泥頁巖氣層脆性特征的地球物理測(cè)井研究方法

汪忠浩,陳 嗣,李厚霖,肖承文,周 波,吳 剛,李華瑋

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

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泥頁巖氣層脆性特征的地球物理測(cè)井研究方法

汪忠浩1,陳 嗣1,李厚霖1,肖承文2,周 波2,吳 剛2,李華瑋2

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

頁巖氣作為清潔能源在國(guó)際上勘探開發(fā)技術(shù)較成熟，研究手段也很豐富，頁巖氣層巖石物理特性研究就是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。就中國(guó)頁巖氣勘探區(qū)塊而言，以中國(guó)石化焦石壩、高郵凹陷區(qū)塊較為成功。筆者利用高郵凹陷區(qū)塊泥頁巖氣層鉆井獲得的巖心，在實(shí)驗(yàn)室鉆取直徑2.5 cm、長(zhǎng)度4～6 cm的樣本。將飽和水巖樣置入HR2500-2高速冷凍離心機(jī)，分8種轉(zhuǎn)速脫水模擬巖樣不同含水飽和度，再利用CTS-45型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀模擬地層條件測(cè)定泥頁巖樣的縱橫波速度；并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了泥頁巖儲(chǔ)層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)。處理高郵凹陷區(qū)塊5口井的測(cè)井資料，得到ElF4層位的脆性指數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：泥頁巖的楊氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可壓裂性越強(qiáng)?？偨Y(jié)出ElF4層段各小層可壓裂性級(jí)別，科學(xué)指導(dǎo)了該區(qū)壓裂設(shè)計(jì)。

巖樣；實(shí)驗(yàn)；縱橫波速度；脆性指數(shù)

1 引 言

隨著油氣資源的日益緊缺，頁巖氣這一新能源已成為國(guó)際地學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，而巖石物理特性在頁巖氣勘探開發(fā)中起著至關(guān)重要的作用[1]。2014年全國(guó)天然氣、頁巖氣和煤層氣等能源類氣體新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量總量達(dá)11 107.15億立方米，創(chuàng)歷史最高水平，其中頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源新增儲(chǔ)量取得重要突破性進(jìn)展，達(dá)1 669.43億立方米，占能源類氣體新增儲(chǔ)量總量的15%，在這些非常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)中，最關(guān)鍵的就是壓裂技術(shù)[2,3]。本文以高郵凹陷區(qū)塊的巖樣制作巖心、通過實(shí)驗(yàn)室縱橫波速度測(cè)量得到了泥頁巖巖樣縱橫波時(shí)差數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法得到了求取橫波時(shí)差的經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到了求取泥頁巖儲(chǔ)層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)的方法[4]。對(duì)高郵凹陷區(qū)塊井進(jìn)行處理分析，歸納出ElF4層段各小層可壓裂性級(jí)別，為巖石力學(xué)參數(shù)判別泥頁巖的可壓裂性提供基礎(chǔ)，科學(xué)指導(dǎo)該區(qū)壓裂設(shè)計(jì)。

2 泥頁巖巖心制作

本次實(shí)驗(yàn)選取高郵凹陷區(qū)泥頁巖的巖心，將巖心加工成了長(zhǎng)約5 cm，直徑約2.5 cm的圓柱體。將切磨合格的巖心用碳素墨水標(biāo)注了地區(qū)、井名、巖心編號(hào)等相關(guān)信息。五塊巖樣分別為馬10、永12、天x76、應(yīng)3、沛1，如表1所示；在制備巖心時(shí)用四氯化碳對(duì)巖心進(jìn)行除油。巖心除油后用甲醇進(jìn)行浸泡以達(dá)到除鹽的目的；將切磨、除油、除鹽后的巖心采用恒溫烘干法進(jìn)行烘干。烘干時(shí)，溫度控制在85±5℃，歷時(shí)48小時(shí)。至巖心恒重為止，并測(cè)量巖心干重；將烘干后的巖心置于地層水溶液中浸泡，在一定壓力下飽和12小時(shí)，并稱重。

表1 巖心樣品

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備有CTS-45型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀及600 kHz縱橫波換能器一對(duì)、巖樣夾持器、HR2500-2高速冷凍離心機(jī)、AE200電子天平。檢測(cè)環(huán)境：室溫20～25℃，濕度50～70(%RH)。

