黃　新，胡守志，李水福，呂　倩

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢　430074)

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泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段頁巖層脆性礦物預(yù)測及分布

黃新，胡守志，李水福，呂倩

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢430074)

摘要：利用多測井參數(shù)回歸法和多礦物模型法，結(jié)合實測礦物含量數(shù)據(jù)，對泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段頁巖層礦物進(jìn)行預(yù)測與分析。結(jié)果表明，該頁巖層礦物含量變化較大，主要以石英和黏土礦物為主(其平均含量分別為24.2%和23.4%)；斜長石、方解石、白云石、鉀長石、黃鐵礦含量依次降低，黃鐵礦平均含量僅為3.1%；沸石、石膏等其他礦物只在少數(shù)樣品中可見。通過實測數(shù)據(jù)校驗，預(yù)測結(jié)果相關(guān)性好，其中多礦物模型預(yù)測精度更高，其相關(guān)性最高可達(dá)0.8。泌頁HF1井礦物剖面分布以及核三上段頁巖層脆性礦物平面分布顯示，多礦物模型預(yù)測的結(jié)果能夠較好地反映該區(qū)礦物分布規(guī)律及其變化趨勢，其結(jié)果對頁巖油甜點預(yù)測、儲層礦物評價和頁巖油開發(fā)都具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：脆性礦物；多礦物模型；頁巖層；核三上段；泌陽凹陷；南襄盆地

Forecast and distribution of brittle minerals in shales from the

頁巖油是一種新興的、重要的非常規(guī)油氣資源，它的發(fā)展是解決能源供應(yīng)不足的一個有效途徑[1-7]。頁巖層既是頁巖油的生油層，也是儲集層，在頁巖油勘探中，由于頁巖孔隙度滲透率極低，如果沒有自然或人工裂縫，只能產(chǎn)生較小的非經(jīng)濟(jì)油流。得益于水平鉆井以及水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步，可通過壓裂巖層增加滲透性來獲得工業(yè)油流[8-13]。水力壓裂的有效性受巖石脆性的影響，而巖石脆性與其礦物成分密切相關(guān)，其中，石英、長石和碳酸鹽礦物含量高、黏土礦物含量低的頁巖脆性好，在壓裂狀況下更容易產(chǎn)生大規(guī)模復(fù)合的裂縫網(wǎng)絡(luò)[14-15]，使得頁巖油能夠有效產(chǎn)出。因此，弄清頁巖層的礦物組成與分布特征對頁巖油開采具有重要價值。

頁巖油資源富集狀況和頁巖可壓裂性是頁巖油開采有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選的2大最主要因素[16-17]。頁巖油資源富集狀況一般通過TOC、成熟度等參數(shù)來反映，目前，泌陽凹陷核三上段有關(guān)這方面的研究報道較多，而頁巖礦物成分研究報道相對較少，且主要是通過實測數(shù)據(jù)反映礦物變化規(guī)律[18-19]。然而，湖相沉積的頁巖層礦物組成存在強(qiáng)烈的非均質(zhì)性[18-19]，僅靠數(shù)量有限的巖心實驗分析數(shù)據(jù)難以全面準(zhǔn)確地了解頁巖層的礦物組成和分布特征。本文通過多參數(shù)回歸和多礦物模型[20-22]建立巖心與測井?dāng)?shù)據(jù)之間的定量關(guān)系，結(jié)合實驗分析與測井預(yù)測以達(dá)到對泌陽凹陷核三上段脆性礦物的全面認(rèn)識。

1地質(zhì)背景

泌陽凹陷是南襄盆地中的一個次級構(gòu)造單元，位于河南省南部唐河縣與泌陽縣境內(nèi)，平面上呈扇形展布。凹陷從南向北、從東向西逐漸抬升，構(gòu)成一個南深北淺，平面呈端部北指的箕狀斷陷。凹陷內(nèi)部次級構(gòu)造單元可劃分為南部陡坡帶、中部深凹帶、北部斜坡帶(圖1)。泌陽凹陷面積約1 000 km2，基底最大埋深達(dá)8 000 m以上[23- 24]。泌陽凹陷沉積地層自下而上發(fā)育上白堊統(tǒng)，古近系玉皇頂組、大倉房組、核桃園組、廖莊組，新近系上寺組及第四系。其中，核桃園組分為三段，自下而上分別為核三段、核二段和核一段[25]。泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段為深湖相—半深湖相沉積，發(fā)育大套泥頁巖，其頁巖層厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高、熱演化程度適中，具有良好的成藏基礎(chǔ)，為頁巖油勘探主力層段[26-28]。

