陸相富有機質頁巖脆性評價方法優選與應用??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 時戰楠 董姜暢

中國石油大港油田公司

近年來，我國逐步加大了湖相頁巖油勘探力度，在渤海灣、鄂爾多斯、準噶爾等盆地均獲得突破，頁巖油已成為繼頁巖氣之后常規油氣勘探的重要接替領域［1-3］。由于頁巖孔隙度、滲透率極低，必須經過大規模體積壓裂改造才能獲得穩定工業油流，頁巖油效益區往往是地質甜點、工程甜點、經濟甜點的疊合區。影響頁巖體積改造效果的因素包括壓裂規模、施工工藝、頁巖脆性、地應力差、天然裂縫發育情況等［4-5］，其中頁巖脆性是頁巖內在特質，直接影響壓裂裂縫規模。目前頁巖脆性主要通過脆性礦物法或力學參數法計算的脆性指數進行評價，脆性礦物法是通過X衍射分析的無機礦物含量計算脆性指數，力學參數法則基于巖石的動態或靜態彈性模量和泊松比計算脆性指數［6-14］。應用力學參數法進行單井脆性評價需要有特殊測井資料如聲波全波列測井(XMAC)，老井一般沒有這項資料，同時新鉆探的水平井也往往僅有隨鉆伽馬、電阻率測井，極大限制了該方法的實際應用。脆性礦物法則是現場最常用的一種方法，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、長石、方解石、白云石、方沸石，甚至黃鐵礦等，但學者們對哪些礦物可以作為脆性礦物的認識尚不統一［6-9］；(2)不同礦物的脆度不同，對頁巖脆性影響也不同，但其權重系數往往取值相同(均為1)，欠合理；(3)脆性礦物法中的參數為無機礦物含量，未考慮有機質影響，尤其是高有機質頁巖，有機質對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(應力)后宏觀形變特征，而脆性礦物法和力學參數法計算的脆性指數往往差別較大，相關性差。針對以上問題，筆者在17組陸相頁巖樣品三軸壓縮實驗、X射線衍射及有機碳聯測分析基礎上，對兩種方法計算的脆性指數進行對比分析，進而建立了一種考慮頁巖有機質以及不同礦物脆度的脆性評價方法和脆性評價圖版，為頁巖油甜點評價以及水平井鉆探箱體設計提供重要參考。

1 地質概況

渤海灣盆地黃驊坳陷南部的滄東凹陷是古近紀早期的斷陷盆地，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-灰色頁巖夾砂巖的湖泛期沉積。基于G108-8井500 m系統取心的巖性、物性等上萬塊次分析，認為孔二段頁巖紋層發育，由長英質礦物(石英和長石)、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%，可劃分為長英質頁巖、混合質頁巖、灰云質頁巖等；頁巖有機質豐度高，TOC平均3.6%，最高可達11.9%，巖石熱解檢測生烴潛力S1+S2平均22.1 mg/g，有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主；孔隙度一般為2%~8%，以微納米級無機孔為主，有機孔和微裂縫也較發育；含油普遍，游離烴S1含量平均 3.6 mg/g，最高達 12 mg/g［15-16］。因此，滄東凹陷孔二段頁巖具備形成頁巖油的基本地質條件，目前勘探已獲重要突破［17］。

2 實驗方法及巖樣數據

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

本文選取滄東凹陷孔二段17塊頁巖樣品開展實驗分析，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巖力學參數及礦物組成Table 1 Rock mechanic parameters and mineral composition of shale of the 2nd Member of the Kongjiadian Formation, Cangdong sag, Bohai Bay Basin

3 脆性評價方法優選

3.1 考慮有機質影響的礦物體積含量變換

與砂巖相比，頁巖的黏土、有機質含量往往較高，且長英質和碳酸鹽等無機礦物、黏土礦物、有機質往往呈互層分布，而非充填于骨架顆粒之間或孔隙內，有機質也是頁巖骨架的重要組成部分，頁巖脆性評價時必須考慮有機質影響。有機質含量主要通過TOC含量表征，由于其含量是質量百分數，而XRD分析的無機礦物含量是體積百分數，因此要將TOC的質量百分數轉化為體積百分數，轉化公式為

式中，Vo為有機質體積分數，%；Wo為總有機碳含量，%；K為有機質轉化系數，無量綱；ρm為頁巖密度，g/cm3；ρo為有機質密度，g/cm3。

有機質轉化系數K介于1.1~1.5，根據有機質類型和成巖演化階段確定［9］，孔二段頁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，由此確定有機質的體積分數與質量分數轉換倍數為3.3，即Vo=3.3Wo。

