TOC含量对页岩脆性指数影响分析

刘双莲，李浩，张元春

（1．中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2．中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）

0 引 言

页岩储层为低孔隙度特低渗透率致密储层，需要采用水平井技术及储层改造技术进行开采才能有效达到工业开发规模［1］。水平井储层改造效果的好坏与页岩气储层的岩石力学特性、储层性质等密切相关［2］。其中，页岩储层的脆性将直接影响储层的岩石力学特性，影响储层最终改造效果。通常的做法是以脆性指数（BI）评价页岩脆性，脆性指数评价准确与否直接影响压裂施工参数设计及压裂效果。

调研情况分析，评价页岩脆性指数的方法有20种之多，易于操作且常用的评价方法主要有3种，一是Jarvie D M［3］和 Rickman R［4］等利用页岩中脆性矿物含量计算脆性指数；二是Rickman R提出利用测井曲线计算的弹性模量和泊松比计算脆性指数；三是Grieser B［5］提出的利用在一定深度段内读取弹性模量和泊松比的最大值与最小值的方法计算脆性指数。研究发现，当同时采用这3种方法对同一地层的脆性指数进行评价时，其中利用脆性矿物含量计算的脆性指数值在高总有机碳含量（TOC）页岩处与其他2种方法存在明显的差异。本文基于此，开展了TOC含量对脆性指数影响分析。

1 常用3种脆性指数评价方法

1．1 脆性矿物含量计算脆性指数法（方法1）

页岩中脆性矿物是指页岩矿物组分里包含的硅质、钙质等矿物含量，Jarvie D M［3］和 Rickman R［4］采用式（1）对Barnett页岩脆性指数进行了计算

式中，VQuartz、VCarb、VClays分别为硅质含量、钙质含量、泥质含量。

1．2 弹性模量和泊松比计算脆性指数（方法2）

Rickman R采用弹性模量和泊松比计算脆性指数，即

式中，YM和PR为利用测井曲线计算的弹性模量和泊松比；YMBRIT、PRBRIT分别为利用弹性模量和泊松比计算的脆性指数，二者平均值BI2为最后的脆性指数。

1．3 弹性模量和泊松比最大、最小值法计算脆性指数（方法3）

Grieser B等［5］提出利用在一定深度段内读取弹性模量和泊松比的最大值和最小值，计算脆性指数的公式为

式中，YM和PR为利用测井曲线计算的静态弹性模量和泊松比；YMmax、YMmin分别为计算井段内弹性模量的最大值和最小值；PRmax、PRmin分别为计算井段内泊松比的最大值和最小值；YMBRIT、PRBRIT分别为利用弹性模量和泊松比计算的脆性指数，二者平均值BI3为最后的脆性指数。

1．4 3种方法计算脆性指数差异实例分析

分别采用上述3种方法进行了页岩的脆性指数计算。图1中第6道是计算的脆性指数剖面，其中红色实线、绿色及蓝色虚线分别对应方法1、方法2及方法3计算的脆性指数曲线。

从图1中可以看出，第1种利用矿物含量计算脆性指数的值相对偏大，特别是在Y1井2380～2415m井段，该方法计算值明显大于后2种方法。仔细分析可以发现，在2380m以上地层，3种方法计算结果差异并不特别明显，总体具有趋势一致的特点。

2 TOC对脆性指数影响分析

为了厘清TOC对脆性指数计算具体有哪些影响，本文根据岩心实验数据，结合该井段测井响应特征，开展了TOC对脆性指数评价影响的探索研究。

图1 Y1井页岩地层脆性特征参数计算结果

表1是2口井的岩石力学实验与TOC含量关系表。从表1中可以看到，在相同的测试条件下，弹性模量与泊松比并不因为TOC含量的增大而发生显著的变化。分析表1中TOC、石英及黏土含量与弹性模量与泊松比之间的关系可以看出，弹性模量受TOC影响小，但受石英含量的影响比较大，石英含量高时，弹性模量测试值相对较高，其中Y1井的2406．95～2407．00m井段石英含量达51．5%，其弹性模量达到37963MPa；Y2井的2153．15～2153．23m井段石英含量为61．1%，弹性模量为39977MPa。对较小，当TOC含量为4．2%时，密度测量值2．45 g／cm3；当TOC含量为1%时，密度测量值为2．61 g／cm3。由此推测，密度测量值受页岩地层中TOC含量的影响而降低，从而导致方法2与方法3计算的脆性指数值偏低。