首先測(cè)量泥頁巖巖樣100%飽和水時(shí)的縱橫波速度,然后將飽和水巖樣置入HR2500-2高速冷凍離心機(jī)。轉(zhuǎn)速由低到高分為8檔，每一個(gè)轉(zhuǎn)速代表一個(gè)壓力點(diǎn)。每一個(gè)轉(zhuǎn)速要保持到巖心中離出的水量不再增加為止,此時(shí)測(cè)量巖樣的重量，通過計(jì)算得到巖樣的含水飽和度,之后將巖樣置入CTS-45型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀測(cè)量巖樣縱橫波速度。記錄每次測(cè)量數(shù)據(jù)，可得到不同巖樣的縱橫波速度隨含氣飽和度的變化關(guān)系。

3.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)速的選取

不同轉(zhuǎn)速下兩相流體的離心力差等于毛管壓力[5],即:

Pc=1.097×10-8ΔρL[(Re-L/2)]n2

(1)

通過式(1)可計(jì)算出毛管壓力為0.01 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.69 MPa、0.8 MPa、1 MPa時(shí)分別對(duì)應(yīng)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速。其中Pc為巖樣毛管壓力，單位為MPa；Δρ為兩相流體密度差，單位為g/cm3；L為巖樣的長(zhǎng)度，單位為cm；Re為巖樣外旋轉(zhuǎn)半徑，單位為cm；n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.2 泥頁巖巖樣縱橫波速度測(cè)量步驟

3.2.1 測(cè)定儀器系統(tǒng)及縱波換能器的聲波零時(shí)間

將發(fā)射換能器與接收換能器直接對(duì)接記錄縱波傳播到達(dá)時(shí)間，即為測(cè)量系統(tǒng)及縱波換能器零時(shí)間T0。

3.2.2 巖樣縱波速度測(cè)定

將待測(cè)巖樣裝入巖樣夾持器中，單軸加壓4Mpa使巖樣與換能器端面充分耦合，能在示波器上清晰地觀測(cè)到縱波首波，讀出聲波通過巖樣的傳播時(shí)間T。

3.2.3 計(jì)算巖樣在單軸壓力下的聲波速度

(2)

式(2)中：VP為巖樣的縱波速度，單位為m/s；L為巖樣的長(zhǎng)度，單位為m；T為巖樣的縱波傳播時(shí)間；T0為系統(tǒng)及縱波傳播的零時(shí)間。

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，測(cè)出巖樣的橫波速度VS(m/s)。

3.2.4 地層巖樣分析得出橫波時(shí)差

利用聲波縱波測(cè)井資料，利用式(3)可計(jì)算出橫波時(shí)差，橫縱波時(shí)差間的相關(guān)性較好，其精度為0.95。

Δts=2.609 1×AC-28.988

(3)

式(3)中:Δts為橫波時(shí)差，單位為μs/ft；AC為縱波時(shí)差，單位為μs/ft。

計(jì)算出不同毛管壓力下,巖樣的含水飽和度、含氣飽和度、縱橫波速度、縱橫波時(shí)差等參數(shù)(表2)。其中含水飽和度(SW)、含氣飽和度(Sg)通過巖樣稱重計(jì)算得到；縱橫波速度(VP、VS)為實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出,單位為m/s；縱波時(shí)差(AC)與橫波時(shí)差1(Δts1)通過縱橫波速度直接換算得出，單位為μs/ft；橫波時(shí)差2(Δts2)通過公式(3)計(jì)算得出，單位為μs/ft。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表2

4 泥頁巖巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法

頁巖氣儲(chǔ)層具有孔隙度低、滲透率極低的特點(diǎn)，因此頁巖氣儲(chǔ)層形成工業(yè)產(chǎn)能的關(guān)鍵技術(shù)就是水平井及多級(jí)壓裂改造等工藝技術(shù)。利用測(cè)井資料我們可以得到頁巖氣儲(chǔ)層的彈性力學(xué)參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)以及地層應(yīng)力的狀態(tài)，這些參數(shù)為儲(chǔ)層的壓裂改造提供有力的依據(jù)。

根據(jù)巖石彈性波動(dòng)理論,使用經(jīng)驗(yàn)公式[6,7]得出巖石力學(xué)參數(shù)。

(4)

式(4)中：U為泊松比，無量綱，反應(yīng)了頁巖在壓力下的破裂能力，一般為0.2～0.4；Δts為橫波時(shí)差，單位為μs/ft；AC為縱波時(shí)差，單位為μs/ft。

(5)

式(5)中：G為剪切模量，單位為GPa，表征巖石抵抗切應(yīng)變的能力，其值越大，則表示材料的剛性越強(qiáng)；DEN為密度，單位為g/cm3；Δts為橫波時(shí)差，單位為μs/ft。

(6)

