利用礦物含量計算砂巖脆性指數
——以鄂爾多斯盆地合水地區長6段致密砂巖儲層為例

王曉東, 王一航, 王永田, 尤 源, 王成玉

(1.中國石油長慶油田公司 第七采油廠,西安 710200;2.中國石油長慶油田公司 第八采油廠, 西安 710200; 3.中國石油長慶油田公司 勘探開發研究院,西安 710018)

巖石的脆性指數是致密砂巖體積壓裂需考慮的重要參數[1]，也是致密油勘探“甜點”區優選的重要指標之一。對于致密砂巖儲層，脆性指數預測為儲層評價及后期壓裂射孔井段的選擇提供依據[2-3]。

目前還沒有專門針對砂巖儲層脆性指數的計算方法，大部分學者借鑒頁巖脆性指數計算方法來評價砂巖儲層的脆性[1-6]。國內外針對巖石脆性指數開展的研究工作，主要采用巖石彈性參數計算法和巖石礦物組分計算法。鄂爾多斯盆地三疊系延長組儲層總體致密，近幾年對延長組砂巖儲層的巖石脆性指數計算工作已積累有較多成果，表明不同區塊不同層位的砂巖脆性指數差異很大，主要研究成果集中在延長組第7段(簡稱“長7段”)砂巖，而對合水地區延長組第6段(簡稱“長6段”)致密砂巖儲層脆性指數研究很少，已成為制約長6段致密油高效開發的難題之一。針對鄂爾多斯盆地合水地區長6段致密砂巖儲層，應用巖石礦物組分計算了砂巖儲層的脆性指數，分析了礦物成分對脆性指數的影響、致密砂巖儲層脆性特征及其成因，在此基礎上，開展脆性指數的定量預測，為水平井體積壓裂和提高致密油的開發效益提供依據。

1 地質概況

圖1 合水地區地理位置圖Fig.1 The location of Heshui region

合水地區行政區劃包括甘肅省合水縣、慶城縣、寧縣和正寧縣的一部分(圖1)，構造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部，構造背景為一平緩的西北傾單斜，傾角僅0.5°左右，平均坡降6‰～8‰。區內發育三疊系延長組和侏羅系延安組2套含油層組，其中長6段為延長組的主要產油層段，以半深湖相重力流沉積為主。長6段根據沉積旋回可劃分為3個亞段，其中長63亞段砂巖最為發育，主要為重力流水道沉積，砂體厚度較大且連片分布，是主力層段。砂巖粒度以粉-細粒砂為主，孔隙度(q)為9%～10.5%，滲透率(K)為(0.16～0.2)×10-3μm2，為典型的低孔低滲致密油儲層，普遍含油，勘探開發潛力巨大。

合水地區長6段以巖屑長石砂巖為主，石英含量較高，其體積分數(φ)為40%～58%，以單晶石英為主；長石的體積分數較低，為15%～25%，其中鉀長石的體積分數為5%～8%，鈉長石的體積分數為12%～20%，鈉長石含量高于鉀長石；巖屑的體積分數中等，為12%～20%，以變質巖屑為主，次為沉積巖屑和火成巖屑，云母的平均體積分數為3.8%；填隙物主要由黏土和碳酸鹽礦物組成，約占砂巖總量的14.1%，其中黏土約占9%，伊利石占絕對優勢。

2 巖石脆性指數計算方法

巖石脆性是指巖石受力破碎時所表現的一種性質，Obert[7]則將脆性定義為材料需要很少或者不需要塑性變形就破裂或斷裂的性質。在致密儲層評價中，主要通過巖石脆性表征巖石壓裂的難易程度。目前對于巖石脆性多用定性描述，尚無統一測量方法。巖石脆性大小通常用脆性指數來表征，巖石的礦物成分、力學性質等參數是影響脆性指數的重要因素，一般認為，彈性模量越大、泊松比越小，脆性指數越高，巖石越容易破裂[1]。脆性指數較高的巖石性質硬而脆，常發育構造裂縫，壓裂過程中能迅速形成網狀裂縫而對提高產能有幫助。

