湖相泥頁巖儲層脆性評價及影響因素分析
——以蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹泥頁巖為例

孫 彪，劉小平，舒紅林，焦創(chuàng)赟，王高成，劉夢才，羅瑀峰

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國石油 浙江油田分公司，杭州 310013；4.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018)

頁巖油是非常規(guī)油氣中重要的組成部分，我國頁巖油技術(shù)可采資源量豐富[1]。我國陸相頁巖油主要賦存在湖相層系，而湖相頁巖層系沉積構(gòu)造較復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，埋藏深，面積小，這對研究湖相泥頁巖脆性提出了挑戰(zhàn)。脆性較高的巖石在有效壓裂后可以形成規(guī)模較大的縫網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)而可提高頁巖油的產(chǎn)量。不同學(xué)者根據(jù)不同的需要提出了不同的脆性含義以及評價方法[2-8]。如通過確定巖石中脆性礦物及塑性礦物提出的礦物組分法[9]；利用室內(nèi)巖石力學(xué)實驗應(yīng)力—應(yīng)變曲線中獲得的彈性參數(shù)及其他特征參數(shù)提出的彈性參數(shù)法[10-12]和全應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征參數(shù)法[13-14]；利用硬度或強(qiáng)度測試得到的硬度、強(qiáng)度參數(shù)提出的硬度法[15-16]、強(qiáng)度法[17-18]等方法。湖相頁巖脆性是礦物成分、有機(jī)質(zhì)、儲集空間發(fā)育程度共同作用的結(jié)果，是評價可壓裂性的重要指標(biāo)。本文在調(diào)研國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，以蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹古近系阜寧組二段湖相泥頁巖為例，采用不同方法對湖相泥頁巖的脆性進(jìn)行評價，全面探究泥頁巖脆性的影響因素，以期為湖相頁巖油藏的成功改造及高效開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

蘇北盆地是中國東南部最大的中新生代盆地[19]，海安凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷的東南部，總體表現(xiàn)為“七次凹夾一隆”的構(gòu)造格局(圖1a)，其內(nèi)部的曲塘次凹和海北次凹為油氣勘探主體區(qū)(圖1b)。本文的研究區(qū)為曲塘次凹，位于海安—姜堰境內(nèi)，是晚白堊世以來形成的箕狀斷陷。其北接泰州低凸起，東鄰海北次凹，南鄰?fù)〒P(yáng)隆起，自北向南發(fā)育北部斷階帶、中部深凹帶、東部斜坡帶和南部斜坡帶，具有“北斷南超、北陡南緩、北深南淺”等特征[20]；自上而下依次發(fā)育阜寧組一段、二段、三段、四段4 個層段。阜二段(E1f2)為一套湖相沉積，巖性以深灰色—黑色泥巖/頁巖為主，夾泥灰?guī)r、灰?guī)r和白云巖，是研究區(qū)最重要的生油巖[21-23]。目前已在海安凹陷曲塘次凹阜寧組地層中獲得油流，預(yù)示著盆地內(nèi)存在巨大的油氣勘探潛力[24]。

圖1 蘇北盆地構(gòu)造單元劃分(a)、曲塘次凹位置(b)及J19井取樣位置(c)

2 樣品與方法

2.1 樣品與實驗

6個樣品采自海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段(圖1)，全部樣品均為深湖—半深湖相，巖性為云質(zhì)泥頁巖和灰質(zhì)泥頁巖。

實驗室?guī)r石力學(xué)特征測試是研究巖石力學(xué)性質(zhì)最直接的方法。為了全面分析、精確刻畫巖石脆性特征，對樣品的物理性質(zhì)、應(yīng)力—應(yīng)變特征進(jìn)行了測試。巖石力學(xué)實驗設(shè)備是從長春市朝陽試驗儀器有限公司引進(jìn)的巖石力學(xué)三軸應(yīng)力測試系統(tǒng)，實驗對圓柱形巖樣的橫向施加液體圍壓，然后逐漸增大軸向載荷，測出巖石破壞時的軸向應(yīng)力，并繪出應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。樣品為直徑25 mm的圓柱形試樣，基面偏差在2.5%范圍內(nèi),巖樣的長徑比為1.5。在三軸壓縮試驗中，測試溫度為20 ℃，圍壓為40 MPa。此外，利用中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室設(shè)備對樣品進(jìn)行X 射線衍射(XRD)、總有機(jī)碳(TOC)以及鏡質(zhì)體反射率(Ro)測定以及掃描電鏡實驗，以探究湖相泥頁巖樣品脆性的影響因素。

