劉致水，孫贊東

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地質(zhì)地球物理綜合研究中心；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

新型脆性因子及其在泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

劉致水1,2，孫贊東1,2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地質(zhì)地球物理綜合研究中心；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對(duì)油氣勘探中普遍使用的脆性因子的缺點(diǎn)，構(gòu)建了兩個(gè)新的相對(duì)脆性因子（彈性參數(shù)脆性因子和礦物脆性因子），以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脆性泥頁(yè)巖的空間展布。彈性參數(shù)脆性因子利用測(cè)井、地震得到的彈性參數(shù)（彈性模量和泊松比）評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層脆性，這些參數(shù)能夠反映儲(chǔ)集層原位物理性質(zhì)；根據(jù)彈性參數(shù)脆性因子確定泥頁(yè)巖中主要礦物的脆性系數(shù)，構(gòu)建與每種礦物脆性系數(shù)及體積分?jǐn)?shù)相關(guān)的礦物脆性因子。所構(gòu)建的兩個(gè)脆性因子有一定的理論優(yōu)勢(shì)并能夠較合理地對(duì)測(cè)井、疊前地震資料反演結(jié)果進(jìn)行解釋。根據(jù)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖石物理模型，建立礦物-彈性參數(shù)-脆性因子的巖石物理量版，對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行分析以得到優(yōu)質(zhì)脆性泥頁(yè)巖的彈性參數(shù)特征，并將其應(yīng)用于解釋疊前地震資料反演結(jié)果，得到優(yōu)質(zhì)含氣脆性泥頁(yè)巖的空間分布范圍，所預(yù)測(cè)的優(yōu)質(zhì)含氣脆性泥頁(yè)巖分布與測(cè)井資料對(duì)應(yīng)較好。圖12表2參18

相對(duì)脆性因子；礦物脆性因子；彈性參數(shù)脆性因子；巖石物理量版；泥頁(yè)巖

0 引言

在致密泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層開發(fā)中，水力壓裂是提高油氣采收率的主要技術(shù)，也是常規(guī)技術(shù)。對(duì)儲(chǔ)集層的可壓裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定較好的壓裂位置，對(duì)壓裂成功與否至關(guān)重要。脆性是評(píng)價(jià)巖石可壓裂性的重要參數(shù)，目前還沒有統(tǒng)一的定義。在材料科學(xué)中，脆性材料定義為在應(yīng)力作用下，不發(fā)生明顯的形變就發(fā)生斷裂的材料，即在斷裂前基本不因形變吸收能量，比如陶瓷；塑性材料定義為在應(yīng)力作用下，發(fā)生明顯形變才斷裂的材料，比如純度較高的鐵。材料科學(xué)中對(duì)脆性的研究較深入，評(píng)價(jià)方法也較多[1-3]，這類方法基本都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度）、硬度、堅(jiān)固性數(shù)據(jù)定義脆性，其中基于強(qiáng)度的脆性主要利用抗壓和抗拉強(qiáng)度的差異評(píng)價(jià)脆性，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度差異越大，脆性越強(qiáng)；基于硬度或堅(jiān)固性的脆性評(píng)價(jià)方法，其原理是考慮巖石在宏觀、微觀硬度、堅(jiān)固性方面的差異。對(duì)于油氣勘探，由于地下巖石及儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性，以及巖心的昂貴，使得針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)室脆性測(cè)量研究效率低下；儲(chǔ)集層地球物理學(xué)家建議使用巖石中脆性礦物含量[4]及彈性參數(shù)[5-8]來構(gòu)建脆性評(píng)價(jià)參數(shù)（礦物脆性因子和彈性參數(shù)脆性因子）并表征儲(chǔ)集層的相對(duì)脆性程度（筆者認(rèn)為，這些辦法以及本文中所建立的關(guān)系求得的脆性都不是巖石的絕對(duì)脆性程度，而只是一個(gè)相對(duì)的、僅具指示意義的脆性程度，因此稱為相對(duì)脆性），這種辦法實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用效果也較好。其中，利用脆性礦物含量評(píng)價(jià)巖石脆性的理論依據(jù)是不同的礦物具有不同的脆性程度，脆性礦物含量高的巖石其脆性程度亦高；彈性參數(shù)表征脆性的理論依據(jù)則是材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即利用表征徑向形變量的彈性模量和表征橫向形變量的泊松比表征脆性，高的彈性模量與低的泊松比代表高的脆性程度。上述兩種方法均存在缺陷，其中礦物脆性因子沒有考慮巖石中不同礦物之間的脆性差異，而彈性參數(shù)脆性因子又存在一定的理論缺陷。本文針對(duì)上述問題，提出兩個(gè)修正的相對(duì)脆性因子，并利用富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖石物理模型建立礦物-彈性參數(shù)-脆性因子巖石物理量版，并對(duì)疊前地震資料進(jìn)行分析，獲得優(yōu)質(zhì)脆性泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層的空間分布。