當將無機礦物、有機質作為整體100%考慮時，XRD各礦物體積含量校正公式為

式中，Vi為校正前的無機礦物體積分數，%；Vi*為校正后的無機礦物體積分數，%。

3.2 頁巖脆性評價公式對比與優選

(1)不考慮有機質，分別將石英或石英、長石、方解石、白云石、方沸石作為脆性礦物，建立脆性指數公式為

(2)考慮有機質，將石英、長石、方解石、白云石、方沸石作為脆性礦物并進行礦物含量變換，建立脆性指數公式為

(3)頁巖中不同礦物脆度具有差異，石英、長石、方解石、白云石、方沸石的脆度系數分別為1.0、0.3、0.5、0.7、0.5［18］，同時考慮有機質對巖石脆性的影響，建立脆性指數公式為

(4)依據經典力學參數法，建立脆性指數公式為

式中，Vqa、Vfe、Vca、Vdo、Van、Vcl分別為石英、長石、方解石、白云石、方沸石和黏土體積分數，%；分別為考慮有機質校正后的石英、長石、方解石、白云石、方沸石和黏土體積分數，%；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的相關性，優選最佳的礦物含量法從而根據XRD評價頁巖脆性，如圖1所示。宏觀力學上BI5可以區分的巖石脆性，微觀礦物成分上BI1、BI2對不同巖石脆性區分度較低，并不適用于頁巖脆性評價，而BI3和BI4的巖石脆性區分度較高，復相關系數分別為0.69和0.80，尤其是BI4與BI5的相關系數最大，說明力學參數與礦物含量反映的巖石脆性有著較好的一致性，可以更為準確地表征頁巖脆性。

圖1 礦物法脆性指數與力學參數法脆性指數相關關系Fig.1 Correlation betweenbrittleness indexes based on mineral composition and rock mechanic parameters

3.3 頁巖脆性評價參數簡化

統計w16井189塊樣品的脆性指數BI4與黏土、TOC之間的關系，由圖2可看出，頁巖黏土及有機質共同影響著頁巖的脆性，兩者互為補充。黏土及有機碳TOC含量越高頁石脆性越低，當頁巖中主要以黏土(有機質/黏土含量比＜0.6)或有機質(有機質/黏土含量比＞0.6)為主時，脆性指數BI4與黏土或TOC均具有很好的相關性。黏土含量＞40%或TOC＞6%，96%樣品脆性指數BI4＜40%，黏土含量＜20%，樣品脆性指數BI4＞50%，受黏土含量影響，TOC低時并非都是高脆頁巖。因此，可利用黏土、TOC含量兩項關鍵參數進行頁巖脆性的評價。

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

同時，通過測井資料尚不能準確計算出多達6種礦物的含量，從而限制了BI4的廣泛應用。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公式可簡化為

因此，只需通過測井資料計算出黏土、TOC兩項參數即可。TOC含量的計算方法較成熟且準確性較高［19-20］，黏土含量的計算主要通過巖心實驗資料與測井曲線回歸獲得，巖心資料豐富時建立的解釋模型精度往往較高［21-22］。簡化后礦物法脆性指數BI與簡化前BI3基本一致，BI與BI5依然具有較好的相關關系，復相關系數為0.68(見圖3)。

圖3 簡化的礦物法脆性指數BI與力學參數法脆性指數BI5相關關系Fig.3 Correlation between the simplified mineral compositionbased brittleness index BI and the rock mechanic parameter-based brittleness index BI5

