馬存飛，黃文俊，杜爭利，韓文中，詹遠，時戰(zhàn)楠，周健，宋梅遠

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島，266580；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒，841000；3.中國石油大港油田勘探開發(fā)研究院，天津，300280；4.中國石化勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東 東營，257100)

頁巖油是我國油氣接替的重要領(lǐng)域，目前在我國東部的滄東凹陷孔二段和西部的吉木薩爾凹陷蘆草溝組獲得了頁巖油產(chǎn)量，標志著陸相湖盆頁巖油具有巨大的開發(fā)潛力[1-2]。陸相湖盆具有多物源、近物源和相變快的特點，同時受氣候的影響明顯，由此決定了湖相頁巖油儲層具有更強的非均質(zhì)性，突出表現(xiàn)在巖相類型多樣性[3]。然而，巖相對頁巖油儲層的生烴屬性、物性、含油性、脆性和電性等具有控制作用，故頁巖巖相研究是關(guān)鍵，其中頁巖巖相分類方案又是巖相研究的基礎(chǔ)。受制于頁巖成分復雜、顆粒粒度細小和結(jié)構(gòu)變化快的特點，頁巖巖相劃分一直是研究的難點和熱點[4]。眾多學者根據(jù)研究區(qū)實際地質(zhì)情況提出了各自的頁巖巖相分類方案。早期關(guān)于頁巖巖相的劃分，主要是通過巖心描述和薄片觀察等定性方法來描述頁巖巖相類型[5-10]。隨著對頁巖巖相研究的深入以及勘探開發(fā)的需要，國內(nèi)外學者在定性描述的基礎(chǔ)上，增加了如沉積構(gòu)造等組分或生物擾動等描述信息，豐富了頁巖巖相的劃分方案[11-14]。近年來，隨著國內(nèi)外頁巖油氣勘探開發(fā)的迅速發(fā)展，一些學者引入了定量描述，提出了更為先進和合理的頁巖巖相劃分方案，極大地推進了頁巖巖相研究的發(fā)展[15-18]。盡管這些頁巖巖相劃分方案考慮了宏觀構(gòu)造和生物等內(nèi)容，但所提出的巖相劃分相對簡單，存在以下問題：

1) 泥巖、頁巖、黏土巖等概念不清和混用；

2) 未考慮到沉積和構(gòu)造對細粒混積頁巖的控制作用；

3) 由于頁巖各種組分質(zhì)量分數(shù)較低而無法確定巖石主名[19]。

因此，前人的頁巖巖相分類方案尚不具有廣泛的適用性。本文在目前頁巖巖相分類方案分析的基礎(chǔ)上，提出了具有廣泛適用性的頁巖巖相分類方案，并實現(xiàn)了滄東凹陷孔二段頁巖巖相劃分，討論了該巖相分類方案的成因指示意義、組分分布規(guī)律和脆性評價作用。該巖相劃分方法可反映出頁巖的組構(gòu)分布規(guī)律、體現(xiàn)沉積環(huán)境，并能夠用于頁巖脆性評價。

1 陸相湖盆頁巖巖相分類方案

1.1 頁巖巖相劃分難點

1.1.1 組構(gòu)混積

狹義的頁巖是指固結(jié)的黏土巖中，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)大于50%或粒度小于0.005 mm 的組分質(zhì)量分數(shù)超過50%的沉積巖[20]，而廣義的頁巖是指由粉砂級(粒度介于3.9～62.5 μm)和黏土級(粒度小于3.9 μm)的細粒物質(zhì)所組成的沉積巖[18-19]。從頁巖定義來看，混積是頁巖的基本特征，體現(xiàn)在成分混積和結(jié)構(gòu)混積2個方面。

構(gòu)成頁巖的物質(zhì)組分類型多樣，可包括黏土礦物、長英質(zhì)礦物、灰云質(zhì)礦物、膏鹽類礦物、火山碎屑、不透明礦物和有機質(zhì)等，由此導致頁巖巖相實際上包括了黏土巖、粉砂巖、碳酸鹽巖、膏鹽巖、火山碎屑巖及其一系列過渡的混積巖。頁巖中礦物顆粒粒度懸殊，從納米級到毫米級均有，跨越了多個尺度，并且頁巖中沉積構(gòu)造異常發(fā)育，單紋層厚度從小于1 mm 到大于50 cm 均有分布，這大幅增加了頁巖巖相的種類。頁巖組構(gòu)混積作用不僅造成巖相類型多樣，而且導致在大多數(shù)情況下構(gòu)成頁巖的每一種物質(zhì)組分或粒級的質(zhì)量分數(shù)均不超過50%，這給常用的基于巖石成分和基于巖石粒度定名的巖相分類方案帶來困難。