1 理論與方法

1.1 彈性參數(shù)脆性因子構(gòu)建

巖石的彈性是巖石中物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、孔隙、流體在一定溫度壓力環(huán)境下的綜合響應(yīng)，尤其是通過測(cè)井、地震等手段測(cè)量得到的彈性信息，反映的是儲(chǔ)集層內(nèi)部特征在原位環(huán)境作用下的綜合響應(yīng)。因此，利用彈性參數(shù)構(gòu)建脆性因子，可以為利用測(cè)井、地震資料進(jìn)行儲(chǔ)集層脆性評(píng)價(jià)提供手段。而巖石彈性參數(shù)與脆性在物理意義上具有明確的聯(lián)系，如圖1所示，當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)0、橫截面直徑為W0的圓柱體受到徑向拉力σzz時(shí)，會(huì)在徑向形成拉伸形變?chǔ)，同時(shí)在橫向形成壓縮形變?chǔ)，徑向拉伸形變系數(shù)為ezz=ΔL/L0，橫向壓縮形變系數(shù)為err=ΔW/W0。據(jù)此可計(jì)算彈性模量和泊松比，彈性模量E=σzz/ezz，為徑向拉伸力與徑向形變的比值；而泊松比ν=-err/ezz（拉伸為正，壓縮為負(fù)），為橫向形變系數(shù)與徑向形變系數(shù)的比值。脆性材料定義為在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生較小的形變即發(fā)生斷裂的材料，即在σzz一定的情況下，材料斷裂時(shí)ezz越小脆性越高，即彈性模量越大材料的脆性越大；通常物體的橫向變形系數(shù)小于徑向變形系數(shù)，且當(dāng)泊松比較大時(shí)，巖石在橫向上較容易發(fā)生形變，即泊松比越小，脆性越高。因此，利用彈性模量和泊松比可以評(píng)價(jià)巖石脆性，不同的彈性模量和泊松比的組合表示巖石具有不同的脆性，彈性模量越大，泊松比越低，巖石的脆性越大，這是使用彈性模量和泊松比表征脆性程度的物理原理。

圖1 物體彈性應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

基于以上認(rèn)識(shí)，一些儲(chǔ)集層地球物理學(xué)家利用彈性參數(shù)構(gòu)建脆性因子[5-8]，主要有3種方法：①使用彈性模量正歸一化，泊松比反歸一化后的加權(quán)平均表征脆性[6]，如公式（1）所示；②使用彈性模量與泊松比的商表征脆性[7-8]，如公式（2）所示；③使用拉梅系數(shù)表征脆性[7]，如公式（3）所示。對(duì)比這幾種脆性計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)，使用彈性模量和泊松比表征脆性的物理意義較為明確，與物體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系直接相聯(lián)系，而拉梅常數(shù)沒有明確的物理意義；公式（1）與（2）同時(shí)考慮了彈性模量和泊松比，即徑向形變和橫向形變的能力，且都滿足彈性模量越大、泊松比越小，脆性因子數(shù)值越大的規(guī)律，但是公式（1）中彈性模量和泊松比的權(quán)重都為0.5，即認(rèn)為兩者對(duì)巖石脆性程度的貢獻(xiàn)等同，此為經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，不具有理論依據(jù)；公式（2）不涉及彈性模量和泊松比權(quán)重的問題，但是，由于彈性模量數(shù)量級(jí)較大（一般礦物為1～100 GPa量級(jí)），而泊松比數(shù)量級(jí)較?。?～0.5），從而導(dǎo)致該公式數(shù)值不穩(wěn)定。

本文結(jié)合公式（1）與（2），提出一種基于彈性模量和泊松比的新彈性參數(shù)脆性因子，如公式（4）所示，它采取公式（2）的形式，結(jié)合公式（1）的特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)的歸一化提高了穩(wěn)定性：

其中，YBRIT=(E-0)/(10-0)=0.1E，PBRITZ=(υ-0)/(0.4-0)= 2.5(υ-0.4)，與公式（1）中泊松比采取反歸一化不同，此處是正歸一化。

