陸相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)方法優(yōu)選與應(yīng)用??以渤海灣盆地滄東凹陷孔二段為例

韓文中 竇煜 李昊東 張偉 時(shí)戰(zhàn)楠 董姜暢

中國(guó)石油大港油田公司

近年來(lái)，我國(guó)逐步加大了湖相頁(yè)巖油勘探力度，在渤海灣、鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾等盆地均獲得突破，頁(yè)巖油已成為繼頁(yè)巖氣之后常規(guī)油氣勘探的重要接替領(lǐng)域［1-3］。由于頁(yè)巖孔隙度、滲透率極低，必須經(jīng)過大規(guī)模體積壓裂改造才能獲得穩(wěn)定工業(yè)油流，頁(yè)巖油效益區(qū)往往是地質(zhì)甜點(diǎn)、工程甜點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)甜點(diǎn)的疊合區(qū)。影響頁(yè)巖體積改造效果的因素包括壓裂規(guī)模、施工工藝、頁(yè)巖脆性、地應(yīng)力差、天然裂縫發(fā)育情況等［4-5］，其中頁(yè)巖脆性是頁(yè)巖內(nèi)在特質(zhì)，直接影響壓裂裂縫規(guī)模。目前頁(yè)巖脆性主要通過脆性礦物法或力學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，脆性礦物法是通過X衍射分析的無(wú)機(jī)礦物含量計(jì)算脆性指數(shù)，力學(xué)參數(shù)法則基于巖石的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)彈性模量和泊松比計(jì)算脆性指數(shù)［6-14］。應(yīng)用力學(xué)參數(shù)法進(jìn)行單井脆性評(píng)價(jià)需要有特殊測(cè)井資料如聲波全波列測(cè)井(XMAC)，老井一般沒有這項(xiàng)資料，同時(shí)新鉆探的水平井也往往僅有隨鉆伽馬、電阻率測(cè)井，極大限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。脆性礦物法則是現(xiàn)場(chǎng)最常用的一種方法，但仍存在一些問題：(1)狹義上脆性礦物只有石英一種，廣義上脆性礦物包括石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石，甚至黃鐵礦等，但學(xué)者們對(duì)哪些礦物可以作為脆性礦物的認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一［6-9］；(2)不同礦物的脆度不同，對(duì)頁(yè)巖脆性影響也不同，但其權(quán)重系數(shù)往往取值相同(均為1)，欠合理；(3)脆性礦物法中的參數(shù)為無(wú)機(jī)礦物含量，未考慮有機(jī)質(zhì)影響，尤其是高有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)對(duì)其脆性影響不能忽略［8］；(4)脆性礦物反映巖石的微觀組織特征，彈性模量和泊松比則反映了巖石受到外部壓力(應(yīng)力)后宏觀形變特征，而脆性礦物法和力學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)往往差別較大，相關(guān)性差。針對(duì)以上問題，筆者在17組陸相頁(yè)巖樣品三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、X射線衍射及有機(jī)碳聯(lián)測(cè)分析基礎(chǔ)上，對(duì)兩種方法計(jì)算的脆性指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而建立了一種考慮頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)以及不同礦物脆度的脆性評(píng)價(jià)方法和脆性評(píng)價(jià)圖版，為頁(yè)巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)以及水平井鉆探箱體設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 地質(zhì)概況

