湖相泥頁巖脆性指數(shù)計(jì)算方法探討與應(yīng)用
——以黃驊坳陷滄東凹陷孔二段為例

王 冠 刁麗穎 趙 玥 楊 飛 任仕超

(①中國(guó)石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院；②中國(guó)石油大港油田分公司第五采油廠)

0 引 言

頁巖油是全球非常規(guī)石油勘探的新亮點(diǎn)，與油頁巖人工萃取原油不同，頁巖油是指生成并賦存于地下頁巖層系中的液態(tài)烴類，頁巖經(jīng)壓裂改造后可直接獲得工業(yè)油流[1]。我國(guó)頁巖油資源豐富，從1960年以來，松遼、渤海灣(遼河、濟(jì)陽、濮陽等坳陷)及南襄等中新生代陸相盆地均已不同程度地獲得了頁巖油流[1-3]。在頁巖油勘探中，頁巖油儲(chǔ)集層脆性特征是儲(chǔ)集層力學(xué)評(píng)價(jià)、遴選射孔改造層段和設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模的重要基礎(chǔ)，但頁巖油儲(chǔ)集層脆性礦物含量低和可改造性差等特征制約了我國(guó)頁巖油的勘探開發(fā)[4]。目前,關(guān)于頁巖油儲(chǔ)集層脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法尚不完善。通過借鑒在頁巖氣勘探過程中所使用的方法[5-6]，研究結(jié)果顯示,基于礦物組成的儲(chǔ)集層脆性指數(shù)方法具有一定實(shí)用性，但忽略了不同礦物成分之間脆性的差異性，評(píng)價(jià)結(jié)果不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁巖油儲(chǔ)集層脆性特征。基于楊氏模量和泊松比歸一化(無量綱化)[7-8]的地層脆性指數(shù)計(jì)算方法是描述儲(chǔ)集層脆性特征的直接方法，其試驗(yàn)結(jié)果能夠直接用于儲(chǔ)集層的可壓裂性評(píng)價(jià)，但由于取樣和試驗(yàn)的限制，該方法不能被用于全井段的脆性特征評(píng)價(jià)。為解決這一矛盾，本文采用聯(lián)合取樣的方法，使用掃描電鏡和全巖X射線衍射(XRD)方法確定該區(qū)泥頁巖礦物組成及其相對(duì)含量，利用三軸壓力試驗(yàn)方法獲得巖心樣品的楊氏模量和泊松比計(jì)算巖石脆性指數(shù)，通過數(shù)值模擬尋找礦物成分組成與地層脆性指數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而完善頁巖油儲(chǔ)集層脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，其西側(cè)為滄縣隆起，東側(cè)為徐黑凸起，北側(cè)以孔店凸起為界，南側(cè)至東光凸起[9]，是黃驊坳陷內(nèi)第二大富油凹陷。滄東凹陷在孔二段沉積時(shí)期為一陸內(nèi)坳陷盆地，盆地中心為當(dāng)時(shí)的湖盆中心及沉降中心。在湖盆擴(kuò)張的背景下，孔二段發(fā)育一套邊緣為常規(guī)砂巖、內(nèi)部為泥頁巖及中部為過渡巖相的三環(huán)帶沉積地層?？锥文囗搸r面積為600 km2,厚度可達(dá)400～600 m，是研究區(qū)內(nèi)主要的烴源巖段，其內(nèi)部致密砂巖和白云巖儲(chǔ)集層在縱向上厚度穩(wěn)定，橫向上連片分布，源儲(chǔ)一體，油氣顯示活躍，具有良好的勘探前景。

研究區(qū)孔二段細(xì)粒相區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度平均3.26%(1038個(gè)樣品)，最大可達(dá)12.92%，整體屬于富烴源巖。鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布在0.66～0.96之間(74個(gè)樣品)，平均0.76,處于低成熟至中等成熟階段，以生油為主?？锥文囗搸r內(nèi)粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙、裂縫等儲(chǔ)集空間發(fā)育，是油氣成藏的有利儲(chǔ)集層。泥頁巖儲(chǔ)集層脆性指數(shù)評(píng)價(jià)成為致密油甜點(diǎn)預(yù)測(cè)的關(guān)鍵內(nèi)容。