圖2為4種彈性參數(shù)脆性因子的對(duì)比圖，對(duì)比圖以包含礦物成分、彈性參數(shù)、脆性因子的巖石物理量版方式給出，量版由巖石物理模型正演得到，模型及量版的建立在本文第2節(jié)詳細(xì)論述。圖中多邊形的4個(gè)端元點(diǎn)分別代表純的黏土、方解石、石英以及干酪根，其參數(shù)值見表1，多邊形中每一個(gè)色塊都代表一種礦物組合情況下的彈性參數(shù)以及脆性因子。將測(cè)井資料中的砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖數(shù)據(jù)投入量版。可以看到，圖2a中的脆性因子在方解石端元點(diǎn)附近突變；圖2c中黏土與方解石的理論脆性值近似，對(duì)實(shí)際資料解釋時(shí)，砂質(zhì)泥巖與泥巖的脆性基本一致，不符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)，即公式（3）對(duì)于黏土、方解石以及砂質(zhì)泥巖之間的脆性差異不能合理解釋；圖2b、2d的變化趨勢(shì)較為合理，且能夠較好地描述實(shí)際數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，即砂巖的脆性高，純泥巖的脆性最低，當(dāng)砂巖含泥后，其脆性降低，在黏土理論值附近，但是，圖2b所對(duì)應(yīng)的公式（2）數(shù)值不穩(wěn)定。因此，圖2d所代表的公式（4）在理論上有優(yōu)勢(shì)，且能夠較好地利用實(shí)際測(cè)井資料進(jìn)行巖石脆性程度解釋。

圖2 4種彈性參數(shù)脆性因子對(duì)比圖

表1 不同公式計(jì)算的幾種主要礦物的彈性參數(shù)與礦物脆性因子

對(duì)4種彈性參數(shù)脆性因子的區(qū)分能力（敏感性）進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其區(qū)分硅質(zhì)頁(yè)巖（石英含量25%，黏土含量75%）與鈣質(zhì)頁(yè)巖（方解石含量25%，黏土含量75%）的能力。此處區(qū)分能力指兩種物體同一表征參數(shù)的差異：

圖3為4種彈性參數(shù)脆性因子敏感性的比較，可見新脆性因子的區(qū)分能力優(yōu)于其他3種。

圖3 不同脆性因子對(duì)硅質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖的敏感性比較（IRBI(1)，IRBI(2)，IRBI(3)和IRBI(4)分別為公式（1）、（2）、（3）、（4）計(jì)算的脆性因子）

1.2 礦物脆性因子構(gòu)建

彈性參數(shù)可以較好地表征巖石的脆性，但是在某些條件下，如測(cè)井沒有橫波資料，或巖心有礦物成分鑒定數(shù)據(jù)而沒有測(cè)量彈性參數(shù)的情況下，無法使用彈性參數(shù)脆性因子。針對(duì)這一情況，前人提出使用巖石中脆性礦物與塑性礦物的體積分?jǐn)?shù)來表征脆性，最常用的為公式（6）和公式（7）[4]：

該方法將巖石礦物分為脆性礦物和塑性礦物兩種，計(jì)算過程中考慮了脆性礦物對(duì)巖石脆性的貢獻(xiàn)，其中，（6）式將石英作為脆性礦物，（7）式將石英和方解石作為脆性礦物。方法的缺陷是沒有考慮不同礦物對(duì)脆性貢獻(xiàn)程度的差異，比如（7）式認(rèn)為石英與碳酸鹽對(duì)脆性的貢獻(xiàn)是相同的，都僅與其體積分?jǐn)?shù)一致。顯然，石英與方解石的脆性是不同的，同理，不同礦物對(duì)塑性的貢獻(xiàn)也是不同的。

本文根據(jù)新建立的彈性參數(shù)脆性因子，計(jì)算頁(yè)巖組成礦物的脆性程度，認(rèn)為石英的脆性最高，干酪根的脆性最低，因此，假定石英的脆性系數(shù)為1，干酪根的脆性系數(shù)為0，歸一化得到頁(yè)巖中主要礦物（本文給出14種）的脆性系數(shù)。如圖4所示，歸一化后的脆性系數(shù)顯示，脆性程度從高到低依次為石英、白云石、方解石、鈉沸石、沸石、硬石膏、條紋長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、巖鹽、正長(zhǎng)石、墨西哥灣黏土、混合黏土、干酪根、高嶺石。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建與每種礦物的脆性系數(shù)相關(guān)的脆性因子，如公式（8）所示。