式(6)中：E為楊氏模量，單位為GPa，反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，一般為10～80GPa； Δts為橫波時(shí)差，單位為μs/ft；AC為縱波時(shí)差，單位為μs/ft。

頁巖脆性參數(shù)BI是影響頁巖可壓裂性的最重要的因素[8]，頁巖脆性包括泊松比和楊氏模量，泊松比反映了頁巖在壓力下的破裂能力，楊氏模量反映了壓裂后保持裂縫的能力。頁巖楊氏模量越高、泊松比越低、脆性越高，可壓裂性越高。則根據(jù)泊松比和楊氏模量可得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

頁巖脆性的大小對(duì)壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響[9,10]。塑性頁巖泥質(zhì)含量較高，壓裂時(shí)容易產(chǎn)生裂縫變形，形成簡(jiǎn)單的裂縫網(wǎng)絡(luò)，脆性頁巖石英等脆性礦物含量較高，壓裂時(shí)容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[11]。因此，頁巖脆性越高，裂縫形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，可壓裂性越高。

表3 不同級(jí)別可壓裂性泥頁巖儲(chǔ)層特征

當(dāng)脆性指數(shù)在10～30時(shí)，可壓裂性低，使用少量體用量和大量支撐劑且支撐劑濃度高；當(dāng)脆性指數(shù)在30～50時(shí)，可壓裂性中等，使用適中體用量和適中支撐劑；當(dāng)脆性指數(shù)在50～70時(shí)，可壓裂性高，使用大量體用量和少量支撐劑且支撐劑濃度低，如表3所示。

5 應(yīng)用實(shí)例

表4 不同層位參數(shù)

圖1 大1井層可壓裂評(píng)價(jià)成果Fig.1 Well Da1 (1 275～1 371 m) fracturing evaluation results

圖2 黃158井層可壓裂評(píng)價(jià)成果Fig.2 Well Huang158 (3 062～3 120 m) fracturing evaluation results

圖3 黃158井層可壓裂評(píng)價(jià)成果Fig.3 Well Huang158 (3 139～3 270 m) fracturing evaluation results

6 結(jié) 論

通過制作高郵凹陷區(qū)塊泥頁巖巖心,經(jīng)過CTS-45型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到了泥頁巖巖樣的縱橫波時(shí)差數(shù)據(jù),并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到開采時(shí)泥頁巖儲(chǔ)層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)。結(jié)合實(shí)際井總結(jié)出：泥頁巖的楊氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可壓裂性越強(qiáng)，能科學(xué)評(píng)估泥頁巖巖石的可壓裂性。

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The Interpretation Methods of Geophysical Well Logging for the Brittle Characteristics of Shale Gas Reservoirs

Wang Zhonghao1,Chen Si1,Li Houlin1,Xiao Chengwen2,Zhou Bo2,Wu Gang2,Li Huawei2

(1.GeophysicsandOilResource,InstituteofYangtzeUniversity,WuhanHubei430100,China; 2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,TarimOilfieldofCNPC,KorlaXinjiang841000,China)

Shale gas as a clean energy development technology is relatively mature in worldwide and its research methods are also abundant. Now rock physical properties of Shale gas reservoirs are one of the key technologies. In terms of Chinese shale gas exploration blocks, Sinopec focal dam and Gaoyou sag block are more successful. Firstly, in the laboratory 5 samples(2.5 cm in diameter, length of 4～6 cm)from the cores are drilled in shale gas layer. Secondly, the saturated water sample is put into HR2500-2 high-speed refrigerated centrifuge, and then 8 kinds of speed dehydration are used to simulate samples in different water saturation. Thirdly, it is placed at simulated conditions of formation to determine p-and s-wave velocity of samples by using the CTS-45 nonmetal ultrasonic testing analyzer. Finally, combining experimental data with the calculation method of rock mechanics parameters, a series of parameters can be obtained such as Poisson ratio, Young’s modulus and brittleness index. The results, which get from the above mentioned methods for 5 wells of Gaoyou sag block, show that the higher the Young’s modulus is, the lower Poisson ratio is. And the higher the brittleness is, the stronger the fracturing performance is. ElF4interval of each small layer fracturing level is summarized, which has scientific guidance on the fracturing design.

samples; the experiment; p-and s-wave velocity; brittleness index

1672—7940(2016)01—0007—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.002

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(編號(hào):2013E-3809)

汪忠浩(1966-)，男，博士，教授，主要從事地球物理測(cè)井方向的研究。E-mail: wang1966@yangtzeu.edu.cn

陳 嗣(1990-)，男，碩士研究生，主要從事測(cè)井資料處理與綜合解釋。E-mail:chen1990s@qq.com

P631.8

A

2015-11-04