本文對(duì)GA井500 m取心段進(jìn)行1 212塊次的全巖XRD分析,確定孔二段泥頁巖礦物組成及其相對(duì)含量。對(duì)泥頁巖內(nèi)碳酸鹽巖、長(zhǎng)英沉積巖、黏土巖和混合沉積巖采用系統(tǒng)取樣的方法,取得22塊三軸壓力試驗(yàn)樣品。巖石的彈性參數(shù)是指巖石的楊氏模量和泊松比，采用靜力法測(cè)定。即通過巖樣在準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線，求取彈性參數(shù)。這些參數(shù)通常稱為靜態(tài)彈性參數(shù)。巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)裝置將巖樣放置在壓力室內(nèi)，施加25 MPa側(cè)向壓力，然后再施加垂直壓力，直到巖石破壞。這樣可得到巖石破壞時(shí)的垂直壓力、側(cè)向壓力值。實(shí)驗(yàn)過程中，儀器自動(dòng)記錄巖石軸向應(yīng)力與應(yīng)變，得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,利用應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到巖樣的楊氏模量和泊松比。由于篇幅有限，在此僅列出22個(gè)聯(lián)合取樣點(diǎn)的X射線衍射成分和彈性參數(shù)(表1)。

表1 滄東凹陷孔二段泥頁巖全巖XRD成分及彈性參數(shù)(部分?jǐn)?shù)據(jù))

續(xù)表1 滄東凹陷孔二段泥頁巖全巖XRD成分及彈性參數(shù)(部分?jǐn)?shù)據(jù))

2 常規(guī)脆性指數(shù)計(jì)算方法

頁巖儲(chǔ)集層脆性指數(shù)的計(jì)算方法通?？煞譃閮纱箢悾阂皇抢孟嚓P(guān)力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角等)結(jié)合相應(yīng)公式計(jì)算脆性指數(shù)；二是利用礦物組分對(duì)巖石脆性進(jìn)行計(jì)算[10]。目前，泥頁巖儲(chǔ)集層脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法主要參考頁巖氣勘探過程中所使用的方法，其應(yīng)用最為廣泛的為彈性參數(shù)法和礦物組分法。

2.1 彈性參數(shù)法

采用工程試驗(yàn)的方法是獲取巖層脆性指數(shù)最直接的方法，其結(jié)果具有很強(qiáng)的代表性，能夠指導(dǎo)工程壓裂參數(shù)的選取。Rickman等[7]在2008年針對(duì)Barnett頁巖進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為低泊松比、高楊氏模量的頁巖脆性更好。楊氏模量是軸向應(yīng)力與軸向彈性應(yīng)變的比值，它反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，其值越大，巖石越易形成復(fù)雜裂縫[6]；泊松比是樣品徑向應(yīng)變量與軸向應(yīng)變量的比值，它反映了頁巖在一定壓力下抗破壞的能力，其值越大，巖石越易起裂。

工程脆性指數(shù)是基于工程試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出來的，是對(duì)儲(chǔ)集層可壓裂性最直接的描述，對(duì)壓裂參數(shù)的選取有著重要的意義。但是在實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，工程試驗(yàn)樣品數(shù)量有限，不能滿足壓裂層段的系統(tǒng)評(píng)價(jià)，其局限性限制了彈性參數(shù)法的廣泛使用。

2.2 礦物組分法

巖石的脆性與其礦物成分密切相關(guān)，石英、長(zhǎng)石、白云石等脆性礦物含量越多的巖層，其工程壓裂效果也就越好。威德福公司提出利用巖石礦物組分特征對(duì)脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]，通過全巖XRD確定樣品礦物成分，并提出以石英為脆性礦物，利用 XRD 資料對(duì)巖石脆性指數(shù)進(jìn)行連續(xù)計(jì)算,稱之為狹義的脆性指數(shù)B狹義。其計(jì)算公式如下[8,10-11]：

式中：I石英、I長(zhǎng)石、I白云石、I方解石、I黃鐵礦、I方沸石、I黏土分別為石英、長(zhǎng)石、白云石、方解石、黃鐵礦、方沸石、黏土含量,%。

這種實(shí)用性的方法得到了推廣和延伸，之后采用石英和白云石[11]或硅酸鹽巖和脆性碳酸鹽巖[10]占礦物總量的比值作為脆性指數(shù)，稱之為廣義的脆性指數(shù)B廣義。其計(jì)算公式如下：

孔二段泥頁巖XRD分析結(jié)果表明，該段巖石礦物成分豐富，常見有長(zhǎng)石、石英、白云石、黏土、方沸石、方解石、黃鐵礦等礦物(表1)。孔二段細(xì)粒相區(qū)受外部物源和自生礦物的影響，加之后期強(qiáng)烈的成巖改造作用，使其礦物組成復(fù)雜多樣，各沉積和成巖因素均不占明顯優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)英質(zhì)、碳酸鹽巖和黏土類礦物各占總量的三分之一。