新脆性因子考慮了每種礦物脆性程度的不同，相較于公式（6）、公式（7）具有明顯的理論優(yōu)勢(shì)。圖5為3種巖石脆性因子對(duì)比圖，同樣以巖石物理量版的方式給出?？梢钥吹?，圖5a、5b都將巖石礦物組成大體劃分為脆性和塑性兩部分，使得這兩種脆性因子不能很好地解釋巖石脆性由砂巖、砂質(zhì)泥巖到泥巖逐漸降低的變化規(guī)律，而圖5c所示的新脆性因子能夠比較好地解釋三者之間脆性的差異。需要說明的是，公式（8）中的脆性系數(shù)決定于起標(biāo)定作用的彈性參數(shù)脆性因子，不同的彈性參數(shù)脆性因子對(duì)于某些礦物的相對(duì)大小關(guān)系不同，例如表1所給出的數(shù)值顯示，公式（1）—（4）所確定的黏土與干酪根的脆性值相對(duì)大小關(guān)系不同，如果能夠在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得不同純礦物的脆性系數(shù)，對(duì)于該礦物脆性因子將是一個(gè)改進(jìn)。

圖4 不同礦物的脆性系數(shù)

圖5 3種礦物脆性因子對(duì)比圖

1.3 脆性因子對(duì)比分析

圖6為利用上述7個(gè)脆性因子公式對(duì)中國(guó)南方某頁(yè)巖氣井的計(jì)算結(jié)果。圖中第5道計(jì)算TOC值由Δ logR方法[9-10]得到，第6道為X射線衍射分析獲得的礦物含量。第7道為3種礦物脆性因子的對(duì)比，可見結(jié)果差別較大，公式（6）未考慮灰?guī)r對(duì)脆性的貢獻(xiàn)，而公式（7）過分考慮了灰?guī)r的貢獻(xiàn)。綜合來看，相較其他兩種礦物脆性因子，新的礦物脆性因子能夠較好地反映不同礦物對(duì)脆性的貢獻(xiàn)。第8、9、10、11道分別為根據(jù)測(cè)井曲線由公式（1）—（4）所計(jì)算的彈性參數(shù)脆性因子及與新礦物脆性因子的對(duì)比。由圖中第11道可見，由于來源于新的彈性參數(shù)脆性因子，新礦物脆性因子與新彈性參數(shù)脆性因子的趨勢(shì)基本一致，部分井段兩者不一致，其原因有兩點(diǎn)：礦物含量（第6道）為巖心分析結(jié)果，由于巖石的非均質(zhì)性、巖心歸位誤差等原因，導(dǎo)致巖心測(cè)量結(jié)果與測(cè)井曲線表征的信息有差異；礦物脆性因子是每種礦物脆性程度與礦物含量乘積的加權(quán)，脆性因子與礦物含量呈線性關(guān)系，而彈性參數(shù)脆性因子與礦物含量呈非線性關(guān)系，并且考慮了其他因素的影響，如孔隙，流體等。此外，使用礦物含量表征脆性本身具有一定缺陷：①儲(chǔ)集層巖石由礦物、孔隙、孔隙流體組成，僅考慮礦物不能代表整體巖石的脆性；②儲(chǔ)集層巖石礦物的分布形式，以及巖石結(jié)構(gòu)均非常復(fù)雜，比如固體顆粒分布形式、膠結(jié)物及膠結(jié)程度等都會(huì)對(duì)巖石的脆性造成影響；③儲(chǔ)集層巖石處于一定溫度、壓力條件下，環(huán)境不同時(shí)其脆性也不同。因此，總體而言，能夠反映儲(chǔ)集層原位條件、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)、孔隙、流體等綜合特征的彈性參數(shù)脆性因子優(yōu)于礦物脆性因子。在無法得到彈性參數(shù)的情況下，可通過多礦物測(cè)井解釋、全巖分析等手段，得到礦物組成數(shù)據(jù)，使用礦物脆性因子進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)。

圖6 中國(guó)南方某頁(yè)巖氣井脆性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比圖（IRBI(1)，IRBI(2)，IRBI(3)，IRBI(4)，IRBI(6)，IRBI(7)和IRBI(8)分別為公式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）、（7）、（8）計(jì)算的脆性因子）

