利用元素成分准确评价海相页岩脆性的方法

孙红华 姜维寨 孟庆峰 范 伟 徐 皓 张明扬 赵 岩 王灿丹婷 韩桦林 陈京原

(中国石油渤海钻探第二录井公司)

0 引 言

脆性是影响地层可压裂性的重要因素，是评价工程甜点的重要指标[1-2]，但脆性的定义并不明确[3-4]，有关评价方法包括全应力-应变曲线、硬度、强度、能量、成分五大类40余种方法[5-6]，由于定义及模型的不统一性，也难以用明确的尺度衡量不同模型的效果与精度。国家标准GB/T 31483-2015《中国页岩气地质评价方法》、GB/T 35110-2017《海相页岩气勘探目标优选办法》及行业标准DZ/T 0254-2014《页岩气资源储量计算与评价技术规范》采用脆性矿物含量表征页岩的脆性，脆性矿物含量主要来源于岩心分析，由于页岩气是低成本开发战略，多采用水平井等作业方式，通常不进行钻井取心，且测井资料较少或不测井，同时页岩具有较强的非均质性，直井的岩心数据不能完全表征水平段的岩石特性，难以为水平段的精细分段压裂提供有效支撑。因此，亟需通过录井手段来解决脆性的连续、准确评价难题。

元素录井是采用XRF(X射线荧光)、LIBS(激光诱导击穿光谱)等原理在钻井现场随钻、快速分析岩屑(岩心)元素成分的一项新技术，可用于岩性识别、地层划分与层位卡取、沉积环境识别、地质导向、甜点评价等领域[7-10]，在页岩气井广泛使用。其中一种方法是对(Si+Ca+Mg)进行归一化处理求取脆性指数[11]；另一种方法是分别用Si、K、Ca的归一化数据表征砂质、泥质、钙质含量，然后用砂质含量占三者含量之和的百分数代表脆性指数[12]。显然这两种脆性指数存在差异，Si、K、Ca、Mg都不是某种矿物的独有元素，因而也与脆性矿物含量有差异。为此，在分析元素与脆性矿物关系的基础上，尝试建立与脆性矿物相统一的脆性元素法，提高脆性评价的统一性与准确性。

1 常用脆性评价方法比较

海相页岩的矿物成分相对简单，主要由石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿及黏土矿物组成，黏土矿物主要为伊利石、绿泥石与伊蒙混层。GB/T 31483-2015定义的脆性矿物包括石英、长石、碳酸盐岩、黄铁矿等，DZ/T 0254-2014定义的脆性矿物包括硅酸盐矿物(石英、长石和岩屑碎屑)和碳酸盐矿物。

常用的页岩脆性评价方法有三类(表1)：一是基于岩石力学参数的脆性指数法，即取归一化后杨氏模量及泊松比的平均值(BI1)[13-16]，这是测井常用的方法，基于偶极子阵列声波测井资料求取，而声波测井资料受井眼条件(温度、压力、井径等)的影响；二是基于矿物组分的脆性指数法，这类模型有多种方法，分子、分母并不统一，BI2将石英作为脆性矿物，分母为石英、方解石和黏土矿物之和，BI3将石英和白云石作为脆性矿物，分母为石英、白云石、方解石、黏土矿物及总有机碳的含量之和，即考虑了干酪根的含量，BI4将石英和钙质矿物作为脆性矿物[17]，分母为石英、钙质矿物和黏土矿物之和；三是基于元素组分的脆性指数法，BI5是用Ca、Mg、Si分别代表方解石、白云石、石英的含量，对这三种元素的含量之和做归一化处理表征脆性指数，BI6是用Si、K、Ca的归一化数据分别代表砂质、泥质、钙质矿物的含量，然后求取砂质含量所占的百分数，其理论依据与BI2相同。

这三类方法内涵相通，因为岩石是由矿物组成的，矿物是由元素组成的，而每种矿物的岩石力学特性是其固有属性[18]，即杨氏模量与泊松比是基本固定的。因为杨氏模量越大、泊松比越小，岩石脆性越好，所以页岩的脆性主要由石英、白云石、黄铁矿等矿物决定(图1)。

表1 常用的页岩脆性评价方法

以WY 1导眼井为例，通过偶极子声波测井资料计算BI1，通过岩心X射线衍射(XRD)资料计算BI2、BI3、BI4，通过岩心X射线荧光(XRF)资料计算BI5、BI6。以脆性矿物含量(BM)为对标依据，分别将这三类方法与其进行比较(图2)。从曲线相似度看，BI4与BM的相似度最高，因为BI4的分母为100%，分子的脆性矿物与BM是一致的；其次是BI1、BI5趋势上与BM大致一致，因为BI5以Ca、Mg、Si代替方解石、白云石、石英，与BM对脆性矿物的定义基本一致；而BI2、BI3、BI6因对脆性矿物的定义不同，与BM差异较大。对110个深度点的数据进行相关性分析可以看出(图3)：BI4、BI3、BI2三种基于矿物组分的脆性指数与BM的相关系数分别为0.98、0.78、0.68；基于弹性参数的脆性指数BI1与BM的相关系数为0.67；而BI5、BI6两种基于元素组分的脆性指数与BM的相关系数分别为0.38、0.06。

