湖相泥页岩储层脆性评价及影响因素分析——以苏北盆地海安凹陷曲塘次凹泥页岩为例

孙 彪，刘小平，舒红林，焦创赟，王高成，刘梦才，罗瑀峰

(1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 浙江油田分公司，杭州 310013；4.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710018)

页岩油是非常规油气中重要的组成部分，我国页岩油技术可采资源量丰富[1]。我国陆相页岩油主要赋存在湖相层系，而湖相页岩层系沉积构造较复杂，非均质性强，埋藏深，面积小，这对研究湖相泥页岩脆性提出了挑战。脆性较高的岩石在有效压裂后可以形成规模较大的缝网系统，进而可提高页岩油的产量。不同学者根据不同的需要提出了不同的脆性含义以及评价方法[2-8]。如通过确定岩石中脆性矿物及塑性矿物提出的矿物组分法[9]；利用室内岩石力学实验应力—应变曲线中获得的弹性参数及其他特征参数提出的弹性参数法[10-12]和全应力—应变曲线特征参数法[13-14]；利用硬度或强度测试得到的硬度、强度参数提出的硬度法[15-16]、强度法[17-18]等方法。湖相页岩脆性是矿物成分、有机质、储集空间发育程度共同作用的结果，是评价可压裂性的重要指标。本文在调研国内外研究成果的基础上，以苏北盆地海安凹陷曲塘次凹古近系阜宁组二段湖相泥页岩为例，采用不同方法对湖相泥页岩的脆性进行评价，全面探究泥页岩脆性的影响因素，以期为湖相页岩油藏的成功改造及高效开发提供参考。

1 地质背景

苏北盆地是中国东南部最大的中新生代盆地[19]，海安凹陷位于苏北盆地东台坳陷的东南部，总体表现为“七次凹夹一隆”的构造格局(图1a)，其内部的曲塘次凹和海北次凹为油气勘探主体区(图1b)。本文的研究区为曲塘次凹，位于海安—姜堰境内，是晚白垩世以来形成的箕状断陷。其北接泰州低凸起，东邻海北次凹，南邻通扬隆起，自北向南发育北部断阶带、中部深凹带、东部斜坡带和南部斜坡带，具有“北断南超、北陡南缓、北深南浅”等特征[20]；自上而下依次发育阜宁组一段、二段、三段、四段4 个层段。阜二段(E1f2)为一套湖相沉积，岩性以深灰色—黑色泥岩/页岩为主，夹泥灰岩、灰岩和白云岩，是研究区最重要的生油岩[21-23]。目前已在海安凹陷曲塘次凹阜宁组地层中获得油流，预示着盆地内存在巨大的油气勘探潜力[24]。

图1 苏北盆地构造单元划分(a)、曲塘次凹位置(b)及J19井取样位置(c)

2 样品与方法

2.1 样品与实验

6个样品采自海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段(图1)，全部样品均为深湖—半深湖相，岩性为云质泥页岩和灰质泥页岩。

实验室岩石力学特征测试是研究岩石力学性质最直接的方法。为了全面分析、精确刻画岩石脆性特征，对样品的物理性质、应力—应变特征进行了测试。岩石力学实验设备是从长春市朝阳试验仪器有限公司引进的岩石力学三轴应力测试系统，实验对圆柱形岩样的横向施加液体围压，然后逐渐增大轴向载荷，测出岩石破坏时的轴向应力，并绘出应力—应变关系曲线。样品为直径25 mm的圆柱形试样，基面偏差在2.5%范围内,岩样的长径比为1.5。在三轴压缩试验中，测试温度为20 ℃，围压为40 MPa。此外，利用中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室设备对样品进行X 射线衍射(XRD)、总有机碳(TOC)以及镜质体反射率(Ro)测定以及扫描电镜实验，以探究湖相泥页岩样品脆性的影响因素。

2.2 脆性评价方法

2.2.1 基于测井方法的岩石脆性评价

影响岩石脆性的2个弹性参数为杨氏模量和泊松比，其分为静态弹性参数与动态弹性参数，可利用阵列声波测井得到的速度信息计算动态弹性参数。

(1)

(2)

式中：ν为泊松比；E为杨氏模量，GPa；vs为横波时差，μs/m；vp为纵波时差，μs/m；ρb为体积密度，g/cm3。

利用岩石三轴应力资料，根据Rickman方程[3]，将动态弹性参数转化为静态弹性参数，可以得到阜二段的静态弹性参数。总的来说，一个适用于研究区湖相页岩的修正脆性指数模型如下：

(3)

