徐贛川 鐘光海 謝 冰 黃天俊

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

頁巖的脆性特性對儲層壓裂改造至關(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)一步影響頁巖儲層產(chǎn)能高低。根據(jù)國外頁巖氣成功壓裂開采效果可知，當(dāng)脆性礦物含量高（脆性指數(shù)高）且均大于40%［4］時，有利頁巖氣儲層壓裂開采。因此，筆者以四川盆地蜀南地區(qū)W1井下志留統(tǒng)龍馬溪組儲層的頁巖為巖心實驗樣品，通過實驗室頁巖力學(xué)實測方法、礦物成分測定和地球物理測井計算彈性參數(shù)方法相結(jié)合，分析得到該區(qū)主要的脆性礦物成分，并深化了頁巖脆性指數(shù)的測井計算方法；通過測井計算得到頁巖脆性指數(shù)更接近于巖心實驗的脆性，大大提高了測井計算精度；根據(jù)頁巖脆性評價結(jié)果優(yōu)選改造深度范圍，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)壓裂改造實踐。該研究成果可以為現(xiàn)場試油層位優(yōu)選及儲層改選方案設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 頁巖儲層特征

頁巖是一種沉積巖，成分復(fù)雜，但都具有薄頁狀或薄片層狀的節(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、長石的碎屑以及其他礦物［5］。蜀南地區(qū)頁巖氣儲層由于沉積于深水半深水的海相，儲層一般為富含碳質(zhì)的黑色頁巖，礦物成分除了黏土、石英、長石（斜長石、正長石）、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)頁巖巖心實驗資料，結(jié)合鉆探情況分析，認(rèn)為本區(qū)頁巖氣藏的儲集空間主要為微孔隙，頁巖中的裂縫是主要的游離氣儲集空間［6］。頁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)頁巖屬于低孔特低滲儲層，因此頁巖氣儲層的開發(fā)依靠常規(guī)的開采方式是不可能的，需要進(jìn)行大型甚至特大型壓裂改造才能獲得產(chǎn)能，頁巖脆性評價對壓裂改造起到至關(guān)重要的作用。因此開展頁巖氣儲層脆性指數(shù)方法研究，為優(yōu)選試油層段提供技術(shù)支撐。

圖1 頁巖氣儲層巖心物性分析直方圖

2 巖石物理實驗

巖石力學(xué)參數(shù)有動力學(xué)參數(shù)和靜力學(xué)參數(shù)之分。巖石的動力學(xué)參數(shù)是指巖石在各種動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?？墒窃趯嶋H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、靜力學(xué)參數(shù)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過線性回歸建立起它們的相互關(guān)系，實現(xiàn)由動力學(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)長為L、截面積為S的巖石，在縱向上受到力F作用時伸長或壓縮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。楊氏模量可計算巖石的抗外壓（拉伸）的能力，其靜態(tài)計算模型為：

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壓縮與縱向相對增長之比。設(shè)長為L、直徑為d的圓柱形巖石，在受到壓縮時，其長度縮短ΔL，直徑增加Δd，則靜態(tài)泊松比（μ）計算模型為：

2.2 巖石力學(xué)動態(tài)參數(shù)計算方法

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，由測量的彈性波速度和體積密度計算得到。由此得到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，統(tǒng)稱動態(tài)彈性常數(shù)。根據(jù)陣列聲波測井的波形分析所提供的縱波、橫波時差，結(jié)合密度測井資料可以計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)動態(tài)參數(shù)，其計算模型具體如下。

動態(tài)楊氏模量：

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

2.3 巖石物理實驗結(jié)果

選取四川盆地蜀南地區(qū)W1井下志留統(tǒng)龍馬溪組儲層的頁巖巖心實驗樣品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，對巖樣進(jìn)行斷面打磨平整，通過巖石物理實驗儀器，模擬地層溫度、圍壓，進(jìn)行三軸抗壓實驗，通過巖石物理實驗，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁巖儲層巖石的抗壓強(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)實驗數(shù)據(jù)即可以開展頁巖脆性參數(shù)評價，為測井評價頁巖脆性奠定實驗基礎(chǔ)。

圖2 W1井動靜態(tài)參數(shù)對比圖

2.4 巖石動、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算獲得地層動靜態(tài)彈性參數(shù)的關(guān)系。如圖2所示，利用巖石物理實驗得到的縱橫波速度、密度、巖心靜態(tài)彈性模量、泊松比與測井得到的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析對比，實驗測得的巖心縱橫波速比、泊松比與測井計算的縱橫波速比、泊松比一致性較好，而實驗測得的楊氏模量與測井計算楊氏模量的一致性較差，這可能與微裂縫或頁理發(fā)育有關(guān)。

進(jìn)一步綜合分析，實驗得到靜態(tài)泊松比與測井計算巖石泊松比對應(yīng)性較好（圖2），分析可得測井計算動態(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井龍馬溪組頁巖三軸抗壓實驗數(shù)據(jù)表