1.1.2 黏土和粉砂粒度界限不統(tǒng)一

在頁巖研究中，不同領(lǐng)域的工作者使用的粒度界限和觀測手段不一致，導致劃分的頁巖巖相有差別。在沉積學領(lǐng)域，黏土和粉砂的粒度界限有3.9 μm 和10.0 μm 這2 種定義，因而對于同一種頁巖巖相，有的學者定為粉砂巖，而有的定為黏土巖。觀測手段精度不同也會導致頁巖巖相識別不統(tǒng)一，如錄井人員肉眼識別的粒度精度是90 μm，屬于極細砂級；測井解釋人員使用測井曲線識別的粒度精度是15.625 μm，而將細粉砂和黏土歸為泥質(zhì)；實驗室分析測試人員采用的粒度分析儀、光學顯微鏡和掃描電鏡識別的粒度精度是幾百納米級，據(jù)此鑒定的頁巖巖相更為準確。因此，當使用的黏土和粉砂的粒度界限不同或者使用的測試手段精度太低時，判別的頁巖巖相就會存在差異。

1.2 頁巖巖相劃分方法

分析頁巖巖相劃分的難點，發(fā)現(xiàn)確定頁巖的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，其次是選擇合理的黏土和粉砂的粒度界限。目前的頁巖巖相分類方案中，宏觀構(gòu)造和巖性結(jié)合是主流的方法[18]，其中頁巖的宏觀構(gòu)造由巖心觀察和薄片鑒定確定，而頁巖巖性則通常由X 射線衍射全巖礦物分析獲得，并廣泛采用基于主要礦物成分的巖相分類方法[6,15,21]，以灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物和黏土礦物為三端元的圖解法[22]，內(nèi)部細分命名采用三級命名原則。對于三端元圖解法主要有2種：

1) 基于礦物質(zhì)量分數(shù)(圖1(a))，該方案區(qū)域適用性廣。

2) 基于礦物質(zhì)量分數(shù)相對比例(圖1(b))，該方案盡管能夠反映頁巖中灰云質(zhì)礦物驅(qū)動巖性的變化，以及黏土礦物和長英質(zhì)礦物呈比例對稱分布的規(guī)律，但不具有區(qū)域普適性。

圖1 頁巖巖性三端元圖解法Fig.1 Three end-members graphic method of shale lithology

雖然主流的頁巖巖相劃分方法較好地反映了陸相湖盆頁巖的礦物組成特點，但是并沒有考慮頁巖中特殊組分和粒度對頁巖巖性的影響。與常規(guī)的砂巖和碳酸鹽巖相比，頁巖特有的組分是有機質(zhì)，有的頁巖還會發(fā)育膏鹽類礦物、火山物質(zhì)或熱液礦物，而這些特殊組分反映了頁巖獨特的沉積環(huán)境或成因機制，因此，在頁巖巖相劃分過程中應(yīng)當考慮。對于頁巖中黏土和粉砂的粒度界限，由于頁巖屬于細粒沉積巖，以3.9 μm 為粒度界限區(qū)分黏土和粉砂更為合理，而統(tǒng)計表明頁巖中90%以上的長英質(zhì)礦物處于粉砂級[23]，據(jù)此將頁巖巖相的成分定名和粒度定名統(tǒng)一起來。

因此，本文以滄東凹陷孔二段為例，在以“宏觀構(gòu)造+巖性”為主流的頁巖巖相劃分方法基礎(chǔ)上，引入有機質(zhì)和方沸石實現(xiàn)巖石真實體積的歸一化處理，并考慮長英質(zhì)礦物的粒度，改進基于“灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物和黏土礦物質(zhì)量分數(shù)”的三端元圖解法，提出“五組分三端元”的頁巖巖相分方法(圖2)。

圖2 陸相湖盆頁巖巖相劃分方法Fig.2 Shale lithofacies classification method shale in continental lake Basin