2樣品與實驗

2.1　樣品

本次研究共采集核三上段頁巖層116個巖心樣品(表1)，分別來自于泌頁HF1井、安深1井、泌365井、程2井和泌270井(圖1)。

圖1　南襄盆地泌陽凹陷深凹區(qū)構(gòu)造位置

2.2　實驗方法

X衍射技術(shù)是鑒定、分析和測量固態(tài)物質(zhì)物相的一種基本方法，在地質(zhì)學(xué)及含油氣盆地分析中已廣泛應(yīng)用[29]。樣品的礦物成分測試在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)材化學(xué)院XRD研究室完成，儀器為德國Bruker AXS D8-Focus X射線衍射儀。測試條件：Cu靶，Kα輻射，Ni濾波，X射線管電壓40 kV，管電流40 mA，采樣間隔0.01°，掃描速度0.05 s/步。采用縮分法對采集的樣品進(jìn)行制備，以使所測試樣品能更好地代表所在層位巖石的礦物成分。

3實驗結(jié)果及討論

3.1　實驗結(jié)果

樣品中均含有伊利石、綠泥石等黏土礦物，以及石英、長石、方解石、白云石等碎屑礦物和自生礦物。部分樣品含有蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，黃鐵礦、沸石、石膏等其他礦物。

礦物組分定量分析結(jié)果顯示，泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段泥頁巖各種礦物含量變化起伏較大(圖2)?？傮w而言，石英含量最高，為1.8%～67.4%，平均24.2%；黏土礦物其次，為1.5%～69.3%，平均23.4%；還含有較多的斜長石，平均19.7%；方解石、白云石含量分布范圍較廣，方解石最高含量達(dá)到84.8%，但其主要分布范圍在0～20%之間，方解石、白云石平均含量分別為13.1%和11.9%；鉀長石、黃鐵礦含量較少，平均含量分別為3.3%和3.1%；沸石、石膏等其他礦物少見。石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石等脆性礦物總量為29.2%～95.4%，平均72.2%。脆性礦物含量較高，其中石英長石類礦物占絕大多數(shù)，根據(jù)巖石脆性評價標(biāo)準(zhǔn)[30]判斷，該泥頁巖的脆性礦物含量超過60%，脆性較好。

表1　南襄盆地泌陽凹陷核三上段頁巖層樣品信息

圖2　南襄盆地泌陽凹陷核三上段礦物含量分布特征

3.2　礦物預(yù)測方法

頁巖雖然外觀均勻，但其內(nèi)部礦物組分卻非常復(fù)雜，除了含有石英、長石等多種主要礦物外，部分巖石還含有少量沸石、石膏，而且各礦物在橫向和縱向上含量變化很大，例如，本次實測的116個樣品礦物含量中，方解石含量最少為0，最多可達(dá)85%(圖2)。所以，僅靠為數(shù)有限的巖心礦物分析不能有效地刻畫各種礦物含量在泥頁巖中的分布特征，需要在實測礦物含量的基礎(chǔ)上，通過其他手段進(jìn)行預(yù)測。測井資料縱向分辨率高、連續(xù)性好，利用測井資料進(jìn)行礦物預(yù)測精確度高，目前常用的有多測井參數(shù)回歸法和多礦物模型法。

3.2.1多測井參數(shù)回歸法

巖石中各礦物都有其不同的固定的測井響應(yīng)值，如聲波在不同礦物中的傳播速度不同，各礦物聲波時差測井響應(yīng)值也會發(fā)生變化。礦物成分及含量不同，巖層測井曲線值會發(fā)生變化，反之，各測井曲線值的變化一定程度上反映了不同的礦物成分及含量。因此，可以將測井曲線值作為自變量，各礦物含量作為因變量，建立測井曲線與礦物含量之間的多元線性回歸方程。首先，建立單一礦物實測含量與各測井曲線響應(yīng)值之間的多元回歸方程并擬合回歸系數(shù)，然后，利用得到的回歸方程預(yù)測無實測數(shù)據(jù)層段的礦物含量。不同礦物擬合回歸方程所用的測井曲線種類和個數(shù)不同，需要根據(jù)本地區(qū)實際情況確定最優(yōu)組合。多參數(shù)回歸分析中擬合方程的相關(guān)性受實測數(shù)據(jù)精度和數(shù)量影響較大，為了提高擬合方程的精度，可采取段對段取值方式建模[31]。

