復雜儲層巖石脆性分析及應用研究

許孝凱, 翟勇, 劉美杰, 許孝青, 周朋飛, 王志美

(1.中國石化勝利石油工程有限公司測井公司, 山東 東營 257096; 2.山東大禹建設集團有限公司, 山東 東營 257091)

0 引 言

低滲透油藏開發(fā)往往需要大規(guī)模裂縫發(fā)育才能形成工業(yè)產能,除需要考慮天然裂縫發(fā)育情況,開發(fā)過程中還應考慮儲層是否易于改造。國內外研究發(fā)現(xiàn),脆性指數(shù)是評價儲層可改造性能的重要參數(shù)[1],國外各石油公司較早開展該方面的研究工作。出于不同的研究目的,定義了不同的巖石脆性測量方法[2]。石油地球物理勘探主要利用2種方法對巖石脆性進行定義。一種是利用礦物成分進行的定義[3-4];一種是利用測井獲得的彈性模量信息進行巖石脆性定義[5-6]。關于脆性分析的研究往往針對頁巖儲層,中國致密儲層分布廣泛,在油氣勘探具有重要的地位,將頁巖儲層中應用較好的脆性分析手段推廣到致密儲層中,用以指導致密儲層的勘探開發(fā)工作變得越來越重要。

圖1 巖石結構分析圖

1 巖石脆性基本定義

巖石經受不斷增加的應力,主要經歷彈性形變、塑性形變和破裂3個階段?；谠撎匦?可以將巖石分為2類:塑性巖石和脆性巖石。如果巖石彈性對應區(qū)間小而塑性對應區(qū)間大,在壓裂前吸收更多的能量,就認為它是塑性的;相反,如果巖石彈性對應區(qū)間大,而只有較小的塑性區(qū)間,巖石就是脆性的。

研究目的不同,對脆性的定義也不同。Hetenyi[7]定義脆性為缺少塑性;Ramsey[8]則認為當巖石內聚力打破時,巖石是脆的;Obert和Duvall[9]則將脆性定義為材料需要很少或者不需要塑性變形就破裂或斷裂的性質。

石油勘探開發(fā)中采用的脆性指數(shù)多根據(jù)巖石礦物組成定義。人們發(fā)現(xiàn),巖石脆性與巖石彈性性質密切相關,為了獲取可靠的脆性信息,可以通過巖石彈性參數(shù)對巖石脆性進行表征[5-10]。

1.1 破裂實驗定義

(1)

式中,σc為單軸抗壓強度;σt為抗張強度;q為沖擊試驗中的細粒數(shù)量[11-17]?？箯垙姸群涂箟簭姸戎荒茉趯嶒炇抑袦y量,很難將上述脆性指數(shù)定義應用于儲層尺度。

1.2 礦物定義

%

(2)

式中,V1為石英百分含量;V2為白云石百分含量;V3為方解石百分含量;V4為泥質含量;TOC為總有機碳含量。式(2)基于巖石礦物組成,將大部分脆性礦物體積分數(shù)進行加和定義脆性指數(shù)[3-4]。

1.3 彈性參數(shù)定義

BIE=[(E-6.895)/(8×6.895-1×6.895)]×100

BIν=[(ν-0.4)/(0.15-0.4)]×100

BIV=(BIE+BIν)/2

(3)

式中,E為彈性模量,GPa;ν為泊松比;BIE為歸一化彈性模量脆性指數(shù);BIν為歸一化泊松比脆性指數(shù);BIV為平均脆性指數(shù)[18-20]。該方法計算簡便,能較合理地描述巖石的脆性且應用較廣泛,本文主要針對該公式開展分析及應用研究。

2 脆性機理分析

復雜儲層的微結構豐富,對巖石的力學及彈性性質具有較大影響,影響巖石脆性、流體流動和地震波傳播。巖石的脆性指數(shù)通常與礦物組成、力學性質和微結構特征等有著緊密的聯(lián)系。本文結合薄片分析資料,建立裂隙介質模型,分析礦物含量、裂隙發(fā)育情況等對巖石力學性質和脆性指數(shù)的影響。

圖1(a)為巖石的薄片觀察圖,由圖1(a)可知,巖石由骨架和孔隙組成,根據(jù)孔隙尺度和結構的不同可以分為粒間縫和微裂隙2類[見圖1(b)]。抽象出巖石物理模型,如圖1(c)所示,利用彈性波動理論建立孔裂隙介質理論[21-22]。