目前，研究巖石脆性主要采用應力-應變、靜態彈性參數實驗，以及巖石礦物成分分析等方法[1-2]。通常用巖石變形參數法定義脆性指數IB，計算公式為

式中：a為不可恢復應變；b為殘余應變。

國外學者分析不同礦物巖石力學性質差異后，認為礦物成分及其結構是影響巖石脆性的主要因素，從而建立了通過巖石礦物成分定量計算巖石脆性的方法，在國內也得到較好應用；同時，根據國內不同地區的巖石礦物結合測井參數提出了不同的評價方法[1-4,8]。

用礦物成分計算巖石脆性指數的方法簡便實用，但由于不同學者對脆性礦物的認識差異(一般將石英、碳酸鹽等歸為脆性礦物，黏土為塑性礦物)，所建立的脆性計算模型各有不同[1-6]，致密砂巖脆性指數計算公式多采用：IB=石英含量/(石英+碳酸鹽+黏土)含量。黃軍平等[3]對西北地區某盆地含煤地層提出的砂巖脆性指數計算公式為：IB=石英含量/(石英+長石+碳酸鹽+黏土)含量；而對于非煤層地區將長石礦物作為脆性組分，提出的脆性指數計算公式為：IB=(石英+長石+碳酸鹽)含量/(石英+長石+碳酸鹽+黏土)含量。

長石是否為脆性礦物，不同學者看法不一。徐蕾等[9]從晶體光學角度對長石族礦物的脆性差異進行了分析，認為鈣長石等脆性較強，鈉長石的脆性中等，鉀長石的脆性最弱。通過對合水地區長6段砂巖礦物成分研究表明，其長石主要為鈉長石和鉀長石，鈣長石很少見到，長石的巖石脆性遠遠弱于石英，因而，合水地區長6段脆性指數計算中將長石作為非脆性礦物處理。

通過對合水地區長6段致密砂巖儲層巖石礦物成分及巖石力學測試結果分析，并與礦物成分相近的長7段致密砂巖實測巖石脆性[9]進行比較和整理，提出如下2個巖石脆性指數計算公式。

公式①：IB=w石英/w石英+碳酸鹽+黏土

公式②：IB=w石英+碳酸鹽/w礦物總量

用公式①計算巖石脆性指數較簡便，應用全巖分析資料預測比較準確，但存在2個缺點：一是沒有考慮脆性礦物碳酸鹽及其他非脆性礦物；二是應用薄片鑒定資料時，需要結合X射線衍射黏土礦物分析資料，才能確定黏土含量。

用公式②計算巖石脆性指數也比較簡便，在確定石英、碳酸鹽等脆性礦物含量的基礎上，若長石主要為鉀長石和鈉長石，則包括長石在內的其他成分為非脆性礦物?？捎萌珟r分析、薄片鑒定等資料計算脆性指數，其中礦物總量包括：石英、長石、巖屑、云母、黏土、碳酸鹽等，礦物總量為100%，所以公式②計算脆性指數時，實際值等于石英+碳酸鹽含量值。

根據合水地區主力層長63砂巖儲層7塊X射線衍射全巖及15塊巖石薄片樣品分析資料，應用上述2個公式，計算砂石脆性指數，其結果如表1。

公式①計算結果脆性指數平均值為74.8%，公式②脆性指數平均值為56.3%，其中公式②計算結果與用巖石力學方法預測結果相近(表2)。根據合水地區主力層長63儲層8塊樣品巖石力學測試的彈性模量和泊松比，經過歸一化處理后，計算的巖石脆性指數平均值為50.8%；在長63同一層段中，相鄰近的樣品用礦物分析法公式②計算巖石脆性指數，平均值為51.2%，兩者結果相近。因為采樣段不同，單塊樣兩者分析有差別，但平均值相近。

趙向原等[10]用巖石力學方法預測合水地區長6段砂巖脆性指數,結果是多數>50%，峰值為50%～60%，與本文用礦物法預測結果一致。由此可見，本文用巖石礦物法計算的巖石脆性指數結果較為客觀，且實用性強。一般情況下各盆地在對儲層研究中均開展了大量巖石薄片鑒定以及X射線衍射全巖分析，只要知道礦物成分中石英和碳酸鹽含量，就可預測出巖石脆性指數。

