向 葵,嚴(yán)良俊,胡 華,胡文寶,唐新功,劉雪軍

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué)),湖北武漢430100;2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué)),湖北武漢430100;3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430100;4.中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

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南方海相頁巖脆性指數(shù)與電性關(guān)系分析

向 葵1,2,嚴(yán)良俊1,2,胡 華3,胡文寶1,2,唐新功1,2,劉雪軍4

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué)),湖北武漢430100;2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué)),湖北武漢430100;3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430100;4.中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

頁巖脆性是評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層的重要參素,因此,研究頁巖礦物成分及其脆性評(píng)價(jià)方法意義重大。基于南方海相筇竹寺組和龍馬溪組頁巖露頭標(biāo)本,通過礦物成分鑒定和復(fù)電阻率測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)脆性礦物和黃鐵礦(FeS2)含量高的頁巖具有低阻高極化率的電性響應(yīng)特征,表明利用激發(fā)極化參數(shù)(IP)進(jìn)行儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)具有良好的物性基礎(chǔ)?；诘V物成分定義了脆性指數(shù)(BI),分析研究了頁巖的激電參數(shù)與黃鐵礦和脆性指數(shù)的相關(guān)性,初步建立了電阻率以及極化率與脆性指數(shù)和黃鐵礦含量的關(guān)系模型,提出了利用電性異常特征識(shí)別和評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層的新思路。

海相頁巖;礦物成分;電阻率;極化率;脆性指數(shù)

頁巖的礦物成分種類多,主要包括石英、長石、黏土和碳酸鹽礦物等,以及少量的黃鐵礦(FeS2),它是海相沉積環(huán)境下的特征礦物,反映了沉積環(huán)境及條件,與有機(jī)質(zhì)富集密切相關(guān)。本文基于南方海相地層露頭標(biāo)本,通過X射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)筇竹寺組和龍馬溪組頁巖進(jìn)行定量分析,通過復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)提取頁巖的電阻率、極化率等激電參數(shù),從頁巖的礦物成分和復(fù)電阻率特性出發(fā),分析了頁巖的礦物類型及含量特征,基于礦物成分定義了脆性指數(shù),分析研究了脆性指數(shù)和黃鐵礦與電阻率、極化率這兩個(gè)激電參數(shù)的關(guān)系,建立了黃鐵礦以及脆性指數(shù)與電阻率和極化率的關(guān)系模型,為頁巖氣儲(chǔ)層脆性礦物評(píng)價(jià)奠定了物性基礎(chǔ),為后期儲(chǔ)層改造和頁巖氣開采提供了依據(jù)。

1 基于測(cè)井資料的礦物成分評(píng)價(jià)方法

頁巖氣產(chǎn)量與含氣量、總有機(jī)碳含量、熱成熟度、頁巖層厚度、地層壓力、頁巖的脆性、礦物成分和滲透率等8個(gè)地質(zhì)因素密切相關(guān)。研究表明,優(yōu)質(zhì)的頁巖氣儲(chǔ)層不僅總有機(jī)碳含量(TOC)高[8],而且硅質(zhì)礦物(脆性礦物)含量較高,黏土礦物含量較低。頁巖礦物成分中,石英、長石屬于脆性礦物,是控制裂縫發(fā)育的重要因素,并直接影響頁巖氣的儲(chǔ)集空間和滲流通道。因此,在頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)過程中,黏土礦物含量較低(一般低于50%)、硅質(zhì)含量高、總有機(jī)碳含量(TOC)高及裂縫發(fā)育的脆性優(yōu)質(zhì)烴源巖成為頁巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”,也是成功實(shí)施壓裂增產(chǎn)的必要條件[9-10]。

我國的頁巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征與美國頁巖氣儲(chǔ)層存在較大差異。美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣藏儲(chǔ)量巨大,而且已經(jīng)成功開發(fā),儲(chǔ)層礦物成分分析結(jié)果顯示,石英、長石和黃鐵礦等脆性礦物含量為20%～80%,其中石英含量40%～60%,黏土礦物含量通常低于50%。而在我國四川盆地,下寒武統(tǒng)筇竹寺組和志留系龍馬溪組黑色頁巖地層礦物成分平均含量分別為:黏土礦物37%,石英44%,長石9%,碳酸鹽礦物8%,黃鐵礦4%。圖1是北美地區(qū)Barnett頁巖和我國四川盆地頁巖的礦物組分三角圖[11-14],可見我國頁巖氣儲(chǔ)層硅質(zhì)含量較低,黏土含量相對(duì)較高,總體上脆性礦物含量偏少。