2 巖石物理模型及脆性因子量版

上文所提出的礦物脆性因子可直接應(yīng)用于測(cè)井解釋，在有橫波資料的情況下，彈性參數(shù)脆性因子也可以應(yīng)用于測(cè)井解釋，彈性參數(shù)脆性因子可直接由疊前地震資料反演所得彈性參數(shù)計(jì)算求得，而礦物脆性因子不能直接應(yīng)用于地震資料。為了精確、直觀地對(duì)含孔隙儲(chǔ)集層的脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要將脆性、礦物與彈性參數(shù)聯(lián)系起來。本文通過巖石物理模型正演，得到反映礦物含量、孔隙度、彈性參數(shù)、脆性因子之間定量關(guān)系的巖石物理量版，以對(duì)測(cè)井、地震資料進(jìn)行解釋。對(duì)于含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖，較為復(fù)雜的礦物、有機(jī)質(zhì)、孔隙以及流體是影響其彈性性質(zhì)的主要因素，所建立的巖石物理模型應(yīng)該考慮這些因素?；赩oigt[11]- Reuss[12]-Hill[13]平均公式、微分等效介質(zhì)理論[14]、Berryman多種復(fù)雜孔隙類型理論[15]及Biot[16]-Gassmann理論[17]，本文建立了富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖石物理模型[10]，該模型能夠描述多種礦物（石英，方解石，黏土）、干酪根（有機(jī)質(zhì)）、孔隙及其中的流體與彈性參數(shù)之間的關(guān)系，其中，將干酪根等效為具有一定形狀的包體顆粒，其形狀使用橢球體（顆粒縱橫比表征形狀）來描述，而將巖石中的孔隙等效為由球狀孔隙、針形孔隙、硬幣狀裂縫混合構(gòu)成。

圖7為巖石物理模型的建模流程，其步驟為：①使用Voigt-Reuss-Hill平均公式計(jì)算不含孔隙的巖石基質(zhì)的彈性模量（體積模量或剪切模量）MVRH：

圖7 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖石物理模型建模流程圖

②使用微分等效介質(zhì)理論和Berryman的孔隙理論，將干酪根作為具有一定形狀的包體加入巖石基質(zhì)中，得到含有機(jī)質(zhì)的巖石基質(zhì)的體積模量和剪切模量，公式如下：

其中，K1*(0)=Km，μ1*(0)=μm。

③使用微分等效介質(zhì)理論和Berryman的孔隙理論，將干孔隙加入含有機(jī)質(zhì)的巖石基質(zhì)中，得到含孔隙的干巖石的體積模量和剪切模量：

其中，K2*(0)=K1*，μ2*(0)=μ1*。

④使用Reuss公式得到混合流體的體積模量，并使用Gassmann方程加入干巖石中，得到飽和流體巖石的體積模量和剪切模量：

⑤使用體積模量、剪切模量、密度與速度之間的關(guān)系（公式（16）與公式（17）），計(jì)算飽和流體巖石的縱、橫波速度，進(jìn)而可以得到彈性模量、泊松比等其他彈性參數(shù)。

其中，ρsat=ρ0(1-φ)+ρfφ。

使用巖石物理模型制作量版過程中，使用的純石英、方解石、黏土、干酪根、鹽水、油氣的彈性參數(shù)及密度如表2所示。

表2 部分礦物及流體彈性參數(shù)及密度[18]

建立不同礦物、孔隙度、流體的組合，使用巖石物理模型計(jì)算得到不同礦物成分、孔隙度及含流體時(shí)的速度及密度，進(jìn)而得到其他彈性參數(shù)，這些數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律代表了一定物質(zhì)成分及特征的儲(chǔ)集層的參數(shù)變化規(guī)律。圖8、圖9分別為新礦物脆性因子、新彈性參數(shù)脆性因子的巖石物理量版，該量版以彈性模量-泊松比參數(shù)交會(huì)圖為基礎(chǔ)，使用不同顏色表征脆性因子。圖中多邊形的4個(gè)端元點(diǎn)分別代表100%的黏土、方解石、石英及干酪根（數(shù)據(jù)見表1），淺藍(lán)色的圓圈連線代表不同基質(zhì)組成條件下孔隙度從0變化到10%（變化率為2%）的彈性參數(shù)。以石英端元點(diǎn)為例，在石英端元點(diǎn)上的淺藍(lán)色圓圈代表純石英，孔隙度為0，遠(yuǎn)離石英端元點(diǎn)的5個(gè)淺藍(lán)色圓圈依次代表孔隙度為2%、4%、6%、8%、10%，孔隙中流體為氣水比4∶1的混合流體。圖8、圖9的色標(biāo)分別為新礦物脆性因子、新彈性參數(shù)脆性因子，從圖中可以看出，彈性模量越大，泊松比越小，脆性程度越高；礦物脆性因子與彈性參數(shù)脆性因子的變化趨勢(shì)相同，但是其變化率不同，這是由于礦物脆性因子是基于端元點(diǎn)數(shù)值的數(shù)據(jù)加權(quán)，在端元點(diǎn)（純礦物）上與彈性參數(shù)脆性因子一致，而加權(quán)計(jì)算使得在混合礦物情形下變化率穩(wěn)定；而彈性參數(shù)脆性因子反映儲(chǔ)集層參數(shù)和彈性參數(shù)之間的非線性關(guān)系（巖石物理模型），其變化是非線性的。將實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)投入巖石物理量版中。圖中，砂巖的脆性最高，其次為砂質(zhì)泥巖，泥巖的脆性最低，對(duì)于含氣泥巖，由于含氣使得泊松比降低，進(jìn)而使得脆性增高，這與巖石物理量版反映的規(guī)律一致。從量版中可以總結(jié)出如下規(guī)律：含氣泥巖的彈性模量在32 GPa之下，泊松比小于0.25，在各種巖性中其脆性中等—低值，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)礦物脆性因子為0.3～0.7，彈性參數(shù)脆性因子為5～10。

