利用矿物含量计算砂岩脆性指数——以鄂尔多斯盆地合水地区长6段致密砂岩储层为例

王晓东, 王一航, 王永田, 尤 源, 王成玉

(1.中国石油长庆油田公司 第七采油厂,西安 710200;2.中国石油长庆油田公司 第八采油厂, 西安 710200; 3.中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院,西安 710018)

岩石的脆性指数是致密砂岩体积压裂需考虑的重要参数[1]，也是致密油勘探“甜点”区优选的重要指标之一。对于致密砂岩储层，脆性指数预测为储层评价及后期压裂射孔井段的选择提供依据[2-3]。

目前还没有专门针对砂岩储层脆性指数的计算方法，大部分学者借鉴页岩脆性指数计算方法来评价砂岩储层的脆性[1-6]。国内外针对岩石脆性指数开展的研究工作，主要采用岩石弹性参数计算法和岩石矿物组分计算法。鄂尔多斯盆地三叠系延长组储层总体致密，近几年对延长组砂岩储层的岩石脆性指数计算工作已积累有较多成果，表明不同区块不同层位的砂岩脆性指数差异很大，主要研究成果集中在延长组第7段(简称“长7段”)砂岩，而对合水地区延长组第6段(简称“长6段”)致密砂岩储层脆性指数研究很少，已成为制约长6段致密油高效开发的难题之一。针对鄂尔多斯盆地合水地区长6段致密砂岩储层，应用岩石矿物组分计算了砂岩储层的脆性指数，分析了矿物成分对脆性指数的影响、致密砂岩储层脆性特征及其成因，在此基础上，开展脆性指数的定量预测，为水平井体积压裂和提高致密油的开发效益提供依据。

1 地质概况

图1 合水地区地理位置图Fig.1 The location of Heshui region

合水地区行政区划包括甘肃省合水县、庆城县、宁县和正宁县的一部分(图1)，构造位置位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部，构造背景为一平缓的西北倾单斜，倾角仅0.5°左右，平均坡降6‰～8‰。区内发育三叠系延长组和侏罗系延安组2套含油层组，其中长6段为延长组的主要产油层段，以半深湖相重力流沉积为主。长6段根据沉积旋回可划分为3个亚段，其中长63亚段砂岩最为发育，主要为重力流水道沉积，砂体厚度较大且连片分布，是主力层段。砂岩粒度以粉-细粒砂为主，孔隙度(q)为9%～10.5%，渗透率(K)为(0.16～0.2)×10-3μm2，为典型的低孔低渗致密油储层，普遍含油，勘探开发潜力巨大。

合水地区长6段以岩屑长石砂岩为主，石英含量较高，其体积分数(φ)为40%～58%，以单晶石英为主；长石的体积分数较低，为15%～25%，其中钾长石的体积分数为5%～8%，钠长石的体积分数为12%～20%，钠长石含量高于钾长石；岩屑的体积分数中等，为12%～20%，以变质岩屑为主，次为沉积岩屑和火成岩屑，云母的平均体积分数为3.8%；填隙物主要由黏土和碳酸盐矿物组成，约占砂岩总量的14.1%，其中黏土约占9%，伊利石占绝对优势。

2 岩石脆性指数计算方法

岩石脆性是指岩石受力破碎时所表现的一种性质，Obert[7]则将脆性定义为材料需要很少或者不需要塑性变形就破裂或断裂的性质。在致密储层评价中，主要通过岩石脆性表征岩石压裂的难易程度。目前对于岩石脆性多用定性描述，尚无统一测量方法。岩石脆性大小通常用脆性指数来表征，岩石的矿物成分、力学性质等参数是影响脆性指数的重要因素，一般认为，弹性模量越大、泊松比越小，脆性指数越高，岩石越容易破裂[1]。脆性指数较高的岩石性质硬而脆，常发育构造裂缝，压裂过程中能迅速形成网状裂缝而对提高产能有帮助。

目前，研究岩石脆性主要采用应力-应变、静态弹性参数实验，以及岩石矿物成分分析等方法[1-2]。通常用岩石变形参数法定义脆性指数IB，计算公式为

式中：a为不可恢复应变；b为残余应变。

国外学者分析不同矿物岩石力学性质差异后，认为矿物成分及其结构是影响岩石脆性的主要因素，从而建立了通过岩石矿物成分定量计算岩石脆性的方法，在国内也得到较好应用；同时，根据国内不同地区的岩石矿物结合测井参数提出了不同的评价方法[1-4,8]。