圖1 四川盆地下古生界頁巖與北美下石炭統(tǒng)頁巖礦物組分三角圖示

頁巖礦物成分的識(shí)別方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)試、測(cè)井評(píng)價(jià)等。國外關(guān)于頁巖礦物成分的分析方法有多種,而且研究較深入,技術(shù)也較成熟。通用的實(shí)驗(yàn)方法為X射線衍射技術(shù),而測(cè)井評(píng)價(jià)方法中,應(yīng)用常規(guī)測(cè)井方法結(jié)合元素俘獲測(cè)井(Elemental Capture Spectroscopy,ECS)或者自然伽馬能譜測(cè)井來計(jì)算頁巖的礦物含量,是目前唯一能從巖石組分角度解決巖性識(shí)別問題的測(cè)井方法,通過分析測(cè)量圖譜,得到硅、鐵、鈣、硫等多種元素的相對(duì)百分含量,再由元素含量計(jì)算出巖石礦物成分。

ECS不同于常規(guī)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),LEWIS等[15]已將ECS技術(shù)應(yīng)用到頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中。在國內(nèi),龔勁松等[16]將ECS測(cè)井技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià),計(jì)算的頁巖礦物含量與實(shí)驗(yàn)分析礦物含量相比誤差較小,如圖2所示。礦物類型及其含量與儲(chǔ)層參數(shù)相關(guān),在頁巖氣的勘探和開發(fā)過程中,頁巖氣儲(chǔ)層礦物成分研究對(duì)頁巖氣地質(zhì)資源評(píng)價(jià)、成藏機(jī)理分析、鉆井開發(fā)工藝設(shè)計(jì)和儲(chǔ)層改造均具有重要作用。

圖2 ECS和實(shí)驗(yàn)分析礦物含量對(duì)比[16]

國內(nèi)外學(xué)者在頁巖礦物成分研究中發(fā)現(xiàn),黃鐵礦是富有機(jī)質(zhì)沉積的特征礦物[17],黃鐵礦微球粒的分布形態(tài)和大小在富氧和靜水沉積物中明顯不同,據(jù)此可以區(qū)分頁巖沉積的氧化還原條件[18]。黃鐵礦含量與TOC密切相關(guān),特別體現(xiàn)在黃鐵礦富集的頁巖中,圖3描述了兩者的關(guān)系[19]。美國Barnett頁巖主力產(chǎn)層的頁巖硅質(zhì)礦物、長石、黃鐵礦含量較高,而且黃鐵礦球粒大小主要在1μm左右,說明Barnett頁巖沉積于靜水的缺氧環(huán)境[20]。黃鐵礦形成過程中同時(shí)受有機(jī)質(zhì)和含鐵礦物的限制,并且是海相沉積物中有機(jī)質(zhì)降解的產(chǎn)物,也是缺氧沉積環(huán)境下常見的礦物[21-22]。有機(jī)質(zhì)富集(高TOC)表明,盆地在缺氧環(huán)境下沉積,該環(huán)境下一般不存在細(xì)菌分解和破壞有機(jī)質(zhì)的作用,黃鐵礦球粒通常與靜水、缺氧的沉積環(huán)境有關(guān)[23]。

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖是四川盆地頁巖氣勘探的目標(biāo)層位之一。研究資料表明,牛蹄塘組頁巖沉積處于還原環(huán)境,硫含量較高,平均值3%左右。X射線衍射分析結(jié)果證實(shí),該地層頁巖也含有較豐富的黃鐵礦,平均含量8%。圖4描述了牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)豐度與硫含量及其與黃鐵礦含量的關(guān)系,證實(shí)TOC與黃鐵礦和硫含量均存在較好的正相關(guān)性[24]。針對(duì)中國南方海相頁巖,以筇竹寺組和龍馬溪組地層為主要研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)分析了露頭頁巖的礦物成分,發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量高的深色頁巖普遍含黃鐵礦,在巖石復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)[25]。頁巖的這一電性響應(yīng)特征為頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和礦物成分分析提供了新思路。

The authors declare no competing financial interests.