渤海灣盆地黃驊坳陷南部的滄東凹陷是古近紀(jì)早期的斷陷盆地，面積1 760 km2，以孔店組陸相沉積為主，自下而上可劃分為孔三段、孔二段、孔一段，其中孔二段為厚約500 m的深灰色-灰色頁(yè)巖夾砂巖的湖泛期沉積?；贕108-8井500 m系統(tǒng)取心的巖性、物性等上萬(wàn)塊次分析，認(rèn)為孔二段頁(yè)巖紋層發(fā)育，由長(zhǎng)英質(zhì)礦物(石英和長(zhǎng)石)、碳酸鹽(白云石和方解石)、方沸石、黏土等多種礦物組成，黏土礦物含量平均僅為21%，可劃分為長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖、灰云質(zhì)頁(yè)巖等；頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC平均3.6%，最高可達(dá)11.9%，巖石熱解檢測(cè)生烴潛力S1+S2平均22.1 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主；孔隙度一般為2%~8%，以微納米級(jí)無(wú)機(jī)孔為主，有機(jī)孔和微裂縫也較發(fā)育；含油普遍，游離烴S1含量平均 3.6 mg/g，最高達(dá) 12 mg/g［15-16］。因此，滄東凹陷孔二段頁(yè)巖具備形成頁(yè)巖油的基本地質(zhì)條件，目前勘探已獲重要突破［17］。

2 實(shí)驗(yàn)方法及巖樣數(shù)據(jù)

通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲取頁(yè)巖樣品的彈性模量和泊松比，X射線衍射分析獲取頁(yè)巖礦物成分，有機(jī)碳分析獲取頁(yè)巖的殘余總有機(jī)碳含量TOC。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)儀器為RTR-1000巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)，樣品為直徑25 mm、高50 mm的圓柱體，巖樣放置在壓力室內(nèi)，施加一定的圍壓(35 MPa)，然后施加垂直壓力，直到巖石破壞，通過測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算巖心的彈性模量、泊松比。X射線衍射分析儀器為X'pert Pro MPD，使用 CuKα 射線，實(shí)驗(yàn)電壓 40 kV，電流 40 mA，礦物衍射角 2θ測(cè)量范圍 5°~ 60°。有機(jī)碳分析儀器為美國(guó)力可LECO CS744，用稀鹽酸去除樣品中的無(wú)機(jī)碳后，在高溫氧氣流中燃燒，使總有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，經(jīng)紅外檢測(cè)給出總有機(jī)碳含量。

本文選取滄東凹陷孔二段17塊頁(yè)巖樣品開展實(shí)驗(yàn)分析，樣品埋深 2 925~3 298 m，彈性模量 9.97~

28.32 GPa，平均 21.22 GPa，泊松比 0.177~0.366，平均0.252，石英、長(zhǎng)石、方沸石、方解石、白云石、黏土等主要礦物平均含量分別為16.9%、19.8%、15.8%、9.9%、20.6%、14.9%，TOC為 0.23%~9.27%，平均 3.3%(表1)。

表1 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)及礦物組成Table 1 Rock mechanic parameters and mineral composition of shale of the 2nd Member of the Kongjiadian Formation, Cangdong sag, Bohai Bay Basin

3 脆性評(píng)價(jià)方法優(yōu)選

3.1 考慮有機(jī)質(zhì)影響的礦物體積含量變換

與砂巖相比，頁(yè)巖的黏土、有機(jī)質(zhì)含量往往較高，且長(zhǎng)英質(zhì)和碳酸鹽等無(wú)機(jī)礦物、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)往往呈互層分布，而非充填于骨架顆粒之間或孔隙內(nèi)，有機(jī)質(zhì)也是頁(yè)巖骨架的重要組成部分，頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮有機(jī)質(zhì)影響。有機(jī)質(zhì)含量主要通過TOC含量表征，由于其含量是質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，而XRD分析的無(wú)機(jī)礦物含量是體積百分?jǐn)?shù)，因此要將TOC的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為體積百分?jǐn)?shù)，轉(zhuǎn)化公式為

式中，Vo為有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%；Wo為總有機(jī)碳含量，%；K為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)，無(wú)量綱；ρm為頁(yè)巖密度，g/cm3；ρo為有機(jī)質(zhì)密度，g/cm3。

有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)K介于1.1~1.5，根據(jù)有機(jī)質(zhì)類型和成巖演化階段確定［9］，孔二段頁(yè)巖干酪根類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，熱成熟度Ro介于0.6%~1.2%之間，K取值 1.3，ρm一般取 2.5 g/cm3，ρo一般取 1.0 g/cm3，由此確定有機(jī)質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換倍數(shù)為3.3，即Vo=3.3Wo。

