巖石脆性預(yù)測在吉木薩爾凹陷致密油勘探中的應(yīng)用

郭旭光，牛志杰，王振林，馮右倫，周柯全，朱永才

(中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院， 新疆克拉瑪依 834000)

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巖石脆性預(yù)測在吉木薩爾凹陷致密油勘探中的應(yīng)用

郭旭光，牛志杰，王振林，馮右倫，周柯全，朱永才

(中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院， 新疆克拉瑪依 834000)

巖石的脆性是非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)中需考慮的關(guān)鍵巖石力學(xué)參數(shù)之一。巖石脆，壓裂過程中易產(chǎn)生縫網(wǎng)，從而有效改造儲層，達到提高單井產(chǎn)量的目的?；趲r石彈性參數(shù)的歸一化楊氏模量和泊松比方法，是當(dāng)前廣泛采用的可用于地震預(yù)測的巖石脆性評價技術(shù)，但其結(jié)果受歸一化參數(shù)取值的影響較大，適用性受到影響。利用楊氏模量和泊松比的商作為脆性評價指標，并用大量巖石力學(xué)實驗刻度，大大提高了巖石脆性判別的可信度。利用地震疊前彈性參數(shù)反演，開展吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油巖石脆性預(yù)測，指導(dǎo)水平井部署。為保證更好的儲層改造效果，在水平井軌跡設(shè)計過程中不但考慮了儲層物性，還充分考慮了巖石脆性。在優(yōu)選的有利區(qū)鉆探水平井，并實施了體積壓裂，微地震監(jiān)測結(jié)果顯示壓裂產(chǎn)生了縫狀網(wǎng)，儲層改造效果理想。該水平井試油獲得了穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)油流。

致密油 巖石力學(xué) 脆性 疊前反演 水平井

Guo Xu-guang，Niu Zhi-jie，Wang Zhen-lin， Feng You-lun， Zhou Ke-quan， Zhu Yong-cai. Application of rock brittleness prediction to exploration of tight oil in the Jimusaer depression, Junggar Basin[J].Geology and Exploration, 2015, 51(3):0592-0598.

1 引言

美國頁巖氣革命的成功帶動了非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)。近年來，北美非常規(guī)油氣產(chǎn)量迅速攀升，引起了全球范圍的一次“淘金熱”。在我國，非常規(guī)油氣資源也備受關(guān)注，對經(jīng)濟發(fā)展和改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義(袁桂琴等，2013)，并在多個含油氣盆地的勘探已取得了戰(zhàn)略性突破。致密油是非常規(guī)油氣資源的一種，是儲集在覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1mD(空氣滲透率小于1mD)的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油；單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限，但在一定經(jīng)濟條件和技術(shù)措施下可獲得工業(yè)石油產(chǎn)量(趙政璋等，2012)。

致密油開采需要兩大特有技術(shù)：水平井鉆探技術(shù)和水平井多段體積壓裂技術(shù)。巖石脆性是致密油儲層改造需要考慮的重要巖石力學(xué)參數(shù)之一，可以反映巖層在一定條件下形成裂縫的能力，脆性越好，其對壓裂反應(yīng)越靈敏，形成的裂縫越復(fù)雜(李華陽等，2014)，從而有效改造儲層，獲得較高的單井產(chǎn)量。

脆性是物體的一種屬性，在不同學(xué)科的涵義有一定差異(Morleyetal. ，1944；Heteny，1966；Ramsay,1967；李慶輝等，2012)，地質(zhì)學(xué)及材料學(xué)認為材料斷裂或破壞前表現(xiàn)出極少或沒有塑性形變的特征為脆性(Jesse，1960)。

巖石的脆性可以由楊氏模量和泊松比描述，楊氏模量與泊松比的大小反映了地層在一定受力條件下彈性變形的難易程度，楊氏模量越大，地層越硬，剛度越大，地層就容易破裂，對應(yīng)泊松比小；反之，楊氏模量越小，地層越軟，剛度越小，地層就不易破裂，對應(yīng)泊松比大(陳勉等，2011)。

