韩文中 窦煜 李昊东 张伟 时战楠 董姜畅

中国石油大港油田公司

近年来，我国逐步加大了湖相页岩油勘探力度，在渤海湾、鄂尔多斯、准噶尔等盆地均获得突破，页岩油已成为继页岩气之后常规油气勘探的重要接替领域［1-3］。由于页岩孔隙度、渗透率极低，必须经过大规模体积压裂改造才能获得稳定工业油流，页岩油效益区往往是地质甜点、工程甜点、经济甜点的叠合区。影响页岩体积改造效果的因素包括压裂规模、施工工艺、页岩脆性、地应力差、天然裂缝发育情况等［4-5］，其中页岩脆性是页岩内在特质，直接影响压裂裂缝规模。目前页岩脆性主要通过脆性矿物法或力学参数法计算的脆性指数进行评价，脆性矿物法是通过X衍射分析的无机矿物含量计算脆性指数，力学参数法则基于岩石的动态或静态弹性模量和泊松比计算脆性指数［6-14］。应用力学参数法进行单井脆性评价需要有特殊测井资料如声波全波列测井(XMAC)，老井一般没有这项资料，同时新钻探的水平井也往往仅有随钻伽马、电阻率测井，极大限制了该方法的实际应用。脆性矿物法则是现场最常用的一种方法，但仍存在一些问题：(1)狭义上脆性矿物只有石英一种，广义上脆性矿物包括石英、长石、方解石、白云石、方沸石，甚至黄铁矿等，但学者们对哪些矿物可以作为脆性矿物的认识尚不统一［6-9］；(2)不同矿物的脆度不同，对页岩脆性影响也不同，但其权重系数往往取值相同(均为1)，欠合理；(3)脆性矿物法中的参数为无机矿物含量，未考虑有机质影响，尤其是高有机质页岩，有机质对其脆性影响不能忽略［8］；(4)脆性矿物反映岩石的微观组织特征，弹性模量和泊松比则反映了岩石受到外部压力(应力)后宏观形变特征，而脆性矿物法和力学参数法计算的脆性指数往往差别较大，相关性差。针对以上问题，笔者在17组陆相页岩样品三轴压缩实验、X射线衍射及有机碳联测分析基础上，对两种方法计算的脆性指数进行对比分析，进而建立了一种考虑页岩有机质以及不同矿物脆度的脆性评价方法和脆性评价图版，为页岩油甜点评价以及水平井钻探箱体设计提供重要参考。

1 地质概况

渤海湾盆地黄骅坳陷南部的沧东凹陷是古近纪早期的断陷盆地，面积1 760 km2，以孔店组陆相沉积为主，自下而上可划分为孔三段、孔二段、孔一段，其中孔二段为厚约500 m的深灰色-灰色页岩夹砂岩的湖泛期沉积。基于G108-8井500 m系统取心的岩性、物性等上万块次分析，认为孔二段页岩纹层发育，由长英质矿物(石英和长石)、碳酸盐(白云石和方解石)、方沸石、黏土等多种矿物组成，黏土矿物含量平均仅为21%，可划分为长英质页岩、混合质页岩、灰云质页岩等；页岩有机质丰度高，TOC平均3.6%，最高可达11.9%，岩石热解检测生烃潜力S1+S2平均22.1 mg/g，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主；孔隙度一般为2%~8%，以微纳米级无机孔为主，有机孔和微裂缝也较发育；含油普遍，游离烃S1含量平均 3.6 mg/g，最高达 12 mg/g［15-16］。因此，沧东凹陷孔二段页岩具备形成页岩油的基本地质条件，目前勘探已获重要突破［17］。