當(dāng)將無(wú)機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)作為整體100%考慮時(shí)，XRD各礦物體積含量校正公式為

式中，Vi為校正前的無(wú)機(jī)礦物體積分?jǐn)?shù)，%；Vi*為校正后的無(wú)機(jī)礦物體積分?jǐn)?shù)，%。

3.2 頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)公式對(duì)比與優(yōu)選

(1)不考慮有機(jī)質(zhì)，分別將石英或石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石作為脆性礦物，建立脆性指數(shù)公式為

(2)考慮有機(jī)質(zhì)，將石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石作為脆性礦物并進(jìn)行礦物含量變換，建立脆性指數(shù)公式為

(3)頁(yè)巖中不同礦物脆度具有差異，石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石的脆度系數(shù)分別為1.0、0.3、0.5、0.7、0.5［18］，同時(shí)考慮有機(jī)質(zhì)對(duì)巖石脆性的影響，建立脆性指數(shù)公式為

(4)依據(jù)經(jīng)典力學(xué)參數(shù)法，建立脆性指數(shù)公式為

式中，Vqa、Vfe、Vca、Vdo、Van、Vcl分別為石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石和黏土體積分?jǐn)?shù)，%；分別為考慮有機(jī)質(zhì)校正后的石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石和黏土體積分?jǐn)?shù)，%；Es、μs分別為歸一化處理后巖石彈性模量和泊松比。

通過分析BI1、BI2、BI3、BI4與BI5的相關(guān)性，優(yōu)選最佳的礦物含量法從而根據(jù)XRD評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性，如圖1所示。宏觀力學(xué)上BI5可以區(qū)分的巖石脆性，微觀礦物成分上BI1、BI2對(duì)不同巖石脆性區(qū)分度較低，并不適用于頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)，而BI3和BI4的巖石脆性區(qū)分度較高，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.80，尤其是BI4與BI5的相關(guān)系數(shù)最大，說(shuō)明力學(xué)參數(shù)與礦物含量反映的巖石脆性有著較好的一致性，可以更為準(zhǔn)確地表征頁(yè)巖脆性。

圖1 礦物法脆性指數(shù)與力學(xué)參數(shù)法脆性指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.1 Correlation betweenbrittleness indexes based on mineral composition and rock mechanic parameters

3.3 頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)參數(shù)簡(jiǎn)化

統(tǒng)計(jì)w16井189塊樣品的脆性指數(shù)BI4與黏土、TOC之間的關(guān)系，由圖2可看出，頁(yè)巖黏土及有機(jī)質(zhì)共同影響著頁(yè)巖的脆性，兩者互為補(bǔ)充。黏土及有機(jī)碳TOC含量越高頁(yè)石脆性越低，當(dāng)頁(yè)巖中主要以黏土(有機(jī)質(zhì)/黏土含量比＜0.6)或有機(jī)質(zhì)(有機(jī)質(zhì)/黏土含量比＞0.6)為主時(shí)，脆性指數(shù)BI4與黏土或TOC均具有很好的相關(guān)性。黏土含量＞40%或TOC＞6%，96%樣品脆性指數(shù)BI4＜40%，黏土含量＜20%，樣品脆性指數(shù)BI4＞50%，受黏土含量影響，TOC低時(shí)并非都是高脆頁(yè)巖。因此，可利用黏土、TOC含量?jī)身?xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行頁(yè)巖脆性的評(píng)價(jià)。

圖2 w16井巖石樣品BI4與TOC、黏土含量相關(guān)圖Fig.2 BI4 vs.TOC and clay content for core samples of Well W16

同時(shí)，通過測(cè)井資料尚不能準(zhǔn)確計(jì)算出多達(dá)6種礦物的含量，從而限制了BI4的廣泛應(yīng)用。由于副礦物如黃鐵礦、磷酸鹽礦物等含量少，BI3分母部分可以看作100%，BI3公式可簡(jiǎn)化為

