利用元素成分準(zhǔn)確評(píng)價(jià)海相頁(yè)巖脆性的方法

孫紅華 姜維寨 孟慶峰 范 偉 徐 皓 張明揚(yáng) 趙 巖 王燦丹婷 韓樺林 陳京原

(中國(guó)石油渤海鉆探第二錄井公司)

0 引 言

脆性是影響地層可壓裂性的重要因素，是評(píng)價(jià)工程甜點(diǎn)的重要指標(biāo)[1-2]，但脆性的定義并不明確[3-4]，有關(guān)評(píng)價(jià)方法包括全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、硬度、強(qiáng)度、能量、成分五大類40余種方法[5-6]，由于定義及模型的不統(tǒng)一性，也難以用明確的尺度衡量不同模型的效果與精度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31483-2015《中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》、GB/T 35110-2017《海相頁(yè)巖氣勘探目標(biāo)優(yōu)選辦法》及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0254-2014《頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》采用脆性礦物含量表征頁(yè)巖的脆性，脆性礦物含量主要來(lái)源于巖心分析，由于頁(yè)巖氣是低成本開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，多采用水平井等作業(yè)方式，通常不進(jìn)行鉆井取心，且測(cè)井資料較少或不測(cè)井，同時(shí)頁(yè)巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，直井的巖心數(shù)據(jù)不能完全表征水平段的巖石特性，難以為水平段的精細(xì)分段壓裂提供有效支撐。因此，亟需通過(guò)錄井手段來(lái)解決脆性的連續(xù)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)難題。

元素錄井是采用XRF(X射線熒光)、LIBS(激光誘導(dǎo)擊穿光譜)等原理在鉆井現(xiàn)場(chǎng)隨鉆、快速分析巖屑(巖心)元素成分的一項(xiàng)新技術(shù)，可用于巖性識(shí)別、地層劃分與層位卡取、沉積環(huán)境識(shí)別、地質(zhì)導(dǎo)向、甜點(diǎn)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[7-10]，在頁(yè)巖氣井廣泛使用。其中一種方法是對(duì)(Si+Ca+Mg)進(jìn)行歸一化處理求取脆性指數(shù)[11]；另一種方法是分別用Si、K、Ca的歸一化數(shù)據(jù)表征砂質(zhì)、泥質(zhì)、鈣質(zhì)含量，然后用砂質(zhì)含量占三者含量之和的百分?jǐn)?shù)代表脆性指數(shù)[12]。顯然這兩種脆性指數(shù)存在差異，Si、K、Ca、Mg都不是某種礦物的獨(dú)有元素，因而也與脆性礦物含量有差異。為此，在分析元素與脆性礦物關(guān)系的基礎(chǔ)上，嘗試建立與脆性礦物相統(tǒng)一的脆性元素法，提高脆性評(píng)價(jià)的統(tǒng)一性與準(zhǔn)確性。

1 常用脆性評(píng)價(jià)方法比較

海相頁(yè)巖的礦物成分相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦及黏土礦物組成，黏土礦物主要為伊利石、綠泥石與伊蒙混層。GB/T 31483-2015定義的脆性礦物包括石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等，DZ/T 0254-2014定義的脆性礦物包括硅酸鹽礦物(石英、長(zhǎng)石和巖屑碎屑)和碳酸鹽礦物。

常用的頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)方法有三類(表1)：一是基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)法，即取歸一化后楊氏模量及泊松比的平均值(BI1)[13-16]，這是測(cè)井常用的方法，基于偶極子陣列聲波測(cè)井資料求取，而聲波測(cè)井資料受井眼條件(溫度、壓力、井徑等)的影響；二是基于礦物組分的脆性指數(shù)法，這類模型有多種方法，分子、分母并不統(tǒng)一，BI2將石英作為脆性礦物，分母為石英、方解石和黏土礦物之和，BI3將石英和白云石作為脆性礦物，分母為石英、白云石、方解石、黏土礦物及總有機(jī)碳的含量之和，即考慮了干酪根的含量，BI4將石英和鈣質(zhì)礦物作為脆性礦物[17]，分母為石英、鈣質(zhì)礦物和黏土礦物之和；三是基于元素組分的脆性指數(shù)法，BI5是用Ca、Mg、Si分別代表方解石、白云石、石英的含量，對(duì)這三種元素的含量之和做歸一化處理表征脆性指數(shù)，BI6是用Si、K、Ca的歸一化數(shù)據(jù)分別代表砂質(zhì)、泥質(zhì)、鈣質(zhì)礦物的含量，然后求取砂質(zhì)含量所占的百分?jǐn)?shù)，其理論依據(jù)與BI2相同。