國內(nèi)外用于巖石脆性評價的方法較多，歸納起來大致可以分為三大類：① 基于彈性應(yīng)變的脆性評價方法(Huckaetal.，1974)；② 基于巖石礦物學(xué)的脆性評價方法(Jarvieetal.，2007；Wangetal.，2009；Bulleretal.，2010；牛強等，2014)；③ 基于巖石彈性參數(shù)的脆性評價方法(Rickmanetal.，2008)。同時，也有把巖石礦物和巖石彈性參數(shù)結(jié)合起來的脆性評價方法(刁海燕，2013)?；趶椥詰?yīng)變的脆性評價方法將脆性定義為巖石在很小或者是沒有塑性變形的情況下破碎的性質(zhì)，可通過實驗室測量巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系從而計算巖石脆性。這種方法雖然能夠較真實地反映巖石脆性，但是以實驗室分析獲得，難以應(yīng)用在地震預(yù)測?；趲r石礦物學(xué)的脆性評價方法主要通過計算石英、碳酸鹽巖等脆性礦物或者組成脆性礦物的元素所占的比例來評價巖石脆性。由于不同研究區(qū)的巖石礦物類型及成分差別很大，這種方法具有典型的地區(qū)受限性，推廣應(yīng)用性相對較差，而且僅是井點的巖石脆性評價，不能用于地震預(yù)測。基于巖石彈性參數(shù)的巖石脆性評價方法是通過楊氏模量和泊松比表征其脆性。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是歸一化楊氏模量和泊松比的計算方法。這一方法雖然建立了脆性與彈性模量之間的關(guān)系，可用于地震預(yù)測，但是該方法需要通過實驗方法得到楊氏模量和泊松比的最大值和最小值，準確度難以把握，同時，不同研究區(qū)對應(yīng)參數(shù)差異較大，在某一工區(qū)選取的參數(shù)無法用于其它工區(qū)，通用性相對較差。

本文提出了一種新的脆性指數(shù)計算方法：基于巖石力學(xué)實驗刻度的巖石脆性評價方法。該方法通過大量巖石樣品的三軸應(yīng)力實驗，以巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和巖石的破碎狀態(tài)為依據(jù)，建立以巖石楊氏模量和泊松比為核心的巖石脆性評價標準，并以實驗刻度測井，利用測井資料計算脆性指數(shù)。這一方法不僅實現(xiàn)了脆性連續(xù)表征，而且可以用于地震預(yù)測，為致密油勘探有利區(qū)優(yōu)選、井位部署及壓裂提供依據(jù)。

2 方法原理

具體實現(xiàn)流程如下：

(1) 通過實驗建立脆性評價標準

通過大量巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)及巖樣破壞狀態(tài)，定義巖石脆性。① 脆性較好：軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變(下文簡稱應(yīng)力-應(yīng)變)曲線為直線型，在大的非線性變形前就發(fā)生了破壞，破壞形式為脆性破壞；② 脆性一般：應(yīng)力-應(yīng)變曲線為S型，主要反映了微裂紋在受壓條件下的力學(xué)行為，破壞形式為剪切破壞；③ 脆性較差：應(yīng)力-應(yīng)變曲線為下凹型，變形沒有明顯的階段，破壞形式為塑性破壞。

(2) 求取巖石楊氏模量和泊松比

利用(1)、(2)式求取巖石楊氏模量和泊松比，或者利用應(yīng)力-應(yīng)變和徑向應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線的彈性狀態(tài)斜率，分別求取巖石楊氏模量和泊松比。

(3) 求取脆性指數(shù)

以實驗刻度測井，通過縱、橫波測井曲線計算楊氏模量和泊松比，并根據(jù)式(3)求取脆性指數(shù)。

(1)

(2)

(3)

式中：E為楊氏模量，ν為泊松比，BI為脆性指數(shù)，Δσ為軸向應(yīng)力增量，Δε1為軸向應(yīng)變增量，Δε2為徑向應(yīng)變增量。

上述巖石脆性評價方法避免了由于楊氏模量和泊松比歸一化參數(shù)取值的不確定性帶來的誤差，同時可以實現(xiàn)巖石脆性的測井連續(xù)表征，進而用于地震預(yù)測，將井點的脆性評價結(jié)果擴展到三維空間，進行致密油儲層脆性分布規(guī)律研究，指導(dǎo)勘探開發(fā)部署及儲層改造方案設(shè)計。