因此，只需通過測(cè)井資料計(jì)算出黏土、TOC兩項(xiàng)參數(shù)即可。TOC含量的計(jì)算方法較成熟且準(zhǔn)確性較高［19-20］，黏土含量的計(jì)算主要通過巖心實(shí)驗(yàn)資料與測(cè)井曲線回歸獲得，巖心資料豐富時(shí)建立的解釋模型精度往往較高［21-22］。簡(jiǎn)化后礦物法脆性指數(shù)BI與簡(jiǎn)化前BI3基本一致，BI與BI5依然具有較好的相關(guān)關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.68(見圖3)。

圖3 簡(jiǎn)化的礦物法脆性指數(shù)BI與力學(xué)參數(shù)法脆性指數(shù)BI5相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between the simplified mineral compositionbased brittleness index BI and the rock mechanic parameter-based brittleness index BI5

綜上，當(dāng)XRD分析的各礦物含量資料比較豐富時(shí)，優(yōu)先選擇BI4進(jìn)行頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)，當(dāng)通過測(cè)井資料進(jìn)行單井或區(qū)域性脆性評(píng)價(jià)時(shí)，宜選擇BI。

4 孔二段頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)

4.1 脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于所采用的脆性評(píng)價(jià)模型不同，目前業(yè)內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Bowker研究認(rèn)為Barnett主力產(chǎn)層頁(yè)巖中石英、黏土、方解石和白云石、長(zhǎng)石、有機(jī)質(zhì)及其他礦物平均含量分別為45%、27%、8%、7%、5%、8%［23］，該含量為考慮有機(jī)質(zhì)校正后的數(shù)值，由此計(jì)算的脆性指數(shù)BI4為56%。GB/T 35110?2017《海相頁(yè)巖氣勘探目標(biāo)優(yōu)選方法》［24］將海相頁(yè)巖脆性劃分為3類，基于力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)界限分別為＜35%、≥35%~ ＜50%和≥50%。鄒才能［1］認(rèn)為石英、方解石等脆性礦物含量大于40%、黏土含量小于30%時(shí)頁(yè)巖具有較好脆性。在參考不同地區(qū)頁(yè)巖脆性分類評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，根據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變特征、礦物法~力學(xué)參數(shù)法脆性指數(shù)相關(guān)關(guān)系，確定適合本區(qū)的脆性礦物法脆性指數(shù)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ類高脆頁(yè)巖BI4≥50%，Ⅱ類中脆頁(yè)巖BI4介于40%~50%，Ⅲ類低脆(~塑性)頁(yè)巖BI4＜40%；若只通過測(cè)井進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)，則優(yōu)先選擇脆性指數(shù)BI，其上述界限值分別為≥80%、≥60%~＜80%和＜60%。

4.2 不同脆性頁(yè)巖應(yīng)力-應(yīng)變特征

不同脆性頁(yè)巖的應(yīng)力-形變特征以及破碎后形成的裂縫條數(shù)和形態(tài)也不同。圖4 (a)樣品點(diǎn)深度為 3 209.0 m，黏土含量 25%，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9.27%，計(jì)算BI4為29.0%，BI為53.3%，該樣品為Ⅲ類低脆頁(yè)巖，其軸(徑)向應(yīng)變隨著應(yīng)力增大而緩慢增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度出現(xiàn)短暫下凹后應(yīng)變持續(xù)緩慢增加，表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性特征，形成簡(jiǎn)單的單一破裂縫(面)。圖4(b)樣品深度為 2 955.5 m，黏土含量 14%，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.51%，計(jì)算BI4為 39.5%，BI為71.2%，該樣品為Ⅱ類中脆頁(yè)巖，其軸(徑)向應(yīng)變隨著應(yīng)力呈直線增大，破壞后巖心基本不存在承載能力，殘余強(qiáng)度下降較快，表現(xiàn)為脆性破壞，破裂縫呈不規(guī)則形態(tài)。圖4(c)樣品深度為2 925.5 m，黏土含量15%，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.59%，計(jì)算BI4為 50.0%，BI為83.4%，該樣品為Ⅰ類高脆頁(yè)巖，其軸(徑)向應(yīng)變隨著應(yīng)力呈直線增大，破壞后巖心殘余強(qiáng)度快速下降，表現(xiàn)為脆性破壞，破碎形態(tài)呈一條主裂縫和1~2條伴生裂縫。