圖3 黃鐵礦含量與TOC的關(guān)系[19]

圖4 總有機(jī)碳含量與硫含量(a)、黃鐵礦含量(b)的關(guān)系[24]

2 頁巖礦物成分及其特征

研究區(qū)發(fā)育多套頁巖地層,均為以黑色頁巖為主的烴源巖,分別是志留系龍馬溪組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組、奧陶系五峰組等,有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度較高,具備儲(chǔ)藏頁巖氣的優(yōu)越條件。本次采樣目標(biāo)層為筇竹寺組和龍馬溪組,屬中上揚(yáng)子區(qū)海相頁巖,位于貴州和四川地區(qū),所有露頭標(biāo)本均祛除風(fēng)化面,采自未風(fēng)化露頭巖面,而且均位于潛水面之上,圖5和圖6分別為筇竹寺組和龍馬溪組頁巖出露地層及采樣標(biāo)本。

通過X射線衍射實(shí)驗(yàn),完成龍馬溪組和筇竹寺組頁巖礦物成分定量分析,結(jié)果如表1所示。

圖5 筇竹寺組頁巖地層和露頭標(biāo)本

圖6 龍馬溪組頁巖地層和露頭標(biāo)本

表1 頁巖礦物成分及含量

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,龍馬溪組和筇竹寺組頁巖礦物成分主要為黏土、石英、長石、方解石和白云石,而且普遍含黃鐵礦。兩套地層相比,筇竹寺組頁巖的石英礦物含量明顯比龍馬溪組高,碳酸鹽礦物含量相對(duì)較少,黃鐵礦含量相對(duì)較高。

將礦物成分分為黏土礦物、碳酸鹽礦物(方解石和白云石)、脆性礦物(石英、鉀長石、斜長石和黃鐵礦)3大類,如圖7所示。分析3大類礦物含量的相對(duì)變化可見,研究區(qū)頁巖脆性礦物的含量主要集中在30%～80%,其中石英平均含量40.6%,碳酸鹽礦物含量主要集中在20%～50%,黏土礦物含量分布在50%以下,平均為36.2%。

圖7 筇竹寺組和龍馬溪組頁巖礦物成分

3 頁巖的復(fù)電阻率特性

3.1 頁巖復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目標(biāo)層巖心標(biāo)本共29塊,其中,筇竹寺組頁巖18塊,龍馬溪組頁巖11塊,實(shí)驗(yàn)條件為水飽和,頻率范圍為0.01～10000.00Hz,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8至圖13所示。龍馬溪組頁巖的復(fù)電阻率幅值曲線如圖8所示,相位曲線如圖9所示,11塊巖心電阻率幅值介于60～100Ω·m,最大值不超過150Ω·m,相位絕對(duì)值由高頻至低頻逐漸減小,最后趨近于0,曲線形態(tài)一致。筇竹寺組頁巖的復(fù)電阻率幅值曲線如圖10和圖12所示,15塊巖心電阻率幅值在30Ω·m以下,僅3塊巖心電阻率值大于100Ω·m,電阻率平均值明顯低于龍馬溪組。筇竹寺組頁巖復(fù)電阻率相位曲線如圖11和圖13 所示,相位幅值在低頻段變化很大,其中15塊巖心相位極值介于-50°～-10°。觀測(cè)結(jié)果表明,15塊筇竹寺組頁巖的低頻段相位和電阻率值與高頻段差異明顯,與龍馬溪組形成鮮明對(duì)比,表現(xiàn)出很強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)。

3.2 頁巖電性參數(shù)

基于以上復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用復(fù)合Cole-Cole理論模型進(jìn)行反演[25],提取零頻電阻率(ρ0)、極化率(m1)、時(shí)間常數(shù)(τ1)和頻率相關(guān)系數(shù)(c1)等4個(gè)復(fù)電阻率參數(shù),反演結(jié)果如表2所示?？梢婓讨袼陆M巖心極化率高,龍馬溪組則基本保持在10%左右,兩者差異最為明顯。兩套地層的巖心均表現(xiàn)出低阻特征,但筇竹寺組更低一些,低頻下電阻率和相位的異常變化特性預(yù)示著巖石具有很強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)。因此,頁巖的復(fù)電阻率數(shù)據(jù)信息豐富,提取的激發(fā)極化參數(shù)可成為頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),其中,極化率是實(shí)驗(yàn)分析過程中極為關(guān)鍵和敏感的電性參數(shù),具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 龍馬溪組頁巖復(fù)電阻率幅值

圖9 龍馬溪組頁巖復(fù)電阻率相位

圖10 筇竹寺組頁巖復(fù)電阻率幅值(一)