3.2.2多礦物模型法

多礦物模型根據(jù)巖石體積模型原理以及各礦物、流體的不同測井響應(yīng)值預(yù)測礦物組分。巖石可簡化為由石英、長石、方解石等一系列礦物和孔隙流體組成，自然伽馬、體積密度、聲波時差等測井響應(yīng)值可以看作巖石單位體積內(nèi)各組成部分響應(yīng)物理量的平均值[20,32]，因此，建立測井響應(yīng)方程通式：

(1)

式中：i=1,2,…，m；j=1,2,…，n；Fi為第i種測井的實際測量值，共m種測井曲線，其值由測井曲線直接讀取。在頁巖地層較薄的情況下，為了排除鄰層對測井?dāng)?shù)據(jù)的影響，有時需要對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化：首先利用測井曲線和巖心圖像識別地層邊界，然后用最能反映地層特征的測井曲線上的一點(一般為中點或極值點)作為該段地層的測井值[21,33]；Vj為第j種待求礦物的百分含量，共n種待求礦物；Vo、Vw分別為油和水的百分含量；Pi,j為第j種純礦物第i種測井的響應(yīng)值；Pi,o、Pi,w分別為油和水第i種測井的響應(yīng)值；巖石各組分的體積百分含量之和為1，且都大于等于0，即有約束條件：

V1+V2+…+Vj+…+Vn+Vo+Vw=1

(2)

Vj≥0；Vo≥0；Vw≥0

聯(lián)立式(1)和(2)即可求出各礦物百分含量?？紫读黧w中可能還含有氣，由于泌陽凹陷核三上段頁巖層為頁巖油含油層位，含氣量較少，在計算過程中未考慮氣體對響應(yīng)方程的影響。泌陽凹陷核三上段頁巖層巖心實驗分析結(jié)果顯示，主要礦物種類為石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、伊利石和綠泥石，鉀長石、斜長石系列主要是正長石和鈉長石，這些純礦物及油、水的常用測井響應(yīng)值見表2[34]。根據(jù)純礦物及油、水的測井響應(yīng)參數(shù)范圍取定初值，最終計算出礦物及流體含量后，將選用的測井響應(yīng)參數(shù)初值及礦物和流體的計算結(jié)果代入測井響應(yīng)方程以重建測井曲線。如果重建的曲線和原始測井曲線不能很好的疊合，則需重新選取礦物測井響應(yīng)初值并代入計算，直至重建曲線與原始測井曲線疊合度最好為止。

為了得到唯一解，式(1)和(2)組成的方程組應(yīng)該為一個矩陣，即為了得到n種礦物百分含量的唯一解，需要n+1種測井曲線。有時經(jīng)常出現(xiàn)測井曲線數(shù)量不足的情況，此時不存在唯一解，只存在一個最近似的解，這時可通過最小二乘法誤差獲

表2　純礦物及油、水測井響應(yīng)值[34]

得最優(yōu)解[35]。最小二乘法總誤差δ為：

式中：X測量k為實際測井曲線值；X期望k為解方程后根據(jù)各礦物所占百分比正向推導(dǎo)出的理論測井值。各測井曲線的實測值和理論值除以X測量k是對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，因為各測井值量綱不同。

總誤差最小的解即為最優(yōu)解。

3.3　預(yù)測精度分析

分別利用多測井參數(shù)回歸法和多礦物模型法對泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段頁巖層的礦物組分進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，多測井參數(shù)回歸法和多礦物模型法中各礦物預(yù)測值與實測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.3～0.6和0.5～0.8。相較之下，用多礦物模型法預(yù)測的效果更好。