這三類方法內(nèi)涵相通，因?yàn)閹r石是由礦物組成的，礦物是由元素組成的，而每種礦物的巖石力學(xué)特性是其固有屬性[18]，即楊氏模量與泊松比是基本固定的。因?yàn)闂钍夏Ａ吭酱?、泊松比越小，巖石脆性越好，所以頁(yè)巖的脆性主要由石英、白云石、黃鐵礦等礦物決定(圖1)。

表1 常用的頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)方法

以WY 1導(dǎo)眼井為例，通過(guò)偶極子聲波測(cè)井資料計(jì)算BI1，通過(guò)巖心X射線衍射(XRD)資料計(jì)算BI2、BI3、BI4，通過(guò)巖心X射線熒光(XRF)資料計(jì)算BI5、BI6。以脆性礦物含量(BM)為對(duì)標(biāo)依據(jù)，分別將這三類方法與其進(jìn)行比較(圖2)。從曲線相似度看，BI4與BM的相似度最高，因?yàn)锽I4的分母為100%，分子的脆性礦物與BM是一致的；其次是BI1、BI5趨勢(shì)上與BM大致一致，因?yàn)锽I5以Ca、Mg、Si代替方解石、白云石、石英，與BM對(duì)脆性礦物的定義基本一致；而B(niǎo)I2、BI3、BI6因?qū)Υ嘈缘V物的定義不同，與BM差異較大。對(duì)110個(gè)深度點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出(圖3)：BI4、BI3、BI2三種基于礦物組分的脆性指數(shù)與BM的相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.78、0.68；基于彈性參數(shù)的脆性指數(shù)BI1與BM的相關(guān)系數(shù)為0.67；而B(niǎo)I5、BI6兩種基于元素組分的脆性指數(shù)與BM的相關(guān)系數(shù)分別為0.38、0.06。

由此可見(jiàn)，以脆性礦物總量作為對(duì)標(biāo)依據(jù)，表1中6種脆性指數(shù)的效果排序?yàn)椋築I4>BI3>BI2>BI1>BI5>BI6，即礦物組分法的精度最高，其次是彈性參數(shù)法，元素組分法的精度較低。

圖1 海相頁(yè)巖主要組成礦物的彈性參數(shù)

圖2 WY 1井脆性評(píng)價(jià)模型與脆性礦物含量的曲線對(duì)比

圖3 6種脆性指數(shù)與脆性礦物含量的相關(guān)性對(duì)比

2 脆性元素評(píng)價(jià)模型的建立

進(jìn)行脆性元素評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)由元素到脆性礦物之間的轉(zhuǎn)換。測(cè)井、錄井領(lǐng)域都探討了由元素轉(zhuǎn)換礦物的方法[19-21]，但存在方法繁瑣、精度難以滿足需求等問(wèn)題，如：模型BI5中的Si元素并不僅存在于石英中，在長(zhǎng)石、伊利石中也存在；Ca元素不僅在方解石中存在，在斜長(zhǎng)石、白云石中也存在；Mg元素不僅存在于白云石中，在綠泥石中也存在(表2)。因此，直接用Si、Ca、Mg的元素含量表征石英、方解石、白云石等脆性礦物的含量存在較大誤差，導(dǎo)致BI5與BM之間的相關(guān)性較差(圖3)。

表2 海相頁(yè)巖主要組成礦物的分子式

四川盆地海相頁(yè)巖中的硅質(zhì)成分主要分為兩類：一類是生物成因硅，來(lái)源于硅藻、放射蟲(chóng)等硅質(zhì)生物；另一類是碎屑成因硅，為黏土成巖作用中形成的自生石英。將高于正常碎屑沉積環(huán)境的SiO2含量稱為過(guò)量硅[22]。