圖8 新礦物脆性因子巖石物理量版（淺藍(lán)色的圓圈連線代表不同基質(zhì)組成條件下孔隙度從0變化到10%（變化率為2%）的彈性參數(shù)）

圖9 新彈性參數(shù)脆性因子巖石物理量版（淺藍(lán)色的圓圈連線代表不同基質(zhì)組成條件下孔隙度從0變化到10%（變化率為2%）的彈性參數(shù)）

根據(jù)巖石物理模型，對(duì)不同礦物中含孔隙及其中含油、氣、水情況下的脆性變化進(jìn)行討論，礦物及流體的參數(shù)由表2給出。如圖10所示，當(dāng)?shù)V物不同時(shí)，在含孔隙及流體時(shí)其脆性變化規(guī)律不同；石英含孔隙及其中含流體時(shí)脆性變化程度大于方解石和黏土；孔隙度增大，脆性降低；在同樣的礦物及孔隙度情況下，含氣巖石的脆性大于含油、水巖石。

3 優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖識(shí)別

通過疊前地震反演，得到縱、橫波阻抗，進(jìn)而得到彈性模量、泊松比、彈性參數(shù)脆性因子（見圖11），將反演結(jié)果與井資料疊合顯示（A井為直井，B井為水平井），所反演的彈性模量、泊松比及計(jì)算的新彈性參數(shù)脆性因子與井吻合較好。在此基礎(chǔ)上，對(duì)脆性泥頁(yè)巖甜點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。圖12是地震資料反演的彈性模量、泊松比及彈性參數(shù)脆性因子的交會(huì)圖與含氣脆性泥巖展布剖面。根據(jù)圖8、圖9量版所示含氣泥巖的脆性特征對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行解釋，得到優(yōu)質(zhì)含氣脆性泥巖的空間展布（見圖12b），該圖以泊松比剖面進(jìn)行展示，圖中白色曲線為目的層頂?shù)捉?；黑色區(qū)域?yàn)橛蓤D12a所示交會(huì)圖中多邊形所抓取的數(shù)據(jù)，即優(yōu)質(zhì)含氣脆性泥巖，由圖可見，所預(yù)測(cè)的優(yōu)質(zhì)含氣泥巖與測(cè)井結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

圖10 新彈性參數(shù)脆性因子隨孔隙度及流體變化規(guī)律圖

圖11 疊前地震資料反演結(jié)果及計(jì)算的新彈性參數(shù)脆性因子

圖12 疊前地震資料反演結(jié)果交會(huì)圖及脆性含氣泥巖甜點(diǎn)識(shí)別結(jié)果

4 結(jié)論

通過測(cè)井、地震得到的儲(chǔ)集層彈性參數(shù)是原位條件下儲(chǔ)集層物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、孔隙及流體的綜合響應(yīng)，可以用來構(gòu)建評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層脆性程度的脆性因子，參考前人的研究成果，本文建立了一個(gè)新的彈性參數(shù)脆性因子，相比較于其他彈性參數(shù)脆性因子，新建脆性因子敏感性較高且能夠比較好地解釋儲(chǔ)集層巖石的脆性變化。