圖11 筇竹寺組頁巖復(fù)電阻率相位(一)

圖12 筇竹寺組頁巖復(fù)電阻率幅值(二)

圖13 筇竹寺組頁巖復(fù)電阻率相位(二)

3.3 頁巖礦物成分及電性響應(yīng)特征分析

在頁巖礦物成分中,黃鐵礦普遍存在,也是富有機(jī)質(zhì)沉積的特征礦物。研究證實(shí),黃鐵礦含量與TOC正相關(guān)(圖3和圖4),因此,分析不同黃鐵礦含量頁巖的電性響應(yīng)特征,有利于頁巖氣儲(chǔ)層TOC評(píng)價(jià)。美國Barnett主力產(chǎn)氣層頁巖硅質(zhì)礦物、長石、黃鐵礦含量較高,從側(cè)面說明石英、長石脆性礦物含量高以及電子導(dǎo)電礦物黃鐵礦含量高均與TOC密切相關(guān),為應(yīng)用地球物理方法進(jìn)行頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和后期開采提供了依據(jù)。頁巖礦物成分定量分析數(shù)據(jù)(表1)及其三角圖(圖7)表明,筇竹寺組頁巖的脆性礦物含量比龍馬溪組高,黃鐵礦含量更高,這正好與頁巖的高極化率特征對(duì)應(yīng),表明富有機(jī)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層具有高極化的電性響應(yīng)特征。

表2 頁巖復(fù)電阻率反演結(jié)果

頁巖的礦物成分及含量不僅反映沉積環(huán)境,也決定脆性指數(shù),并影響頁巖氣后期壓裂改造和開采。因此,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從頁巖礦物成分著手研究頁巖的復(fù)電阻率響應(yīng)特征具有重要意義。本文基于礦物成分進(jìn)行脆性評(píng)價(jià),定義脆性指數(shù)(IB)為硅質(zhì)礦物(石英、長石和黃鐵礦)的百分含量與硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物百分含量總和的比值,表達(dá)式如下:

黃鐵礦+方解石+白云石+黏土)

(1)

式中:IB為脆性指數(shù);其它參數(shù)均代表各種礦物成分的百分含量?；诘V物成分定量分析結(jié)果和復(fù)電阻率反演結(jié)果,討論電子導(dǎo)電礦物黃鐵礦、脆性礦物及脆性指數(shù)與電性參數(shù)的關(guān)系,重點(diǎn)分析黃鐵礦含量、脆性指數(shù)與電阻率、極化率的相關(guān)性,建立其關(guān)系模型,探尋頁巖氣儲(chǔ)層脆性礦物評(píng)價(jià)的電性敏感參數(shù)。

多數(shù)頁巖的黃鐵礦含量在2%以內(nèi),對(duì)應(yīng)的極化率值低于25%,電阻率值主要在70～200Ω·m,少數(shù)黃鐵礦含量較高的巖心極化率超過40%,最高達(dá)到70%,巖心電阻率值低于30Ω·m。研究表明,電阻率和極化率與黃鐵礦存在相關(guān)性,電子導(dǎo)電礦物黃鐵礦增加,電阻率減小,極化率增大?；谝陨戏治?初步建立了黃鐵礦含量與電阻率、極化率的關(guān)系模型,如圖14和圖15所示。筇竹寺組頁巖的石英和長石礦物含量高,平均值達(dá)到60%,龍馬溪組石英和長石礦物含量相對(duì)較低,電阻率隨脆性指數(shù)的增加呈減小趨勢(shì),極化率隨脆性指數(shù)的增加逐漸增大。通過交會(huì)分析初步建立了頁巖脆性指數(shù)與電阻率、極化率關(guān)系模型,如圖16和圖17 所示。

圖14 頁巖黃鐵礦含量與電阻率交會(huì)分析

圖15 頁巖黃鐵礦含量與極化率交會(huì)分析

圖16 頁巖脆性指數(shù)與電阻率交會(huì)分析

圖17 頁巖脆性指數(shù)與極化率交會(huì)分析

黃鐵礦含量與極化率、電阻率關(guān)系模型如下:

yP=1.3163lnm+4.5201

(2)

yP=-1.399lnρ+7.8949

(3)

式中:yP為黃鐵礦含量;m為極化率;ρ為電阻率,單位為Ω·m。

脆性指數(shù)與極化率、電阻率關(guān)系模型如下:

IB=0.2214lnm+0.8499

(4)

