大民屯凹陷沙四下段矿物组分与脆性特征研究

周雪松，张 雷，刘兴周，金 科，李金鹏

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 东北石油大学 非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 3. 中石油辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010)

0 前 言

致密油已成为继页岩气之后全球非常规油气勘探开发的新热点。借助页岩气开采的成熟技术和成功经验，美国先后实现了Bakken、Eagle Ford等致密油大规模商业开发，对美国及世界能源格局产生了重大影响[1]。在我国鄂尔多斯盆地三叠系延长组、松辽盆地白垩系青山口组—泉头组、准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组、三塘湖盆地二叠系条湖组和渤海湾盆地古近系沙河街组都已获得重大勘探发现，致密油资源潜力巨大[2-4]。

辽河油田在七十年代初期就提出并开始加强致密油气的勘探工作，目前，致密油气勘探工作的范围正逐年扩大，在大民屯地区致密油气勘探成效显著，2017年下半年，沈平2井在沙河街组层位经多段压裂后投产，取得良好效果，证明该区致密储层具有很大的油气勘探潜力，因此加强并提高对该地区致密储层的认识是必要的。矿物组分及脆性的分析是致密油开发的基础，其中脆性矿物含量的高低，是影响人工裂缝是否发育的主要内在因素[5]，而脆性指数的高低则是压裂选段的重要参考指标。本文通过采集大量岩心样品，运用X射线衍射(XRD)分析技术对大民屯凹陷沙四下段样品矿物组分进行研究，并与Bakken组和Eagle Ford组矿物组分进行对比，结合声波测井资料利用矿物法和弹性参数法对脆性特征进行研究，优选出高脆性层段，为该区致密油的勘探与开发提供依据。

1 地质背景

大民屯凹陷是辽河坳陷的三大凹陷之一，位于辽河坳陷的东北部，面积约为800 km2，是一个典型的“小而肥”的富油气凹陷[5-7](图1)。大民屯凹陷地层中古近系地层分布面积广、沉积厚度大，其中沙河街组四段发育多套深湖—半深湖环境下的暗色泥页岩，是凹陷的主力烃源岩。截止2014年底，凹陷共探明储量3.78×108t，沙四段探明储量仅709×104t，占总储量的1.9%，各层系储量分布的不均衡性预示了沙四段具有很大的勘探潜力[8-9]。

根据沉积旋回和岩性组合特征，将大民屯凹陷沙四组下段划分为3个准层序，从下到上分别为PS1准层序、PS2准层序和PS3准层序。其中PS1准层序和PS3准层序为较好的油页岩发育层位，PS2准层序为泥质岩夹粉砂岩和泥质白云石发育层位，具有典型的致密油源储“三明治”结构特征[10](图2)。

图1 辽河坳陷大民屯凹陷构造图

图2 大民屯凹陷沙四下段沈352地质综合柱状图

2 样品采集与实验方法

实验样品均取自大民屯凹陷安福屯洼陷沈352井，均为井下岩心样品，其中PS1准层序样品112个，主要为黑色油页岩、灰色—深灰色泥岩、泥质白云石和白云质泥岩；PS2准层序样品73个，主要为灰绿色泥质白云岩和白云质泥岩；PS3准层序样品58个，黑色、褐黑色油页岩为主。

将岩心样品进行粉碎，研磨至约0.075 mm(200目)。XRD实验分析仪器采用德国布鲁克公司生产的D8-ADVANCE X 射线衍射仪。实验测试条件：Cu靶，Ka射线，工作电压30～45 kV，扫描电流20～100 mA，采用连续扫描，扫描速度6(°)/min，采样步宽0.02(°)，扫面范围5(°)～45(°)。执行沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物X射线衍射分析方法标准(SY/T5163-2010)，进行矿物组分定量分析，得到样品的矿物组成与含量数据。

3 矿物组分特征

根据X衍射全岩定量分析实验结果，大民屯凹陷沙四下段主要矿物组分较为复杂，且不同层序内差别较大，主要矿物组分由高到低为：石英、白云石、长石、方解石、黄铁矿、菱铁矿、伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙混层等粘土矿物。其中石英相对含量最高，为2.70%～60.90%，平均为34.74%；其次为粘土矿物，为7.60%～49.80%，平均为33.57%；白云石相对含量为0～80.00%，平均为16.38%；长石相对含量分布在0～44.40%，平均为7.14%；黄铁矿、方解石、菱铁矿含量较少，平均含量分别为3.51%、2.90%、1.76%。

粘土矿物中以伊/蒙混层相对含量在36.00%～84.00%，平均为72.21%；伊利石相对含量在5.00%～38.00%，平均为18.06%；高岭石相对含量在0～22.00%，平均为4.47%，绿泥石相对含量在1.00%～31.00%，平均为5.26%(见图3)。