1.3 大港油田孔二段頁巖巖相分類方案

滄東凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷南區(qū)的一個次級構(gòu)造單元，是在區(qū)域拉張背景下發(fā)育的沉降中心單一，呈北東方向展布的新生代陸相斷陷湖盆。滄東凹陷孔二段是由凹陷周緣的滄縣隆起和徐黑凸起等物源區(qū)供給，沉積于亞熱帶潮濕氣候下的封閉性半咸水介質(zhì)中，在平面上形成了具有環(huán)帶狀分布特征的沉積相帶，自內(nèi)而外分別是細粒沉積區(qū)、三角洲前緣-前三角洲粗細粒過渡沉積區(qū)、三角洲平原及前緣常規(guī)粗粒沉積區(qū)[24]。滄東凹陷孔二段頁巖巖相復雜，有機碳質(zhì)量分數(shù)高，且普遍發(fā)育方沸石，亟需建立一套適宜的頁巖巖相劃分方案，為后續(xù)的頁巖油儲層研究奠定基礎(chǔ)。

1.3.1 巖石組分真實體積歸一化處理

孔二段頁巖中含有豐富有機質(zhì)，特別是富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)體積分數(shù)甚至超過巖石總體積的25%，對頁巖物理性質(zhì)影響很大，但是X射線衍射全巖礦物分析測試得到無機礦物的質(zhì)量分數(shù)，但不包括有機質(zhì)組分。因此，根據(jù)頁巖X 射線衍射全巖礦物分析結(jié)果，以灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物和黏土礦物等3種主要礦物作為三端元的巖相分類圖解法，忽略了頁巖特有的有機質(zhì)組分。盡管有學者利用總有機碳質(zhì)量分數(shù)w(TOC)進行頁巖巖相分類[25]，但w(TOC)代表的是巖石中有機碳元素的質(zhì)量分數(shù)，并非有機質(zhì)，且沒有與無機礦物進行統(tǒng)一的真實體積歸一化處理[18]。

在巖石組分體積歸一化處理前，總有機碳質(zhì)量分數(shù)w(TOC)通常由熱解分析測試獲得，需要通過有機質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)轉(zhuǎn)換成有機質(zhì)的體積分數(shù)(式(1))，而X 射線衍射全巖礦物分析獲得的無機礦物質(zhì)量分數(shù)需要轉(zhuǎn)換成其體積分數(shù)(式(2))。

式中：Vo為巖石中有機質(zhì)體積分數(shù)，%；Wc為巖石中有機碳質(zhì)量分數(shù)，%；K為有機碳轉(zhuǎn)化系數(shù)，將有機碳質(zhì)量分數(shù)轉(zhuǎn)換為有機質(zhì)體積分數(shù)的系數(shù)，K介于1.1～1.5，根據(jù)頁巖中有機質(zhì)類型和成巖演化階段確定[26]，孔二段頁巖K可取1.25；ρr為巖石密度，頁巖一般取2.5 g/cm3；ρo為有機質(zhì)密度，一般取1.0 g/cm3；Vi為巖石中第i種無機礦物體積分數(shù)，%；Wi為巖石中由X 射線衍射分析獲得的第i種無機礦物的質(zhì)量分數(shù)，%；ρi為巖石中第i種無機礦物的密度，黏土礦物、長英質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物密度分別取2.55，2.65和2.80 g/cm3[27]。

在得到有機質(zhì)和無機礦物的體積分數(shù)后，將兩者進行歸一化處理，最終得到各組分歸一化后的體積分數(shù)。

式中：V'o為歸一化后的巖石中有機質(zhì)體積分數(shù)，%；V'i為歸一化后的巖石中第i種無機礦物體積分數(shù)，%；Wj為巖石中由X射線衍射分析獲得的第j種無機礦物的質(zhì)量分數(shù)，%；ρj為巖石中第j種無機礦物的密度。

此外，孔二段頁巖中普遍發(fā)育方沸石，甚至有的巖相中質(zhì)量分數(shù)超過50%，而不能被忽略。同時，方沸石與陸源的長英質(zhì)礦物不具有成因聯(lián)系，而不能歸入長英質(zhì)礦物，因而需要將方沸石引入到孔二段頁巖巖相劃分方案中。

最終，本文選用灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物、黏土礦物、方沸石和有機質(zhì)5種組分進行巖石體積的歸一化處理，從而獲得各組分真實的體積分數(shù)，以灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物和黏土礦物作為三端元，以方沸石、有機質(zhì)作分別為第4 和第5 組分，采用三級命名原則，進行孔二段頁巖巖性劃分(圖3)，而頁巖巖相的定名按照“宏觀構(gòu)造+巖性”的定名原則進行。