用矿物成分计算岩石脆性指数的方法简便实用，但由于不同学者对脆性矿物的认识差异(一般将石英、碳酸盐等归为脆性矿物，黏土为塑性矿物)，所建立的脆性计算模型各有不同[1-6]，致密砂岩脆性指数计算公式多采用：IB=石英含量/(石英+碳酸盐+黏土)含量。黄军平等[3]对西北地区某盆地含煤地层提出的砂岩脆性指数计算公式为：IB=石英含量/(石英+长石+碳酸盐+黏土)含量；而对于非煤层地区将长石矿物作为脆性组分，提出的脆性指数计算公式为：IB=(石英+长石+碳酸盐)含量/(石英+长石+碳酸盐+黏土)含量。

长石是否为脆性矿物，不同学者看法不一。徐蕾等[9]从晶体光学角度对长石族矿物的脆性差异进行了分析，认为钙长石等脆性较强，钠长石的脆性中等，钾长石的脆性最弱。通过对合水地区长6段砂岩矿物成分研究表明，其长石主要为钠长石和钾长石，钙长石很少见到，长石的岩石脆性远远弱于石英，因而，合水地区长6段脆性指数计算中将长石作为非脆性矿物处理。

通过对合水地区长6段致密砂岩储层岩石矿物成分及岩石力学测试结果分析，并与矿物成分相近的长7段致密砂岩实测岩石脆性[9]进行比较和整理，提出如下2个岩石脆性指数计算公式。

公式①：IB=w石英/w石英+碳酸盐+黏土

公式②：IB=w石英+碳酸盐/w矿物总量

用公式①计算岩石脆性指数较简便，应用全岩分析资料预测比较准确，但存在2个缺点：一是没有考虑脆性矿物碳酸盐及其他非脆性矿物；二是应用薄片鉴定资料时，需要结合X射线衍射黏土矿物分析资料，才能确定黏土含量。

用公式②计算岩石脆性指数也比较简便，在确定石英、碳酸盐等脆性矿物含量的基础上，若长石主要为钾长石和钠长石，则包括长石在内的其他成分为非脆性矿物。可用全岩分析、薄片鉴定等资料计算脆性指数，其中矿物总量包括：石英、长石、岩屑、云母、黏土、碳酸盐等，矿物总量为100%，所以公式②计算脆性指数时，实际值等于石英+碳酸盐含量值。

根据合水地区主力层长63砂岩储层7块X射线衍射全岩及15块岩石薄片样品分析资料，应用上述2个公式，计算砂石脆性指数，其结果如表1。

公式①计算结果脆性指数平均值为74.8%，公式②脆性指数平均值为56.3%，其中公式②计算结果与用岩石力学方法预测结果相近(表2)。根据合水地区主力层长63储层8块样品岩石力学测试的弹性模量和泊松比，经过归一化处理后，计算的岩石脆性指数平均值为50.8%；在长63同一层段中，相邻近的样品用矿物分析法公式②计算岩石脆性指数，平均值为51.2%，两者结果相近。因为采样段不同，单块样两者分析有差别，但平均值相近。

赵向原等[10]用岩石力学方法预测合水地区长6段砂岩脆性指数,结果是多数>50%，峰值为50%～60%，与本文用矿物法预测结果一致。由此可见，本文用岩石矿物法计算的岩石脆性指数结果较为客观，且实用性强。一般情况下各盆地在对储层研究中均开展了大量岩石薄片鉴定以及X射线衍射全岩分析，只要知道矿物成分中石英和碳酸盐含量，就可预测出岩石脆性指数。

表1 合水地区长63岩石矿物分析法计算脆性指数Table 1 The brittleness index calculated by mineral analysis method for Chang-63 Formation in Heshui region

表2 合水地区主力层长63砂岩样品力学试验与矿物分析法脆性指数对比Table 2 The comparison of brittleness index by rock mechanics method with that by mineral analysis method for sandstone samples from Chang-63 Formation in Heshui region

3 长6砂岩脆性指数特征及分布

3.1 脆性特征

前已述及在致密砂岩储层中，用脆性矿物含量表征岩石脆性，脆性矿物含量越高，岩石脆性越强。脆性越大的岩石，往往容易受压破碎，形成裂缝；否则受压或受拉容易变形，不易破碎。

在砂岩储层中，岩石脆性指数受脆性矿物石英含量影响最大，其次为碳酸盐胶结物。合水地区长6段致密砂岩储层中石英矿物含量较高(平均体积分数为49.3%)，其与脆性指数成正比(图2-A)；碳酸盐胶结物的体积分数为4%～10%，对岩石脆性具有一定的影响；相反，黏土含量及其他非脆性矿物(如云母、泥质岩屑、火山灰等)与脆性指数成反比(图2-B)。

