基于巖石物理實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖脆性測(cè)井評(píng)價(jià)方法

徐贛川 鐘光海 謝 冰 黃天俊

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

頁(yè)巖的脆性特性對(duì)儲(chǔ)層壓裂改造至關(guān)重要［1－3］，直接影響試油層位優(yōu)選，施工效果是否有效，進(jìn)一步影響頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)能高低。根據(jù)國(guó)外頁(yè)巖氣成功壓裂開(kāi)采效果可知，當(dāng)脆性礦物含量高（脆性指數(shù)高）且均大于40%［4］時(shí)，有利頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂開(kāi)采。因此，筆者以四川盆地蜀南地區(qū)W1井下志留統(tǒng)龍馬溪組儲(chǔ)層的頁(yè)巖為巖心實(shí)驗(yàn)樣品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室頁(yè)巖力學(xué)實(shí)測(cè)方法、礦物成分測(cè)定和地球物理測(cè)井計(jì)算彈性參數(shù)方法相結(jié)合，分析得到該區(qū)主要的脆性礦物成分，并深化了頁(yè)巖脆性指數(shù)的測(cè)井計(jì)算方法；通過(guò)測(cè)井計(jì)算得到頁(yè)巖脆性指數(shù)更接近于巖心實(shí)驗(yàn)的脆性，大大提高了測(cè)井計(jì)算精度；根據(jù)頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)選改造深度范圍，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)壓裂改造實(shí)踐。該研究成果可以為現(xiàn)場(chǎng)試油層位優(yōu)選及儲(chǔ)層改選方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

頁(yè)巖是一種沉積巖，成分復(fù)雜，但都具有薄頁(yè)狀或薄片層狀的節(jié)理，主要是由黏土沉積經(jīng)壓力和溫度形成的巖石，但其中混雜有石英、長(zhǎng)石的碎屑以及其他礦物［5］。蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層由于沉積于深水半深水的海相，儲(chǔ)層一般為富含碳質(zhì)的黑色頁(yè)巖，礦物成分除了黏土、石英、長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石）、有機(jī)質(zhì)外，還含有大量的方解石和白云石，此外，由于沉積時(shí)處于還原環(huán)境，因而也含有一定數(shù)量的黃鐵礦［1］。

根據(jù)該地區(qū)頁(yè)巖巖心實(shí)驗(yàn)資料，結(jié)合鉆探情況分析，認(rèn)為本區(qū)頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)集空間主要為微孔隙，頁(yè)巖中的裂縫是主要的游離氣儲(chǔ)集空間［6］。頁(yè)巖氣成藏需要有一定的物性條件，根據(jù)該區(qū)2口井巖心物性直方圖（圖1）分析表明，該地區(qū)頁(yè)巖屬于低孔特低滲儲(chǔ)層，因此頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)依靠常規(guī)的開(kāi)采方式是不可能的，需要進(jìn)行大型甚至特大型壓裂改造才能獲得產(chǎn)能，頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)對(duì)壓裂改造起到至關(guān)重要的作用。因此開(kāi)展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)方法研究，為優(yōu)選試油層段提供技術(shù)支撐。

圖1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖心物性分析直方圖

2 巖石物理實(shí)驗(yàn)

巖石力學(xué)參數(shù)有動(dòng)力學(xué)參數(shù)和靜力學(xué)參數(shù)之分。巖石的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是指巖石在各種動(dòng)載荷或周期變化載荷作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，用靜載荷作用下測(cè)得的是靜力學(xué)參數(shù)［7］。前者獲取方便、經(jīng)濟(jì)且可得連續(xù)資料；后者卻獲取慢而昂貴，還很難得到連續(xù)的資料?？墒窃趯?shí)際應(yīng)用中，如鉆井工程所需要的卻是靜力學(xué)參數(shù)，因此最好的方法是在搞清動(dòng)、靜力學(xué)參數(shù)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)線性回歸建立起它們的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)由動(dòng)力學(xué)參數(shù)到靜力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

2.1 巖石力學(xué)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算方法

巖石的楊氏彈性模量、剪切模量、體積模量和泊松比等是描述巖石彈性形變、衡量巖石抵抗變形能力和程度的主要參數(shù)。根據(jù)巖樣在施加載荷條件下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，可以確定巖石的各彈性模量和泊松比，這樣得到的巖石的各彈性模量和泊松比，稱為巖石的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比［8］。

