劉震,張軍華*,于正軍,任瑞軍,孫有壯
(1.深層油氣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(華東)),山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;3.中國石化勝利油田分公司物探研究院,山東東營 257022)
近年來,隨著非常規(guī)油氣勘探力度加大,其產(chǎn)量占比越來越高。非常規(guī)資源勘探與傳統(tǒng)油氣勘探的主要區(qū)別體現(xiàn)在確立甜點(diǎn)區(qū)與油氣邊界方面,而“脆性”對(duì)甜點(diǎn)范圍預(yù)測、水力壓裂具有重要作用[1]。普遍認(rèn)為巖石彈性參數(shù)反映了巖石在外界應(yīng)力作用下發(fā)生破壞、產(chǎn)生裂縫的能力,常用楊氏模量和泊松比表征巖石脆性。楊氏模量越大,泊松比越小,巖石脆性特征越明顯,越容易壓裂[2-4]。此外,力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其組合也可表征巖石脆性[5]。
基本的巖石物性參數(shù)(壓縮性、不可壓縮性、體積模量、剪切模量等)較聲波速度和波阻抗具有更明確的物理含義[6-7]。通常以拉梅參數(shù)λ、μ表示巖石的彈性性質(zhì)。λ表征巖石的不可壓縮性,對(duì)孔隙流體的體積變化更敏感,而μ表征巖石的剛性特征(或剪切特征),又稱剪切模量,僅受骨架連通性的影響[8]。因此,為更好地描述地下儲(chǔ)層信息,可直接從地震數(shù)據(jù)體中提取拉梅參數(shù)。
在巖石力學(xué)的定義中,脆性指物體受力變形很小時(shí)發(fā)生破裂的性質(zhì),與之相對(duì)應(yīng)的延性則指物體承受較大塑性變形而不喪失其承載力的性質(zhì)。脆性、延性與彈性、塑性均為巖石的變形特征。上述定義因?yàn)椴灰锥勘碚鞑⑽幢粡V泛使用,為此人們提出了新的脆性定義[9]。
前人[10-11]利用巖石破裂時(shí)的總應(yīng)變表征脆性,工程上多采用這一標(biāo)準(zhǔn),即總應(yīng)變大于5%時(shí)巖石呈塑性,反之呈脆性。也有人認(rèn)為脆性是巖石破裂時(shí)黏聚力轉(zhuǎn)化為內(nèi)摩擦力的能力或者巖石本征內(nèi)聚力與巖石在某種應(yīng)力作用下破裂時(shí)的裂紋擴(kuò)展阻力的比值[12]。脆性地層的主要特征為:高脆性巖層受力破裂后,往往裂縫較發(fā)育,對(duì)壓裂作業(yè)非常敏感,能迅速形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫;脆性指數(shù)低的儲(chǔ)集層一般形成簡單的雙翼型裂縫[13-15]。高脆性巖石具有低應(yīng)變即發(fā)生破壞、低延性、內(nèi)摩擦角大、硬度測試時(shí)裂紋發(fā)育完全、單軸抗壓強(qiáng)度與劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度比值大等特征。
影響巖石脆性的因素較多,包括巖石組分、層理和損傷等先存弱面結(jié)構(gòu)、孔隙流體及其壓力、圍壓、溫度、巖體測量尺度以及受力演化過程等[5]。
巖性和礦物成分是巖石脆性的影響因素。一般來說,含有黏土礦物或親水性較強(qiáng)礦物的巖石,如云母、綠泥石、角閃石等,容易表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性。相反,含有石英等親水性較弱礦物的巖石則通常表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。對(duì)于變質(zhì)巖,由于其在高溫、高壓下形成,晶體結(jié)構(gòu)通常會(huì)發(fā)生改變,因此可能會(huì)表現(xiàn)出塑性。凝灰?guī)r在形成過程中受火山噴發(fā)物的壓實(shí)和膠結(jié)作用,因此也有可能表現(xiàn)出一定的塑性。對(duì)于花崗巖、長英質(zhì)巖屑等顆粒較大、結(jié)晶度高的巖石,由于晶體結(jié)構(gòu)較完整,則表現(xiàn)為脆性。巖石含脆性礦物越多則脆性越大,反之亦然。不同巖石中脆性礦物含量與巖石脆性的定量關(guān)系及其影響機(jī)理仍是目前有待明確的問題。