3 脆性研究及應(yīng)用

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起西南部，面積約1300km2，是一個西斷東超的箕狀凹陷，主體勘探部位相對平緩，地層傾角3°～5°。目的層中二疊統(tǒng)蘆草溝組是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖層，厚度200～350m，內(nèi)部集中發(fā)育上、下兩套物性相對較好、橫向大面積穩(wěn)定分布的儲層段，即“甜點體”，儲層覆壓孔隙度6%～16%，覆壓滲透率整體小于0.1mD，具有典型的致密油特征。該區(qū)儲層巖性復(fù)雜多變，多為碎屑巖和碳酸鹽巖的過渡巖類，上“甜點體”儲層主要巖性有砂屑云巖、巖屑長石粉細砂巖、云屑砂巖，還有少量微晶云巖；下“甜點體”儲層主要巖性為白云質(zhì)粉細砂巖。

3.2 巖石脆性評價

為了開展“甜點”脆性研究，針對目的層連續(xù)取心的吉174井，選取了85塊不同巖性的巖樣進行三軸巖石力學(xué)實驗，并通過巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及巖石的破碎狀態(tài)對巖石脆性進行評價。實驗加載圍壓10 MPa，加載速率50N/s。

脆性較好：巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)較好彈性，呈直線型，曲線斜率較陡，達到最大抗壓強度之前巖石破碎，巖石破碎時軸向應(yīng)變一般小于0.8%，軸向應(yīng)變-徑向應(yīng)變曲線在破裂點之前斜率變化小，在破裂點曲線產(chǎn)生突變；巖石破裂形態(tài)為破碎(圖1a)。

脆性中等：巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為中等彈性，呈S型，應(yīng)力達到巖石最大抗壓強度時，巖石發(fā)生破壞，此前巖石有塑性變形，巖石破壞時，軸向應(yīng)變大于0.8%，小于1.5%，軸向應(yīng)變-徑向應(yīng)變曲線上，破裂點有較緩的變化，巖石發(fā)生剪切破壞且破碎程度較小(圖1b)。

脆性較差：巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線為較差彈性，呈下凹型，應(yīng)力達到最大抗壓強度之前巖石一直發(fā)生塑性變形，軸向應(yīng)變一般大于1.5%時才發(fā)生破壞，在破裂點之前軸向應(yīng)變-徑向應(yīng)變曲線曲線斜率持續(xù)增加，在破裂點無突變；巖石破裂形態(tài)為剪切破壞(圖1c)。

圖1 不同脆性巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及破碎狀態(tài)Fig.1 The rock stress-strain curves and fracture with different brittleness

根據(jù)實驗結(jié)果，建立脆性評價參數(shù)。脆性較好：楊氏模量大于等于15GPa，泊松比小于等于0.2，脆性指數(shù)大于75GPa；脆性中等：楊氏模量介于15GPa和10GPa之間，泊松比介于0.2和0.23之間，脆性指數(shù)介于75GPa和43.5GPa之間；脆性較差：楊氏模量小于10GPa，泊松比大于0.23，脆性指數(shù)小于0.43GPa。85塊巖樣實驗數(shù)據(jù)見表1。

統(tǒng)計巖性與脆性的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，砂屑云巖、云質(zhì)砂巖、微晶云巖整體脆性較好，泥晶云巖和長石巖屑砂巖脆性中等，碳質(zhì)泥巖和泥巖脆性最差(圖2)，說明儲層脆性整體好于非儲層。

圖2 巖性與脆性關(guān)系Fig.2 The relationship between rock lithology and Brittleness a-不同巖性巖石楊氏模量和泊松比交會圖; b-不同巖性巖石 樣品破碎照片 a-cross-plot of Young's modulus and Poisson ratio for different rocks; b-pictures showing fracture of different rock samples under pressure