楊氏彈性模量是巖石張變彈性強(qiáng)弱的標(biāo)志。設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)、截面積為S的巖石，在縱向上受到力F作用時(shí)伸長(zhǎng)或壓縮ΔL，則縱向張應(yīng)力（F／S）與張應(yīng)變（ΔL／L）之比值即為靜態(tài)楊氏彈性模量（Es），楊氏模量是巖石的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變之比，代表巖石的抗拉伸能力。楊氏模量可計(jì)算巖石的抗外壓（拉伸）的能力，其靜態(tài)計(jì)算模型為：

泊松比（μ）又稱橫向壓縮系數(shù)。靜態(tài)泊松比表示為橫向相對(duì)壓縮與縱向相對(duì)增長(zhǎng)之比。設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)、直徑為d的圓柱形巖石，在受到壓縮時(shí)，其長(zhǎng)度縮短ΔL，直徑增加Δd，則靜態(tài)泊松比（μ）計(jì)算模型為：

2.2 巖石力學(xué)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法

巖石的彈性常數(shù)不僅可以根據(jù)巖樣在施加載荷條件下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系得到，而且也可以利用彈性波的傳播關(guān)系，由測(cè)量的彈性波速度和體積密度計(jì)算得到。由此得到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比，統(tǒng)稱動(dòng)態(tài)彈性常數(shù)。根據(jù)陣列聲波測(cè)井的波形分析所提供的縱波、橫波時(shí)差，結(jié)合密度測(cè)井資料可以計(jì)算出地層任一深度的巖石力學(xué)參數(shù)?？汕蟮脦r石力學(xué)動(dòng)態(tài)參數(shù)，其計(jì)算模型具體如下。

動(dòng)態(tài)楊氏模量：

式中ρb為巖石的密度，g／cm3；Δtc、Δts分別為縱、橫波時(shí)差，μs／m。

2.3 巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取四川盆地蜀南地區(qū)W1井下志留統(tǒng)龍馬溪組儲(chǔ)層的頁(yè)巖巖心實(shí)驗(yàn)樣品10塊（圖2紅色和藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)），取樣深度如表1所示，對(duì)巖樣進(jìn)行斷面打磨平整，通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)儀器，模擬地層溫度、圍壓，進(jìn)行三軸抗壓實(shí)驗(yàn)，通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石的抗壓強(qiáng)度介于68～141.8MPa，平均抗壓強(qiáng)度為117.22MPa，平均楊氏模量為21 785.22MPa，平均泊松比為0.227（表1），并得到每塊巖樣的密度、縱波速度和橫波速度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可以開(kāi)展頁(yè)巖脆性參數(shù)評(píng)價(jià)，為測(cè)井評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖2 W1井動(dòng)靜態(tài)參數(shù)對(duì)比圖

2.4 巖石動(dòng)、靜態(tài)彈性參數(shù)關(guān)系分析

依據(jù)式（1）～式（4），可由彈性波速和體積密度資料計(jì)算獲得地層動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)的關(guān)系。如圖2所示，利用巖石物理實(shí)驗(yàn)得到的縱橫波速度、密度、巖心靜態(tài)彈性模量、泊松比與測(cè)井得到的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖心縱橫波速比、泊松比與測(cè)井計(jì)算的縱橫波速比、泊松比一致性較好，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的楊氏模量與測(cè)井計(jì)算楊氏模量的一致性較差，這可能與微裂縫或頁(yè)理發(fā)育有關(guān)。

進(jìn)一步綜合分析，實(shí)驗(yàn)得到靜態(tài)泊松比與測(cè)井計(jì)算巖石泊松比對(duì)應(yīng)性較好（圖2），分析可得測(cè)井計(jì)算動(dòng)態(tài)泊松比（μd）、靜態(tài)泊松比（μs）幾乎為1∶1關(guān)系，即：μd＝μs。

表1 W1井龍馬溪組頁(yè)巖三軸抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

據(jù)圖2巖石物理實(shí)驗(yàn)，可看出靜態(tài)楊氏模量與測(cè)井計(jì)算的動(dòng)態(tài)楊氏模量對(duì)應(yīng)性較差，因而需要做巖石動(dòng)、靜態(tài)楊氏模量轉(zhuǎn)換關(guān)系研究。巖石動(dòng)靜態(tài)楊氏模量關(guān)系圖表明（圖3），實(shí)驗(yàn)得到巖石動(dòng)靜態(tài)楊氏模量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R＝0.842。因此可利用實(shí)驗(yàn)得到巖石動(dòng)靜態(tài)楊氏模量回歸關(guān)系，從而得到頁(yè)巖楊氏模量的動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系模型：

