引用本文
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. 利用元素成分准确评价海相页岩脆性的方法[J]. 录井工程, 2020,31(3): 1-7.
SUN Honghua, JIANG Weizhai, MENG Qingfeng, FAN Wei, XU Hao, ZHANG Mingyang, ZHAO Yan, WANG Candanting, HAN Hualin, CHEN Jingyuan. Method of accurately evaluating the brittleness of marine shale by elementary composition[J]. Mud Logging Engineering, 2020,31(3): 1-7.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2020.03.001  
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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

作者简介：孙红华 工程师,1987年生,2014年毕业于山东科技大学矿产普查与勘探专业,现从事解释评价工作。通信地址:062552 河北省任丘市渤海钻探工程有限公司第二录井分公司。电话:(0317)2701453。E-mail:2487350443@qq.com

摘要

页岩气水平井通常不进行钻井取心且测井资料少或不测井,难以为精细分段压裂提供可靠的脆性评价数据,故利用页岩气井广泛采用的元素录井技术连续、实时评价页岩的脆性具有重要的现实意义。在厘定脆性评价标准的基础上,通过对比常用脆性评价模型的精度,分析Si、Ca、Mg等元素成分的分布特征,提出了以过量硅表征石英、以Ca元素表征碳酸盐岩矿物的新思路,建立了以(Si过量+Ca)含量评价页岩脆性的新方法与评价标准,其与脆性矿物含量的相关系数达到0.81,超过基于弹性参数的脆性评价模型及已有的基于元素成分的脆性评价模型,实现了页岩气水平井地层脆性的高精度评价。

关键词: 海相页岩; 脆性; 元素; 脆性矿物含量; 水平井
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Method of accurately evaluating the brittleness of marine shale by elementary composition
SUN Honghua, JIANG Weizhai, MENG Qingfeng, FAN Wei, XU Hao, ZHANG Mingyang, ZHAO Yan, WANG Candanting, HAN Hualin, CHEN Jingyuan
No. 2 Mud Logging Company, BHDC, CNPC, Renqiu, Hebei 062552, China
Abstract

Shale gas horizontal wells are usually not drilled for coring, with little or no log data, it is difficult to provide reliable brittle evaluation data for fine staged fracturing. Therefore, it is of great practical significance to continuously and real-time evaluate shale brittleness by element logging technology widely used in shale gas wells. Based on the determination of brittleness evaluation criteria, by comparing the accuracy of the commonly used brittleness evaluation models and analyzing the distribution characteristics of elements Si, Ca and Mg, a new idea of characterizing quartz with excessive silicon and carbonate minerals with element Ca is proposed. The new method and criteria for evaluating shale brittleness with (Siexcess+Ca) content are established. Its correlation coefficient with the content of brittle minerals reaches 0.81, which is higher than the brittleness evaluation model based on elastic parameters and the existing brittleness evaluation model based on elementary composition, and realizes the high precision evaluation of formation brittleness in shale gas horizontal wells.

Keyword: marine shale; brittleness; element; brittle mineral content; horizontal well
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, 8, 9, 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, 14, 15, 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。

表1 常用的页岩脆性评价方法

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)。

图1 海相页岩主要组成矿物的弹性参数

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、BI2、BI3趋势上与BM大致一致, 因为二者对脆性矿物的定义基本一致; 而BI5、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。

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

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。

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, 20, 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)。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, %。

表2 海相页岩主要组成矿物的分子式

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:

BE=Si过量+Ca(2)

图4 硅、过量硅含量与石英含量的相关性分析

图5 碳酸盐岩代表性元素分析

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, %。

图6 脆性元素与脆性矿物之间的相关性分析

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)。

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× 104 m3/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。

(编辑 王丽娟)

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