2.2 脆性評價方法

2.2.1 基于測井方法的巖石脆性評價

影響巖石脆性的2個彈性參數(shù)為楊氏模量和泊松比，其分為靜態(tài)彈性參數(shù)與動態(tài)彈性參數(shù)，可利用陣列聲波測井得到的速度信息計算動態(tài)彈性參數(shù)。

(1)

(2)

式中：ν為泊松比；E為楊氏模量，GPa；vs為橫波時差，μs/m；vp為縱波時差，μs/m；ρb為體積密度，g/cm3。

利用巖石三軸應(yīng)力資料，根據(jù)Rickman方程[3]，將動態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)化為靜態(tài)彈性參數(shù)，可以得到阜二段的靜態(tài)彈性參數(shù)。總的來說，一個適用于研究區(qū)湖相頁巖的修正脆性指數(shù)模型如下：

(3)

(4)

(5)

式中：BIE為歸一化的楊氏模量；BIν為歸一化的泊松比；BI1為脆性指數(shù)。

2.2.2 基于強(qiáng)度參數(shù)的巖石脆性評價

基于強(qiáng)度參數(shù)的脆性評價方法主要是利用抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差異性來評價。20世紀(jì)80年代，HUCKA和DAS[25]認(rèn)為抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差異隨著脆性的增加而增加，可利用二者或二者組合之間的比值關(guān)系來評價脆性，其計算模型如下：

(6)

式中：σc為抗壓強(qiáng)度；σt為抗拉強(qiáng)度；BI2為脆性指數(shù)。

2.2.3 基于礦物成分含量的巖石脆性評價

巖石的全巖礦物組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))通過XRD方法測定，定量分析儲層中脆性礦物與黏土礦物的相對含量[26]。頁巖儲層脆性礦物含量對壓裂過程中裂縫的發(fā)育程度具有重要影響[27]。

其中，頁巖儲層中脆性礦物含量越高，越易在壓裂時形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。WANG和GALE[28]通過分析北美地區(qū)頁巖氣儲層及其開采情況，在考慮其他脆性礦物(如脆性白云巖)和塑性礦物(如塑性石灰?guī)r)以及總有機(jī)物含量(TOC)之后，提出了新的巖石脆性指數(shù)計算公式。根據(jù)研究區(qū)泥頁巖的礦物組成，采用以下脆性礦物含量評價模型：

(7)

式中：ω(Si)為長英質(zhì)礦物的含量；ω(Car)為碳酸鹽質(zhì)礦物的含量；ω(Clay)為黏土礦物的含量；BI3為脆性指數(shù)。

2.2.4 基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的巖石脆性評價

BISHOP[15]提出巖石峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度參數(shù)組合關(guān)系的脆性指數(shù)計算方法；HUCKA和 DAS[25]則利用可恢復(fù)應(yīng)變以及可恢復(fù)應(yīng)變能等多種巖石力學(xué)參數(shù)，分別提出脆性指數(shù)的計算方法；

ANDREEV[13]提出利用巖石破壞時軸向應(yīng)變來計算其脆性指數(shù)。21世紀(jì)以來,也有學(xué)者不斷提出脆性評價方法，TARASOV和POTVIN[11]認(rèn)為脆性大小主要取決于彈性模量與峰后模量，其評價模型如下：

(8)

式中：K為脆性評價指標(biāo)；M為彈性模量；Ex為峰后模量。根據(jù)前人經(jīng)驗表明，K值越小，巖石脆性越大。

3 泥頁巖特征與脆性指數(shù)