式中Es為巖石靜態(tài)楊氏模量，6 890MPa；Ed為巖石動(dòng)態(tài)楊氏模量，6 890MPa；a、b分別為系數(shù)。

圖3 頁(yè)巖巖石動(dòng)、靜態(tài)楊氏模量的關(guān)系圖

3 頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法

巖石脆性理論是泊松比和楊氏模量的綜合體現(xiàn)［9－11］。這兩個(gè)分量（泊松比和楊氏模量）結(jié)合起來(lái)能夠反映巖石在應(yīng)力（泊松比）下破壞和一旦巖石破裂時(shí)維持一個(gè)裂縫張開(kāi)（楊氏模量）的能力。圖4是這種理論的示意圖。就泊松比而言，其值越低，巖石越脆，并且當(dāng)楊氏模量值增加時(shí)，巖石將更脆［12－13］。由于泊松比和楊氏模量的單位是很不相同的，由每個(gè)分量引起的脆性進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行平均從而計(jì)算出作為百分?jǐn)?shù)的脆性指數(shù)。

圖4 泊松比與楊氏模量交會(huì)圖

該理論指出韌性頁(yè)巖點(diǎn)將落在東北角［14］，并且頁(yè)巖越脆越靠向西南角。韌性頁(yè)巖形成良好的壓裂障礙帶以及很好的蓋層。對(duì)巖石脆性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的脆性指數(shù)可以從隨后的步驟獲得［15］。

3.1 頁(yè)巖脆性指數(shù)泊—楊法計(jì)算方法

1）找出泊松比和楊氏模量在各自區(qū)域的最大和最小值范圍的百分比。即

式中YM＿BRIT為楊氏模量計(jì)算的脆性；PR＿BRIT為泊松比計(jì)算的脆性；PR為泊松比；YM為楊氏模量，由陣列聲波或偶極聲波測(cè)井計(jì)算得到；YM＿M(jìn)IN為楊氏模量最小值（最具彈性的）；YM＿M(jìn)AX為楊氏模量最大值（最具脆性的）；PR＿M(jìn)IN為泊松比最小值（最具脆性的）；PR＿M(jìn)AX為泊松比最大值（最具彈性的）。

2）組合并平均這些值，即

利用以上建立的動(dòng)靜態(tài)楊氏模量轉(zhuǎn)換模型，對(duì)測(cè)井計(jì)算楊氏模量進(jìn)行校正，最終校正巖石脆性指數(shù)接近巖心實(shí)際脆性指數(shù)（圖5）。從圖5中可以看出，校正后的楊氏模量、脆性指數(shù)（紅色曲線）與巖心實(shí)際靜態(tài)楊氏模量、巖心脆性指數(shù)一致性較好，說(shuō)明利用頁(yè)巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)建立的動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換模型在該地區(qū)具有較好的適用性。

圖5 W1井動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)校正及脆性成果圖

3.2 頁(yè)巖脆性礦物含量測(cè)井計(jì)算方法

根據(jù)W1井頁(yè)巖巖心礦物組分分析數(shù)據(jù)，利用三角巖性圖版的頁(yè)巖巖石礦物組分分布情況并結(jié)合巖心脆性指數(shù)（圖6）得出，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)的巖石脆性大于40%，藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)的巖石脆性為30%～40%，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為小于30%。從圖6中可以看出，黏土含量大于40%時(shí)，巖石脆性指數(shù)明顯降低。

根據(jù)前人研究成果［16］，認(rèn)為頁(yè)巖脆性礦物主要為石英、長(zhǎng)石。通過(guò)本次研究綜合分析，認(rèn)為當(dāng)黏土含量小于40%，頁(yè)巖脆性指數(shù)與黏土含量關(guān)系不明顯，如圖6－a左為脆性礦物石英＋長(zhǎng)石含量，從圖可得隨著石英＋長(zhǎng)石含量變化，巖石脆性高低不能明顯區(qū)分。進(jìn)一步分析（圖6－b），將白云石含量加入石英＋長(zhǎng)石含量中，隨著石英＋長(zhǎng)石＋白云石含量越高，巖石脆性越大，隨著方解石含量越高，巖石脆性略有降低，說(shuō)明該地區(qū)主要脆性礦物為石英、長(zhǎng)石、白云石。因此，通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步明確了主要的脆性礦物，并完善了礦物含量測(cè)井脆性指數(shù)的計(jì)算方法。