(4)

(5)

式中：BIE为归一化的杨氏模量；BIν为归一化的泊松比；BI1为脆性指数。

2.2.2 基于强度参数的岩石脆性评价

基于强度参数的脆性评价方法主要是利用抗压强度和抗拉强度的差异性来评价。20世纪80年代，HUCKA和DAS[25]认为抗压强度和抗拉强度的差异随着脆性的增加而增加，可利用二者或二者组合之间的比值关系来评价脆性，其计算模型如下：

(6)

式中：σc为抗压强度；σt为抗拉强度；BI2为脆性指数。

2.2.3 基于矿物成分含量的岩石脆性评价

岩石的全岩矿物组分(质量分数)通过XRD方法测定，定量分析储层中脆性矿物与黏土矿物的相对含量[26]。页岩储层脆性矿物含量对压裂过程中裂缝的发育程度具有重要影响[27]。

其中，页岩储层中脆性矿物含量越高，越易在压裂时形成裂缝网络。WANG和GALE[28]通过分析北美地区页岩气储层及其开采情况，在考虑其他脆性矿物(如脆性白云岩)和塑性矿物(如塑性石灰岩)以及总有机物含量(TOC)之后，提出了新的岩石脆性指数计算公式。根据研究区泥页岩的矿物组成，采用以下脆性矿物含量评价模型：

(7)

式中：ω(Si)为长英质矿物的含量；ω(Car)为碳酸盐质矿物的含量；ω(Clay)为黏土矿物的含量；BI3为脆性指数。

2.2.4 基于应力—应变曲线的岩石脆性评价

BISHOP[15]提出岩石峰值强度与残余强度参数组合关系的脆性指数计算方法；HUCKA和 DAS[25]则利用可恢复应变以及可恢复应变能等多种岩石力学参数，分别提出脆性指数的计算方法；

ANDREEV[13]提出利用岩石破坏时轴向应变来计算其脆性指数。21世纪以来,也有学者不断提出脆性评价方法，TARASOV和POTVIN[11]认为脆性大小主要取决于弹性模量与峰后模量，其评价模型如下：

(8)

式中：K为脆性评价指标；M为弹性模量；Ex为峰后模量。根据前人经验表明，K值越小，岩石脆性越大。

3 泥页岩特征与脆性指数

3.1 岩石矿物成分特征

海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品矿物组分以石英、长石、黏土、方解石、白云石为主，样品黏土含量高，主体矿物占比近似一致，上下岩性差异小，主要发育云质泥页岩和灰质泥页岩，脆性矿物含量均大于50%(表1)。

3.2 地球化学与储层特征

研究区阜二段泥页岩样品TOC值为0.53%～2.29%，平均值为1.25%，有机质丰度较高；有机质成熟度(Ro)为0.88%～1.21%，平均值为1.06%，已达到成熟阶段(表2)。

样品孔隙度为1.07%～3.36%，平均值为2.12%(表2)，表明阜二段泥页岩整体致密，具有特低孔特征。由扫描电镜结果(图2)可见，研究区阜二段泥页岩裂缝较发育，主要发育收缩缝、差异压实缝、微裂缝等多种裂缝。

3.3 脆性特征

6个样品基于三轴应力实验的结果见表3；不同类型页岩在40 MPa围压下的应力应变曲线见图3。可以看出，在相同的加载条件下，页岩样品变形特征、力学参数存在明显差异。页岩样品全应力应变曲线形态主要体现为弹—塑性变形类型，实验样品的破坏模式均为剪切破坏模式(图4)。样品表现为弹—塑性变形，变形曲线由近似直线的弹性变形阶段和破坏前小的塑性变形阶段组成(图3)，部分样品在破坏后仍具有一定的残余强度；4号样品表现为弹性变形较强、曲线呈近似直线，岩石变形主要为弹性变形，较其他样品弹性较好。

3.4 不同方法脆性评价结果

利用上述4种方法对岩石样品脆性进行评价，计算出阜二段页岩样品脆性指数和评价指标(表4)。BI1、BI2、BI3分别为利用测井方法、强度参数、矿物组分含量计算得到的脆性指数；K值为应力—应变曲线测试得到的脆性评价指标。

4 讨论

4.1 四种脆性评价方法对比

本文分别采用四种方法对湖相泥页岩脆性进行评价。通过分析本次实验结果发现，三种方法计算的脆性指数(BI1、BI2、BI3)与实验结果计算的脆性评价指标(K)具有良好的相关性(图5，图6)，但也存在一定差异，原因如下：