3.3 致密油“甜點”脆性預(yù)測

以實驗室實測結(jié)果為刻度，利用縱橫波資料計算楊氏模量和泊松比，實現(xiàn)巖石脆性的測井連續(xù)表征。工區(qū)內(nèi)絕大部分探井測量了橫波速度，對于未測橫波速度的個別井，采用Xu-White模型預(yù)測橫波速度。根據(jù)測井計算結(jié)果，砂屑云巖、粉細砂巖、云屑砂巖、云質(zhì)粉細砂巖等儲層(對應(yīng)核磁測井解釋有效孔隙度大于5%)的脆性好于泥巖，脆性指數(shù)均

表1 巖石力學(xué)彈性參數(shù)實驗數(shù)據(jù)Table 1 Geomechanics parameters from experimentation

大于43.5GPa，砂屑云巖、云屑砂巖脆性最好，脆性指數(shù)大于75GPa，部分井段大于100GPa(圖3)。根據(jù)巖石力學(xué)實驗，脆性指數(shù)大于75GPa時，巖石容易破碎，這類巖石在水力壓裂改造過程中，較容易產(chǎn)生網(wǎng)狀縫。對于脆性指數(shù)大于100GPa的儲層，實驗過程中巖石完全破碎(見圖1a)，說明脆性非常好，這類巖石在水力壓裂過程中，很容易產(chǎn)生網(wǎng)狀縫。

脆性指數(shù)的測井連續(xù)表征為地震預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。利用地震疊前同步反演獲得楊氏模量和泊松比，二者運算求取脆性指數(shù)，便可以實現(xiàn)脆性分布預(yù)測。疊前同步反演可以同時獲得縱波阻抗、橫波阻抗和密度三個基本彈性參數(shù)，然后通過巖石力學(xué)參數(shù)與縱橫波阻抗、密度之間的關(guān)系計算得到楊氏模量和泊松比。

疊前同步反演的理論基礎(chǔ)是Zeoppritz方程。Zeoppritz方程可以精確描述彈性界面各種地震波振幅與入射角的關(guān)系，但是由該方程推導(dǎo)出的反射系

圖3 吉174井巖石脆性測井評價圖Fig.3 Brittleness logging evaluation of well JI 174

圖4 彈性參數(shù)預(yù)測平面圖Fig.4 Predicted Elastic parameters with Prestack inversion

數(shù)表達形式復(fù)雜，不易進行數(shù)值計算，因此在實際使用過程中采用簡化形式。廣泛采用的近似式是Aki-Richards提出的線性化近似，F(xiàn)atti對Aki-Richards近似式進行了進一步改寫：

(4)

式中R(θ)為反射系數(shù)，θ為入射角；Ip、ΔIp分別為縱波組抗和上下地層縱波阻抗差；Is、ΔIs分別為橫波阻抗和上下地層橫波阻抗差；ρ、Δρ分別為密度和上下地層密度差；vp、vs分別為縱波速度和橫波速度。

圖4是通過疊前反演預(yù)測的吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點體”楊氏模量、泊松比及脆性指數(shù)分布圖。圖中顯示，高楊氏模量主要分布在吉173-吉174-吉31井區(qū)；低泊松比主要分布在吉174井區(qū)；脆性指數(shù)綜合了楊氏模量和泊松比，吉174-吉172井區(qū)上“甜點體”脆性較好。

綜合“甜點體”脆性及物性預(yù)測結(jié)果，以上“甜點體”為目的層，對某直井A側(cè)鉆水平井(A_H)。根據(jù)地應(yīng)力研究結(jié)果，該區(qū)最小水平主應(yīng)力方向為近北東向，考慮到A井下傾方向脆性更好，水平井設(shè)計軌跡沿235°方位，向脆性較好的方向鉆探(圖5)。A井鉆探水平段長度為1233 m，完鉆后采用裸眼封隔器體積壓裂工藝，完成了15級壓裂。 微地震檢測結(jié)果表明，壓后"甜點體"得到了有效改造，單級縫長220～460 m，縫高50～70 m(圖6)。該井試油獲得高產(chǎn)，最高日產(chǎn)油69.46 t，763天累計產(chǎn)油16030.7 t，表明達到了較好的儲層改造效果，提高了致密油資源的動用率。

