湖相泥頁巖脆性指數計算方法探討與應用
——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中國石油大港油田分公司勘探開發研究院；②中國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石油勘探的新亮點，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烴類，頁巖經壓裂改造后可直接獲得工業油流[1]。我國頁巖油資源豐富，從1960年以來，松遼、渤海灣(遼河、濟陽、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，頁巖油儲集層脆性特征是儲集層力學評價、遴選射孔改造層段和設計壓裂規模的重要基礎，但頁巖油儲集層脆性礦物含量低和可改造性差等特征制約了我國頁巖油的勘探開發[4]。目前,關于頁巖油儲集層脆性指數評價方法尚不完善。通過借鑒在頁巖氣勘探過程中所使用的方法[5-6]，研究結果顯示,基于礦物組成的儲集層脆性指數方法具有一定實用性，但忽略了不同礦物成分之間脆性的差異性，評價結果不能準確評價頁巖油儲集層脆性特征?；跅钍夏Ａ亢筒此杀葰w一化(無量綱化)[7-8]的地層脆性指數計算方法是描述儲集層脆性特征的直接方法，其試驗結果能夠直接用于儲集層的可壓裂性評價，但由于取樣和試驗的限制，該方法不能被用于全井段的脆性特征評價。為解決這一矛盾，本文采用聯合取樣的方法，使用掃描電鏡和全巖X射線衍射(XRD)方法確定該區泥頁巖礦物組成及其相對含量，利用三軸壓力試驗方法獲得巖心樣品的楊氏模量和泊松比計算巖石脆性指數，通過數值模擬尋找礦物成分組成與地層脆性指數之間的對應關系，進而完善頁巖油儲集層脆性指數評價方法。

1 區域地質背景

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，其西側為滄縣隆起，東側為徐黑凸起，北側以孔店凸起為界，南側至東光凸起[9]，是黃驊坳陷內第二大富油凹陷。滄東凹陷在孔二段沉積時期為一陸內坳陷盆地，盆地中心為當時的湖盆中心及沉降中心。在湖盆擴張的背景下，孔二段發育一套邊緣為常規砂巖、內部為泥頁巖及中部為過渡巖相的三環帶沉積地層?？锥文囗搸r面積為600 km2,厚度可達400～600 m，是研究區內主要的烴源巖段，其內部致密砂巖和白云巖儲集層在縱向上厚度穩定，橫向上連片分布，源儲一體，油氣顯示活躍，具有良好的勘探前景。

研究區孔二段細粒相區有機質豐度平均3.26%(1038個樣品)，最大可達12.92%，整體屬于富烴源巖。鏡質體反射率(Ro)分布在0.66～0.96之間(74個樣品)，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內粒間孔隙、粒內孔隙、有機質孔隙、裂縫等儲集空間發育，是油氣成藏的有利儲集層。泥頁巖儲集層脆性指數評價成為致密油甜點預測的關鍵內容。

本文對GA井500 m取心段進行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含量。對泥頁巖內碳酸鹽巖、長英沉積巖、黏土巖和混合沉積巖采用系統取樣的方法,取得22塊三軸壓力試驗樣品。巖石的彈性參數是指巖石的楊氏模量和泊松比，采用靜力法測定。即通過巖樣在準靜態載荷條件下的應力——應變曲線，求取彈性參數。這些參數通常稱為靜態彈性參數。巖石力學三軸實驗裝置將巖樣放置在壓力室內，施加25 MPa側向壓力，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的垂直壓力、側向壓力值。實驗過程中，儀器自動記錄巖石軸向應力與應變，得到應力應變關系曲線,利用應力應變曲線，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個聯合取樣點的X射線衍射成分和彈性參數(表1)。

表1 滄東凹陷孔二段泥頁巖全巖XRD成分及彈性參數(部分數據)

續表1 滄東凹陷孔二段泥頁巖全巖XRD成分及彈性參數(部分數據)

2 常規脆性指數計算方法

頁巖儲集層脆性指數的計算方法通?？煞譃閮纱箢悾阂皇抢孟嚓P力學參數(楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、抗拉強度、抗壓強度及內摩擦角等)結合相應公式計算脆性指數；二是利用礦物組分對巖石脆性進行計算[10]。目前，泥頁巖儲集層脆性指數評價方法主要參考頁巖氣勘探過程中所使用的方法，其應用最為廣泛的為彈性參數法和礦物組分法。

2.1 彈性參數法

采用工程試驗的方法是獲取巖層脆性指數最直接的方法，其結果具有很強的代表性，能夠指導工程壓裂參數的選取。Rickman等[7]在2008年針對Barnett頁巖進行了經驗總結，認為低泊松比、高楊氏模量的頁巖脆性更好。楊氏模量是軸向應力與軸向彈性應變的比值，它反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，其值越大，巖石越易形成復雜裂縫[6]；泊松比是樣品徑向應變量與軸向應變量的比值，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。

工程脆性指數是基于工程試驗參數計算出來的，是對儲集層可壓裂性最直接的描述，對壓裂參數的選取有著重要的意義。但是在實際評價過程中，工程試驗樣品數量有限，不能滿足壓裂層段的系統評價，其局限性限制了彈性參數法的廣泛使用。

2.2 礦物組分法

巖石的脆性與其礦物成分密切相關，石英、長石、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脆性進行評價[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 資料對巖石脆性指數進行連續計算,稱之為狹義的脆性指數B狹義。其計算公式如下[8,10-11]：