在沉積地層和變質(zhì)巖中,往往沿著層理面或先存軟弱面脆性較大。這些結(jié)構(gòu)使巖石的抗剪強(qiáng)度以及脆性產(chǎn)生各向異性[16-18]。如層狀砂巖脆性與層理夾角呈冪指數(shù)關(guān)系,頁巖脆性隨層理傾角增大呈先減小后增加的趨勢(shì)[19]。
巖石孔隙中的流體會(huì)降低孔隙可壓縮性,為巖石提供附加剛度,并改變應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài),增大巖石的有效模量[20-22]。這也是導(dǎo)致巖石動(dòng)態(tài)楊氏模量大于靜態(tài)楊氏模量的一個(gè)原因[23-25],甚至影響工程中的巖爆發(fā)生區(qū)域。但在泥頁巖和黏土骨架中發(fā)生的水化作用反而降低巖石脆性、楊氏模量和抗壓強(qiáng)度。進(jìn)一步研究表明:巖石的彈性性質(zhì)取決于圍壓與孔隙流體壓力之差,即有效圍壓[26];脆性巖石強(qiáng)度隨地層壓力呈非線性增加、線性增加、降低三個(gè)階段[27],或者脆性是孔隙度的線性函數(shù)[28]。顯然,由于巖性和孔隙流體壓力差異,孔隙流體對(duì)脆性的影響不是簡單的線性關(guān)系。
圍壓也是影響巖石脆性的因素之一。圍壓多指周圍巖體對(duì)巖石施加的壓力,在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中指施加于柱樣圓周上的環(huán)向壓力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著圍壓增大,巖石脆性不斷降低。真三軸覆壓實(shí)驗(yàn)表明,中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力也會(huì)影響巖石脆性[29],且關(guān)系較復(fù)雜,表現(xiàn)為多區(qū)間、多種函數(shù)關(guān)系[30]。
溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響較復(fù)雜,很難用線性關(guān)系概括。一般情況下,圍壓約50 MPa、溫度從25℃增加到200℃的實(shí)驗(yàn)過程中,砂巖彈性模量約降低20%。
當(dāng)外力作用撤銷后,物體的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)立刻消失,并恢復(fù)其原有形狀,這樣的物體稱為彈性體。脆性的定義和彈性參數(shù)在本質(zhì)上存在一定關(guān)系,人們通過巖石的彈性參數(shù)表征巖石脆性。在地震勘探中,廣泛應(yīng)用彈性參數(shù)表示脆性指數(shù)。
Rickman 等[4]研究了Barnnet頁巖,認(rèn)為巖石的脆性指數(shù)(Brittleness Index, BI)與楊氏模量呈正相關(guān)、與泊松比呈負(fù)相關(guān),利用歸一化楊氏模量和泊松比平均值表示BI
式中:E為測定的楊氏模量,Emax、Emin分別為統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)楊氏模量的最大值和最小值;σ為測定的泊松比,σmax、σmin分別為統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)泊松比的最大值和最小值。式(1)由于對(duì)楊氏模量和泊松比采用了歸一化方式(其中泊松比為負(fù)歸一化),計(jì)算結(jié)果沒有量綱,便于比較。