根據(jù)彈性參數(shù)脆性因子，確定了泥頁(yè)巖中主要礦物的相對(duì)脆性程度（即礦物脆性系數(shù)），在此基礎(chǔ)上構(gòu)建與每種礦物脆性系數(shù)相關(guān)的新脆性因子。相較于其他礦物脆性因子，新礦物脆性因子理論優(yōu)勢(shì)明顯且能夠較好地解釋儲(chǔ)集層巖石的脆性變化。

根據(jù)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的巖石物理模型，結(jié)合所建立的脆性因子，建立礦物-彈性參數(shù)-脆性因子巖石物理量版，根據(jù)巖石物理量版可以對(duì)測(cè)井、疊前地震資料反演結(jié)果進(jìn)行解釋、分析。

根據(jù)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的巖石物理模型及所建立的脆性因子，對(duì)不同礦物含孔隙及流體時(shí)的脆性變化進(jìn)行研究，認(rèn)為不同礦物情況下，包含孔隙及流體時(shí)巖石的脆性變化規(guī)律不同，石英含孔隙及流體時(shí)脆性變化程度大于方解石和黏土；孔隙度增大，脆性降低；在同樣的礦物及孔隙度情況下，含氣巖石的脆性大于含油、水巖石的脆性。

根據(jù)巖石物理量版對(duì)測(cè)井資料分析所得到的規(guī)律，本文所研究實(shí)例中含氣脆性泥巖的彈性模量小于32 GPa，泊松比小于0.25，而脆性中等偏低，礦物脆性因子為0.3～0.7，彈性參數(shù)脆性因子為5～10。對(duì)疊前地震資料反演結(jié)果進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)得到優(yōu)質(zhì)含氣脆性泥巖的空間展布，所預(yù)測(cè)的優(yōu)質(zhì)含氣泥巖與測(cè)井結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

符號(hào)注釋：

IRBI——相對(duì)脆性因子，無量綱；E——彈性模量，GPa；υ——泊松比，無量綱；λ——第1拉梅系數(shù)，GPa；μ——剪切模量，GPa；S——彈性參數(shù)脆性因子的區(qū)分能力，即敏感性，無量綱；A1，A2——采用相同方法計(jì)算的硅質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖脆性因子，無量綱；fQ，fCa，fCl，fK——巖石中石英、碳酸鹽、黏土及干酪根的體積分?jǐn)?shù)，%；ai——不同礦物脆性系數(shù)，無量綱；fi——不同礦物含量，可由全巖分析或者測(cè)井多礦物解釋獲得，%；n——礦物種類；Mi——第i種礦物的彈性模量，可以是體積模量或剪切模量，GPa；MV，MR——Voigt平均模量和Reuss平均模量，GPa；y——干酪根含量，%；K1*(y)，μ1*(y)——含有機(jī)質(zhì)的巖石基質(zhì)的體積模量和剪切模量，GPa；Kk，μk——干酪根的體積模量和剪切模量，GPa；Pk，Qk——表征干酪根形狀的形狀因子[15]，無量綱；Km，μm——巖石基質(zhì)的體積模量和剪切模量，GPa；φ——孔隙度，%；K2*(φ)，μ2*(φ)——含有孔隙的干巖石的體積模量和剪切模量，GPa；Kpf，μpf——孔隙充填物的體積模量和剪切模量，GPa；Ppf，Qpf——表征孔隙形狀的形狀因子[15]，無量綱；Kmix，μmix——混合流體的體積模量和剪切模量，GPa；Kf——流體的體積模量和剪切模量，GPa；Kdry，μdry——干巖石的體積模量和剪切模量，GPa；vpsat，vssat——飽和流體巖石的縱、橫波速度，m/s；Ksat，μsat——飽和流體巖石的體積模量和剪切模量，GPa；ρsat——飽和流體巖石的密度，g/cm3；ρ0，ρf——巖石基質(zhì)、孔隙流體的密度，g/cm3。

[1] Hucka V,Das B.Brittleness determination of rocks by different methods[J].Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1974,11(10): 389-392.

[2] Kahraman S.A brittleness index to estimate the sawability of carbonate rocks[R].Brno,Czech Republic: The International Symposium EUROCK 2005,2005.

[3] Andrissi G,Loi G,Trois P,et al.Combining mechanochemistry and innovative diamond wire saws for improving productivity in granite quarries[J].Mining Engineering,2005,57(5): 46-52.

[4] Mavko G.Rock physics of shale[R].Stanford,USA: Stanford Rock Physics Laboratory,2010.

[5] Altindag R.The evaluation of rock brittleness concept on rotary blast hole drills[J].The Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy,2002,102: 61-66.