圖3 孔二段頁巖“五組分三端元”巖性劃分方案Fig.3 “Five components and three end-members” shale lithology classification scheme of E2 Member of Kongdian Formation

1.3.2 宏觀構(gòu)造劃分

巖相是一定沉積環(huán)境下形成的巖石總和，包括顏色、構(gòu)造、巖性和古生物等內(nèi)容。頁巖宏觀構(gòu)造可反映出沉積時的季節(jié)、湖水分層、水動力條件和物源供給等信息，因而在頁巖巖相劃分時應(yīng)當考慮其宏觀構(gòu)造。本文根據(jù)孔二段頁巖的單紋層厚度劃分，包括頁狀、紋層狀、薄層狀、層狀和塊狀，其單紋層厚度分別為＜1 mm，1～10 mm，10～100 mm，100～500 mm和＞500 mm。

1.3.3 頁巖巖性劃分

頁巖巖性的劃分按照有機質(zhì)體積分數(shù)、方沸石體積分數(shù)和灰云質(zhì)礦物-長英質(zhì)礦物-黏土礦物的相對體積分數(shù)依次進行三級分類。通過對孔二段頁巖總有機碳進行有機質(zhì)體積分數(shù)轉(zhuǎn)換后，根據(jù)數(shù)據(jù)分布發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)體積分數(shù)6%和12%是頻數(shù)和累積頻率的變化邊界(圖4)，對應(yīng)的有機質(zhì)體積分數(shù)分數(shù)為2%和4%，與目前學者普遍采用的總有機碳質(zhì)量分數(shù)界限相一致[15,28]，能較好地劃分頁巖巖性。因此，本文選取有機質(zhì)體積分數(shù)6%和12%作為劃分頁巖巖性的界限。

圖4 孔二段頁巖有機質(zhì)體積分數(shù)頻率分布Fig.4 Frequency distribution of organic matter volume fraction of shale in E2 Member of Kongdian Formation

具體來講，在頁巖各組分體積歸一化后，首先以有機質(zhì)體積分數(shù)6%和12%為界限進行巖性一級分類，劃分為貧有機質(zhì)、中有機質(zhì)和富有機質(zhì)。

其次，根據(jù)方沸石體積分數(shù)10%，25%和50%進行巖性二級分類，劃分為含方沸石、方沸石質(zhì)和方沸石巖二級分類。

然后，根據(jù)灰云質(zhì)礦物、黏土礦物和長英質(zhì)礦物三者的相對體積分數(shù)，采用三端元圖解法進行巖性三級分類，即以端元礦物的相對體積分數(shù)50%為界限劃分大類巖性，進一步以10%，25%和33%(中心點)采用三級命名原則進行小類巖性細分。

最后，依次疊加3個部分名稱進行頁巖巖性命名(圖5、表1)。

表1 孔二段頁巖巖相分類表Table 1 Table of shale lithofacies classification of E2 Member of Kongdian Formation

圖5 孔二段頁巖巖性分類方案及簡化Fig.5 Shale lithology classification scheme and simplification of E2 Member of Kongdian Formation

在進行頁巖小類巖性三級命名時，需要注意以下幾點：

1) 將三端元礦物中相對體積分數(shù)≥50%的礦物類型作為巖石的主名，如灰云巖、粉砂巖和黏土巖，當三端元礦物體積分數(shù)均小于50%時，則定為混積巖。因為孔二段頁巖中的長英質(zhì)礦物主要為粉砂級，所以本文定為粉砂巖，以解決成分定名和粒度定名之間的矛盾。

2) 當?shù)V物體積分數(shù)在25%～50%時，以“××質(zhì)”寫于主名之前，但是在混積巖中，由于可能存在多個“××質(zhì)”，則將體積分數(shù)次高和體積分數(shù)最高的礦物類型按照“‘次高礦物類型-最高礦物類型’質(zhì)””的形式命名，如黏土-粉砂質(zhì)混積巖。當?shù)V物體積分數(shù)為10%～25%時，以“含××”作為次要形容詞寫在最前面，而礦物體積分數(shù)小于10%的則不參與巖性定名。

3) 由于灰(云)巖或灰(云)質(zhì)是統(tǒng)稱，當具體定名時可以根據(jù)方解石與白云石體積分數(shù)，由體積分數(shù)高者來確定巖性名稱，如當白云石體積分數(shù)大于方解石體積分數(shù)時，灰(云)巖或灰(云)質(zhì)相應(yīng)變?yōu)樵茙r或云質(zhì)。