Goodway 等[30]認(rèn)為最易破碎的區(qū)域位于低λρ(ρ為密度)和中等μρ范圍,而且認(rèn)為μ代表剛度,在楊氏模量增大、泊松比減小的逆線性關(guān)系中僅僅相當(dāng)于增大了μ,所以可以直接用
表達(dá)脆性。Guo 等[31]在式(1)和式(2)的基礎(chǔ)上,提出用拉梅常數(shù)λ、μ表達(dá)脆性指數(shù),但由于拉梅常數(shù)物理意義不明確,可以將其進(jìn)一步化為由泊松比σ表達(dá)的形式
式(3)的結(jié)構(gòu)較為單一,只用σ表征脆性,即σ較小、脆性較大。由于σ的范圍為0~1,在很多情況下區(qū)分度不高,所以式(3)也存在一定局限性。
Zhang 等[32]在研究脆性各向異性時(shí),采用楊氏模量和泊松比的比值表達(dá)脆性指數(shù)
式(4)、式(5)表明:楊氏模量越大、泊松比越小、脆性越強(qiáng);由于沒有采用歸一化,脆性指數(shù)具有量綱,且?guī)r石的楊氏模量一般較大,所以脆性指數(shù)值也較大,不便于對(duì)比[33]。在此基礎(chǔ)上,劉致水等[34]采用歸一化楊氏模量和泊松比的比值表達(dá)脆性指數(shù)
式(6)結(jié)合了式(1)和式(4)的特點(diǎn),不同的是對(duì)泊松比采用了正歸一化,提高了結(jié)果的穩(wěn)定性而且敏感度較高。
Chen等[35]認(rèn)為楊氏模量對(duì)于石英含量高、有機(jī)質(zhì)含量低、孔隙度低以及流體含量低的致密脆性巖石敏感。然而,對(duì)于含氣脆性巖石(具有高石英含量、高有機(jī)質(zhì)含量、高孔隙度和高含氣飽和度的巖石),他們提出了一種新的脆性指示因子
該指標(biāo)在分析和預(yù)測頁巖脆性時(shí)表現(xiàn)出更好的敏感性,更適用于頁巖脆性分析和預(yù)測。
利用彈性參數(shù)計(jì)算脆性指數(shù)的公式眾多,基本以楊氏模量、泊松比以及拉梅常數(shù)等相關(guān)性較大的彈性參數(shù)組合表達(dá)脆性指數(shù),無論計(jì)算公式如何變化和組合,都是基于脆性與楊氏模量呈正相關(guān)、與泊松比呈負(fù)相關(guān)的基本認(rèn)識(shí)出發(fā)的。此外,可以結(jié)合巖石組分和彈性參數(shù)或者利用測井曲線擬合估計(jì)脆性指數(shù)[36]。
目前巖石脆性的預(yù)測方法基本分為兩大類:Ⅰ基于傳統(tǒng)方法的地震脆性反演方法;Ⅱ基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的脆性預(yù)測方法。兩類方法各有千秋,優(yōu)、缺點(diǎn)分述如下。
方法Ⅰ的優(yōu)點(diǎn):①在地震勘探中得到廣泛應(yīng)用,被用于預(yù)測地下地層性質(zhì)、油氣儲(chǔ)層等;②算法相對(duì)成熟,具有較高的穩(wěn)定性和可靠性;③可以利用物理模型和地質(zhì)模型進(jìn)行模擬和分析,有助于更好地了解油氣資源的分布和可采性與地震數(shù)據(jù)的關(guān)系。
方法Ⅰ的缺點(diǎn):①需要大量的先驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)和模型的要求較高;②無法挖掘和利用大量地震數(shù)據(jù)中的非線性關(guān)系和隱含的規(guī)律;③難以處理復(fù)雜地質(zhì)情況和非線性問題,預(yù)測效果受限。
方法Ⅱ的優(yōu)點(diǎn):①可以挖掘和利用大量的地震數(shù)據(jù),對(duì)非線性關(guān)系和隱含規(guī)律具有較強(qiáng)的適應(yīng)性;②無需先驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),可自動(dòng)提取地震數(shù)據(jù)中的有效特征;③預(yù)測效果好于傳統(tǒng)方法。
