苏北盆地高邮凹陷阜四段泥页岩储层可压裂性评价

刘 蕾，宋骥衍

(1. 长江大学，湖北 武汉 430100； 2 河南省地质调查院，河南 郑州 450001)

1 区域地质概况

苏北盆地形成于晚白垩世仪征运动，属于苏北—南黄海盆地的陆上部分。海相中、古生代沉积实体为基底；陆相中生代、新生代断—坳陷沉积体为盖层，包括泰州组、阜宁组等多套地层。高邮凹陷位居苏北盆地东台坳陷中部，南部是真①断层、吴①断层与通扬隆起和吴堡低凸起相邻，北部以平缓的斜坡与柘垛低凸起相接，西侧以菱塘桥低凸起和柳堡低凸起与金湖凹陷相隔，东临白驹凹陷，是苏北盆地油气最为富集、勘探程度最高的三级构造单元。

阜四段(E1f4)沉积期属盆地坳陷演化阶段，地壳比较平稳，海水又有较明显的侵入，湖盆扩大，水系后退，盆地主体为半深水、深水环境。沉积了大套深灰、灰黑色泥岩，夹泥灰岩、油页岩。早期源自西部物源区的三角洲体系继承性发育，影响金湖凹陷西部地区，形成三角洲砂体，在泥沛、东阳、韩竹园等地尚有碳酸岩生物滩发育，形成生物碎屑岩沉积。依据岩性及电性特征。

E1f4纵向上可划分为E1f41(俗称“顶部尖峰段”，也称页1)、E1f42(俗称“上泥”)、E1f43(俗称“十八尖峰段”，也称页2)、E1f44(俗称“下泥”)、E1f45(俗称“三尖峰”—“C”，也称页3)、E1f46(俗称“多尖峰段”，也称页4)、E1f47(“弹簧段”)等7个层,分别对应E1f4A、E1f4B、 E1f4C、E1f4D、E1f4E、E1f4F、E1f4G。

2 泥页岩岩性特征及储积特征

2.1 泥页岩岩性特征

本区泥页岩主要成分为粉砂质陆源碎屑、方解石以及粘土矿物。根据沉积构造理论，结合岩心观察、薄片鉴定及X衍射全岩矿物分析结果，将目的层泥页岩分为4大类7种。首先根据矿物成分含量的多少，可以分为含灰泥岩、灰质泥岩、粉砂质泥岩、泥岩4大类；再根据是否发育纹层状构造，将含灰泥岩分为纹层状含灰泥岩、层状含灰泥岩两种，将灰质泥岩分为纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩以及块状灰质泥岩3种，粉砂质泥岩及泥岩不发育纹层状构造[1]。

2.2 泥页岩储积特征

高邮凹陷E1f4页岩发育微孔隙和微裂缝两种主要的储集空间类型，微孔隙类型主要以云母具溶蚀形成的次生片理孔为主，孔径一般为20～80 μm。

高邮凹陷页岩发育直立裂缝、陡倾裂缝、缓倾裂缝、水平裂缝、无定向裂缝等7种微裂缝；含油裂缝主要以陡倾裂缝和水平裂缝为主，形成于三垛组沉积沉积中—晚期。

高邮凹陷E1f4页岩孔隙度平均为5.2%～6.54%，其中E1f4灰质泥岩相孔隙度最大，平均达6.11%，水平渗透率也最高。E1f4E孔隙度较好，平均为6.54%；E1f4A、E1f4C和E1f4F孔隙度相差不大，平均介于5.2%～5.4%；E1f4页岩的孔隙度与渗透率的相关性很差。

3 阜四段泥页岩储层可压裂性分级

参考国内外分类方案，本次研究将研究区泥页岩的可压裂性级别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，其中，Ⅰ类的脆性指数(BI)最低，处于10～30之间，说明其可压裂性低，使用支撑剂的颗粒体积较小且浓度较高；Ⅱ类脆性指数BI中等，处于30～50之间，其可压裂性中等，使用支撑剂的颗粒体积和浓度均适中；Ⅲ类脆性指数BI最高。而页岩脆性的大小对压裂产生的诱导裂缝的形态可产生比较大的影响。塑性页岩泥质含量越高，压裂时越容易产生裂缝变形，形成较简单的裂缝网络，脆性页岩石英等脆性矿物含量比较高，压裂时较易形成复杂的裂缝网络。所以，页岩脆性越高，裂缝所形成的裂缝网络越复杂，脆性系数在50～70之间时，可压裂性高，使用支撑剂的颗粒体积较大且浓度较低[2-3]，如表1所示。