Si過(guò)量=Si樣品-(Si/Al)背景×Al樣品

(1)

式中：Si過(guò)量為過(guò)量硅含量，%；Si樣品為實(shí)測(cè)樣品的Si含量，%； (Si/Al)背景為(Si/Al)的背景值，采用平均頁(yè)巖比值3.11；Al樣品為實(shí)測(cè)樣品的Al含量，%。

從圖4可以看出，Si與石英含量之間的相關(guān)系數(shù)為0.56，而過(guò)量硅與石英含量之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75，因此采用過(guò)量硅表征石英含量。從圖5可以看出，Mg元素與白云石的相關(guān)系數(shù)僅為0.39；Ca元素含量與碳酸鹽巖(方解石+白云石+鐵白云石)含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，超過(guò)了Ca元素與方解石的相關(guān)系數(shù)0.93，所以可以用Ca元素的含量表征碳酸鹽巖礦物的含量。對(duì)標(biāo)脆性礦物含量，提出脆性元素含量(BE)的概念，其公式為：

圖4 硅、過(guò)量硅含量與石英含量的相關(guān)性分析

BE=Si過(guò)量+Ca

(2)

用公式(2)表征硅質(zhì)礦物與碳酸鹽巖礦物含量之和。從圖2可以看出，BE曲線與BM曲線的平行度較高，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)BI5、BI6與BM的相關(guān)系數(shù)，也超過(guò)了BI1與BM的相關(guān)系數(shù)(0.67)?；贐E與BM的高度一致性，可以直接采用BE建立脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也可以建立BE與BM的轉(zhuǎn)換模型(圖6)。

BME=0.953 1BE+21.325 7

(3)

式中：BME為通過(guò)脆性元素計(jì)算的脆性礦物含量，%。

本文依據(jù)GB/T 35110-2017中的脆性礦物含量分類，建立了基于BE、BME的脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

圖5 碳酸鹽巖代表性元素分析

圖6 脆性元素與脆性礦物之間的相關(guān)性分析

表3 基于頁(yè)巖組分含量的脆性評(píng)價(jià)分類

3 脆性元素方法的應(yīng)用

WY 2導(dǎo)眼井進(jìn)行了鉆井取心，并對(duì)巖心進(jìn)行了XRF分析，采用公式(2)和公式(3)分別求取脆性元素含量(BE)及脆性礦物含量(BME)，并與XRD的脆性礦物含量(BM)進(jìn)行比較(圖7)可以看出：BE與BM二者近乎平行，趨勢(shì)一致；BME與BM近乎重合。這證明所建立的方法在水平段沒(méi)有XRD礦物分析及偶極子聲波測(cè)井資料的情況下，通過(guò)XRF錄井能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水平段的脆性，為壓裂選層提供可靠依據(jù)。最終在WY 2HF井水平段4 000～5 555 m解釋Ⅰ類層1 353 m，Ⅱ類層196 m，Ⅲ類層7 m，測(cè)試絕對(duì)無(wú)阻流量為40.14×104m3/d。

圖7 脆性評(píng)價(jià)模型在WY 2井中的應(yīng)用效果驗(yàn)證

4 結(jié) 論

(1)脆性沒(méi)有確切的定義，脆性評(píng)價(jià)模型多種多樣，國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以脆性礦物含量作為評(píng)價(jià)脆性的主要指標(biāo)。

(2)Si、Ca、Mg均存在于2種及2種以上的礦物中，Si、Ca、Mg并不能準(zhǔn)確表征石英、方解石、白云石等脆性礦物含量。過(guò)量硅(Si過(guò)量)相比于元素Si，能夠更準(zhǔn)確地代表石英含量，Ca元素能夠準(zhǔn)確代表碳酸鹽巖礦物(方解石+白云石+鐵白云石)含量。

(3)脆性元素含量(Si過(guò)量+Ca)與脆性礦物含量的相關(guān)性較顯著，超過(guò)了傳統(tǒng)的元素組分法，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)礦物脆性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。