圖4 不同脆性頁(yè)巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及巖心破裂特征Fig.4 Stress-strain curves and failure features of shale cores with different brittleness

4.3 綜合脆性評(píng)價(jià)的甜點(diǎn)優(yōu)選

頁(yè)巖油評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，目前國(guó)內(nèi)主要從巖性、物性、含油性、烴源巖特性、脆性等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中脆性是頁(yè)巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)重要依據(jù)。以滄東凹陷G108-8井孔二段C6層為例，該層3 208~3 221 m均表現(xiàn)為較高的S1、TOC和高黏土含量特征，S1平均4.2 mg/g，TOC平均7.8%，黏土礦物平均29%，計(jì)算的脆性指數(shù)BI平均53%，屬于Ⅲ類低脆頁(yè)巖；3 188~3 208 m 段表現(xiàn)為長(zhǎng)英質(zhì)、混合質(zhì)、灰云質(zhì)頁(yè)巖互層，TOC和S1的高、低值也呈互層狀，TOC平均 3.6%，S1平均 1.8 mg/g，黏土礦物平均 19.2%，計(jì)算的脆性指數(shù)BI平均71%，整體為Ⅱ類中脆頁(yè)巖，局部為Ⅰ類高脆頁(yè)巖。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為中等含油性和高脆性的頁(yè)巖段3 188~3 208 m最為有利。試油結(jié)果表明，以下部低脆頁(yè)巖為主的GX5井試油段壓后僅獲得3.2 t/d的液量，而以上部高脆頁(yè)巖為主的Z1608井則獲得14.8 t/d的高產(chǎn)油流，說(shuō)明下部含油性雖好，但目前工程技術(shù)條件下，有效改造難度也較大，后期裂縫易閉合，而高脆、高含油或中等含油的頁(yè)巖則是目前主要勘探的工程-含油雙甜點(diǎn)(圖5)。

圖5 頁(yè)巖甜點(diǎn)靶層綜合評(píng)價(jià)圖Fig.5 Comprehensive evaluation of the sweet-spot shale target layer

5 結(jié)論

(1)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)和黏土礦物含量較高，因此頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)既要考慮石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、方沸石等脆性礦物的正面作用，也要考慮黏土和有機(jī)質(zhì)的負(fù)面作用。

(2)孔二段頁(yè)巖中黏土礦物含量平均21%，有機(jī)碳含量平均3.6%，最高可達(dá)11.9%，由此分別建立了綜合考慮頁(yè)巖總有機(jī)碳含量、不同礦物脆度差異的頁(yè)巖脆性指數(shù)，脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類≥50%、Ⅱ類介于40%~50%、Ⅲ類＜40%；以及TOC-黏土含量評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性指數(shù)，脆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類≥80%，Ⅱ類介于60%~80%，Ⅲ類＜60%，兩者均與經(jīng)典的力學(xué)參數(shù)法脆性指數(shù)具有較好相關(guān)性，說(shuō)明頁(yè)巖微觀礦物組成所呈現(xiàn)出的脆性特征與宏觀應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)特征具有有機(jī)統(tǒng)一性。

(3)頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)是頁(yè)巖油品質(zhì)評(píng)價(jià)及甜點(diǎn)優(yōu)選的重要內(nèi)容，主要應(yīng)用于甜點(diǎn)的平面選區(qū)、水平井選層、壓裂選段。G108-8井脆性評(píng)價(jià)應(yīng)用表明，高脆、高含油或中等含油的頁(yè)巖是工程-含油雙甜點(diǎn)，頁(yè)巖油最為有利。