圖2 致密砂礫巖儲層彈性模量與泊松比頻率統(tǒng)計圖

圖2為致密砂礫巖儲層彈性模量與泊松比頻率分布直方圖。由圖2可知,彈性模量主要分布范圍為15～60 GPa,

泊松比分布范圍為0.17～0.37,范

圍與式(3)中頁巖儲層計算脆性指數(shù)范圍基本一致,為頁巖儲層脆性指數(shù)定義推廣到致密砂礫巖儲層提供了基礎。

圖3 孔裂隙模型數(shù)值模擬結果(顏色條代表頁巖脆性指數(shù))[5]

圖3為利用孔裂隙模型[21-22]模擬礦物、孔隙度、裂隙密度、含水飽和度對脆性指數(shù)影響圖,其中圖3(a)、(d)背景顏色條代表歸一化彈性模量脆性指數(shù)BIE,圖3(b)、(e)背景顏色條代表歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν圖3(c)、(f)背景顏色條代表平均脆性指數(shù)BIV[5]。圖3(a)～(c)為對不同孔隙度進行數(shù)值模擬,含水飽和度對孔隙發(fā)育巖石脆性影響不大,含水飽和度增加,歸一化彈性模量脆性指數(shù)BIE變化較小,歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν有一定程度減小,但幅度不大,平均脆性指數(shù)BIV變化較小;當孔隙度由1%增大到26%時,歸一化彈性模量脆性指數(shù)BIE有一定程度減小,歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν變化不大,平均脆性指數(shù)BIV有一定程度的減小,但變化不大,致密巖石孔隙度變化范圍有限,因而致密巖石平均脆性指數(shù)隨孔隙度變化較小。圖3(d)～(f)為對不同裂隙密度進行數(shù)值模擬結果,含水飽和度對裂隙發(fā)育巖石脆性有一定程度的影響,隨著含水飽和度的增加,歸一化彈性模量脆性指數(shù)BIE變化不大,歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν有一定程度減小,平均脆性指數(shù)BIV有一定程度減小;裂隙發(fā)育儲層,當裂隙密度由0.03增大到0.28時,干燥巖石歸一化彈性模量脆性指數(shù)BIE有一定程度的減小,歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν有一定程度的增大,平均脆性指數(shù)BIV變化較小;當裂隙密度由0.03增大到0.28時,飽含水巖石歸一化彈性模量脆性指數(shù)、歸一化泊松比脆性指數(shù)BIν、平均脆性指數(shù)BIV總體均有減小的趨勢。

圖4 脆性分析及壓裂效果分析圖

因此,致密砂礫巖儲層中,巖石礦物組成仍是平均脆性指數(shù)的主要影響因素,孔隙度、裂隙密度對平均脆性指數(shù)影響較小,因而平均脆性指數(shù)能一定程度上反映巖石礦物的組成,可以用來表征致密砂礫巖巖石脆性;裂隙發(fā)育時,隨含水飽和度的增大,巖石平均脆性指數(shù)有一定量的減小;隨著裂隙密度的增大,飽含水巖石平均脆性指數(shù)變小,壓裂時可以利用平均脆性指數(shù)反映壓裂效果。

3 實例分析

圖4為致密砂礫巖儲層脆性分析及壓裂效果分析圖。由圖4可知,主要層段由多種礦物成分組成,孔隙度幾乎都小于10%,壓裂前3 369～3 381 m井段范圍內大部分層段平均脆性指數(shù)BIV均大于60,顯示較好的脆性。壓裂后,平均脆性指數(shù)BIV均有較大的減小,大部分降至60以下,初步認定儲層被壓開,裂隙變得更為發(fā)育,從而導致巖石脆性降低。由壓裂前后各向異性對比可知,各向異性大小在3 369～3 381 m井段變化明顯,推測該井段為壓裂縫延伸高度,壓裂效果較好,檢測壓裂縫方向平均在78.7 °,壓裂后日產油13.4 t,微地震檢測壓裂縫方向為71.9 °,進一步驗證了利用壓裂前后脆性指數(shù)變化預測儲層壓裂效果的可行性。

4 結 論

(1) 將頁巖油氣開發(fā)過程中廣泛應用的平均脆性指數(shù)推廣至致密砂礫巖儲層是可行的。

(2) 致密砂礫巖儲層其巖石礦物組成仍是平均脆性指數(shù)的主要影響因素,平均脆性指數(shù)能一定程度上反映巖石礦物的組成,可以用來表征致密砂礫巖巖石脆性。

(3) 裂隙密度增加,可以帶來儲層脆性指數(shù)一定程度的減小,通過對比壓裂前后脆性指數(shù)的變化,可以評價壓裂效果。

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