由实验分析数据可知，利用方法2与方法3计算脆性指数，由于测井曲线是储层信息的综合反映，不仅包括页岩岩石骨架，同时包括流体、孔隙、裂缝与TOC含量等多种信息，因此测井曲线测值受到各种综合因素的干扰，对于相同含气页岩，TOC含量的影响最大。其中TOC含量对密度、自然伽马及中子的测量值影响最大，声波测量值影响较小。表2统计了对泊松比与弹性模量计算有影响的密度与纵横波时差值。从表2中可以看到，TOC含量对密度测值影响较大，而对纵横波时差测量值影响相

式中，Δtp为纵波时差，μs／ft；Δts为横波时差，μs／ft；ρb为体积密度，g／cm3。

图2是利用式（8）和式（9）计算岩石力学参数成果图。图2中第8、9道分别是计算的弹性模量、泊松比与岩心实验结果对比，从计算结果与岩心实验结果对比可以看出，在上部TOC含量较低层段（2030～2130m），实验结果与测井计算结果具有较好的一致性。而在下部TOC含量高的地层（2140～2160m），实验得到的弹性模量明显大于测井计算值，而泊松比受影响较小，由此说明，受TOC含量升高影响，密度测值明显偏低，导致弹性模量计算结果偏低，也直接影响到由弹性模量计算得到的脆性指数值。

表1 Y1、Y2井弹性模量、泊松比与TOC及矿物含量表

表2 Y1、Y2井弹性模量、泊松比与测井响应关系表

图2 Y2井计算岩石力学成果图

3 TOC含量影响校正

针对TOC含量对测井曲线的影响，尝试校正由TOC含量引起的弹性模量计算结果。由体积计算模型分析，测井测得的密度ρb是由岩石骨架、流体及TOC体积密度的总体体现［6］。因此，计算弹性模量参数时，采用岩石的骨架密度参与计算，则有可能校正由TOC含量带来的影响。

以TOC实验分析数据刻度测井，建立了多参数拟合法计算TOC含量。图3中有机碳计算结果显示，计算的TOC含量与实验分析有机碳含量具有较好的一致性。利用计算出来的TOC含量，采用体积模型，计算出相应页岩地层的岩石骨架密度。

将岩石的骨架密度代入式（9）计算弹性模量，与实验值相比较（见图3），经过校正后的弹性模量计算结果与实验值较为接近；同理，3种方法计算的脆性指数趋于一致。

图3 Y2井TOC校正后计算的岩石力学成果图

4 结 论

（1）页岩脆性指数计算方法较多。采用不同的计算方法，发现在TOC含量高的页岩层段其脆性指数计算结果存在明显差异，其中以矿物组分计算的脆性指数值明显高于用岩石力学参数（弹性模量与泊松比）的计算结果。

（2）研究采用体积模型法对TOC含量高的页岩地层的密度测井值进行校正，能有效消除页岩层段TOC对页岩密度骨架的影响。利用校正后的密度计算岩石力学参数与脆性指数，具有3种方法计算结果趋于一致的效果。

（3）从理论角度尝试分析了TOC含量对脆性指数的影响，如要深入分析其机理，需加强页岩有机质含量与岩石力学相对应的实验，多角度分析脆性指数的影响因素。

［1］刘双莲，陆黄生．页岩气测井评价技术特点及评价方法探讨［J］．测井技术，2011，35（2）：112－116．

［2］蒋廷学．页岩油气水平井压裂裂缝复杂性指数研究及应用展望［J］．石油钻探技术，2013，40（4）：17－22．

［3］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al．Uncoventional Shale－Gas Systems：The Mississippian Barnett Shale on North－central Texas as one Model for Thermogenic Shale－Gas Assessment［J］．APPG Bulletin，2007，91（4）：475－499．

［4］Rickman R，Mullen M，Petre E，et al．A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization：All Shale Plays are not Clones of the Barnett Shale［C］∥SPE115258，presented at 2008SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denber，Colorado，2008．

［5］Grieser B，Bray J．Identification of Production Potential in Unconventional Reservoirs［C］∥SPE 106623 presented at 2007SPE Production and Operations Symposium，Oklahoma City，Oklahoma，2007．

［6］Sondergeld C H，Newsham K E，Comisky J T，et al．Petrophysical Considerations in Evaluating and Producing Shale Gas Resources［C］∥SPE 131768presented at 2010SPE Unconventional Gas Conference held in Pittsburgh，Pennsylvania，USA，2010．