方法Ⅱ的缺點(diǎn):①對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)注和質(zhì)量要求較高,需要準(zhǔn)確的地震數(shù)據(jù)和地質(zhì)信息;②訓(xùn)練需要大量的計(jì)算資源和時(shí)間;③模型的可解釋性有限,難以解釋和分析預(yù)測結(jié)果。
下面選取幾種最新的方法進(jìn)行介紹。
Li 等[37]提出了一種振幅隨入射角和方位角變化(AVAZ)的貝葉斯反演方法,通過分析不同方位地震數(shù)據(jù)的振幅變化估計(jì)地下巖石的脆性和裂縫密度,充分考慮了地震噪聲和不確定性。數(shù)值模擬和實(shí)際地震數(shù)據(jù)分析表明,該方法提高了脆性指標(biāo)和裂縫密度的估計(jì)精度,有望在油氣勘探和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí),該方法也為地震數(shù)據(jù)貝葉斯反演[38]提供了新的思路和方法。
Li等[37]提出新的脆性指數(shù)公式
式中:θ為入射角;?為地震采集方位與對(duì)稱軸之間的夾角;RE、RBI、Rρ分別為楊氏模量反射系數(shù)、脆性反射系數(shù)和密度反射系數(shù),aE、aBI、aρ為對(duì)應(yīng)的系數(shù)。
圖1為RE、RBI、Rρ、Δe變化對(duì)RPP的影響。由圖可見:①當(dāng)θ<25°時(shí),RPP對(duì)RE(圖1a)和Rρ(圖1c)更敏感,且RE和Rρ對(duì)RPP的影響非常接近,因此,需要θ≥25°的信息分離RE和Rρ的影響。②當(dāng)θ≥25°時(shí),RPP對(duì)RBI(圖1b)和Δe(圖1d)更敏感,且只有圖1d 引起AVAZ 效應(yīng),在大θ時(shí)更明顯。因此,大入射角和寬方位地震數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)確估計(jì)模型參數(shù)至關(guān)重要。為了從方位地震數(shù)據(jù)中直接估計(jì)脆性指標(biāo)和裂縫密度,Li等[37]開發(fā)了一種包含Cauchy 稀疏和平滑模型約束正則化的貝葉斯AVAZ 反演方法。結(jié)合初始模型約束[38-40],得到由楊氏模量、脆性指數(shù)、密度、裂縫密度等表示的目標(biāo)函數(shù),使用迭代加權(quán)最小二乘算法求解目標(biāo)函數(shù)即可得到反演結(jié)果。應(yīng)用此方法需滿足以下假設(shè):
圖1 RE(a)、RBI(b)、Rρ(c)、Δe(d)變化對(duì)RPP的影響[37]
(1)在建模中假定頁巖儲(chǔ)層具有HTI對(duì)稱性。由于背景巖石可能呈VTI對(duì)稱性,忽略VTI背景容易導(dǎo)致AVAZ 反演的彈性參數(shù)和各向異性參數(shù)不可靠。因此,由嵌入在VTI背景中的旋轉(zhuǎn)不變的垂直裂縫系統(tǒng)形成的正方體模型可能更適合于描述典型的含裂縫頁巖儲(chǔ)層[41]。
(2)裂縫和背景巖石被氣體和水的均勻混合流體飽和填充。
(3)界面呈弱各向異性。
(4)高質(zhì)量的大入射角和寬方位地震反射數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確估計(jì)脆性指數(shù)和斷裂密度的關(guān)鍵因素。模型參數(shù)的敏感性分析表明,入射角大于25°時(shí),脆性指數(shù)反射率和裂縫密度對(duì)反射系數(shù)更敏感。
將脆性預(yù)測新方法應(yīng)用于南四川盆地的二維數(shù)據(jù)。圖2 為E、BI、ρ、Δe反演結(jié)果。由圖可見,在儲(chǔ)層周圍E較小,而BI和Δe則較大,說明BI表征頁巖氣儲(chǔ)層脆性的效果好于E。圖3 為反演結(jié)果與測井?dāng)?shù)據(jù)(真值)的對(duì)比。由圖可見,反演數(shù)據(jù)與測井?dāng)?shù)據(jù)之間的匹配度很高,說明該方法可以準(zhǔn)確反演BI和Δe,更適合于描述天然裂縫或水力壓裂的易裂脆性頁巖。