2 实验方法及岩样数据

通过三轴压缩实验获取页岩样品的弹性模量和泊松比，X射线衍射分析获取页岩矿物成分，有机碳分析获取页岩的残余总有机碳含量TOC。三轴压缩实验仪器为RTR-1000岩石三轴测试系统，样品为直径25 mm、高50 mm的圆柱体，岩样放置在压力室内，施加一定的围压(35 MPa)，然后施加垂直压力，直到岩石破坏，通过测得的应力-应变曲线计算岩心的弹性模量、泊松比。X射线衍射分析仪器为X'pert Pro MPD，使用 CuKα 射线，实验电压 40 kV，电流 40 mA，矿物衍射角 2θ测量范围 5°~ 60°。有机碳分析仪器为美国力可LECO CS744，用稀盐酸去除样品中的无机碳后，在高温氧气流中燃烧，使总有机碳转化成二氧化碳，经红外检测给出总有机碳含量。

本文选取沧东凹陷孔二段17块页岩样品开展实验分析，样品埋深 2 925~3 298 m，弹性模量 9.97~

28.32 GPa，平均 21.22 GPa，泊松比 0.177~0.366，平均0.252，石英、长石、方沸石、方解石、白云石、黏土等主要矿物平均含量分别为16.9%、19.8%、15.8%、9.9%、20.6%、14.9%，TOC为 0.23%~9.27%，平均 3.3%(表1)。

表1 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段页岩力学参数及矿物组成Table 1 Rock mechanic parameters and mineral composition of shale of the 2nd Member of the Kongjiadian Formation, Cangdong sag, Bohai Bay Basin

3 脆性评价方法优选

3.1 考虑有机质影响的矿物体积含量变换

与砂岩相比，页岩的黏土、有机质含量往往较高，且长英质和碳酸盐等无机矿物、黏土矿物、有机质往往呈互层分布，而非充填于骨架颗粒之间或孔隙内，有机质也是页岩骨架的重要组成部分，页岩脆性评价时必须考虑有机质影响。有机质含量主要通过TOC含量表征，由于其含量是质量百分数，而XRD分析的无机矿物含量是体积百分数，因此要将TOC的质量百分数转化为体积百分数，转化公式为

式中，Vo为有机质体积分数，%；Wo为总有机碳含量，%；K为有机质转化系数，无量纲；ρm为页岩密度，g/cm3；ρo为有机质密度，g/cm3。

有机质转化系数K介于1.1~1.5，根据有机质类型和成岩演化阶段确定［9］，孔二段页岩干酪根类型主要为Ⅰ型和Ⅱ1型，热成熟度Ro介于0.6%~1.2%之间，K取值 1.3，ρm一般取 2.5 g/cm3，ρo一般取 1.0 g/cm3，由此确定有机质的体积分数与质量分数转换倍数为3.3，即Vo=3.3Wo。

当将无机矿物、有机质作为整体100%考虑时，XRD各矿物体积含量校正公式为

式中，Vi为校正前的无机矿物体积分数，%；Vi*为校正后的无机矿物体积分数，%。

3.2 页岩脆性评价公式对比与优选

(1)不考虑有机质，分别将石英或石英、长石、方解石、白云石、方沸石作为脆性矿物，建立脆性指数公式为

(2)考虑有机质，将石英、长石、方解石、白云石、方沸石作为脆性矿物并进行矿物含量变换，建立脆性指数公式为

(3)页岩中不同矿物脆度具有差异，石英、长石、方解石、白云石、方沸石的脆度系数分别为1.0、0.3、0.5、0.7、0.5［18］，同时考虑有机质对岩石脆性的影响，建立脆性指数公式为

(4)依据经典力学参数法，建立脆性指数公式为

式中，Vqa、Vfe、Vca、Vdo、Van、Vcl分别为石英、长石、方解石、白云石、方沸石和黏土体积分数，%；分别为考虑有机质校正后的石英、长石、方解石、白云石、方沸石和黏土体积分数，%；Es、μs分别为归一化处理后岩石弹性模量和泊松比。