通過對(duì)孔二段1 212個(gè)X射線衍射數(shù)據(jù)計(jì)算得出：孔二段泥頁巖狹義脆性指數(shù)分布在1.1～47.9之間，平均值為19.8，中位值為24.5；廣義脆性指數(shù)分布在52.1～99.5之間，平均值為85.5，中位值為75.8。按照脆性指數(shù)大于40為可壓裂性好的標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)狹義脆性指數(shù)指示該區(qū)壓裂性均較差，計(jì)算結(jié)果明顯偏低；而廣義脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果指示該區(qū)壓裂性均較好，計(jì)算結(jié)果又明顯偏高(圖1)。礦物組分法計(jì)算出的脆性指數(shù)出現(xiàn)過小或過大的狀況，與工程試驗(yàn)結(jié)果不相符(表2)，該計(jì)算結(jié)果不能直接進(jìn)行泥頁巖脆性指數(shù)評(píng)價(jià)。

圖1 礦物組分法計(jì)算脆性指數(shù)與工程脆性指數(shù)關(guān)系

表2 滄東凹陷孔二段泥頁巖儲(chǔ)集層脆性指數(shù)(部分?jǐn)?shù)據(jù))

3 多元回歸計(jì)算方法

研究表明無論是狹義脆性指數(shù)還是廣義脆性指數(shù)，其與樣品的工程脆性指數(shù)均存在較大的差異性，礦物脆性指數(shù)的適用性較差。為了探索能夠更加適用于滄東凹陷孔二段泥頁巖脆性指數(shù)評(píng)價(jià)的方法，需要找出與工程力學(xué)參數(shù)相關(guān)的脆性指數(shù)計(jì)算方法，為預(yù)測(cè)有利壓裂層段提供依據(jù)。

在構(gòu)建脆性指數(shù)計(jì)算模型的過程中，利用能夠反映巖石力學(xué)性質(zhì)的彈性參數(shù)——楊氏模量和泊松比計(jì)算出巖石樣品的工程脆性指數(shù)，建立工程脆性指數(shù)與巖石礦物成分之間的回歸模型，確定各礦物成分的系數(shù)，進(jìn)而建立適用于該區(qū)孔二段泥頁巖的脆性指數(shù)計(jì)算模型。其構(gòu)建過程如下：

(1)利用上述彈性參數(shù)法，計(jì)算出聯(lián)合取樣點(diǎn)內(nèi)22個(gè)巖石樣品的工程脆性指數(shù)。

(2)假設(shè)工程脆性指數(shù)與礦物含量之間具有以下線性關(guān)系：

Brit=b1I1+b2I2+…+bnIn

式中：b1，b2，…，bn為回歸系數(shù)的估計(jì)值;I1，I2，…，In為各礦物成分含量,%。

(3)在實(shí)際回歸過程中，為了便于與狹義脆性指數(shù)和廣義脆性指數(shù)的對(duì)比分析，在回歸方程的計(jì)算過程中，首先把石英的系數(shù)設(shè)為1，然后根據(jù)各礦物含量與脆性指數(shù)的相關(guān)性，逐次選入回歸方程，求取既能保證回歸方程有效性又能代表各巖石礦物組分地質(zhì)意義的一組參數(shù)，最終確定回歸方程為：

B=100I石英+62.9I白云石+52.1I長(zhǎng)石+25I方解石+

20.4I黃鐵礦+18I方沸石+2.1I黏土

通過回歸方程計(jì)算的脆性指數(shù)稱之為回歸脆性指數(shù)?；貧w結(jié)果表明石英對(duì)脆性貢獻(xiàn)最大，白云石、長(zhǎng)石次之，方解石、黃鐵礦、方沸石影響較弱，黏土對(duì)脆性貢獻(xiàn)最小。礦物組分法獲得的狹義和廣義脆性指數(shù)與工程脆性指數(shù)之間的相關(guān)性較差，回歸方程計(jì)算出的回歸脆性指數(shù)與工程脆性指數(shù)之間的決定系數(shù)r2為0.8，顯示出較好的相關(guān)性(表2、圖2)，表明基于回歸方程脆性指數(shù)可以被用來代替工程脆性指數(shù)評(píng)價(jià)，以此彌補(bǔ)傳統(tǒng)礦物組分法的不足。

