付娟娟，郭少斌

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

頁巖地層的脆性，即頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，是頁巖可開采性的關(guān)鍵評價(jià)參數(shù)之一。脆性與頁巖壓裂的難易程度、壓裂縫的走向形態(tài)及天然裂縫的發(fā)育程度密切相關(guān)，大量脆性礦物的存在是頁巖能夠通過壓裂造縫獲得高產(chǎn)油流的原因[1]。

脆性評價(jià)是頁巖儲層評價(jià)的重要內(nèi)容。目前，頁巖的脆性評價(jià)主要有以下幾種方法：一是礦物法，即通過分析巖石樣品礦物組成對脆性進(jìn)行定性或定量表征[2-4]。JARVIE等[2]分析了Barnett頁巖的礦物組成，認(rèn)為石英為主要的脆性礦物，在此基礎(chǔ)上建立了脆性指數(shù)計(jì)算模型。隨后，國內(nèi)外的諸多學(xué)者，根據(jù)不同地區(qū)頁巖的礦物組成特點(diǎn)，考察了碳酸鹽、長石等礦物對脆性的貢獻(xiàn)[5-6]，分別建立了適用于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的脆性指數(shù)公式。二是彈性參數(shù)法，即通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取的彈性參數(shù)進(jìn)行表征。RICKMAN等[7]提出了基于彈性參數(shù)楊氏模量和泊松比表征頁巖脆性的方法；GOODWAY等[8]提出采用拉梅系數(shù)和剪切模量表征脆性；還有學(xué)者以楊氏模量、泊松比、拉梅系數(shù)和剪切模量為參數(shù)進(jìn)行脆性指數(shù)計(jì)算[9]。三是基于巖石物理實(shí)驗(yàn)和礦物組分分析進(jìn)行脆性評價(jià)[10-13]。無論是礦物法還是彈性參數(shù)法，都需要通過礦物組分分析實(shí)驗(yàn)或巖石物理實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)，再應(yīng)用元素俘獲測井(ECS)、陣列聲波測井或地震資料進(jìn)行脆性礦物指數(shù)預(yù)測，從而進(jìn)行脆性評價(jià)。

沁水盆地煤系地層勘探開發(fā)時(shí)間長，測井系列簡單，只有常規(guī)測井資料，而通過全巖分析獲取礦物組分的巖心數(shù)量又十分有限。因此，目前該地區(qū)頁巖儲層的脆性評價(jià)以定性認(rèn)識為主。本文通過礦物法計(jì)算巖心的脆性礦物指數(shù)BI，分析頁巖地層的測井響應(yīng)特征及其對脆性礦物指數(shù)BI的影響；采用多元回歸方法，建立了該地區(qū)石炭—二疊系頁巖地層礦物指數(shù)BI的計(jì)算模型，并對BI的影響因素進(jìn)行了分析。本文方法實(shí)現(xiàn)了頁巖地層脆性評價(jià)的定量表征，旨為該地區(qū)頁巖儲層評價(jià)和甜點(diǎn)預(yù)測提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沁水盆地位于華北克拉通盆地中心，為一近南北向的大型復(fù)式向斜構(gòu)造盆地。其東部與太行山隆起毗鄰，西部與霍山隆起相隔，北臨五臺山隆起，南接中條山隆起[14-15]，面積為4.2×104km2(圖1)。

沁水盆地及其周緣在上古生界石炭—二疊系發(fā)育多套泥頁巖，多數(shù)分布于太原組以及山西組，少量散布于下石盒子組。太原組沉積期海進(jìn)海退作用頻繁，形成了一套以潮控三角洲、碳酸鹽巖臺地、障壁沙壩、滯留潟湖、泥炭坪為主的海陸交互相復(fù)合沉積體系，其巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、粉砂巖、砂巖及石灰?guī)r。山西組沉積期海岸線向南移動，地層以三角洲體系沉積為主，為一套淺水三角洲、三角洲平原及前緣的組合；其北緣在中晚期發(fā)生多次森林泥炭沼澤化過程，是以河流相泛濫盆地和三角洲平原為主的成煤環(huán)境，巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、砂巖夾煤層。石盒子組沉積期地殼上升,沁水盆地大部分地區(qū)脫離了海洋環(huán)境，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢?nèi)陸河流及湖泊為主的組合，局部有泥炭沼澤沉積，因此地層沉積以相對干旱氣候條件下的河流、淺水湖泊及其三角洲體系為主；巖性則以粗砂巖、粉砂巖、砂巖為主，同時(shí)存在有泥巖夾薄煤層。