通过分析BI1、BI2、BI3、BI4与BI5的相关性，优选最佳的矿物含量法从而根据XRD评价页岩脆性，如图1所示。宏观力学上BI5可以区分的岩石脆性，微观矿物成分上BI1、BI2对不同岩石脆性区分度较低，并不适用于页岩脆性评价，而BI3和BI4的岩石脆性区分度较高，复相关系数分别为0.69和0.80，尤其是BI4与BI5的相关系数最大，说明力学参数与矿物含量反映的岩石脆性有着较好的一致性，可以更为准确地表征页岩脆性。

图1 矿物法脆性指数与力学参数法脆性指数相关关系Fig.1 Correlation betweenbrittleness indexes based on mineral composition and rock mechanic parameters

3.3 页岩脆性评价参数简化

统计w16井189块样品的脆性指数BI4与黏土、TOC之间的关系，由图2可看出，页岩黏土及有机质共同影响着页岩的脆性，两者互为补充。黏土及有机碳TOC含量越高页石脆性越低，当页岩中主要以黏土(有机质/黏土含量比＜0.6)或有机质(有机质/黏土含量比＞0.6)为主时，脆性指数BI4与黏土或TOC均具有很好的相关性。黏土含量＞40%或TOC＞6%，96%样品脆性指数BI4＜40%，黏土含量＜20%，样品脆性指数BI4＞50%，受黏土含量影响，TOC低时并非都是高脆页岩。因此，可利用黏土、TOC含量两项关键参数进行页岩脆性的评价。

图2 w16井岩石样品BI4与TOC、黏土含量相关图Fig.2 BI4 vs.TOC and clay content for core samples of Well W16

同时，通过测井资料尚不能准确计算出多达6种矿物的含量，从而限制了BI4的广泛应用。由于副矿物如黄铁矿、磷酸盐矿物等含量少，BI3分母部分可以看作100%，BI3公式可简化为

因此，只需通过测井资料计算出黏土、TOC两项参数即可。TOC含量的计算方法较成熟且准确性较高［19-20］，黏土含量的计算主要通过岩心实验资料与测井曲线回归获得，岩心资料丰富时建立的解释模型精度往往较高［21-22］。简化后矿物法脆性指数BI与简化前BI3基本一致，BI与BI5依然具有较好的相关关系，复相关系数为0.68(见图3)。

图3 简化的矿物法脆性指数BI与力学参数法脆性指数BI5相关关系Fig.3 Correlation between the simplified mineral compositionbased brittleness index BI and the rock mechanic parameter-based brittleness index BI5

综上，当XRD分析的各矿物含量资料比较丰富时，优先选择BI4进行页岩脆性评价，当通过测井资料进行单井或区域性脆性评价时，宜选择BI。

4 孔二段页岩脆性评价

4.1 脆性评价标准

由于所采用的脆性评价模型不同，目前业内尚没有统一的页岩脆性评价标准。Bowker研究认为Barnett主力产层页岩中石英、黏土、方解石和白云石、长石、有机质及其他矿物平均含量分别为45%、27%、8%、7%、5%、8%［23］，该含量为考虑有机质校正后的数值，由此计算的脆性指数BI4为56%。GB/T 35110−2017《海相页岩气勘探目标优选方法》［24］将海相页岩脆性划分为3类，基于力学参数的脆性指数界限分别为＜35%、≥35%~ ＜50%和≥50%。邹才能［1］认为石英、方解石等脆性矿物含量大于40%、黏土含量小于30%时页岩具有较好脆性。在参考不同地区页岩脆性分类评价基础上，根据三轴压缩实验应力-应变特征、矿物法~力学参数法脆性指数相关关系，确定适合本区的脆性矿物法脆性指数分类评价标准，Ⅰ类高脆页岩BI4≥50%，Ⅱ类中脆页岩BI4介于40%~50%，Ⅲ类低脆(~塑性)页岩BI4＜40%；若只通过测井进行脆性评价，则优先选择脆性指数BI，其上述界限值分别为≥80%、≥60%~＜80%和＜60%。