[6] Rickman R,Mullen M,Petre E,et al.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: All shale plays are not clones of the Barnett Shale[R].SPE 115258,2008.

[7] Guo Z,Chapman M,Li X.A shale rock physics model and its application in the prediction of brittleness index,mineralogy,and porosity of the Barnett Shale[M]//SEG technical program expanded abstracts 2012.Tulsa: Society of Exploration Geophysicists,2012: 1-5.

[8] Liu Z,Sun S,Sun Y,et al.Formation evaluation and rock physics analysis for shale gas reservoir: A case study from China south[M]//EAGE Annual Meeting Expanded Abstracts.Houten,The Netherlands: EAGE,2013.

[9] Passey Q,Creaneys S,Kulla J,et al.A practical model for organic richness from porosity and resistivity log[J].AAPG Bulletin,1990,74(12): 1777-1794.

[10] Dong N,Liu Z,Sun Z,et al.Evaluation and improvement of velocity-prediction models and its application in in-situ stress estimation for shale gas reservoir[M]//EAGE Annual Meeting Expanded Abstracts.Houten,The Netherlands: EAGE,2013.

[11] Voigt W.Crystal physics[M].Leipzig: Teubner,1928: 1-20.

[12] Reuss A.Stresses constant in composite,rule of mixtures for compliance components[J].Journal of Applied Mathematics and Mechanics,1929,9(1): 49-58.

[13] Hill R.The elastic behaviour of crystalline aggregate[J].Journal of Process Physical Society,1952,A65(5): 349-354.

[14] Berryman J.Single-scattering approximations for coefficients in Biot’s equations of poroelasticity[J].Journal of the Acoustical Society of America,1992,91(2): 551-571.

[15] Berryman J.Mixture theories for rock properties[C]//Ahrens T J.A handbook of physical constants.Houston: America Geophysical Union,1995: 205-228.

[16] Biot M.Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solid[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1956,28(2): 168-191.

[17] Gassmann F.Elastic waves through a packing of spheres[J].Geophysics,1951,16(4): 673-685.

[18] 李穎微.基于巖石物理分析的復(fù)雜碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體識(shí)別研究[D].北京: 中國(guó)石油大學(xué),2012.Li Yingwei.Fluid identification in complex carbonate reservoir based on rock physics analysis[D].Beijing: China University of Petroleum,2012.

（編輯 黃昌武 繪圖 劉方方）

New brittleness indexes and their application in shale/clay gas reservoir prediction

Liu Zhishui1,2,Sun Zandong1,2
(1.Laboratory for Integration of Geology and Geophysics,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;2.State Key Laboratory for Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)

Aiming at the disadvantages of the brittleness index commonly used in oil/gas exploration,this article proposed two new brittleness indexes (elastic brittleness and mineral brittleness) in order to predict brittle shale distribution accurately: the former index,based on elastic parameters (Young’s modulus and Poisson’s ratio),characterizes the original physical properties of reservoirs,the other takes the volume content of minerals in the shale and brittle factor of each kind of mineral into consideration.The two proposed brittleness indexes have theoretical advantages and can explain the brittleness of reservoir rocks from logging and prestack seismic inversion reasonably.According to the rock physics model of organic-enriched shale,a rock physics template for mineral-elastic parameter-brittle factor was established to find out the elastic parameter features of high quality brittle shale from logging data.The spatial distribution of high-quality gas-bearing brittle shale was predicted utilizing pre-stacked seismic inversion results,and the predicted results match well with the well-logging data.

relative-brittleness index;mineral brittleness;elastic brittleness;rock physics template;shale gas

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項(xiàng)目（2011CB201103）；國(guó)家油氣重大專項(xiàng)（2011ZX05004003）

TE122.1

A

1000-0747(2015)01-0117-08

10.11698/PED.2015.01.16

劉致水（1988-），男，甘肅慶陽(yáng)人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）地質(zhì)地球物理綜合研究中心在讀博士研究生，主要從事地震巖石物理、疊前反演及頁(yè)巖氣地震勘探技術(shù)研究。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）地質(zhì)地球物理綜合研究中心，郵政編碼：102249。E-mail：zhishuiliu@yeah.net

聯(lián)系作者：孫贊東（1961-），男，湖北黃岡人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）特聘教授，主要從事巖石物理、保幅處理、疊前反演相結(jié)合的彈性一體化儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)研究。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）地質(zhì)地球物理綜合研究中心，郵政編碼：102249。E-mail：szd@cup.edu.cn

2014-05-12

2014-11-05