圖1 沁水盆地構(gòu)造單元及位置示意

沁水盆地石炭—二疊系富有機(jī)質(zhì)頁巖儲層中發(fā)育形態(tài)各異的不同類型孔隙及微裂縫。其中，礦物基質(zhì)孔十分發(fā)育，但有機(jī)質(zhì)孔相對不發(fā)育，掃描電鏡下可見多數(shù)有機(jī)質(zhì)孔呈點(diǎn)狀，偶見橢圓型；從孔隙結(jié)構(gòu)上看，以中孔隙發(fā)育為主。由于高含量的黏土礦物的存在，使得孔隙具有較大的比表面積。從有機(jī)地化特征來看，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，有機(jī)碳含量高；受中生代異常地溫的影響，有機(jī)質(zhì)熱成熟度高，有利于生烴及吸附存儲[16]。

2 礦物指數(shù)計(jì)算

2.1 礦物組分特征分析

本文樣品來自沁水盆地石炭—二疊系地層的3口井中(圖1)。黏土礦物及全巖X-射線衍射實(shí)驗(yàn)儀器為D8 DISCOVER型X射線衍射儀，分析依據(jù)為石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法：SY/T 5163-2010》。

研究區(qū)上古生界頁巖地層中，塑性礦物即黏土礦物含量高，平均高達(dá)57.5%，其中，太原組為53%～62%，平均56.6%；山西組為50%～63%，平均58%；下石盒子組為57%～60%，平均58.5%。以石英、長石為代表的脆性礦物含量次之，平均含量為41.3%，其中，太原組為38%～44%，平均40.2%；山西組為36%～48%，平均40.8%；下石盒子組為40%～43%，平均41.5%。此外，還存在一定量的菱鐵礦及少量黃鐵礦(圖2)。

沁水盆地頁巖地層具有典型的海陸交互相煤系地層礦物組成特征，即黏土礦物含量多、陸源碎屑礦物(石英、長石)含量相對較少。黏土礦物含量較高，其塑性變形能力較強(qiáng)，對裂縫的擴(kuò)展十分不利。與海相頁巖相比[17-19]，雖然該地區(qū)以石英和長石為代表的脆性礦物含量不高，但菱鐵礦和黃鐵礦的存在，有利于提高其脆性[20]。

圖2 沁水盆地石炭—二疊系頁巖樣品礦物組分

2.2 脆性礦物指數(shù)計(jì)算

根據(jù)以上分析，可知該地區(qū)脆性礦物主要有石英、長石、黃鐵礦、菱鐵礦。將XRD全巖分析結(jié)果代入公式(1)，即可得到基于礦物法的脆性指數(shù)(BI)。

BI=(V石英+V長石+V黃鐵礦+V菱鐵礦)/V總

(1)

式中：V總為黏土礦物、石英、長石、黃鐵礦及菱鐵礦的總體積。

3 脆性礦物指數(shù)與影響因素

3.1 儲層測井響應(yīng)特征

沁水盆地上古生界石炭—二疊系富有機(jī)質(zhì)地層由巖石骨架、有機(jī)質(zhì)和孔隙流體3部分構(gòu)成，部分層段夾雜煤層。測井響應(yīng)是對不同礦物、有機(jī)質(zhì)及孔隙流體的綜合反映。由于有機(jī)質(zhì)、煤與其他礦物的巖石物理特性差別較大，通常，有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為較低密度、低聲波傳遞能力和低導(dǎo)電性；煤則表現(xiàn)為低密度、較高的聲波傳遞能力和超低導(dǎo)電性。相應(yīng)的，其測井曲線的響應(yīng)特征(圖3)表現(xiàn)為：富有機(jī)質(zhì)頁巖地層，密度曲線低異常，聲波時(shí)差高異常，自然伽馬高異常；煤層密度曲線低異常，自然伽馬低異常, 電阻率曲線高異常；而砂巖密度曲線幅度高于頁巖，電阻率曲線高異常。

