沁水盆地海陆交互相页岩脆性指数预测与测井响应分析

付娟娟，郭少斌

(中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

页岩地层的脆性，即页岩的岩石力学性质，是页岩可开采性的关键评价参数之一。脆性与页岩压裂的难易程度、压裂缝的走向形态及天然裂缝的发育程度密切相关，大量脆性矿物的存在是页岩能够通过压裂造缝获得高产油流的原因[1]。

脆性评价是页岩储层评价的重要内容。目前，页岩的脆性评价主要有以下几种方法：一是矿物法，即通过分析岩石样品矿物组成对脆性进行定性或定量表征[2-4]。JARVIE等[2]分析了Barnett页岩的矿物组成，认为石英为主要的脆性矿物，在此基础上建立了脆性指数计算模型。随后，国内外的诸多学者，根据不同地区页岩的矿物组成特点，考察了碳酸盐、长石等矿物对脆性的贡献[5-6]，分别建立了适用于地区经验的脆性指数公式。二是弹性参数法，即通过岩石力学实验获取的弹性参数进行表征。RICKMAN等[7]提出了基于弹性参数杨氏模量和泊松比表征页岩脆性的方法；GOODWAY等[8]提出采用拉梅系数和剪切模量表征脆性；还有学者以杨氏模量、泊松比、拉梅系数和剪切模量为参数进行脆性指数计算[9]。三是基于岩石物理实验和矿物组分分析进行脆性评价[10-13]。无论是矿物法还是弹性参数法，都需要通过矿物组分分析实验或岩石物理实验确定参数，再应用元素俘获测井(ECS)、阵列声波测井或地震资料进行脆性矿物指数预测，从而进行脆性评价。

沁水盆地煤系地层勘探开发时间长，测井系列简单，只有常规测井资料，而通过全岩分析获取矿物组分的岩心数量又十分有限。因此，目前该地区页岩储层的脆性评价以定性认识为主。本文通过矿物法计算岩心的脆性矿物指数BI，分析页岩地层的测井响应特征及其对脆性矿物指数BI的影响；采用多元回归方法，建立了该地区石炭—二叠系页岩地层矿物指数BI的计算模型，并对BI的影响因素进行了分析。本文方法实现了页岩地层脆性评价的定量表征，旨为该地区页岩储层评价和甜点预测提供依据。

1 研究区概况

沁水盆地位于华北克拉通盆地中心，为一近南北向的大型复式向斜构造盆地。其东部与太行山隆起毗邻，西部与霍山隆起相隔，北临五台山隆起，南接中条山隆起[14-15]，面积为4.2×104km2(图1)。

沁水盆地及其周缘在上古生界石炭—二叠系发育多套泥页岩，多数分布于太原组以及山西组，少量散布于下石盒子组。太原组沉积期海进海退作用频繁，形成了一套以潮控三角洲、碳酸盐岩台地、障壁沙坝、滞留潟湖、泥炭坪为主的海陆交互相复合沉积体系，其岩性主要为泥岩、砂质泥岩、煤层、粉砂岩、砂岩及石灰岩。山西组沉积期海岸线向南移动，地层以三角洲体系沉积为主，为一套浅水三角洲、三角洲平原及前缘的组合；其北缘在中晚期发生多次森林泥炭沼泽化过程，是以河流相泛滥盆地和三角洲平原为主的成煤环境，岩性为灰黑色碳质泥岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩夹煤层。石盒子组沉积期地壳上升,沁水盆地大部分地区脱离了海洋环境，沉积环境转变为以内陆河流及湖泊为主的组合，局部有泥炭沼泽沉积，因此地层沉积以相对干旱气候条件下的河流、浅水湖泊及其三角洲体系为主；岩性则以粗砂岩、粉砂岩、砂岩为主，同时存在有泥岩夹薄煤层。

图1 沁水盆地构造单元及位置示意

沁水盆地石炭—二叠系富有机质页岩储层中发育形态各异的不同类型孔隙及微裂缝。其中，矿物基质孔十分发育，但有机质孔相对不发育，扫描电镜下可见多数有机质孔呈点状，偶见椭圆型；从孔隙结构上看，以中孔隙发育为主。由于高含量的黏土矿物的存在，使得孔隙具有较大的比表面积。从有机地化特征来看，有机质类型以Ⅲ型为主，有机碳含量高；受中生代异常地温的影响，有机质热成熟度高，有利于生烃及吸附存储[16]。

2 矿物指数计算

2.1 矿物组分特征分析

本文样品来自沁水盆地石炭—二叠系地层的3口井中(图1)。黏土矿物及全岩X-射线衍射实验仪器为D8 DISCOVER型X射线衍射仪，分析依据为石油天然气行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法：SY/T 5163-2010》。

研究区上古生界页岩地层中，塑性矿物即黏土矿物含量高，平均高达57.5%，其中，太原组为53%～62%，平均56.6%；山西组为50%～63%，平均58%；下石盒子组为57%～60%，平均58.5%。以石英、长石为代表的脆性矿物含量次之，平均含量为41.3%，其中，太原组为38%～44%，平均40.2%；山西组为36%～48%，平均40.8%；下石盒子组为40%～43%，平均41.5%。此外，还存在一定量的菱铁矿及少量黄铁矿(图2)。