图3 大民屯凹陷沙四下段矿物组成

从表1可以看出：研究区PS3准层序中石英和粘土矿物含量较高，分别占总量的39.38%和38.61%，菱铁矿和黄铁矿的含量明显高于其他两个准层序；PS2准层序为矿物组分中脆性矿物含量高，白云石类含量高达27.77%，石英含量占30.25%；PS1准层序粘土矿物含量占总量的33.42%，石英含量达35.26%，长石和方解石含量达12.51%，白云石类占总量的13.84%，白云石和石英含量高有利于裂缝、溶蚀孔的形成。

表1 沙四下段矿物含量/(质量分数) %

4 与北美典型致密油储层矿物组分对比

Bakken组和Eagle Ford组致密油是美国致密油勘探开发中最具代表性的2个实例。Williston 盆地Bakken 组是美国最早开展致密油勘探开发的目的层系[11]，资源量巨大；而Eagle Ford 组目前已成为美国致密油第1大产层。二者在矿物学特征方面有很大区别，脆性矿物含量普遍较高，储层大都有很高的脆性。

从统计数据来看(表2)，Bakken组硅质矿物含量稳定，平均为58.63%，平均碳酸盐岩矿物含量为28.41%。Eagle Ford组粘土矿物含量明显偏低[12]，仅占7.5%，石英含量占20%，碳酸盐岩平均含量高达67%。

表2 各组储层矿物含量/(质量分数) %

沙四下段矿物组分中，粘土矿物含量明显高于Bakken组和Eagle Ford组，硅质矿物含量中等，碳酸盐岩矿物含量偏低，PS1准层序碳酸岩矿物含量17.98%，PS2准层序碳酸岩矿物含量0～80%，平均27.77%，PS3准层序碳酸岩矿物含量9.82%；Bakken组下段碳酸岩矿物含量为6%，中段碳酸岩矿物含量为21%～70%，平均为38%，上段碳酸岩矿物含量为10%[13]，且二者碳酸盐岩矿物中均以白云石为主。

脆性矿物含量上，沙四下段明显偏低，但平均含量在40%以上，达到致密油商业开发的标准[3,14]。

5 脆性特征综合研究

目前岩石脆性计算主要有两种常用的方法。一种是矿物法，即采用岩石中的脆性矿物含量来表征岩石脆性。矿物组分中石英，白云石含量越高，岩石脆性越强[15-17]，公式如下。

(1)

其中BI1——脆性指数；

VQ——石英体积分数；

VD——白云石体积分数；

VT——总矿物的体积分数。

另一种是弹性参数法，认为杨氏模量越高，泊松比越低的岩石脆性更强[18]。通过声波测井数据计算得到杨氏模量和泊松比，用归一化杨氏模量和归一化泊松比的平均值表示岩石脆性[19-20]，公式如下。

(2)

(3)

BI2=(Ebrit+σbrit)/2

(4)

式中Ebrit——杨氏模量计算的脆性；

E——计算的杨氏模量，GPa；

Emin——杨氏模量最小值，GPa；

Emax——杨氏模量最大值，GPa；

σbrit——泊松比计算的脆性；

σ——计算的泊松比；

σmin——泊松比最小值；

σmax——泊松比最大值；

BI2——脆性指数。

利用以上两种方法对大民屯凹陷沙四下段致密油储层脆性进行综合评价(图4)，发现该区岩石脆性受石英和白云石含量共同控制，不同深度，不同矿物组分含量下，石英和白云石对脆性的影响程度也不同。以矿物法脆性指数高于40%，弹性参数法脆性指数大于40，厚度大于10 m为标准，确定高脆性层位，共有两段：1段3 172.32～3 185.09 m，位于PS3准层序内，石英含量高，白云石含量较低，石英和白云石对脆性的影响程度差异不明显，但含有一定量的黄铁矿，平均为4.1%，黄铁矿的存在有利于水力压裂过程中复杂网缝的形成[21]；2段：3 241.46～3 283.10 m，位于PS2准层序内，主要含有黏土矿物，石英，白云石和长石4种矿物，几乎不含其他矿物；石英和白云石总量平均高达59.1%，经过分析发现该层段白云石含量与脆性呈正相关性，而石英含量与脆性呈负相关性(图5)，说明白云石含量是影响该段位脆性的主要因素。

图4 大民屯凹陷沙四下段脆性分析结果图

6 结 语

1)大民屯凹陷沙四下段主要矿物组分为石英、白云石、长石、方解石、黄铁矿、菱铁矿和伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙混层等粘土矿物；大民屯凹陷沙四下段矿物组分中，粘土矿物含量明显高于Bakken组和Eagle Ford组，白云石和方解石等碳酸盐岩矿物含量较低，石英和长石等硅质矿物含量中等。

图5 脆性指数随石英含量、白云石含量变化图

2)研究区储层脆性受石英和白云石含量共同控制，不同深度，不同矿物组分含量下，石英和白云石对脆性的影响程度也不同。

3)基于矿物法与弹性参数法脆性综合评价，共选出两段高脆性层段为：1段3 172.32～3 185.09 m，位于PS3准层序内，石英和白云石对脆性的影响程度差异不明显，适量的黄铁矿对脆性有积极的贡献；2段3 241.46～3 283.10 m，位于PS2准层序内，白云石含量是影响该段位脆性的主要因素。

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