圖3 沁水盆地石炭—二疊系煤系地層典型測井曲線特征

圖4 沁水盆地石炭—二疊系頁巖儲層脆性指數(shù)與測井響應(yīng)特征

陸源碎屑礦物、黏土礦物、菱鐵礦和黃鐵礦的測井響應(yīng)特征值各不相同，因此，礦物法計(jì)算得到的脆性指數(shù)在一定程度上對應(yīng)不同的測井響應(yīng)值。黏土礦物通常具有高時(shí)差、高伽馬、低密度；石英和長石通常具有高電阻率、低伽馬、高密度、高時(shí)差；而黃鐵礦和菱鐵礦具有低電阻率、高密度的特點(diǎn)。從圖4可以看到，脆性指數(shù)BI與測井響應(yīng)有一定的關(guān)系：與密度值呈正相關(guān)；與自然伽馬值呈負(fù)相關(guān)；與電阻率和聲波時(shí)差的關(guān)系不明顯，呈微弱的負(fù)相關(guān)。

由以上分析可以看出，由于受沉積環(huán)境的影響，不同地層形成了不同的礦物組合，測井響應(yīng)是對礦物組合的綜合反映。對每種測井方法而言，礦物組分對其影響程度不同，脆性指數(shù)與礦物組合密切相關(guān)。因此，在應(yīng)用測井資料進(jìn)行脆性指數(shù)預(yù)測時(shí)，要考慮到不同測井響應(yīng)權(quán)重的不同。根據(jù)測井響應(yīng)對脆性指數(shù)的反映程度，本文采用多元線性回歸的方法，建立適用于沁水盆地的脆性指數(shù)計(jì)算模型。各測井曲線權(quán)重分別為：電阻率測井為-0.05，自然伽馬測井為-8.60，聲波時(shí)差測井為-0.01，密度測井為33.60。從各測井曲線的權(quán)重值來看，密度對脆性指數(shù)的影響最大，且密度越高，脆性指數(shù)越大，這是由于有利于脆性提高的礦物多具有較高的密度值；自然伽馬與脆性指數(shù)負(fù)相關(guān)，是由于不利于脆性提高的黏土礦物具有較高的自然伽馬值；電阻率和聲波時(shí)差由于受各礦物組分的影響相互抵消，對脆性指數(shù)的影響較小。應(yīng)用測井響應(yīng)預(yù)測的脆性指數(shù)與礦物法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比(圖5)，相關(guān)系數(shù)為0.75，預(yù)測效果較好。

圖5 沁水盆地石炭—二疊系頁巖BI預(yù)測值與礦物法計(jì)算值對比

4 結(jié)論

(1)沁水盆地石炭—二疊系頁巖儲層礦物組成以黏土礦物為主，平均含量為57.5%；石英、長石為主的脆性礦物含量次之，平均含量為41.3%；此外，含有一定量的菱鐵礦和少量的黃鐵礦。脆性礦物包括石英、長石、菱鐵礦及黃鐵礦。

(2)應(yīng)用礦物法得到的沁水盆地石炭—二疊系頁巖地層的脆性礦物指數(shù)平均值為42.7%，表明該地區(qū)頁巖具備適合于后期壓裂改造的條件。

(3)不同礦物的測井曲線響應(yīng)特征不同，因此，在應(yīng)用測井資料進(jìn)行脆性指數(shù)預(yù)測時(shí)，不同測井響應(yīng)的權(quán)重不同。脆性指數(shù)BI與密度曲線呈正相關(guān)，與自然伽馬呈負(fù)相關(guān)，與電阻率和聲波的關(guān)系不明顯，呈微弱的負(fù)相關(guān)。

(4)沉積環(huán)境及其影響下的礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量與巖石脆性指數(shù)BI密切相關(guān)，是影響后期壓裂改造的主要因素。

(5)沁水盆地上古生界石炭—二疊系頁巖儲層的礦物組成對后期壓裂造縫較為有利，具有一定的勘探與開發(fā)潛力。