圖3 反演結(jié)果與測井?dāng)?shù)據(jù)的對(duì)比
Wood[42]通過稀疏測井?dāng)?shù)據(jù)集預(yù)測頁巖的脆性指數(shù),結(jié)合導(dǎo)數(shù)和波動(dòng)率屬性增強(qiáng)數(shù)據(jù)集,從而提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,使用導(dǎo)數(shù)和波動(dòng)率屬性可以提高預(yù)測精度,在數(shù)據(jù)集較小的情況下尤為明顯。此外還分析了模型的敏感性,以評(píng)估輸入特征的重要性,表明導(dǎo)數(shù)屬性明顯影響模型性能,可以提高模型的預(yù)測精度。該方法可用于其他類型的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,并且對(duì)于石油和天然氣勘探領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用價(jià)值。
首先計(jì)算每條測井曲線(如伽馬測井GR、體積密度測井PB和聲波測井DT)的6種屬性,即測井曲線一階導(dǎo)數(shù)(屬性1)、一階導(dǎo)數(shù)的算術(shù)平均(屬性2)、測井曲線二階導(dǎo)數(shù)(屬性3)、瞬時(shí)深度變化率的自然對(duì)數(shù)(屬性4,即第N+1個(gè)深度點(diǎn)與第N個(gè)深度點(diǎn)的屬性比值再取自然對(duì)數(shù))、屬性4在指定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差(屬性5,即L波動(dòng)率)、L波動(dòng)率的算術(shù)平均(屬性6)。
完成測井?dāng)?shù)據(jù)集處理后,使用線性回歸(LR)、彈性網(wǎng)絡(luò)(ElasticNet)、K近鄰算法(K-Nearest Neighbors,KNN)、支持向量回歸(SVR)、自適應(yīng)增強(qiáng)(ADA)、隨機(jī)森林(RF)和極限梯度提升(XGB)預(yù)測BI。前兩種方法假設(shè)每個(gè)自變量和因變量之間為線性關(guān)系,并利用經(jīng)典的最小二乘回歸使預(yù)測誤差最小化。后五種方法能夠處理自變量和因變量之間的非線性關(guān)系,即數(shù)據(jù)匹配、SVR 和樹集成回歸。圖4 為由KNN 模型評(píng)估的示例驗(yàn)證子集的BI 預(yù)測值與測量值。由圖可見,包含特征選擇屬性的案例2 的預(yù)測精度明顯高于案例1。
圖4 由KNN 模型(基于90%的數(shù)據(jù)記錄)評(píng)估的示例驗(yàn)證子集(數(shù)據(jù)記錄的10%)的BI 預(yù)測值與測量值[44]
Zhang 等[43]提出了一種使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的深度學(xué)習(xí)模型,通過學(xué)習(xí)不同測井曲線之間的關(guān)系生成缺失的DT 曲線,并評(píng)估頁巖脆性。首先,利用CNN 提取測井曲線的特征;然后使用LSTM 模型預(yù)測時(shí)間序列,從而生成缺失的DT 曲線;最后,使用生成的DT 曲線評(píng)估頁巖的脆性指數(shù)。他們利用Permian盆地的測井?dāng)?shù)據(jù)集評(píng)估模型的性能,結(jié)果表明,使用CNN-LSTM 模型生成的DT 曲線可以在一定程度上提高脆性評(píng)估精度。此外,還分析了模型的敏感性,以評(píng)估不同的輸入特征對(duì)模型性能的影響??偟膩碚f,該方法可以在缺少測井?dāng)?shù)據(jù)的情況下,生成缺失的DT 曲線并提高脆性評(píng)估精度。雖然該方法在實(shí)驗(yàn)中取得了一定效果,但是還需要實(shí)際數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化[43]。