3.2 脆性指数分布

从合水地区主力层长63砂岩脆性指数分布可以看出(图3)，脆性指数一般大于40%，峰值在55%～60%，说明储层脆性较大。通过盆地周缘露头剖面与盆地内部钻井岩心的重矿物和轻矿物组合特征的对比分析，合水地区长6期沉积主要受西南及南部物源控制，石英含量较高、长石含量较低、岩屑中等，因此，造成了合水地区长6段储层具有高岩石脆性指数。

图2 合水地区主力层长63矿物成分与脆性指数关系曲线Fig.2 The relation curves between rock constituents and brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

图3 合水地区主力层长63砂岩脆性指数分布图Fig.3 The histogram of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

针对合水地区56口井主力层长63岩石薄片鉴定和全岩分析资料，采用本文提出的公式②计算了单井岩石脆性指数并编制脆性指数平面分布图(图4)，结果表明合水地区主力层长63岩石脆性指数较高，主力区块脆性指数>60%，有利于开展大型体积压裂改造，不仅可形成众多的人工裂缝，而且还将会连通、扩大和增大天然裂缝而形成渗流性更好的裂缝网络[11-17]，增加泄油面积，大幅度提高油井单井产量。如合水地区主力层长63前期采用直井开发，单井产量平均为1.0 t/d左右，而近年采用水平井和大型体积压裂改造措施后，由于岩石脆性高，形成了大量的网状裂缝(图5)，单井产量普遍增大到8.0～9.0 t/d，最高可达10 t/d以上。

图4 合水地区主力层长63砂岩脆性指数分布图Fig.4 Contour map of brittleness index of Chang-63 Formation in Heshui region

图5 合水地区GP27-18井长63储层压裂裂缝微地震检测俯视图Fig.5 The micro-seismic monitoring map of Chang-63 Formation during hydro-fracturing in Well GP27-18, Heshui region不同颜色小球代表不同压裂段裂缝分布范围，横向为裂缝半长，纵向为裂缝宽度。裂缝半长200～300 m，裂缝宽35～70 m

4 结 论

a.脆性指数与岩石矿物成分密切相关，脆性矿物含量越高，岩石越容易破裂。脆性矿物主要是石英、碳酸盐等，岩石脆性指数受石英含量影响最大，石英含量越高脆性指数越大。

b.采用“脆性指数=(石英+碳酸盐)含量/矿物总量”计算岩石脆性指数，其值与实测岩石脆性指数比较接近，且实用性强。

c.合水地区长6段储层高石英含量是形成高岩石脆性指数的主控因素，主力层长63脆性指数平均为56.3%，适合大型体积压裂改造。

d.根据单井岩石脆性指数计算结果，预测了合水地区主力层长63岩石脆性指数平面分布特征，主力区块岩石脆性指数>60%。

[参考文献]

[1] 李华阳,周灿灿,李长喜,等.致密砂岩脆性指数测井评价方法[J].新疆石油地质,2014,35(5):593-597.

Li H Y, Zhou C C, Li C X,etal. Logging evaluation and application of brittleness index in tight sandstone reservoir[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2014, 35(5): 593-597. (in Chinese)

[2] 张矿生,刘顺,蒋建方,等.长7 致密油藏脆性指数计算方法及现场应用[J].油气井测试,2014,23(5):29-32.

Zhang K S, Liu S, Jiang J F,etal. Calculation method about brittleness index in Chang 7 dense reservoir and its field application[J]. Well Testing, 2014, 23(5): 29-32. (in Chinese)

[3] 黄军平，张智盛，杨占龙，等.致密岩石矿物组分含量及脆性指数多元回归定量预测[J].新疆石油地质,2016,37(3):346-351.

Huang J P, Zhang Z S, Yang Z L,etal. Quantitative prediction of mineral component content and brittleness index in tight rocks based on multivariate regression analysis[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2016, 37(3): 346-351. (in Chinese)

[4] 姚昌宇,周瑞立,胡艾国,等.利用常规测井确定岩石杨氏模量——以富县区块上古生界储层为例[J].石油地质与工程,2012,26(5):110-112.

Yao C Y, Zhou R L, Hu A G,etal. Determination of Yong’s modulus by using conventional logging: Take Upper Paleozoic reservoirs of Fuxian block as an example[J]. Petroleum Geology and Engineering, 2012, 26(5): 110-112. (in Chinese)

[5] 石道涵，张兵，何举涛，等.鄂尔多斯长7致密砂岩储层体积压裂可行性评价[J].西安石油大学学报(自然科学版),2014,29(1):53-55.

Shi D H, Zhang B, He J T,etal. Feasibility evaluation of volume fracturing of Chang-7 tight sandstone reservoir in Ordos Basin[J]. Journal of Xi’an Shiyou University (Natural Science Edition), 2014, 29(1): 53-55. (in Chinese)

[6] 许孝凯,翟勇,刘美杰,等.复杂储层岩石脆性分析及应用研究[J].测井技术,2015,39(4):486-490.

