脆性页岩与塑性页岩的评价方法及实际数据关系

脆性是指岩石在外力作用下发生破裂的程度。塑性是指岩石在外力作用下不容易发生破裂的程度。脆性页岩在储层改造时容易破裂形成比较好的裂缝网络，而塑性页岩在储层改造中不容易发生破裂，且消耗压裂能量，使得储层压裂的效果变差，效率变低（如图4—14所示）。评价页岩的脆性对压裂的效果和开发成本意义较大。

图4—14　脆性页岩与塑性页岩示意图（Bustin等，2009）

脆性的表征方式对评价脆性的高低极为重要。本质上，脆性由岩石的组成物质决定，当岩石中脆性矿物（石英和方解石）的含量比较多时，岩石较脆（Rickman等，2008； Dan等，2010）。当然，在矿物一定的情况下，岩石中塑性物质（黏土、流体等）的含量及其分布形式对脆性的影响比较复杂。

在测井评价及使用叠前反演数据寻找页岩气“甜点”时，在生/含气能力符合一定条件的基础之上，必须重点考虑脆性及应力条件，也就是判断在工程开发的过程中哪里容易形成大规模的裂缝网络。使用弹性参数表征的脆性与矿物表征相似性较高，且弹性参数相对矿物成分容易求算，且准确度较高，证明了在一定地质条件下，可以通过弹性参数对最小闭合应力系数进行判定。但是在具体的操作过程中，应该如何去选择优质泥页岩，这需要在岩石物理上形成一定的认识与结论，并建立一定的解释模板，为准确地进行优质泥页岩的储层评价提供理论依据。

页岩的脆性主要由杨氏模量和泊松比表示，杨氏模量高，泊松比低，则脆性高。且含有石英、方解石等脆性矿物多的岩石脆性高。但是，我们所研究的页岩，其成分都是复杂的，不同的矿物组成，具有一定的弹性参数值，同时对应着一定的脆性。在岩石物理模型正演的基础上，得到了不同的矿物组成的弹性模量，并且计算得到其脆性指数。在杨氏模量—泊松比交会图上分析脆性随矿物组成及弹性参数的关系，如图4—15所示，以石英、方解石、黏土、干酪根为端元点，不同的矿物质的含量按照10%的规律递减或递增；直线连接着物质成分变化的两个端元点；颜色表示脆性指数，按照脆性值的范围，设计平均变化的10个量级。杨氏模量由高到低的顺序为：石英>方解石>黏土>干酪根；泊松比由高到低的顺序为：黏土>方解石>干酪根>石英；脆性由高到低的顺序为：石英>方解石>干酪根>黏土。这证明了石英、方解石的脆性高，黏土、干酪根的脆性低的认识。研究人员常常将方解石与石英同称为脆性矿物，但实际上，这两种矿物的脆性相差较大，在同一标准下，石英的脆性显示在0.8～0.9，而方解石的脆性在0.5～0.6，干酪根的脆性在0.3～0.4，黏土的脆性在0.1～0.2。因此，富石英的岩石脆性比富灰质的岩石脆性高，当黏土含有40%石英时，其脆性即与方解石相同。

将实际的测井数据引入理论交会图中，如图4—16、图4—17所示，由砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥页岩沿着石英—黏土的曲线发生规律性的变化，证明了物质组成规律的正确性。同时，实测数据显示，当砂岩含气、页岩含气后，泊松比都有比较明显的降低，而杨氏模量降低程度不大，这导致了脆性的升高。即砂岩含气、泥岩含气后，其脆性增大。

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图4—15　杨氏模量—泊松比—脆性理论关系

图4—16　杨氏模量—泊松比—脆性实际数据关系图（复杂岩性）

图4—17　杨氏模量—泊松比—脆性实际数据关系图（泥页岩）

由于实际数据的单薄，且通过物质的组成成分研究不能给出某一岩性/储层的弹性参数的标准，也不能定量化地区分所需要的有利岩性/储层，只能趋势性地解释。在建立标准与定量化判断的要求下，将其他不同的弹性参数引入解释量版中，在图4—17的基础上，我们引入了拉梅常数（λ与μ，分别以黑色线、棕色线表示），纵波模量（ρ2P，以蓝色线表示），以及杨氏模量与泊松比的比值（E/ν，以金黄色曲线表示），也就是第三种脆性表示方法，形成了图4—18。在最小与最大值曲线旁边用数字方式标明其所对应的值大小。其中λ数值范围为6～60，每隔6画线；μ范围为5～45，每隔5画线；ρ2 P范围为16～160，每隔16画线；E/υ范围为2.5～152.5，每隔10画线（从52.5后每隔20画线）。通过这个综合的弹性解释图版，可以较为容易地选取有利岩性/储层带，比如，由测井分析，含气页岩参数表现为：ρ2 P在16～32，λ小于12，μ在5～15，杨氏模量小于3，泊松比小于0.24。将这种标准/规律应用到其他井中，或者应用到地震反演得到的弹性参数中，就可以比较简单地选择有利脆性区域。

图4—18　杨氏模量—泊松比—弹性参数—脆性实际数据关系