IB=-0.099lnρ+0.8793

(5)

式中:IB為脆性指數(shù);m為極化率;ρ為電阻率,單位為Ω·m。

4 結(jié)論與建議

頁巖礦物成分以黏土礦物、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、脆性礦物(石英、長石、黃鐵礦)為主。龍馬溪組和筇竹寺組兩套地層的黏土礦、石英、長石含量差異較大,后者含有更豐富的脆性礦物,脆性指數(shù)高。兩套頁巖普遍含有電子導(dǎo)電礦物黃鐵礦,其含量大小與頁巖氣儲(chǔ)層TOC密切相關(guān)。

龍馬溪組和筇竹寺組兩套地層巖心均表現(xiàn)出低阻特征,筇竹寺組頁巖的低頻段相位和電阻率值與高頻段差異明顯,與龍馬溪組形成鮮明對(duì)比,表現(xiàn)出更強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)。筇竹寺組頁巖具有更高的極化率值,表現(xiàn)為低阻高極化的電性響應(yīng)特征,該特征正好與筇竹寺組頁巖較高的脆性礦物含量和黃鐵礦含量存在相關(guān)性,即脆性指數(shù)越高,黃鐵礦含量越大,電阻率就越低,極化率越大。

綜合礦物成分和復(fù)電阻率分析結(jié)果,通過交會(huì)分析初步建立了頁巖脆性指數(shù)與電阻率和極化率的關(guān)系模型以及黃鐵礦含量與電阻率和極化率的關(guān)系模型,但該研究成果有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,尤其是針對(duì)頁巖礦物成分、電阻率、極化率與TOC的內(nèi)在聯(lián)系有待進(jìn)行深入研究。

頁巖復(fù)電阻率數(shù)據(jù)信息豐富,提取的激發(fā)極化參數(shù)可成為頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),其中,極化率是實(shí)驗(yàn)分析過程中發(fā)現(xiàn)的極為關(guān)鍵和敏感的電性參數(shù),具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。礦物成分及其電性響應(yīng)特征的研究成果可用于頁巖氣儲(chǔ)層和脆性礦物的分析與評(píng)價(jià),指導(dǎo)后期壓裂改造和頁巖氣開采。

致謝:感謝中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司綜合物化探處、非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心和江蘇有色金屬華東地質(zhì)勘查局八一四隊(duì)對(duì)本文研究的支持。

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(編輯:戴春秋)

Relationship analysis between brittle index and electrical properties of marine shale in South China

XIANG Kui1,2,YAN Liangjun1,2,HU Hua3,HU Wenbao1,2,TANG Xingong1,2,LIU Xuejun4

(1.KeyLaboratoryofOilandGasResourcesandExplorationTechnology,MinistryofEducation,Wuhan430100,China;2.HubeiCollaborativeInnovationCenterforUnconventionalOilandGas,Wuhan430100,China;3.CollegeofGeosciences,YangtzeUniversity,Wuhan430100,China;4.BureauofGeophysicalProspectingIncorporation,CNPC,Zhuozhou072751,China)

The brittleness of shale is an important parameter in the evaluation of shale gas reservoir.Therefore,studying shale mineral composition and evaluation method of brittleness are significant.Through the mineral composition analysis and complex resistivity measurement based on the outcrop samples from the Qiongzhusi formation and Longmaxi formation of marine shale in South China,the characteristics of low resistivity and high polarization were revealed in the shale with high brittleness minerals and high pyrite content.These characteristics provide a geophysical prerequisite for evaluating the brittleness of shale reservoir by induced polarization (IP) parameters.The brittleness index (BI) is defined based on mineral composition.The correlation between the IP parameters of shale,pyrite content and the brittleness index are analyzed.These research preliminary established the relation models between the resistivity,the brittleness index and the pyrite content,as well as the relation models between the polarization,the brittleness index and the pyrite content.The new idea of using electrical anomaly characteristics to predict the shale gas reservoir is proposed.

marine shale,mineral composition,resistivity,polarization,brittleness index

2016-01-31;改回日期：2016-05-18。

向葵(1980—),男,講師,博士,現(xiàn)主要從事電磁勘探和巖石物理研究工作。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB228605)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41404087,41574064,U1562109)聯(lián)合資助。

This research is financially supported by the National Key Basic R & D Program of China (973 Program)(Grant No.2013CB228605) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos.41404087,41574064,U1562109).

P631

A

1000-1441(2016)06-0894-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.06.015