表1 不同级别可压裂性页岩储层特征

4 评价参数计算

4.1 杨氏模量

杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，是沿纵向的弹性模量。其值越大，使岩石发生一定弹性变形的应力也越大，即岩石刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小[4]。根据弹性波动理论可得到以下公式:

(1)

式(1)中：E为杨氏模量，反映了页岩被压裂后保持裂缝的能力，一般为10～80 GPa；△ts为横波时差，μs/ft；AC为纵波时差，μs/ft；g为重力加速度。

4.2 泊松比

泊松比是在岩石的比例极限内岩石相对压缩与相对伸长的比值，反应横向变形的参数[5]。根据弹性波动理论可得出以下公式:

(2)

式(2)中：U为泊松比，无量纲；△ts为横波时差，μs/ft；AC为纵波时差，μs/ft。

4.3 脆性特征参数BI

页岩脆性参数是影响页岩可压裂性的最重要的因素，页岩脆性包括泊松比和杨氏模量，泊松比反映了页岩在压力下的破裂能力，杨氏模量反映了压裂后保持裂缝的能力[6]。页岩杨氏模量越高、泊松比越低、脆性越高，可压裂性越高[7]。则根据泊松比和杨氏模量可得到以下公式。

阜四段E1f4C、E1f4F、E1f4E脆性指数BI值含量平面等值线图分别见图1～3。

图1 阜四段E1f4C 脆性指数BI值含量平面等值线

图2 阜四段E1f4F 脆性指数BI值含量平面等值线

图3 阜四段E1f4E 脆性指数BI值含量平面等值线

一般来说，脆性特征指数BI越高，泥页岩储层的可压裂性越好[8]，由图1～3可知：马3井—马10井—黄158井—黄20井—马4井区域为高邮凹陷E1f4C储集及改造Ⅰ类区；联5井—甲 1井—富42井—富深1井—曹21井区域和凹陷东部的花2井—陈X12井区域为Ⅱ类有利区。黄20井—黄158井区域为E1f4E储集改造Ⅰ类区，马10井—马3井—联5井—永12井—曹21井区域和花2井周围为Ⅱ类有利区。马3井—马10井—黄158井—黄20井—马4井区域为E1f4F储集改造Ⅰ类区，联5井—真86井为Ⅱ类有利区。

4.4 脆性矿物含量及组成

苏北盆地E1f4页岩层矿物组成以粘土矿物、石英和碳酸盐矿物为主，次为长石和方沸石，少量黄铁矿和微量石膏。总体来看，苏北盆地E1f4F套页岩脆性矿物含量均大于50%(见图4)，压裂改造条件均很好，其中E1f4E粘土矿物含量最少(36.36%)，碳酸盐岩矿物含量最高(25.61%)，压裂改造条件最好；而E1f4F粘土矿物含量最高(46.73%)，压裂改造条件相对较差。

图4 苏北盆地阜四段页岩矿物组成

以黄158井为例，得出泊松比、杨氏模量、脆性指数如表2所示。

表2 黄158井E1f4页岩岩石力学参数统计

5 结 论

1)苏北盆地E1f4发育块状泥岩、纹层状泥岩、纹层状含灰泥岩、层块状含灰泥岩、纹层状灰质泥岩、层块状灰质泥岩以及薄层状粉砂质泥岩等7种主要的岩石相类型。其中块状泥岩、纹层状泥岩和薄层状粉砂质泥岩页岩油形成条件较差；纹层状灰质页岩、层块状灰质泥岩页岩油生成条件最有利，纹层状含灰泥岩和层块状含灰泥岩次之，主要分布于E1f4A、E1f4C、E1f4E、E1f4F等4个层。

2)高邮凹陷E1f4页岩孔隙度平均为5.2%～6.54%，其中E1f4灰质泥岩相孔隙度最大，平均达6.11%；水平渗透率也最高。E1f4E孔隙度较好，平均为6.54%；E1f4A、E1f4C和E1f4F孔隙度相差不大，平均介于5.2%～5.4%；E1f4页岩的孔隙度与渗透率的相关性很差。

3)高邮凹陷E1f4页岩脆性矿物含量高(平均大于50.72%)，泊松比适中(0.19～0.26)，脆性指数较高(30.10%～44.71%)，具有较好的可压裂性。但页岩杨氏模量相对较低(12.9～19.4 GPa)。综合评价E1f4E可压裂性最好，E1f4C和E1f4A次之，E1f4F最差。页岩脆性指数越高，裂缝越发育。