4) 基于成分的頁巖巖性劃分方案通常會分類過細而導致實用性降低，這本質(zhì)上是由頁巖成分多樣性造成。然而，本方案可以根據(jù)實際研究需要、分析測試資料豐度和地球物理資料分辨率等進行巖性簡化處理，即通過舍去體積分數(shù)低的礦物類型而保留體積分數(shù)高的礦物類型，而實現(xiàn)合并小類巖性(圖5(b)、表1)。當同時出現(xiàn)“含××”和“××質(zhì)”時，則舍去“含××”，例如“含黏土粉砂質(zhì)云巖”簡化為“粉砂質(zhì)云巖”。當然，該方案還可以進一步根據(jù)主要礦物類型，合并小類巖性至大類巖性(圖5(c)、表1)，以適應(yīng)實際工作的易操作需求。

1.4 頁巖巖相劃分方案的普適性

該頁巖巖相劃分方案的頁巖組分及其體積分數(shù)界限是依據(jù)滄東凹陷孔二段頁巖而制定的，并不完全適合其他研究區(qū)的頁巖巖相劃分，但“五組分三端元”巖相劃分方案可根據(jù)不同研究區(qū)頁巖的實際情況進行適當修改，以適應(yīng)實際工作與研究需要。我國典型沉積盆地頁巖層系(渤海灣盆地沙三下—沙四上亞段、準噶爾盆地二疊系蘆草溝組和風城組等)的頁巖巖石學特征具有共性，其中頁巖紋層厚度變化大，從頁狀到塊狀均發(fā)育，頁巖組分以灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物和黏土礦物為主，普遍發(fā)育有機質(zhì)，局部富含方沸石或火山灰，因此普遍可以采用或類比“五組分三端元”的頁巖巖相劃分方案。

2 孔二段頁巖巖相劃分方案的意義

2.1 頁巖組構(gòu)分布規(guī)律

孔二段頁巖巖相劃分方案不僅體現(xiàn)了頁巖有機質(zhì)組分和無機礦物組分共存的特殊性，也反映出孔二段頁巖是有機質(zhì)、灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物、黏土礦物和方沸石等5 種組分的混積(圖3)，其中，有機質(zhì)、灰云質(zhì)礦物和長英質(zhì)礦物的體積分數(shù)變化是驅(qū)動頁巖巖性和宏觀構(gòu)造變化的主要因素。同時，該方案考慮了有機質(zhì)和方沸石，從有機質(zhì)和方沸石體積分數(shù)三角等值線圖來看，有機質(zhì)和方沸石均富集在長英質(zhì)礦物占優(yōu)的巖性中(圖6(a)和圖6(b))，這對評價頁巖中粉砂巖大類的生烴屬性、儲集性和脆性有重要意義。

圖6 孔二段頁巖中方沸石和有機質(zhì)體積分數(shù)三角等值線圖Fig.6 Triangular contour map of analcime and organic matter volume fraction of shale in E2 Member of Kongdian Formation

2.2 頁巖沉積環(huán)境指示意義

孔二段頁巖巖相劃分方案能夠指示頁巖的沉積環(huán)境?？傮w上來講，孔二段頁巖中長英質(zhì)礦物(粉砂)代表了機械沉積作用，黏土礦物代表了膠體沉積作用，灰云質(zhì)礦物代表了化學沉積作用，方沸石代表了熱液沉積作用[29]，有機質(zhì)代表了生物沉積作用(圖7)。頁巖中各種組分的混積特征表明頁巖的沉積機制受機械沉積、化學沉積、熱液沉積和生物沉積的共同控制，而某種組分的體積分數(shù)增加指示了相應(yīng)的沉積作用增強(圖7)。

另外，孔二段頁巖中的長英質(zhì)礦物(粉砂)、灰云質(zhì)礦物、黏土礦物、方沸石和有機質(zhì)不僅可以反映物源、氣候、水深、熱液作用和生物等頁巖沉積環(huán)境信息，而且由其構(gòu)成的巖性序列可以指示頁巖沉積環(huán)境的變化(圖7、表2[30-32])。

表2 不同頁巖組分所代表的沉積環(huán)境意義Table 2 Significance of sedimentary environment represented by different shale compositions