3.1 巖石礦物成分特征

海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品礦物組分以石英、長石、黏土、方解石、白云石為主，樣品黏土含量高，主體礦物占比近似一致，上下巖性差異小，主要發(fā)育云質(zhì)泥頁巖和灰質(zhì)泥頁巖，脆性礦物含量均大于50%(表1)。

3.2 地球化學(xué)與儲層特征

研究區(qū)阜二段泥頁巖樣品TOC值為0.53%～2.29%，平均值為1.25%，有機(jī)質(zhì)豐度較高；有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為0.88%～1.21%，平均值為1.06%，已達(dá)到成熟階段(表2)。

樣品孔隙度為1.07%～3.36%，平均值為2.12%(表2)，表明阜二段泥頁巖整體致密，具有特低孔特征。由掃描電鏡結(jié)果(圖2)可見，研究區(qū)阜二段泥頁巖裂縫較發(fā)育，主要發(fā)育收縮縫、差異壓實縫、微裂縫等多種裂縫。

3.3 脆性特征

6個樣品基于三軸應(yīng)力實驗的結(jié)果見表3；不同類型頁巖在40 MPa圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。可以看出，在相同的加載條件下，頁巖樣品變形特征、力學(xué)參數(shù)存在明顯差異。頁巖樣品全應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)主要體現(xiàn)為彈—塑性變形類型，實驗樣品的破壞模式均為剪切破壞模式(圖4)。樣品表現(xiàn)為彈—塑性變形，變形曲線由近似直線的彈性變形階段和破壞前小的塑性變形階段組成(圖3)，部分樣品在破壞后仍具有一定的殘余強(qiáng)度；4號樣品表現(xiàn)為彈性變形較強(qiáng)、曲線呈近似直線，巖石變形主要為彈性變形，較其他樣品彈性較好。

3.4 不同方法脆性評價結(jié)果

利用上述4種方法對巖石樣品脆性進(jìn)行評價，計算出阜二段頁巖樣品脆性指數(shù)和評價指標(biāo)(表4)。BI1、BI2、BI3分別為利用測井方法、強(qiáng)度參數(shù)、礦物組分含量計算得到的脆性指數(shù)；K值為應(yīng)力—應(yīng)變曲線測試得到的脆性評價指標(biāo)。

4 討論

4.1 四種脆性評價方法對比

本文分別采用四種方法對湖相泥頁巖脆性進(jìn)行評價。通過分析本次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種方法計算的脆性指數(shù)(BI1、BI2、BI3)與實驗結(jié)果計算的脆性評價指標(biāo)(K)具有良好的相關(guān)性(圖5，圖6)，但也存在一定差異，原因如下：

表1 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜寧組二段泥頁巖樣品礦物組成

表2 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜寧組二段泥頁巖地化和儲層特征

圖2 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜寧組二段泥頁巖掃描電子顯微鏡照片

表3 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜寧組二段泥頁巖樣品脆性特征

圖3 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品應(yīng)力—應(yīng)變曲線圍壓40 MPa。

圖4 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品三軸壓縮試驗后的破裂形態(tài)

表4 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品不同方法脆性指數(shù)評價

(1)基于礦物成分含量的脆性評價存在差異主要由兩方面原因造成。一方面是其方法依賴巖石中脆性礦物含量，但在不同地區(qū)不同礦物組分對巖石脆性影響程度是不同的。如四川龍馬溪組下部沉積了硅質(zhì)頁巖，硅質(zhì)成為主要脆性礦物[29]，值得注意的是，黃鐵礦的存在也有可能對巖石脆性產(chǎn)生影響[30-31]。另一方面是該方法考慮因素較單一，僅僅考慮礦物組分含量，而忽略了成巖作用、膠結(jié)作用以及圍壓等的影響。

圖6 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段灰質(zhì)泥頁巖K值與脆性指數(shù)的關(guān)系

