致密砂巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)計(jì)算的一種改進(jìn)方法

李旻杰 譚成仟

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710065)

儲(chǔ)層巖石的脆性指數(shù)是表征儲(chǔ)層可壓裂性的一個(gè)重要參數(shù)。脆性指數(shù)高的地層，對(duì)壓裂作業(yè)反應(yīng)敏感，能夠迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫[1]。采用礦物組分法計(jì)算脆性指數(shù)時(shí)，由于不同工區(qū)的脆性礦物類型不同，建立的計(jì)算模型各不相同，計(jì)算結(jié)果就存在一定的誤差。本次研究，針對(duì)鄂爾多斯盆地馬嶺地區(qū)三疊系延長組第7油層致密砂巖儲(chǔ)層，將灰色關(guān)聯(lián)法與礦物組分法相結(jié)合來計(jì)算脆性指數(shù)，分析礦物成分對(duì)脆性指數(shù)的影響及致密砂巖儲(chǔ)層的脆性特征。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部甘肅省慶陽市境內(nèi)，構(gòu)造位置上主體位于天環(huán)坳陷東部、伊陜斜坡西部，構(gòu)造特征為平緩的西北傾單斜，沉積微相為半深湖 — 深湖亞相濁積水道。研究區(qū)的布井方式以大井叢式布井為主，總共投產(chǎn)112口井，單井產(chǎn)油量為9 t/d，區(qū)塊產(chǎn)油量為943 t/d，區(qū)塊含水率為40.7%。

馬嶺地區(qū)三疊系延長組第7油層組致密砂巖，以巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖為主，總體上具有高石英、低長石的特點(diǎn)：石英平均體積分?jǐn)?shù)為52%；長石族礦物平均體積分?jǐn)?shù)為25%；巖屑平均體積分?jǐn)?shù)為19%；水云母的平均體積分?jǐn)?shù)為1.66%。填隙物約占砂巖總量的3.18%，其中黏土約占60.2%。原生孔隙不發(fā)育，孔隙類型以長石溶孔為主，同時(shí)發(fā)育微裂隙。儲(chǔ)層排驅(qū)壓力較高，喉道中值半徑較小，孔喉分選性較差，孔隙結(jié)構(gòu)均屬小孔微細(xì)喉型。

2 關(guān)于礦物組分法

常見的脆性指數(shù)計(jì)算方法有巖石力學(xué)參數(shù)法、彈性參數(shù)法和礦物組分法。巖石力學(xué)參數(shù)法，需要測(cè)量巖石樣品的楊氏模量及泊松比，對(duì)樣品的破壞較大，成本相對(duì)較高。彈性參數(shù)法，需要泊松比和彈性模量的最大值和最小值刻度，橫波測(cè)井費(fèi)用高，也不是所有井都能測(cè)偶極子橫波。礦物組分法，利用XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物特征分析，成本較低，但由于各地區(qū)巖石礦物含量不同，導(dǎo)致脆性指數(shù)計(jì)算精度相對(duì)較低。由于礦物組分法的資料相對(duì)容易獲取且成本較低，我們以礦物組分法為基礎(chǔ)，對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

礦物組分法是先將礦物劃分為脆性礦物與延性礦物，然后利用各種礦物的體積分?jǐn)?shù)來計(jì)算脆性指數(shù)。由于礦物特征的限制，該方法沒有標(biāo)準(zhǔn)化公式，其理論公式如式(1)。

BI=[V脆性/(V脆性+V延性)]×100%

(1)

式中：BI為儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)；V脆性為脆性礦物體積分?jǐn)?shù)；V延性為延性礦物體積分?jǐn)?shù)。

礦物成分是影響巖石脆性的關(guān)鍵因素。學(xué)者們針對(duì)巖石礦物成分的體積分?jǐn)?shù)而提出了計(jì)算巖石脆性的方法[2-5]。石英已經(jīng)被確認(rèn)為脆性礦物，而長石族礦物則不一定都是脆性礦物。有學(xué)者對(duì)長石族礦物的脆性差異進(jìn)行了分析，認(rèn)為鈣含量較高的長石脆性較強(qiáng)，鉀含量較高的長石脆性最弱[6]。因在馬嶺地區(qū)未做長石族礦物含量的精細(xì)劃分，現(xiàn)利用與工區(qū)鄰近的合水地區(qū)的長石族礦物含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。有研究表明，合水地區(qū)砂巖礦物中的長石主要為鈉長石和鉀長石[7]，因此我們將長石考慮為延性礦物。

3 計(jì)算方法的改進(jìn)

3.1 礦物組分權(quán)重的確定

以長71段和長72段為主要研究層位，在馬嶺地區(qū)選取6口井的巖石礦物組分檢測(cè)數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 長7組巖石的礦物組分體積分?jǐn)?shù) 單位：%