據(jù)圖2巖石物理實驗，可看出靜態(tài)楊氏模量與測井計算的動態(tài)楊氏模量對應(yīng)性較差，因而需要做巖石動、靜態(tài)楊氏模量轉(zhuǎn)換關(guān)系研究。巖石動靜態(tài)楊氏模量關(guān)系圖表明（圖3），實驗得到巖石動靜態(tài)楊氏模量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R＝0.842。因此可利用實驗得到巖石動靜態(tài)楊氏模量回歸關(guān)系，從而得到頁巖楊氏模量的動靜態(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為巖石動態(tài)楊氏模量，6 890MPa；a、b分別為系數(shù)。

圖3 頁巖巖石動、靜態(tài)楊氏模量的關(guān)系圖

3 頁巖儲層脆性指數(shù)的測井評價方法

巖石脆性理論是泊松比和楊氏模量的綜合體現(xiàn)［9－11］。這兩個分量（泊松比和楊氏模量）結(jié)合起來能夠反映巖石在應(yīng)力（泊松比）下破壞和一旦巖石破裂時維持一個裂縫張開（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，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圖

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

3.1 頁巖脆性指數(shù)泊—楊法計算方法

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為楊氏模量計算的脆性；PR＿BRIT為泊松比計算的脆性；PR為泊松比；YM為楊氏模量，由陣列聲波或偶極聲波測井計算得到；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

利用以上建立的動靜態(tài)楊氏模量轉(zhuǎn)換模型，對測井計算楊氏模量進(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）與巖心實際靜態(tài)楊氏模量、巖心脆性指數(shù)一致性較好，說明利用頁巖力學(xué)實驗建立的動靜態(tài)轉(zhuǎn)換模型在該地區(qū)具有較好的適用性。

圖5 W1井動、靜態(tài)參數(shù)校正及脆性成果圖

3.2 頁巖脆性礦物含量測井計算方法

根據(jù)W1井頁巖巖心礦物組分分析數(shù)據(jù)，利用三角巖性圖版的頁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，巖石脆性指數(shù)明顯降低。

根據(jù)前人研究成果［16］，認(rèn)為頁巖脆性礦物主要為石英、長石。通過本次研究綜合分析，認(rèn)為當(dāng)黏土含量小于40%，頁巖脆性指數(shù)與黏土含量關(guān)系不明顯，如圖6－a左為脆性礦物石英＋長石含量，從圖可得隨著石英＋長石含量變化，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＋長石含量中，隨著石英＋長石＋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，說明該地區(qū)主要脆性礦物為石英、長石、白云石。因此，通過巖石物理實驗，進(jìn)一步明確了主要的脆性礦物，并完善了礦物含量測井脆性指數(shù)的計算方法。

研究表明，石英、長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。通過以上頁巖巖石礦物組分與巖心脆性實驗結(jié)果分析，該地區(qū)脆性礦物主要包括石英、長石和白云石。因此，通過脆性礦物含量計算巖石脆性指數(shù)，即

圖6 W1井頁巖全巖礦物組分三角巖性圖

式中BRIT礦物為礦物成分法計算的脆性；Vquartz為石英長石的百分含量；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。

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

圖7 礦物成分法計算脆性與巖心脆性指數(shù)校正圖

礦物成分計算巖石脆性指數(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)場應(yīng)用

對XX地區(qū)頁巖氣儲層段脆性指數(shù)、脆性礦物含量及動、靜巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，頁巖儲層巖性細(xì)、黏土含量高，石英長石礦物均一地鑲嵌于黏土中，石英長石顆粒之間黏土作為緩沖，改變了顆粒之間的受力狀況，頁巖儲層頁理、層理發(fā)育、層間縫發(fā)育，這些頁巖的特性對壓裂時的受力都有影響，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，兩種計算方法結(jié)果在頁巖氣儲層段具有相同的變化趨勢。

根據(jù)測井計算頁巖脆性指數(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，通過對試油段破裂點(diǎn)監(jiān)測，頁巖儲層壓裂改造破裂點(diǎn)主要集中在上下兩段，最終試油獲得頁巖氣工業(yè)氣流，結(jié)果表明測井計算脆性指數(shù)對試油壓裂改造有較好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論及建議

通過對頁巖儲層巖心開展巖石物理實驗研究，形成了基于巖石物理實驗的頁巖脆性指數(shù)計算方法，得到以下結(jié)論及建議：

1）通過巖石物理實驗，建立了頁巖氣儲層巖石彈性參數(shù)動靜態(tài)轉(zhuǎn)換模型，提高了頁巖脆性指數(shù)的測井計算精度。

圖8 W1井頁巖氣井段巖石脆性指數(shù)處理成果圖

2）通過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，巖石脆性明顯降低；當(dāng)黏土含量小于40%時，巖石脆性指數(shù)與黏土含量關(guān)系不明顯，而隨著石英＋長石＋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，說明該地區(qū)主要脆性礦物為石英、長石和白云石。

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

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