Xu X K, Zhai Y, Liu M J,etal. Brittleness analysis of rock and its application to complex reservoir[J]. Well Logging Technology, 2015, 39(4): 486-490. (in Chinese)

[7] Obert L, Duvall W I. Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock[M]. Hoboken: Wiley, 1967.

[8] 王洪求，闫国亮，谢春辉，等.一种新的岩石脆性评价参数及其在致密油储层预测中的应用[C]//2015年物探技术研讨会论文集.武汉:石油地球物理勘探学会,2015: 57-61.

Wang H Q, Yan G L, Xie C H,etal. A new evaluation parameter for brittleness index and its application in tight oil reservoir forecasting[C]//2015 Annual Conference of Geophysical Exploration Technology. Wuhan: Oil Geophysical Prospecting, 2015: 57-61. (in Chinese)

[9] 徐蕾,师永民,徐常胜,等.长石族矿物对致密油储渗条件的影响——以鄂尔多斯盆地长6油层组为例[J].石油勘探与开发, 2013, 40(4):448-454.

Xu L, Shi Y M, Xu C S,etal. Influences of feldspars on the storage and permeability conditions in tight oil reservoirs: A case study of Chang-6 Oil Layer Group, Ordos Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(4): 448-454. (in Chinese)

[10] 赵向原，曾联波，王哓东，等.鄂尔多斯盆地宁县-合水地区长6、长7、长8储层裂缝差异性及开发意义[J].地质科学,2015,50(1):274-285.

Zhao X Y, Zeng L B, Wang X D,etal. Differences of natural fracture characteristics and their development significance in Chang 6, Chang 7 and Chang 8 reservoir, Ningxian-Heshui area, Ordos Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2015, 50(1): 274-285. (in Chinese)

[11] 王晓东,祖克威,李向平,等.宁合地区长7 致密储集层天然裂缝发育特征[J].新疆石油地质,2013,34(4):394-397.

Wang X D, Zu K W, Li X P,etal. The characteristics of natural fractures in tight sandstone reservoirs of Chang-7 Member in Ningxian-Heshui Area, Ordos Basin[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2013, 34(4): 394-397. (in Chinese)

[12] 弓浩浩,夏宏泉,杨双定.姬塬地区岩石脆性实验及压裂缝高缝宽预测研究[J].国外测井技术, 2013,149(2):57-61.

Gong H H, Xia H Q, Yang S D. Rock brittleness test and forecasting of fracture height and width in Jiyuan area[J]. World Well Logging Technology, 2013, 149(2): 57-61. (in Chinese)

[13] 南珺祥，王素荣，姚卫华，等.鄂尔多斯盆地陇东地区延长组长6-8特低渗透储层微裂缝研究[J].岩性油气藏,2007,19(4):40-44.

Nan J X, Wang S R, Yao W H,etal. Micro-fractures in extra-low permeability reservoir of Yanchang Formation in Ordos Basin[J]. Lithologic Reservoirs, 2007, 19(4): 40-44. (in Chinese)

[14] 李进步，卢双舫，陈国辉，等.基于矿物学和岩石力学的泥页岩储层可压裂性评价[J].大庆石油地质与开发,2015,34(6):159-164.

Li J B, Lu S F, Chen G H,etal. Friability evaluation for the mud shale reservoirs based on the mineralogy and rock mechanics[J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing, 2015, 34(6): 159-164. (in Chinese)

[15] 杜保健,程林松,曹仁义,等.致密油藏体积压裂水平井开发效果[J].大庆石油地质与开发,2014,33(1):96-101.

Du B J, Cheng L S, Cao R Y,etal. Development effects of the volumetric fracturing horizontal well in tight oil reservoirs[J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing, 2014, 33(1): 96-101. (in Chinese)

[16] 王欢,廖新维,赵晓亮,等.非常规油气藏储层体积改造模拟技术研究进展[J].特种油气藏,2014,22(2):8-15.

Wang H, Liao X W, Zhao X L,etal. The progress of reservoir stimulation simulation technology in unconventional oil and gas reservoir[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2014, 22(2): 8-15. (in Chinese)

[17] 杨俊峰，芮捍东，田建波，等.致密油藏多段压裂水平井初始产能影响因素分析[J].石油地质与工程， 2014，28(6)：65-68.

Yang J F, Rui H D, Tian J B,etal. Influencing factors analysis of multi-stage fractured horizontal wells’ initial productivity in dense reservoirs[J]. Petroleum Geology and Engineering, 2014, 28(6): 65-68. (in Chinese)