綜上，當XRD分析的各礦物含量資料比較豐富時，優先選擇BI4進行頁巖脆性評價，當通過測井資料進行單井或區域性脆性評價時，宜選擇BI。

4 孔二段頁巖脆性評價

4.1 脆性評價標準

由于所采用的脆性評價模型不同，目前業內尚沒有統一的頁巖脆性評價標準。Bowker研究認為Barnett主力產層頁巖中石英、黏土、方解石和白云石、長石、有機質及其他礦物平均含量分別為45%、27%、8%、7%、5%、8%［23］，該含量為考慮有機質校正后的數值，由此計算的脆性指數BI4為56%。GB/T 35110?2017《海相頁巖氣勘探目標優選方法》［24］將海相頁巖脆性劃分為3類，基于力學參數的脆性指數界限分別為＜35%、≥35%~ ＜50%和≥50%。鄒才能［1］認為石英、方解石等脆性礦物含量大于40%、黏土含量小于30%時頁巖具有較好脆性。在參考不同地區頁巖脆性分類評價基礎上，根據三軸壓縮實驗應力-應變特征、礦物法~力學參數法脆性指數相關關系，確定適合本區的脆性礦物法脆性指數分類評價標準，Ⅰ類高脆頁巖BI4≥50%，Ⅱ類中脆頁巖BI4介于40%~50%，Ⅲ類低脆(~塑性)頁巖BI4＜40%；若只通過測井進行脆性評價，則優先選擇脆性指數BI，其上述界限值分別為≥80%、≥60%~＜80%和＜60%。

4.2 不同脆性頁巖應力-應變特征

不同脆性頁巖的應力-形變特征以及破碎后形成的裂縫條數和形態也不同。圖4 (a)樣品點深度為 3 209.0 m，黏土含量 25%，TOC 質量分數 9.27%，計算BI4為29.0%，BI為53.3%，該樣品為Ⅲ類低脆頁巖，其軸(徑)向應變隨著應力增大而緩慢增加，達到峰值強度出現短暫下凹后應變持續緩慢增加，表現出較強的塑性特征，形成簡單的單一破裂縫(面)。圖4(b)樣品深度為 2 955.5 m，黏土含量 14%，TOC質量分數為 5.51%，計算BI4為 39.5%，BI為71.2%，該樣品為Ⅱ類中脆頁巖，其軸(徑)向應變隨著應力呈直線增大，破壞后巖心基本不存在承載能力，殘余強度下降較快，表現為脆性破壞，破裂縫呈不規則形態。圖4(c)樣品深度為2 925.5 m，黏土含量15%，TOC質量分數 0.59%，計算BI4為 50.0%，BI為83.4%，該樣品為Ⅰ類高脆頁巖，其軸(徑)向應變隨著應力呈直線增大，破壞后巖心殘余強度快速下降，表現為脆性破壞，破碎形態呈一條主裂縫和1~2條伴生裂縫。

圖4 不同脆性頁巖的應力-應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 綜合脆性評價的甜點優選

頁巖油評價指標較多，目前國內主要從巖性、物性、含油性、烴源巖特性、脆性等方面進行綜合評價，其中脆性是頁巖油甜點評價重要依據。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%，計算的脆性指數BI平均53%，屬于Ⅲ類低脆頁巖；3 188~3 208 m 段表現為長英質、混合質、灰云質頁巖互層，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%，計算的脆性指數BI平均71%，整體為Ⅱ類中脆頁巖，局部為Ⅰ類高脆頁巖。綜合評價認為中等含油性和高脆性的頁巖段3 188~3 208 m最為有利。試油結果表明，以下部低脆頁巖為主的GX5井試油段壓后僅獲得3.2 t/d的液量，而以上部高脆頁巖為主的Z1608井則獲得14.8 t/d的高產油流，說明下部含油性雖好，但目前工程技術條件下，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巖則是目前主要勘探的工程-含油雙甜點(圖5)。

圖5 頁巖甜點靶層綜合評價圖Fig.5 Comprehensive evaluation of the sweet-spot shale target layer

5 結論

(1)富有機質頁巖有機質和黏土礦物含量較高，因此頁巖脆性評價既要考慮石英、長石、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質的負面作用。

(2)孔二段頁巖中黏土礦物含量平均21%，有機碳含量平均3.6%，最高可達11.9%，由此分別建立了綜合考慮頁巖總有機碳含量、不同礦物脆度差異的頁巖脆性指數，脆性評價標準為Ⅰ類≥50%、Ⅱ類介于40%~50%、Ⅲ類＜40%；以及TOC-黏土含量評價頁巖脆性指數，脆性評價標準為Ⅰ類≥80%，Ⅱ類介于60%~80%，Ⅲ類＜60%，兩者均與經典的力學參數法脆性指數具有較好相關性，說明頁巖微觀礦物組成所呈現出的脆性特征與宏觀應力應變力學特征具有有機統一性。

(3)頁巖脆性評價是頁巖油品質評價及甜點優選的重要內容，主要應用于甜點的平面選區、水平井選層、壓裂選段。G108-8井脆性評價應用表明，高脆、高含油或中等含油的頁巖是工程-含油雙甜點，頁巖油最為有利。