多測井參數(shù)回歸法預(yù)測安深1井、泌365井、程2井和泌270井實測數(shù)據(jù)擬合的回歸公式為：

石英含量=0.072w(Th) +5.347w(K)-0.069w(GR)+

0.764w(CNL)-0.003w(RT)

(3)

式中：w(Th)為釷含量；w(K)為鉀含量；w(GR)為自然伽馬測井曲線值；w(CNL)為中子測井曲線值；w(RT)為電阻率測井曲線值。

根據(jù)式(3)預(yù)測泌頁HF1井的石英含量，預(yù)測值與實測值的相關(guān)系數(shù)為0.486 6(圖3a)。

圖3b為多礦物模型法預(yù)測中石英相關(guān)性分析圖，石英預(yù)測值與實測值的相關(guān)系數(shù)為0.754 9。

可見多礦物模型在泌陽凹陷地區(qū)應(yīng)用的相關(guān)性更好。對比泌頁HF1井脆性礦物總量多礦物模型預(yù)測值與實測值的誤差(圖4)，表明預(yù)測數(shù)據(jù)的

圖3　南襄盆地泌陽凹陷核三上段頁巖層石英含量預(yù)測結(jié)果的相關(guān)性分析

圖4　南襄盆地泌陽凹陷泌頁HF1井頁巖層礦物剖面分析

最大相對誤差為31.0%，平均相對誤差為9.7%，總體相對誤差較小，因此，選用多礦物模型分析該區(qū)脆性礦物分布特征。

3.4　脆性礦物分布特征

通過多礦物模型預(yù)測泌頁HF1井核三上段頁巖層各礦物含量，由泌頁HF1井礦物處理成果圖(圖4)可知：礦物測井解釋與實驗室?guī)r心分析兩者一致性較好，脆性礦物總體含量基本吻合；頁巖層黏土礦物含量為0～57.4%，平均22.4%，石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦平均含量分別為17.5%，3.1%，14.6%，17.3%，12.9%，3.1%；脆性礦物總量為13.7%～100%，平均65.5%，脆性礦物整體含量較高，在深度2 454 m左右，脆性礦物含量最高；頁巖層上部各礦物含量較穩(wěn)定，以脆性礦物為主，而下部各礦物含量變化較大，脆性礦物總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段頁巖層脆性礦物平均含量平面分布如圖5所示，脆性礦物平均含量整體基本大于50%，脆性礦物含量較高；深凹區(qū)中部泌365井、泌149井和程2井附近脆性礦物含量最高，達(dá)70%以上，沿著四周脆性礦物含量逐漸降低，泌69井附近脆性礦物含量接近70%，出現(xiàn)不太明顯的含量高值區(qū)，這2個脆性礦物含量相對較高的區(qū)域，夾層厚度較大，有利于后期壓裂；脆性礦物等值線分布均勻，脆性礦物含量變化平緩。

3.5　脆性礦物的地質(zhì)意義

脆性礦物含量是控制頁巖油藏的重要因素，影響孔隙和裂縫的發(fā)育程度[36-37]，進(jìn)而影響頁巖油的產(chǎn)能。石英、長石含量高的頁巖，楊氏模量大、泊松比小，巖石更易碎；碳酸鹽礦物一般含量高，有利于壓裂，但并不總是含量越高越好，頁巖層中裂縫被碳酸鹽礦物充填的地方，在巖層壓裂過程中，往往作為破裂邊界阻止裂縫延伸[38]；黏土礦物會增加巖層的延展性。因此，了解脆性礦物空間分布有利于制定合理的壓裂方案。脆性礦物含量高，意味著黏土礦物含量一般較低，吸附油相對較少，增加了游離油儲存空間，有利于頁巖油藏開發(fā)。