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[8]求取各組分的權(quán)重系數(shù)。選取儲(chǔ)層脆性為母序列，選取石英、方解石、白云石及菱鐵礦作為第一子序列，選取水云母、綠泥石、長石作為第二子序列。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，按下列公式計(jì)算確定各種礦物組分的權(quán)重系數(shù)。

(2)

(3)

式中：△max、△min分別為各數(shù)列最大和最小極差；ξi，0為第i個(gè)時(shí)刻曲線Xi與參考曲線X0的相對(duì)差值；ρ為分辨系數(shù)，取值0.5。

根據(jù)所得出的各礦物關(guān)聯(lián)度，計(jì)算各礦物的權(quán)重。

(4)

式中：ai為礦物組分的權(quán)重系數(shù)；ri，0為各組分的關(guān)聯(lián)度。

求得的權(quán)重系數(shù)如表2所示。在脆性礦物中，石英是儲(chǔ)層脆性的主要影響因素，其平均權(quán)重系數(shù)占比為35.3%；長石是儲(chǔ)層脆性的次要影響因素，平均權(quán)重系數(shù)占比為16.8%。

表2 礦物組分權(quán)重系數(shù)

3.2 脆性指數(shù)的計(jì)算

基于Rick Rickman等人提出的礦物組分法[9]，對(duì)脆性指數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)。引入礦物組分權(quán)重系數(shù)，最后按式(5)計(jì)算脆性指數(shù)。

(5)

按照長7組巖層的礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)，分別采用改進(jìn)算法和Rickman算法計(jì)算脆性指數(shù)，得到的脆性指數(shù)平均值分別為52.49%和66.55%(見表3)。與該地區(qū)現(xiàn)有的偶極聲波時(shí)差計(jì)算得到的脆性指數(shù)進(jìn)行比較，改進(jìn)算法的誤差很小(見表4)，而Rickman算法的誤差較大。Rickman算法是將長石按照脆性礦物進(jìn)行分析，且沒有考慮礦物組分的權(quán)重，因此計(jì)算得到的脆性指數(shù)值偏大。

表3 Rickman算法與改進(jìn)算法得到的脆性指數(shù)

表4 偶極聲波時(shí)差法與改進(jìn)算法得到的脆性指數(shù)

從長7組砂巖的脆性指數(shù)分布頻率上看，大多集中在52.5%左右，這說明儲(chǔ)層脆性相對(duì)較大，適合進(jìn)行壓裂操作。根據(jù)盆地內(nèi)部鉆井巖心資料及各類測(cè)井資料，對(duì)盆地內(nèi)長7組進(jìn)行礦物特征對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)石英含量較高、長石含量較低。石英是主要影響儲(chǔ)層脆性的礦物，高石英的特性造成了馬嶺地區(qū)長7組儲(chǔ)層具有高巖石脆性指數(shù)。

根據(jù)單井脆性指數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)砂體展布特征，繪制了馬嶺地區(qū)長7組脆性指數(shù)平面展布圖(見圖1a)。將其與隴東地區(qū)長7組裂縫密度分布圖(見圖1b)進(jìn)行對(duì)照，可知脆性指數(shù)分布情況與裂縫密度的分布趨勢(shì)是近似的。在研究區(qū)的中部地區(qū)裂縫密度達(dá)0.14條/m左右，西部及東南部的裂縫密度相對(duì)較小[10-13]。

圖1 脆性指數(shù)與裂縫密度分布對(duì)照

馬嶺地區(qū)主力油層長7組巖石脆性指數(shù)較高，脆性指數(shù)高于50%的大多分布在中部地區(qū)。在中部地區(qū)開展大型體積壓裂作業(yè)，不僅可形成眾多的人工裂縫，而且還將會(huì)擴(kuò)增天然裂縫，形成滲流性更好的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而提高油田單井產(chǎn)量。

4 結(jié) 語

采用礦物組分法計(jì)算巖層脆性指數(shù)，受限于對(duì)巖石中脆性礦物的判定。我們?cè)趥鹘y(tǒng)的礦物組分法基礎(chǔ)上引入礦物組分權(quán)重系數(shù)，建立了綜合考慮礦物組分體積分?jǐn)?shù)和礦物組分權(quán)重系數(shù)的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用這種改進(jìn)型礦物組分法計(jì)算馬嶺地區(qū)長7組致密砂巖的脆性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果十分接近，說明改進(jìn)后的算法準(zhǔn)確程度較高。

從馬嶺地區(qū)脆性指數(shù)的平面分布來看，脆性指數(shù)普遍大于50%，且大多集中在研究區(qū)中部地區(qū)。計(jì)算得到的脆性指數(shù)的整體分布趨勢(shì)與長7組裂縫密度分布趨勢(shì)相匹配，這說明改進(jìn)型礦物組分法的計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)際的。