(2)基于彈性參數(shù)的脆性評價也存在一定缺陷。首先，利用彈性參數(shù)計算脆性指數(shù)公式具有較強(qiáng)的地區(qū)適用性，計算公式主要根據(jù)不同地區(qū)巖石樣品研究得來，普適性較差；其次，利用公式(4)計算過程中楊氏模量與泊松比對脆性指數(shù)影響程度相同，這種認(rèn)識并沒有理論依據(jù)[32]；再次，在利用縱橫波時差計算動態(tài)彈性參數(shù)時，聲波時差易受到TOC的影響而改變；最后，靜態(tài)彈性參數(shù)是由室內(nèi)實驗測得，其脆性特征容易受圍壓、溫度等因素影響。

(3)基于強(qiáng)度參數(shù)的脆性評價其效果相對上兩種方法較差。由于利用三軸應(yīng)力—應(yīng)變實驗得到的參數(shù)，強(qiáng)度計算的脆性參數(shù)是巖石破裂的臨界值，而脆性是整個破裂過程中的性質(zhì)，不能僅僅考慮應(yīng)變曲線前的力學(xué)參數(shù)或峰后情況。

4.2 脆性影響因素

4.2.1 礦物成分

通過研究巖層的礦物成分類型及含量，可以判斷脆性大小。分析發(fā)現(xiàn)白云石、方解石的含量對脆性指數(shù)的影響不同。白云石含量與K值成反比(圖7a)，即與其表示的脆性成正相關(guān)關(guān)系，是由于當(dāng)白云石含量增加時，白云石含量占主導(dǎo)地位，其對巖石脆性的影響越來越大，在該階段，云質(zhì)泥巖的脆性指數(shù)與K值所表現(xiàn)的脆性成正比；而灰質(zhì)含量與K值成正比(圖7b)，即與其表示的脆性成負(fù)相關(guān)關(guān)系，是由于灰質(zhì)泥巖中隨著方解石含量的增加，楊氏模量減少，泊松比增加，其脆性越來越弱。

4.2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

一般來說，泥頁巖儲層中有機(jī)質(zhì)含量越高，K值越大，巖石的脆性越低(圖8a)。因為有機(jī)質(zhì)豐度與泥質(zhì)含量有關(guān)，而泥質(zhì)含量影響脆性。以干酪根為主的有機(jī)質(zhì)，隨著成熟度的升高，脆性增加(圖8b)。由于碳?xì)浔壬撸沟酶衫腋饾u以芳烴化合物為主，芳烴化合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而脆性增加。

圖7 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖K與礦物組分含量的關(guān)系

圖8 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品脆性與TOC和Ro的相關(guān)性

4.2.3 儲集空間發(fā)育程度

湖相泥頁巖層系發(fā)育多種孔縫類型，當(dāng)泥頁巖受到地應(yīng)力加載后，造成孔縫末段應(yīng)力集中，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生張性裂縫，造成巖石脆性發(fā)生改變。孔隙度對巖石應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有重大影響，隨著孔隙度的增加，K值變大，巖石的彈性模量降低，K值變大造成巖石脆性逐漸下降(圖9)。研究區(qū)發(fā)育多種類型裂縫，天然裂縫的存在會與水力壓裂縫相互作用，造成逐級裂縫交會貫穿，共同形成多級裂縫網(wǎng)格系統(tǒng)。

5 結(jié)論

(1)通過以應(yīng)力—應(yīng)變曲線實驗得到的K值，對利用彈性參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)、礦物組分含量計算得到的脆性指數(shù)BI1、BI2、BI3進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)基于彈性參數(shù)和礦物組分含量評價脆性比基于強(qiáng)度參數(shù)評價脆性的應(yīng)用效果更佳，但每種方法都存在一定的局限性。

(2)云質(zhì)泥巖與灰質(zhì)泥巖脆性評價的應(yīng)用效果不同，云質(zhì)泥巖的三種方法計算的脆性指數(shù)與K值成反比，即與其表示的脆性成正相關(guān)關(guān)系，而灰質(zhì)泥巖則成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖9 蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥頁巖樣品脆性與孔隙度的關(guān)系

(3)頁巖脆性主要受礦物組分、有機(jī)質(zhì)儲集空間發(fā)育程度影響。白云石含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、裂縫發(fā)育程度與脆性呈正相關(guān)關(guān)系；方解石含量、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度與脆性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。