式中：I石英、I長石、I白云石、I方解石、I黃鐵礦、I方沸石、I黏土分別為石英、長石、白云石、方解石、黃鐵礦、方沸石、黏土含量,%。

這種實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，稱之為廣義的脆性指數B廣義。其計算公式如下：

孔二段泥頁巖XRD分析結果表明，該段巖石礦物成分豐富，常見有長石、石英、白云石、黏土、方沸石、方解石、黃鐵礦等礦物(表1)?？锥渭毩Ｏ鄥^受外部物源和自生礦物的影響，加之后期強烈的成巖改造作用，使其礦物組成復雜多樣，各沉積和成巖因素均不占明顯優勢，長英質、碳酸鹽巖和黏土類礦物各占總量的三分之一。

通過對孔二段1 212個X射線衍射數據計算得出：孔二段泥頁巖狹義脆性指數分布在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。按照脆性指數大于40為可壓裂性好的標準，該區狹義脆性指數指示該區壓裂性均較差，計算結果明顯偏低；而廣義脆性指數計算結果指示該區壓裂性均較好，計算結果又明顯偏高(圖1)。礦物組分法計算出的脆性指數出現過小或過大的狀況，與工程試驗結果不相符(表2)，該計算結果不能直接進行泥頁巖脆性指數評價。

圖1 礦物組分法計算脆性指數與工程脆性指數關系

表2 滄東凹陷孔二段泥頁巖儲集層脆性指數(部分數據)

3 多元回歸計算方法

研究表明無論是狹義脆性指數還是廣義脆性指數，其與樣品的工程脆性指數均存在較大的差異性，礦物脆性指數的適用性較差。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評價的方法，需要找出與工程力學參數相關的脆性指數計算方法，為預測有利壓裂層段提供依據。

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

(1)利用上述彈性參數法，計算出聯合取樣點內22個巖石樣品的工程脆性指數。

(2)假設工程脆性指數與礦物含量之間具有以下線性關系：

Brit=b1I1+b2I2+…+bnIn

式中：b1，b2，…，bn為回歸系數的估計值;I1，I2，…，In為各礦物成分含量,%。

(3)在實際回歸過程中，為了便于與狹義脆性指數和廣義脆性指數的對比分析，在回歸方程的計算過程中，首先把石英的系數設為1，然后根據各礦物含量與脆性指數的相關性，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意義的一組參數，最終確定回歸方程為：

B=100I石英+62.9I白云石+52.1I長石+25I方解石+

20.4I黃鐵礦+18I方沸石+2.1I黏土

通過回歸方程計算的脆性指數稱之為回歸脆性指數?；貧w結果表明石英對脆性貢獻最大，白云石、長石次之，方解石、黃鐵礦、方沸石影響較弱，黏土對脆性貢獻最小。礦物組分法獲得的狹義和廣義脆性指數與工程脆性指數之間的相關性較差，回歸方程計算出的回歸脆性指數與工程脆性指數之間的決定系數r2為0.8，顯示出較好的相關性(表2、圖2)，表明基于回歸方程脆性指數可以被用來代替工程脆性指數評價，以此彌補傳統礦物組分法的不足。

圖2 泥頁巖儲集層工程脆性指數與回歸脆性指數關系

4 應用效果分析

滄東凹陷GA井孔二段泥頁巖段共有1 212塊次X射線衍射分析數據，分別計算出該段的狹義脆性指數、廣義脆性指數和回歸脆性指數并繪制成曲線(圖3)。根據美國頁巖氣開發經驗，當脆性礦物含量大于40%，即脆性指數大于40，頁巖具備良好的可壓裂性[12]。狹義脆性指數分布在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，這與實際壓裂效果相矛盾。工程脆性指數主體分布在30～70之間，平均為52，儲集層的可壓裂性處于中等水平，通過多元回歸計算方法獲得的回歸脆性指數分布在24.2～70.6之間，平均49.18，能夠客觀地評價孔二段泥頁巖的可壓裂性。該地區官GA井的壓裂取得良好效果，參考Barnett頁巖脆性系數[7]，把脆性指數大于46.4作為工程甜點選取的臨界值，在優選出兩套砂巖甜點段的同時，也指示出Ek22和Ek23部分甜點分布區。

根據七性關系綜合評價結果，對該井孔二段3個層段分別進行了工程壓裂。試油段1為Ek24中下部，其回歸脆性指數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，日產油6.58 t，累產油82 t；試油段2為Ek23上部，其回歸脆性指數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，日產油5.21 t，累產油56 t；試油段3為Ek22上部，其回歸脆性指數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，日產油8.83 t，累產油57 t。從試油結果和脆性指數之間的關系可以看出，試油段2錄井解釋為好的含油層段，但其受脆性指數的影響，油層的壓裂效果較差，日產油偏低。試油段3脆性指數要高于試油段2，日產油也相對較高。相較于試油段1，其脆性指數值較小，不利于裂縫保持開啟狀，后期穩產難度相對較大。

圖3 滄東凹陷孔二段泥頁巖工程甜點預測

5 結論與認識

湖相泥頁巖礦物類型多，且各礦物組分均不占優勢，應用廣義脆性指數計算結果值偏大，而應用狹義脆性指數計算結果偏小，且二者與實測工程力學脆性指數并沒有良好的對應關系，無法客觀反映泥頁巖的脆性特征。在對黃驊坳陷滄東凹陷孔二段泥頁巖系統取樣分析的基礎上，通過建立巖石礦物成分與工程彈性參數之間的關系，確定了利用巖石成分加權計算脆性指數的方法。巖石礦物成分與工程彈性參數計算的脆性指數回歸結果顯示，石英對脆性貢獻最大，白云石、長石次之，方解石、黃鐵礦、方沸石影響較弱，黏土對脆性貢獻最小。

滄東凹陷孔二段泥頁巖儲集層的脆性指數比頁巖的脆性指數低，儲集層的可壓裂性處于中等水平。脆性指數與壓裂效果密切相關并制約著試油產量，脆性指數低的試油層段不利于高產穩產。