沁水盆地页岩地层具有典型的海陆交互相煤系地层矿物组成特征，即黏土矿物含量多、陆源碎屑矿物(石英、长石)含量相对较少。黏土矿物含量较高，其塑性变形能力较强，对裂缝的扩展十分不利。与海相页岩相比[17-19]，虽然该地区以石英和长石为代表的脆性矿物含量不高，但菱铁矿和黄铁矿的存在，有利于提高其脆性[20]。

图2 沁水盆地石炭—二叠系页岩样品矿物组分

2.2 脆性矿物指数计算

根据以上分析，可知该地区脆性矿物主要有石英、长石、黄铁矿、菱铁矿。将XRD全岩分析结果代入公式(1)，即可得到基于矿物法的脆性指数(BI)。

BI=(V石英+V长石+V黄铁矿+V菱铁矿)/V总

(1)

式中：V总为黏土矿物、石英、长石、黄铁矿及菱铁矿的总体积。

3 脆性矿物指数与影响因素

3.1 储层测井响应特征

沁水盆地上古生界石炭—二叠系富有机质地层由岩石骨架、有机质和孔隙流体3部分构成，部分层段夹杂煤层。测井响应是对不同矿物、有机质及孔隙流体的综合反映。由于有机质、煤与其他矿物的岩石物理特性差别较大，通常，有机质表现为较低密度、低声波传递能力和低导电性；煤则表现为低密度、较高的声波传递能力和超低导电性。相应的，其测井曲线的响应特征(图3)表现为：富有机质页岩地层，密度曲线低异常，声波时差高异常，自然伽马高异常；煤层密度曲线低异常，自然伽马低异常, 电阻率曲线高异常；而砂岩密度曲线幅度高于页岩，电阻率曲线高异常。

图3 沁水盆地石炭—二叠系煤系地层典型测井曲线特征

图4 沁水盆地石炭—二叠系页岩储层脆性指数与测井响应特征

陆源碎屑矿物、黏土矿物、菱铁矿和黄铁矿的测井响应特征值各不相同，因此，矿物法计算得到的脆性指数在一定程度上对应不同的测井响应值。黏土矿物通常具有高时差、高伽马、低密度；石英和长石通常具有高电阻率、低伽马、高密度、高时差；而黄铁矿和菱铁矿具有低电阻率、高密度的特点。从图4可以看到，脆性指数BI与测井响应有一定的关系：与密度值呈正相关；与自然伽马值呈负相关；与电阻率和声波时差的关系不明显，呈微弱的负相关。

由以上分析可以看出，由于受沉积环境的影响，不同地层形成了不同的矿物组合，测井响应是对矿物组合的综合反映。对每种测井方法而言，矿物组分对其影响程度不同，脆性指数与矿物组合密切相关。因此，在应用测井资料进行脆性指数预测时，要考虑到不同测井响应权重的不同。根据测井响应对脆性指数的反映程度，本文采用多元线性回归的方法，建立适用于沁水盆地的脆性指数计算模型。各测井曲线权重分别为：电阻率测井为-0.05，自然伽马测井为-8.60，声波时差测井为-0.01，密度测井为33.60。从各测井曲线的权重值来看，密度对脆性指数的影响最大，且密度越高，脆性指数越大，这是由于有利于脆性提高的矿物多具有较高的密度值；自然伽马与脆性指数负相关，是由于不利于脆性提高的黏土矿物具有较高的自然伽马值；电阻率和声波时差由于受各矿物组分的影响相互抵消，对脆性指数的影响较小。应用测井响应预测的脆性指数与矿物法计算结果进行对比(图5)，相关系数为0.75，预测效果较好。

图5 沁水盆地石炭—二叠系页岩BI预测值与矿物法计算值对比

4 结论

(1)沁水盆地石炭—二叠系页岩储层矿物组成以黏土矿物为主，平均含量为57.5%；石英、长石为主的脆性矿物含量次之，平均含量为41.3%；此外，含有一定量的菱铁矿和少量的黄铁矿。脆性矿物包括石英、长石、菱铁矿及黄铁矿。

(2)应用矿物法得到的沁水盆地石炭—二叠系页岩地层的脆性矿物指数平均值为42.7%，表明该地区页岩具备适合于后期压裂改造的条件。

(3)不同矿物的测井曲线响应特征不同，因此，在应用测井资料进行脆性指数预测时，不同测井响应的权重不同。脆性指数BI与密度曲线呈正相关，与自然伽马呈负相关，与电阻率和声波的关系不明显，呈微弱的负相关。

(4)沉积环境及其影响下的矿物成分、有机质含量与岩石脆性指数BI密切相关，是影响后期压裂改造的主要因素。

(5)沁水盆地上古生界石炭—二叠系页岩储层的矿物组成对后期压裂造缝较为有利，具有一定的勘探与开发潜力。