圖7 頁巖礦物組成反映的沉積環(huán)境意義Fig.7 Significance of sedimentary environment reflected by shale mineral composition

2.3 頁巖脆性評價意義

2.3.1 改進的頁巖脆性指數(shù)計算方法

目前，常用脆性指數(shù)表征頁巖的脆性特征，其計算方法主要包括巖石組分法和巖石力學彈性參數(shù)法2種，其中前者是根據(jù)巖石中脆性礦物體積分數(shù)來計算(式(5))[33-34]，而后者是利用巖石三軸力學試驗獲得的彈性模量和泊松比來計算(式(6)～式(8))[35]。

式中：Brit為巖石脆性指數(shù)；Vfelsic為巖石中長英質(zhì)礦物體積分數(shù)，%；Vcarbonate為巖石中碳酸鹽礦物體積分數(shù)，%；Vclay為巖石中黏土礦物體積分數(shù)，%；

式中：ERit為研究區(qū)巖石歸一化后的彈性模量，GPa；E為研究區(qū)巖石的彈性模量，GPa；Emin為研究區(qū)巖石的最小彈性模量，GPa；Emax為研究區(qū)巖石的最大彈性模量，GPa；μRit為研究區(qū)巖石歸一化后的泊松比；μ為研究區(qū)巖石的泊松比；μmin為研究區(qū)巖石的最小泊松比；μmax為研究區(qū)巖石的最大泊松比。

比較上述2種方法，式(5)的計算數(shù)據(jù)更易獲取而應(yīng)用更普遍，式(8)的脆性評價結(jié)果更可靠但成本更高。然而，式(5)在應(yīng)用時應(yīng)該注意3個問題：

1) 脆性指數(shù)計算沒有考慮有機質(zhì)組分或其他特殊組分。頁巖不同于砂巖和碳酸鹽巖，有機質(zhì)是頁巖骨架的基本組成部分不可忽略。

2) 脆性指數(shù)計算采用各組分的體積分數(shù)。頁巖的微觀結(jié)構(gòu)與組分的粒徑、形態(tài)和分布有關(guān)，因而，組分體積比質(zhì)量更能反映頁巖骨架結(jié)構(gòu)特征。

3) 有的組分如有機質(zhì)，盡管在頁巖中質(zhì)量分數(shù)小，但由于自身密度小而體積分數(shù)會比較大，與無機礦物共同構(gòu)成了頁巖空間格架，這在富有機質(zhì)頁巖中更加明顯。

因此，本文根據(jù)孔二段頁巖巖相劃分方案，考慮方沸石和有機質(zhì)，采用歸一化后的巖石組分體積分數(shù)，提出了改進的基于巖石組分的脆性指數(shù)計算方法。

式中：Vanalcite為巖石中方沸石體積分數(shù)，%；Vorganic為巖石中有機質(zhì)體積分數(shù)，%。

2.3.2 方沸石和有機質(zhì)對孔二段頁巖脆性的影響及檢驗

從式(1)和式(3)可以看出：有機質(zhì)密度比巖石密度小很多，當頁巖中有機碳質(zhì)量分數(shù)較大時，計算的有機質(zhì)體積分數(shù)會較大，對頁巖脆性影響明顯。頁巖三軸巖石力學試驗表明，當有機質(zhì)體積分數(shù)增加時，頁巖的彈性模量明顯降低、泊松比明顯增加(圖8(a))。從式(2)和式(4)可以看出：無機礦物密度與巖石密度差別不大，當有機碳質(zhì)量分數(shù)一定時，某一種無機礦物的質(zhì)量分數(shù)越大，它的體積分數(shù)越大，對頁巖脆性影響越大。

孔二段頁巖中含有較多的方沸石，其晶體結(jié)構(gòu)與長石類似，而當方沸石體積分數(shù)增加時，頁巖的彈性模量增加，泊松比降低(圖8(b))。因此，在計算頁巖脆性指數(shù)時應(yīng)將有機質(zhì)當作塑性組分考慮，而將方沸石當作脆性礦物考慮。

圖8 方沸石和有機質(zhì)對孔二段頁巖彈性參數(shù)的影響Fig.8 Influence of analcime and organic matter on elastic parameters of shale in E2 Member of Kongdian Formation