表1 合水地區長63巖石礦物分析法計算脆性指數Table 1 The brittleness index calculated by mineral analysis method for Chang-63 Formation in Heshui region

表2 合水地區主力層長63砂巖樣品力學試驗與礦物分析法脆性指數對比Table 2 The comparison of brittleness index by rock mechanics method with that by mineral analysis method for sandstone samples from Chang-63 Formation in Heshui region

3 長6砂巖脆性指數特征及分布

3.1 脆性特征

前已述及在致密砂巖儲層中，用脆性礦物含量表征巖石脆性，脆性礦物含量越高，巖石脆性越強。脆性越大的巖石，往往容易受壓破碎，形成裂縫；否則受壓或受拉容易變形，不易破碎。

在砂巖儲層中，巖石脆性指數受脆性礦物石英含量影響最大，其次為碳酸鹽膠結物。合水地區長6段致密砂巖儲層中石英礦物含量較高(平均體積分數為49.3%)，其與脆性指數成正比(圖2-A)；碳酸鹽膠結物的體積分數為4%～10%，對巖石脆性具有一定的影響；相反，黏土含量及其他非脆性礦物(如云母、泥質巖屑、火山灰等)與脆性指數成反比(圖2-B)。

3.2 脆性指數分布

從合水地區主力層長63砂巖脆性指數分布可以看出(圖3)，脆性指數一般大于40%，峰值在55%～60%，說明儲層脆性較大。通過盆地周緣露頭剖面與盆地內部鉆井巖心的重礦物和輕礦物組合特征的對比分析，合水地區長6期沉積主要受西南及南部物源控制，石英含量較高、長石含量較低、巖屑中等，因此，造成了合水地區長6段儲層具有高巖石脆性指數。

圖2 合水地區主力層長63礦物成分與脆性指數關系曲線Fig.2 The relation curves between rock constituents and brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

圖3 合水地區主力層長63砂巖脆性指數分布圖Fig.3 The histogram of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

針對合水地區56口井主力層長63巖石薄片鑒定和全巖分析資料，采用本文提出的公式②計算了單井巖石脆性指數并編制脆性指數平面分布圖(圖4)，結果表明合水地區主力層長63巖石脆性指數較高，主力區塊脆性指數>60%，有利于開展大型體積壓裂改造，不僅可形成眾多的人工裂縫，而且還將會連通、擴大和增大天然裂縫而形成滲流性更好的裂縫網絡[11-17]，增加泄油面積，大幅度提高油井單井產量。如合水地區主力層長63前期采用直井開發，單井產量平均為1.0 t/d左右，而近年采用水平井和大型體積壓裂改造措施后，由于巖石脆性高，形成了大量的網狀裂縫(圖5)，單井產量普遍增大到8.0～9.0 t/d，最高可達10 t/d以上。

圖4 合水地區主力層長63砂巖脆性指數分布圖Fig.4 Contour map of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

圖5 合水地區GP27-18井長63儲層壓裂裂縫微地震檢測俯視圖Fig.5 The micro-seismic monitoring map of Chang-63 Formation during hydro-fracturing in Well GP27-18, Heshui region不同顏色小球代表不同壓裂段裂縫分布范圍，橫向為裂縫半長，縱向為裂縫寬度。裂縫半長200～300 m，裂縫寬35～70 m

4 結 論

a.脆性指數與巖石礦物成分密切相關，脆性礦物含量越高，巖石越容易破裂。脆性礦物主要是石英、碳酸鹽等，巖石脆性指數受石英含量影響最大，石英含量越高脆性指數越大。

b.采用“脆性指數=(石英+碳酸鹽)含量/礦物總量”計算巖石脆性指數，其值與實測巖石脆性指數比較接近，且實用性強。

c.合水地區長6段儲層高石英含量是形成高巖石脆性指數的主控因素，主力層長63脆性指數平均為56.3%，適合大型體積壓裂改造。

d.根據單井巖石脆性指數計算結果，預測了合水地區主力層長63巖石脆性指數平面分布特征，主力區塊巖石脆性指數>60%。

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