5井—真86井為Ⅱ類有利區(qū)。

4.4 脆性礦物含量及組成

蘇北盆地E1f4頁巖層礦物組成以粘土礦物、石英和碳酸鹽礦物為主，次為長石和方沸石，少量黃鐵礦和微量石膏。總體來看，蘇北盆地E1f4F套頁巖脆性礦物含量均大于50%(見圖4)，壓裂改造條件均很好，其中E1f4E粘土礦物含量最少(36.36%)，碳酸鹽巖礦物含量最高(25.61%)，壓裂改造條件最好；而E1f4F粘土礦物含量最高(46.73%)，壓裂改造條件相對(duì)較差。

圖4 蘇北盆地阜四段頁巖礦物組成

以黃158井為例，得出泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)如表2所示。

表2 黃158井E1f4頁巖巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1)蘇北盆地E1f4發(fā)育塊狀泥巖、紋層狀泥巖、紋層狀含灰泥巖、層塊狀含灰泥巖、紋層狀灰質(zhì)泥巖、層塊狀灰質(zhì)泥巖以及薄層狀粉砂質(zhì)泥巖等7種主要的巖石相類型。其中塊狀泥巖、紋層狀泥巖和薄層狀粉砂質(zhì)泥巖頁巖油形成條件較差；紋層狀灰質(zhì)頁巖、層塊狀灰質(zhì)泥巖頁巖油生成條件最有利，紋層狀含灰泥巖和層塊狀含灰泥巖次之，主要分布于E1f4A、E1f4C、E1f4E、E1f4F等4個(gè)層。

2)高郵凹陷E1f4頁巖孔隙度平均為5.2%～6.54%，其中E1f4灰質(zhì)泥巖相孔隙度最大，平均達(dá)6.11%；水平滲透率也最高。E1f4E孔隙度較好，平均為6.54%；E1f4A、E1f4C和E1f4F孔隙度相差不大，平均介于5.2%～5.4%；E1f4頁巖的孔隙度與滲透率的相關(guān)性很差。

3)高郵凹陷E1f4頁巖脆性礦物含量高(平均大于50.72%)，泊松比適中(0.19～0.26)，脆性指數(shù)較高(30.10%～44.71%)，具有較好的可壓裂性。但頁巖楊氏模量相對(duì)較低(12.9～19.4 GPa)。綜合評(píng)價(jià)E1f4E可壓裂性最好，E1f4C和E1f4A次之，E1f4F最差。頁巖脆性指數(shù)越高，裂縫越發(fā)育。