圖9所示為孔二段頁巖基于巖石組分的脆性指數(shù)計算方法檢驗。由圖9可見：式(8)和式(9)分別計算的脆性指數(shù)，當考慮方沸石和有機質(zhì)對頁巖脆性的影響后，孔二段頁巖基于巖石組分的脆性指數(shù)與基于巖石力學參數(shù)的脆性指數(shù)相關(guān)性顯著提高(圖9)，脆性評價的可靠性增加。

具體來講，當沒有考慮方沸石時，基于巖石組分計算的頁巖脆性指數(shù)偏小(圖9(a))，但考慮方沸石后，方沸石對頁巖的脆性影響得到校正，且方沸石體積分數(shù)越高，脆性指數(shù)增加越明顯，其中方沸石體積分數(shù)小于10%的頁巖脆性指數(shù)稍微增加，含方沸石頁巖的脆性指數(shù)增加但幅度不大，而方沸石質(zhì)頁巖的脆性指數(shù)明顯增加，最終數(shù)據(jù)點整體變集中而相關(guān)性增強(圖9(b))。

當沒有考慮有機質(zhì)時，基于巖石組分計算的頁巖脆性指數(shù)偏大，且貧有機質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)頁巖和富機質(zhì)頁巖的脆性指數(shù)依次增大，而這與富有機質(zhì)頁巖塑性強、難壓裂的生產(chǎn)實踐相矛盾（圖9(a))[36]，但考慮有機質(zhì)后，有機質(zhì)對頁巖的脆性影響得到校正，且有機質(zhì)體積分數(shù)越高，脆性指數(shù)降低越明顯。其中，貧有機質(zhì)頁巖的脆性指數(shù)降低但幅度不大，中有機質(zhì)頁巖的脆性指數(shù)降低幅度增加，而富有機質(zhì)頁巖的脆性指數(shù)降低幅度最大，最終脆性指數(shù)由低到高依次為富有機質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)頁巖和貧機質(zhì)頁巖，數(shù)據(jù)點整體更集中且相關(guān)性進一步增強(圖9(c))。因此，根據(jù)孔二段頁巖“五組分三端元”巖相劃分方案改進的頁巖脆性指數(shù)計算方法是有效的。

圖9 孔二段頁巖基于巖石組分的脆性指數(shù)計算方法檢驗Fig.9 Calculation method test of brittleness index based on rock composition of E2 Member of Kongdian Formation

3 結(jié)論

1) 滄東凹陷孔二段頁巖礦物組成以石英、長石、白云石和方解石為主，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)低，方沸石較為發(fā)育，有機碳質(zhì)量分數(shù)高，總體上優(yōu)勢礦物并不發(fā)育，更多表現(xiàn)為長英質(zhì)礦物、灰云質(zhì)和黏土礦物混積的特點。

2) 提出了孔二段頁巖“五組分三端元”巖相劃分方案，即首先根據(jù)單紋層厚度劃分宏觀構(gòu)造，再將有機質(zhì)和方沸石納入到巖石組分中，對灰云質(zhì)礦物、長英質(zhì)礦物、黏土礦物、方沸石和有機質(zhì)等5種組分進行巖石體積的歸一化處理，獲得各組分的體積分數(shù)，最后以長英質(zhì)礦物、灰云質(zhì)礦物和黏土礦物作為三角圖分類三端元，結(jié)合方沸石和有機質(zhì)體積分數(shù)，采用三級命名原則將滄東凹陷孔二段頁巖巖相劃分為粉砂巖、灰(云)巖、黏土巖和混積巖4 個大類以及對應(yīng)的21 個小類巖相類型

3) 孔二段頁巖“五組分三端元”巖相劃分方案反映出頁巖有機質(zhì)組分和無機礦物組分共存的特殊性以及5種組分混積的頁巖組構(gòu)分布規(guī)律。該方案體現(xiàn)出頁巖的沉積機制受機械沉積、化學沉積、熱液沉積和生物沉積的共同控制，而某種組分的體積分數(shù)增加反映出相應(yīng)的沉積作用增強，從而能夠指示頁巖的沉積環(huán)境。

4) 基于孔二段頁巖“五組分三端元”巖相劃分方案，將方沸石和有機質(zhì)加入到脆性指數(shù)計算中，采用歸一化后的巖石組分體積分數(shù)，提出了改進的基于巖石組分的脆性指數(shù)計算方法。通過方沸石和有機質(zhì)對孔二段頁巖脆性的影響及檢驗確定了改進的頁巖脆性指數(shù)計算方法的可靠性和有效性。