研究表明，石英、長(zhǎng)石等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫；碳酸鹽礦物中白云石含量高的層段，易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。通過(guò)以上頁(yè)巖巖石礦物組分與巖心脆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該地區(qū)脆性礦物主要包括石英、長(zhǎng)石和白云石。因此，通過(guò)脆性礦物含量計(jì)算巖石脆性指數(shù)，即

圖6 W1井頁(yè)巖全巖礦物組分三角巖性圖

式中BRIT礦物為礦物成分法計(jì)算的脆性；Vquartz為石英長(zhǎng)石的百分含量；Vcalcite為方解石的百分含量；Vdolo為白云石的百分含量；Vclay為黏土的百分含量。

通過(guò)測(cè)井優(yōu)化處理計(jì)算，得到巖石礦物成分含量，進(jìn)而計(jì)算脆性礦物含量。但與實(shí)驗(yàn)得到靜態(tài)參數(shù)計(jì)算巖石脆性指數(shù)存在一定的差異，因此，建立礦物成分計(jì)算巖石脆性指數(shù)與巖心脆性指數(shù)校正圖（圖7）。因此，在沒(méi)有陣列聲波的情況下，可以采用礦物成分含量的方法計(jì)算頁(yè)巖氣地層的脆性指數(shù)，也可為優(yōu)選儲(chǔ)層改造層段提供技術(shù)支撐。

圖7 礦物成分法計(jì)算脆性與巖心脆性指數(shù)校正圖

礦物成分計(jì)算巖石脆性指數(shù)與巖心脆性指數(shù)校正模型為：

式中b0、b1分別為系數(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)XX地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段脆性指數(shù)、脆性礦物含量及動(dòng)、靜巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性細(xì)、黏土含量高，石英長(zhǎng)石礦物均一地鑲嵌于黏土中，石英長(zhǎng)石顆粒之間黏土作為緩沖，改變了顆粒之間的受力狀況，頁(yè)巖儲(chǔ)層頁(yè)理、層理發(fā)育、層間縫發(fā)育，這些頁(yè)巖的特性對(duì)壓裂時(shí)的受力都有影響，由于聲波法使用巖石力學(xué)參數(shù)泊松比、楊氏模量綜合分析，是巖石整體力學(xué)的反映，大多數(shù)認(rèn)為更能反映巖石的脆性。如圖8所示，兩種計(jì)算方法結(jié)果在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段具有相同的變化趨勢(shì)。

根據(jù)測(cè)井計(jì)算頁(yè)巖脆性指數(shù)結(jié)合巖心全巖礦物含量分析，提出了試油的建議層位（圖8），試油中段脆性礦物含量相對(duì)較低，脆性指數(shù)較?。辉囉蜕?、下段脆性礦物含量高，脆性指數(shù)大，通過(guò)對(duì)試油段破裂點(diǎn)監(jiān)測(cè)，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造破裂點(diǎn)主要集中在上下兩段，最終試油獲得頁(yè)巖氣工業(yè)氣流，結(jié)果表明測(cè)井計(jì)算脆性指數(shù)對(duì)試油壓裂改造有較好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心開(kāi)展巖石物理實(shí)驗(yàn)研究，形成了基于巖石物理實(shí)驗(yàn)的頁(yè)巖脆性指數(shù)計(jì)算方法，得到以下結(jié)論及建議：

1）通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)，建立了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石彈性參數(shù)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換模型，提高了頁(yè)巖脆性指數(shù)的測(cè)井計(jì)算精度。

圖8 W1井頁(yè)巖氣井段巖石脆性指數(shù)處理成果圖

2）通過(guò)巖石礦物組分含量結(jié)合脆性指數(shù)研究，認(rèn)為當(dāng)黏土含量大于40%時(shí)，巖石脆性明顯降低；當(dāng)黏土含量小于40%時(shí)，巖石脆性指數(shù)與黏土含量關(guān)系不明顯，而隨著石英＋長(zhǎng)石＋白云石含量增加，巖石脆性增大，隨著方解石含量增高，巖石脆性略有降低，說(shuō)明該地區(qū)主要脆性礦物為石英、長(zhǎng)石和白云石。

3）建立了頁(yè)巖脆性指數(shù)的兩種計(jì)算方法，即泊—楊法和礦物含量法。當(dāng)測(cè)井資料齊全，有縱橫波和密度測(cè)井資料時(shí)，泊—楊法計(jì)算的頁(yè)巖脆性指數(shù)結(jié)果精度較高，優(yōu)選泊—楊法；當(dāng)測(cè)井資料較少，無(wú)陣列聲波測(cè)井時(shí)，礦物成分法作為泊—楊法的補(bǔ)充，同樣能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性。

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