圖2 泥頁巖儲(chǔ)集層工程脆性指數(shù)與回歸脆性指數(shù)關(guān)系

4 應(yīng)用效果分析

滄東凹陷GA井孔二段泥頁巖段共有1 212塊次X射線衍射分析數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出該段的狹義脆性指數(shù)、廣義脆性指數(shù)和回歸脆性指數(shù)并繪制成曲線(圖3)。根據(jù)美國(guó)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)脆性礦物含量大于40%，即脆性指數(shù)大于40，頁巖具備良好的可壓裂性[12]。狹義脆性指數(shù)分布在1.1～47.9之間，平均19.8，顯示孔二段整體可壓裂性較差，低估了孔二段泥頁巖的可壓裂能力。廣義脆性指數(shù)分布在52.1～99.5之間，平均85.5，指示孔二段泥頁巖具有很好的可壓裂性，這與實(shí)際壓裂效果相矛盾。工程脆性指數(shù)主體分布在30～70之間，平均為52，儲(chǔ)集層的可壓裂性處于中等水平，通過多元回歸計(jì)算方法獲得的回歸脆性指數(shù)分布在24.2～70.6之間，平均49.18，能夠客觀地評(píng)價(jià)孔二段泥頁巖的可壓裂性。該地區(qū)官GA井的壓裂取得良好效果，參考Barnett頁巖脆性系數(shù)[7]，把脆性指數(shù)大于46.4作為工程甜點(diǎn)選取的臨界值，在優(yōu)選出兩套砂巖甜點(diǎn)段的同時(shí)，也指示出Ek22和Ek23部分甜點(diǎn)分布區(qū)。

根據(jù)七性關(guān)系綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)該井孔二段3個(gè)層段分別進(jìn)行了工程壓裂。試油段1為Ek24中下部，其回歸脆性指數(shù)40.90～70.59，平均值63.8，中位值55.74，油層厚度45 m，射開厚度27.5 m，日產(chǎn)油6.58 t，累產(chǎn)油82 t；試油段2為Ek23上部，其回歸脆性指數(shù)35.92～61.63，平均值47.66，中位值48.77，油層厚度40 m，射開厚度40 m，日產(chǎn)油5.21 t，累產(chǎn)油56 t；試油段3為Ek22上部，其回歸脆性指數(shù)32.49～69.90，平均值53.12，中位值51.19，油層厚度31.7 m，射開厚度26.1 m，日產(chǎn)油8.83 t，累產(chǎn)油57 t。從試油結(jié)果和脆性指數(shù)之間的關(guān)系可以看出，試油段2錄井解釋為好的含油層段，但其受脆性指數(shù)的影響，油層的壓裂效果較差，日產(chǎn)油偏低。試油段3脆性指數(shù)要高于試油段2，日產(chǎn)油也相對(duì)較高。相較于試油段1，其脆性指數(shù)值較小，不利于裂縫保持開啟狀，后期穩(wěn)產(chǎn)難度相對(duì)較大。

圖3 滄東凹陷孔二段泥頁巖工程甜點(diǎn)預(yù)測(cè)

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

湖相泥頁巖礦物類型多，且各礦物組分均不占優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣義脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果值偏大，而應(yīng)用狹義脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果偏小，且二者與實(shí)測(cè)工程力學(xué)脆性指數(shù)并沒有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，無法客觀反映泥頁巖的脆性特征。在對(duì)黃驊坳陷滄東凹陷孔二段泥頁巖系統(tǒng)取樣分析的基礎(chǔ)上，通過建立巖石礦物成分與工程彈性參數(shù)之間的關(guān)系，確定了利用巖石成分加權(quán)計(jì)算脆性指數(shù)的方法。巖石礦物成分與工程彈性參數(shù)計(jì)算的脆性指數(shù)回歸結(jié)果顯示，石英對(duì)脆性貢獻(xiàn)最大，白云石、長(zhǎng)石次之，方解石、黃鐵礦、方沸石影響較弱，黏土對(duì)脆性貢獻(xiàn)最小。

滄東凹陷孔二段泥頁巖儲(chǔ)集層的脆性指數(shù)比頁巖的脆性指數(shù)低，儲(chǔ)集層的可壓裂性處于中等水平。脆性指數(shù)與壓裂效果密切相關(guān)并制約著試油產(chǎn)量，脆性指數(shù)低的試油層段不利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。