圖5 過A_H井脆性指數(shù)剖面Fig.5 Brittleness index section cross horizontal well A_H

圖6 A_H井壓裂效果微地震檢測圖Fig.6 Micro seismic monitored artificial fracture distribution of horizontal well A_H after hydraulic fracturing

4 結(jié)論

提出了一種新的巖石脆性指數(shù)計算評價方法：利用三軸應(yīng)力實驗中巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破碎狀態(tài)建立脆性評價標準；實驗刻度測井，利用楊氏模量和泊松比比值法計算脆性指數(shù)，實現(xiàn)巖石脆性連續(xù)表征。該方法通過測井表征建立了巖石脆性實驗分析和地震預(yù)測之間的橋梁，使巖石脆性從實驗樣品點的分析評價拓展到二維平面和三維空間的半定量預(yù)測，為致密油井位部署及壓裂方案設(shè)計提供指導(dǎo)。與目前被廣泛采用的、可用于地震預(yù)測的巖石彈性參數(shù)歸一化評價方法相比，無需選則用于歸一化的楊氏模量和泊松比的最大值、最小值，具有較好的適應(yīng)性。

針對吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油，開展了巖石脆性研究，發(fā)現(xiàn)砂屑云巖、粉細砂巖、云屑砂巖、云質(zhì)粉細砂巖等儲層的脆性普遍較好，泥巖、碳質(zhì)泥巖等非儲層脆性相對差。利用疊前同步反演預(yù)測了該區(qū)“甜點體”脆性分布，根據(jù)預(yù)測結(jié)果部署的水平井體積壓裂后獲得高產(chǎn)，微地震監(jiān)測顯示形成了人工縫網(wǎng)，儲層改造效果好，說明水平井眼周圍巖石脆性好，間接反映了脆性預(yù)測結(jié)果的可靠性。

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Application of Rock Brittleness Prediction to Exploration of Tight Oil in the Jimusaer Depression, Junggar Basin

GUO Xu-guang, NIU Zhi-jie, WANG Zhen-lin, FENG You-lun, ZHOU Ke-quan, ZHU Yong-cai

(ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,XinjiangOilfieldCompany,CNPC,Karamay,Xinjiang834000)

Brittleness of rocks is one of the key parameters of rock mechanics which should be considered in exploration and development of unconventional oil and gas reservoirs. When the rock is brittle, fracture networks tend to form during hydraulic fracturing, thus improving the reservoir properties effectively, and enhancing the single-well productivity. Based on the current technologies, evaluating the brittleness of rocks can be applied to seismic prediction using normalized Young's modulus and Poisson ratio. Although it is widely used, the evaluation results are highly influenced by the normalization parameters, so this approach is not perfect. This work used the quotient of Young's modulus and Poisson ratio (EPR) as the value of brittleness，which is calibrated with rock mechanic experiment results. It has significantly increased the in credibility of rock brittleness identification. Meanwhile, by using prestack elastic parameters inversion, the rocks brittleness of Permian Lucaogou Formation in the Jimusar sag was predicted, and the result was used to deploy a horizontal well. In order to ensure good fracturing, not only rock reservoir physical properties, but more important, rock brittleness is fully considered in the design of horizontal well trajectory. A horizontal well was drilled in the favorable area that has better brittleness as shown by seismic prediction. Multi-stage hydraulic fracturing was carried out to this horizontal well. Microseismic detection shows that fracture networks were generated during fracturing in this well, which indicated that good stimulation has been achieved. High-yield oil flow was obtained from this horizontal well after fracturing.

tight oil, rock mechanics, brittleness, prestack inversion, horizontal well

2015-01-15；

2015-03-22；[責(zé)任編輯]郝情情。

中石油重大科技專項(編號 2012E-34-02)資助。

郭旭光(1982年-)，男，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，獲碩士學(xué)位，工程師，長期從事試油地質(zhì)勘探工作。E-mail: guoxug@petrochina.com.cn。

P597.3

A

0495-5331(2015)03-0592-07