圖5　南襄盆地泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段

頁巖油富集區(qū)(如北美Fort Worth盆地密西西比系Barnett頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Illinois盆地泥盆系New Albany頁巖、San Juan盆地白堊系Lewis頁巖)脆性礦物含量都大于30%，脆性礦物平均含量大于60%[36,39-41]，都有較好的脆性。相較而言，泌陽凹陷核三上段頁巖層脆性礦物整體含量大于50%，脆性礦物含量較高，有利于儲層壓裂改造。泌頁HF1井核三上段頁巖層在深度2 454 m左右脆性礦物含量最高，達(dá)到90%，石英長石類脆性礦物含量遠(yuǎn)大于碳酸鹽礦物，其上、下部分脆性礦物含量都有所降低，在此深度為壓裂的有效激發(fā)點，即頁巖層的中部偏下位置有利于壓裂。泌365、泌354、程2等井區(qū)附近脆性礦物含量高，四周脆性礦物含量呈近環(huán)形趨勢下降，在此井區(qū)附近壓裂可使能量衰減最慢而獲得最有效的壓裂效果，是頁巖油開發(fā)的有利地區(qū)。通過巖心實驗分析與測井預(yù)測，可以了解頁巖層的脆性礦物分布，為頁巖油有利區(qū)預(yù)測提供證據(jù)，也為勘探開發(fā)過程中壓裂部署做好準(zhǔn)備。

4結(jié)論

(1)巖心礦物實測結(jié)果表明，泌陽凹陷核三上段頁巖層礦物組分復(fù)雜，各礦物含量變化幅度較大。脆性礦物含量大于60%，其中石英長石類礦物占多數(shù)，脆性較好，為頁巖油開發(fā)壓裂的有利層段。

(2)礦物預(yù)測結(jié)果表明，泌陽凹陷深凹區(qū)核三上段頁巖層平面上在泌365、泌354、程2等井區(qū)附近、剖面上在頁巖層中部偏下位置脆性礦物最為富集，為勘探開發(fā)的有利區(qū)域和層段。

(3)測井方法預(yù)測礦物組分相關(guān)性較好，其中，多礦物模型精度較高，在泌陽凹陷地區(qū)應(yīng)用效果好。結(jié)合巖心實測數(shù)據(jù)與測井預(yù)測數(shù)據(jù)分析礦物組分，可達(dá)到對頁巖層脆性礦物含量及其分布的精確認(rèn)識，為尋找頁巖油有利區(qū)提供證據(jù)。

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(編輯徐文明)

upper section of the third member of Hetaoyuan Formation in

the deep sag area of the Biyang Depression

Huang Xin, Hu Shouzhi, Li Shuifu, Lü Qian

(KeyLaboratoryofTectonics&PetroleumResourcesoftheMinistryofEducation,ChinaUniversity

ofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

Abstract:In this paper, we briefly discuss two types of logging prediction methods, namely multi-parameter regression and multi-mineral model. We determined the mineral composition of shales from the upper section of the third member of Hetaoyuan Formation in the deep sag area of the Biyang Depression using these methods and compared this with measured data. The results showed that the major components are quartz and clay minerals, with an average of 24.2% and 23.4%, respectively. The contents of plagioclase, calcite, dolomite, potassium feldspar and pyrite reduce in a descending order. The content of pyrite is about 3.1% on average. Zeolite, gypsum and other minerals are visible only in a few samples. Measured data validation proved that the predictions by logging using these two models are accurate, especially the multi-mineral model, which has an accordance rate of 0.8. The mineral composition section in well BYHF1 and the brittle mineral content in shales from the upper section of the third member of Hetaoyuan Formation showed that the multi-mineral model can predict the distribution rules and trend of minerals better. It is significant for shale oil sweet spot prediction, reservoir mineral evaluation and shale oil development.

Key words:brittle minerals; multi-mineral model; shale; upper section of the third member of Hetaoyuan Formation; Biyang Depression; Nanxiang Basin

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41572109,41273052)、教育部科技項目留學(xué)回國人員科研啟動基金(2014022019)和中國石化河南油田分公司橫向合作項目“泌陽凹陷古近系核桃園組頁巖油形成條件及分布規(guī)律”聯(lián)合資助。

通訊作者：胡守志(1976—)，女，副教授，從事油氣地質(zhì)及油氣地球化學(xué)研究和教學(xué)。E-mail：hushzh@cug.edu.cn。

作者簡介：黃新(1991—)，男，碩士生，油氣地球化學(xué)專業(yè)。E-mail：1292939882@qq.com。

收稿日期：2015-06-30；

修訂日期：2015-12-08。

中圖分類號：TE132.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-6112(2016)01-0048-08doi：10.11781/sysydz201601048