表1 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜宁组二段泥页岩样品矿物组成

表2 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜宁组二段泥页岩地化和储层特征

图2 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜宁组二段泥页岩扫描电子显微镜照片

表3 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜宁组二段泥页岩样品脆性特征

图3 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品应力—应变曲线围压40 MPa。

图4 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品三轴压缩试验后的破裂形态

表4 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品不同方法脆性指数评价

(1)基于矿物成分含量的脆性评价存在差异主要由两方面原因造成。一方面是其方法依赖岩石中脆性矿物含量，但在不同地区不同矿物组分对岩石脆性影响程度是不同的。如四川龙马溪组下部沉积了硅质页岩，硅质成为主要脆性矿物[29]，值得注意的是，黄铁矿的存在也有可能对岩石脆性产生影响[30-31]。另一方面是该方法考虑因素较单一，仅仅考虑矿物组分含量，而忽略了成岩作用、胶结作用以及围压等的影响。

图6 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段灰质泥页岩K值与脆性指数的关系

(2)基于弹性参数的脆性评价也存在一定缺陷。首先，利用弹性参数计算脆性指数公式具有较强的地区适用性，计算公式主要根据不同地区岩石样品研究得来，普适性较差；其次，利用公式(4)计算过程中杨氏模量与泊松比对脆性指数影响程度相同，这种认识并没有理论依据[32]；再次，在利用纵横波时差计算动态弹性参数时，声波时差易受到TOC的影响而改变；最后，静态弹性参数是由室内实验测得，其脆性特征容易受围压、温度等因素影响。

(3)基于强度参数的脆性评价其效果相对上两种方法较差。由于利用三轴应力—应变实验得到的参数，强度计算的脆性参数是岩石破裂的临界值，而脆性是整个破裂过程中的性质，不能仅仅考虑应变曲线前的力学参数或峰后情况。

4.2 脆性影响因素

4.2.1 矿物成分

通过研究岩层的矿物成分类型及含量，可以判断脆性大小。分析发现白云石、方解石的含量对脆性指数的影响不同。白云石含量与K值成反比(图7a)，即与其表示的脆性成正相关关系，是由于当白云石含量增加时，白云石含量占主导地位，其对岩石脆性的影响越来越大，在该阶段，云质泥岩的脆性指数与K值所表现的脆性成正比；而灰质含量与K值成正比(图7b)，即与其表示的脆性成负相关关系，是由于灰质泥岩中随着方解石含量的增加，杨氏模量减少，泊松比增加，其脆性越来越弱。

4.2.2 有机质丰度

一般来说，泥页岩储层中有机质含量越高，K值越大，岩石的脆性越低(图8a)。因为有机质丰度与泥质含量有关，而泥质含量影响脆性。以干酪根为主的有机质，随着成熟度的升高，脆性增加(图8b)。由于碳氢比升高，使得干酪根逐渐以芳烃化合物为主，芳烃化合物内部结构重新排列，稳定性增强，从而脆性增加。

图7 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩K与矿物组分含量的关系

图8 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品脆性与TOC和Ro的相关性

4.2.3 储集空间发育程度

湖相泥页岩层系发育多种孔缝类型，当泥页岩受到地应力加载后，造成孔缝末段应力集中，从而诱导产生张性裂缝，造成岩石脆性发生改变。孔隙度对岩石应力—应变关系具有重大影响，随着孔隙度的增加，K值变大，岩石的弹性模量降低，K值变大造成岩石脆性逐渐下降(图9)。研究区发育多种类型裂缝，天然裂缝的存在会与水力压裂缝相互作用，造成逐级裂缝交会贯穿，共同形成多级裂缝网格系统。

5 结论

(1)通过以应力—应变曲线实验得到的K值，对利用弹性参数、强度参数、矿物组分含量计算得到的脆性指数BI1、BI2、BI3进行标定，发现基于弹性参数和矿物组分含量评价脆性比基于强度参数评价脆性的应用效果更佳，但每种方法都存在一定的局限性。

(2)云质泥岩与灰质泥岩脆性评价的应用效果不同，云质泥岩的三种方法计算的脆性指数与K值成反比，即与其表示的脆性成正相关关系，而灰质泥岩则成负相关关系。

图9 苏北盆地海安凹陷曲塘次凹J19井阜二段泥页岩样品脆性与孔隙度的关系

(3)页岩脆性主要受矿物组分、有机质储集空间发育程度影响。白云石含量、有机质成熟度、裂缝发育程度与脆性呈正相关关系；方解石含量、有机质丰度、孔隙度与脆性呈负相关关系。