由此可见，以脆性矿物总量作为对标依据，表1中6种脆性指数的效果排序为：BI4>BI3>BI2>BI1>BI5>BI6，即矿物组分法的精度最高，其次是弹性参数法，元素组分法的精度较低。

图1 海相页岩主要组成矿物的弹性参数

图2 WY 1井脆性评价模型与脆性矿物含量的曲线对比

图3 6种脆性指数与脆性矿物含量的相关性对比

2 脆性元素评价模型的建立

进行脆性元素评价的关键是实现由元素到脆性矿物之间的转换。测井、录井领域都探讨了由元素转换矿物的方法[19-21]，但存在方法繁琐、精度难以满足需求等问题，如：模型BI5中的Si元素并不仅存在于石英中，在长石、伊利石中也存在；Ca元素不仅在方解石中存在，在斜长石、白云石中也存在；Mg元素不仅存在于白云石中，在绿泥石中也存在(表2)。因此，直接用Si、Ca、Mg的元素含量表征石英、方解石、白云石等脆性矿物的含量存在较大误差，导致BI5与BM之间的相关性较差(图3)。

表2 海相页岩主要组成矿物的分子式

四川盆地海相页岩中的硅质成分主要分为两类：一类是生物成因硅，来源于硅藻、放射虫等硅质生物；另一类是碎屑成因硅，为黏土成岩作用中形成的自生石英。将高于正常碎屑沉积环境的SiO2含量称为过量硅[22]。

Si过量=Si样品-(Si/Al)背景×Al样品

(1)

式中：Si过量为过量硅含量，%；Si样品为实测样品的Si含量，%； (Si/Al)背景为(Si/Al)的背景值，采用平均页岩比值3.11；Al样品为实测样品的Al含量，%。

从图4可以看出，Si与石英含量之间的相关系数为0.56，而过量硅与石英含量之间的相关系数达到0.75，因此采用过量硅表征石英含量。从图5可以看出，Mg元素与白云石的相关系数仅为0.39；Ca元素含量与碳酸盐岩(方解石+白云石+铁白云石)含量的相关系数达到0.95，超过了Ca元素与方解石的相关系数0.93，所以可以用Ca元素的含量表征碳酸盐岩矿物的含量。对标脆性矿物含量，提出脆性元素含量(BE)的概念，其公式为：

图4 硅、过量硅含量与石英含量的相关性分析

BE=Si过量+Ca

(2)

用公式(2)表征硅质矿物与碳酸盐岩矿物含量之和。从图2可以看出，BE曲线与BM曲线的平行度较高，二者的相关系数达到0.81，远远超过BI5、BI6与BM的相关系数，也超过了BI1与BM的相关系数(0.67)。基于BE与BM的高度一致性，可以直接采用BE建立脆性评价标准，也可以建立BE与BM的转换模型(图6)。

BME=0.953 1BE+21.325 7

(3)

式中：BME为通过脆性元素计算的脆性矿物含量，%。

本文依据GB/T 35110-2017中的脆性矿物含量分类，建立了基于BE、BME的脆性评价标准(表3)。

图5 碳酸盐岩代表性元素分析

图6 脆性元素与脆性矿物之间的相关性分析

表3 基于页岩组分含量的脆性评价分类

3 脆性元素方法的应用

WY 2导眼井进行了钻井取心，并对岩心进行了XRF分析，采用公式(2)和公式(3)分别求取脆性元素含量(BE)及脆性矿物含量(BME)，并与XRD的脆性矿物含量(BM)进行比较(图7)可以看出：BE与BM二者近乎平行，趋势一致；BME与BM近乎重合。这证明所建立的方法在水平段没有XRD矿物分析及偶极子声波测井资料的情况下，通过XRF录井能够准确评价水平段的脆性，为压裂选层提供可靠依据。最终在WY 2HF井水平段4 000～5 555 m解释Ⅰ类层1 353 m，Ⅱ类层196 m，Ⅲ类层7 m，测试绝对无阻流量为40.14×104m3/d。

图7 脆性评价模型在WY 2井中的应用效果验证

4 结 论

(1)脆性没有确切的定义，脆性评价模型多种多样，国家及行业标准以脆性矿物含量作为评价脆性的主要指标。

(2)Si、Ca、Mg均存在于2种及2种以上的矿物中，Si、Ca、Mg并不能准确表征石英、方解石、白云石等脆性矿物含量。过量硅(Si过量)相比于元素Si，能够更准确地代表石英含量，Ca元素能够准确代表碳酸盐岩矿物(方解石+白云石+铁白云石)含量。

(3)脆性元素含量(Si过量+Ca)与脆性矿物含量的相关性较显著，超过了传统的元素组分法，可以用来实现矿物脆性的准确评价。