圖5 為CNN-LSTM 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。由圖可見,以GR、PB 和補(bǔ)償中子測井曲線為輸入,數(shù)據(jù)經(jīng)過CNN模塊和LSTM 模塊,然后輸出DT 數(shù)據(jù)。與地質(zhì)學(xué)思想類似,在LSTM 生成DT 曲線的過程中,整合了測井曲線之間的內(nèi)在聯(lián)系和不同測井曲線隨深度變化的趨勢(shì)。圖6為基于CNN-LSTM、LSTM 和CNN 的DTC(P-wave travel time)以及DTS(S-wave travel time)預(yù)測結(jié)果。由圖可見:①CNN-LSTM 模型精度最高(圖6a上、圖6b上)。②CNN-LSTM 模型的DTC的R為0.90,RMSE 為11.11 μs/m(圖6a上);CNN-LSTM模型的DTS 的R為0.90,RMSE 為17.14 μs/m(圖6b上)。③CNN-LSTM 模型在2600、2631 m深度的離群點(diǎn)上表現(xiàn)優(yōu)異(圖6a上、圖6b上),即CNN-LSTM 在孤立的異常值處預(yù)測數(shù)據(jù)差異小于CNN和LSTM。
圖5 CNN-LSTM 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[43]
圖6 基于CNN-LSTM(上)、LSTM(中)和CNN(下)的DTC(a)以及DTS(b)預(yù)測結(jié)果
本文總結(jié)了巖石脆性的影響因素,匯總了主要的脆性計(jì)算方法。脆性預(yù)測目前主要有傳統(tǒng)方法和基于人工智能的方法,兩種方法各有優(yōu)、缺點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中可綜合使用兩種方法以達(dá)到更好的效果。脆性預(yù)測技術(shù)的發(fā)展方向涉及以下幾個(gè)方面。
(1)更多的脆性屬性研究。目前對(duì)于脆性屬性的研究主要集中于巖石的物理和力學(xué)屬性,未來可能還需要研究其他影響脆性的因素,如地史、化學(xué)成分等。
(2)精確的預(yù)測模型。脆性屬性預(yù)測和模擬是地震勘探和地質(zhì)勘查中重要的應(yīng)用之一,未來對(duì)預(yù)測模型的精度要求可能更高,期待集成更多的技術(shù)手段,如人工智能等,以提高預(yù)測精度。
(3)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。脆性屬性除了用于地震勘探和地質(zhì)勘查之外,也可用于其他領(lǐng)域,如地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和土地利用規(guī)劃等。未來可能會(huì)有更多的學(xué)科、領(lǐng)域?qū)⒋嘈詫傩砸胙芯糠懂牎?/p>
(4)更多地震數(shù)據(jù)的獲取和處理。隨著勘探深度增大和新興技術(shù)的應(yīng)用,將獲得更多高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)。同時(shí),借助人工智能等新技術(shù),可以更好地處理和解釋這些數(shù)據(jù)。
(5)更精細(xì)的脆性評(píng)價(jià)方法。除了現(xiàn)有的地震屬性、地震反演和巖石物理等方法外,還可能出現(xiàn)更精確的脆性評(píng)價(jià)方法,如基于聲波譜的評(píng)價(jià)方法,可提供更多巖石的本質(zhì)特征信息。
(6)深入研究脆性與油氣藏的關(guān)系。未來將更深入地研究脆性與油氣藏之間的關(guān)系,以更好地預(yù)測油氣藏分布和儲(chǔ)量、指導(dǎo)油氣勘探。
總之,儲(chǔ)層脆性的研究趨向于多元化和精細(xì)化,以滿足不同領(lǐng)域的需求,并為相關(guān)領(lǐng)域研究提供更可靠的支持和指導(dǎo)。