4.2 不同脆性页岩应力-应变特征

不同脆性页岩的应力-形变特征以及破碎后形成的裂缝条数和形态也不同。图4 (a)样品点深度为 3 209.0 m，黏土含量 25%，TOC 质量分数 9.27%，计算BI4为29.0%，BI为53.3%，该样品为Ⅲ类低脆页岩，其轴(径)向应变随着应力增大而缓慢增加，达到峰值强度出现短暂下凹后应变持续缓慢增加，表现出较强的塑性特征，形成简单的单一破裂缝(面)。图4(b)样品深度为 2 955.5 m，黏土含量 14%，TOC质量分数为 5.51%，计算BI4为 39.5%，BI为71.2%，该样品为Ⅱ类中脆页岩，其轴(径)向应变随着应力呈直线增大，破坏后岩心基本不存在承载能力，残余强度下降较快，表现为脆性破坏，破裂缝呈不规则形态。图4(c)样品深度为2 925.5 m，黏土含量15%，TOC质量分数 0.59%，计算BI4为 50.0%，BI为83.4%，该样品为Ⅰ类高脆页岩，其轴(径)向应变随着应力呈直线增大，破坏后岩心残余强度快速下降，表现为脆性破坏，破碎形态呈一条主裂缝和1~2条伴生裂缝。

图4 不同脆性页岩的应力-应变曲线及岩心破裂特征Fig.4 Stress-strain curves and failure features of shale cores with different brittleness

4.3 综合脆性评价的甜点优选

页岩油评价指标较多，目前国内主要从岩性、物性、含油性、烃源岩特性、脆性等方面进行综合评价，其中脆性是页岩油甜点评价重要依据。以沧东凹陷G108-8井孔二段C6层为例，该层3 208~3 221 m均表现为较高的S1、TOC和高黏土含量特征，S1平均4.2 mg/g，TOC平均7.8%，黏土矿物平均29%，计算的脆性指数BI平均53%，属于Ⅲ类低脆页岩；3 188~3 208 m 段表现为长英质、混合质、灰云质页岩互层，TOC和S1的高、低值也呈互层状，TOC平均 3.6%，S1平均 1.8 mg/g，黏土矿物平均 19.2%，计算的脆性指数BI平均71%，整体为Ⅱ类中脆页岩，局部为Ⅰ类高脆页岩。综合评价认为中等含油性和高脆性的页岩段3 188~3 208 m最为有利。试油结果表明，以下部低脆页岩为主的GX5井试油段压后仅获得3.2 t/d的液量，而以上部高脆页岩为主的Z1608井则获得14.8 t/d的高产油流，说明下部含油性虽好，但目前工程技术条件下，有效改造难度也较大，后期裂缝易闭合，而高脆、高含油或中等含油的页岩则是目前主要勘探的工程-含油双甜点(图5)。

图5 页岩甜点靶层综合评价图Fig.5 Comprehensive evaluation of the sweet-spot shale target layer

5 结论

(1)富有机质页岩有机质和黏土矿物含量较高，因此页岩脆性评价既要考虑石英、长石、方解石、白云石、方沸石等脆性矿物的正面作用，也要考虑黏土和有机质的负面作用。

(2)孔二段页岩中黏土矿物含量平均21%，有机碳含量平均3.6%，最高可达11.9%，由此分别建立了综合考虑页岩总有机碳含量、不同矿物脆度差异的页岩脆性指数，脆性评价标准为Ⅰ类≥50%、Ⅱ类介于40%~50%、Ⅲ类＜40%；以及TOC-黏土含量评价页岩脆性指数，脆性评价标准为Ⅰ类≥80%，Ⅱ类介于60%~80%，Ⅲ类＜60%，两者均与经典的力学参数法脆性指数具有较好相关性，说明页岩微观矿物组成所呈现出的脆性特征与宏观应力应变力学特征具有有机统一性。

(3)页岩脆性评价是页岩油品质评价及甜点优选的重要内容，主要应用于甜点的平面选区、水平井选层、压裂选段。G108-8井脆性评价应用表明，高脆、高含油或中等含油的页岩是工程-含油双甜点，页岩油最为有利。