覃豪,楊小磊

(大慶油田公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

0 引 言

隨著水平井和體積壓裂改造技術(shù)的突破,致密油氣已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)接替領(lǐng)域[1]。致密油氣儲(chǔ)層的“三品質(zhì)”是致密儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的核心,其中工程品質(zhì),是選擇壓裂層段、能否充分解放致密儲(chǔ)層的油氣潛力的基礎(chǔ)[2]。工程品質(zhì)評(píng)價(jià)最終的目的是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的脆性。巖石脆性指數(shù)反映巖石易于破裂程度,是致密油儲(chǔ)層體積壓裂設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),一般采用彈性參數(shù)計(jì)算或礦物組分法計(jì)算[3-7]。

大慶深層徐家圍子地區(qū)沙河子組致密儲(chǔ)層與優(yōu)質(zhì)烴源巖相接觸,是典型的致密氣儲(chǔ)層。該區(qū)儲(chǔ)層巖性為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖等,命名達(dá)到20余類,長(zhǎng)石種類包括鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石,巖屑種類包括變質(zhì)巖和巖漿巖,雜基種類包括泥質(zhì)和方解石。當(dāng)巖石的礦物含量相同,儲(chǔ)層分選、膠結(jié)類型和粒度等發(fā)生變化時(shí),選擇合適的方法對(duì)儲(chǔ)層的脆性進(jìn)行準(zhǔn)確解釋,是應(yīng)用測(cè)井方法評(píng)價(jià)脆性的核心,均須開展研究。本文通過對(duì)礦物組分法和彈性參數(shù)法進(jìn)行深入分析和評(píng)價(jià),指出這2種方法解釋脆性的關(guān)鍵技術(shù);并假設(shè)地層為塊狀均質(zhì)條件下,采用理論計(jì)算的方法,分析脆性隨巖石物理特征變化而變化的規(guī)律;選擇彈性參數(shù)法解釋該區(qū)沙河子組的致密儲(chǔ)層脆性,為致密氣勘探開發(fā)提供了可靠保障。

1 脆性評(píng)價(jià)方法

1.1 礦物組分法

常用脆性評(píng)價(jià)方法是北美油頁巖礦物組分法,其表達(dá)式見式(1)。從式(1)可知,礦物組分法關(guān)鍵是確定各類造巖礦物的體積含量。目前各類礦物含量解釋的方法有最優(yōu)化法[8]和統(tǒng)計(jì)回歸法等。北美油頁巖,巖性主要為碳酸鹽巖,其礦物種類相對(duì)簡(jiǎn)單,應(yīng)用這2種方法解釋的礦物體積,相對(duì)比較準(zhǔn)確。中國的致密儲(chǔ)層一般為陸源碎屑沉積的巖石,在應(yīng)用礦物組分法時(shí),一般對(duì)式(1)進(jìn)行變形優(yōu)化,變形后的計(jì)算模型見式(2)。應(yīng)用式(2)解釋研究區(qū)的脆性,關(guān)鍵是主要脆性礦物含量的解釋。

(1)

(2)

式中,IB為脆性指數(shù),無量綱;Vqa、Vca、Vfd、Vdo和Vcl分別為石英、方解石、長(zhǎng)石、白云石和黏土的體積含量,%。

研究區(qū)多產(chǎn)長(zhǎng)石巖屑砂巖或巖屑長(zhǎng)石砂巖,巖屑類型一般為巖漿巖、變質(zhì)巖(薄片資料),對(duì)于變質(zhì)巖和巖漿巖的礦物類型無法從薄片等資料明確,因此,無法確定致密砂巖中的巖屑是否為脆性物質(zhì),也無法確定巖屑中脆性物質(zhì)占有多大比例。全巖分析能確定礦物的類型,但是資料相對(duì)較少,且費(fèi)用高。應(yīng)用測(cè)井方法解釋脆性物質(zhì)含量時(shí),應(yīng)用多礦物最優(yōu)化的方法[8],確定礦物骨架值是礦物含量精確解釋否的關(guān)鍵。不同地區(qū)實(shí)際選取的礦物骨架參數(shù)與巖石的測(cè)井響應(yīng)有關(guān),與礦物自身骨架值相差較大,同時(shí)還受到測(cè)井曲線分辨率的影響,計(jì)算的礦物含量準(zhǔn)確性相對(duì)較低,結(jié)果很難反映儲(chǔ)層脆性物質(zhì)的多少,解釋的脆性指數(shù)準(zhǔn)確性相對(duì)較低。在統(tǒng)計(jì)回歸法中,首先選取敏感參數(shù),再根據(jù)全巖分析確定的礦物含量建立統(tǒng)計(jì)模型。這種方法得到的脆性礦物含量受到曲線分辨率的限制,也很難得到準(zhǔn)確的脆性礦物含量。

1.2 彈性參數(shù)法

彈性參數(shù)法應(yīng)用巖石力學(xué)參數(shù)(彈性模量和泊松比)計(jì)算脆性指數(shù)[見式(3)]。彈性模量和泊松比并非直接反映巖石脆性的參數(shù),但是彈性模量越大,泊松比越小,巖石脆性越好,通過對(duì)彈性模量和泊松比進(jìn)行歸一化,以此表示儲(chǔ)層脆性。式(4)和式(5)分別為彈性模量和泊松比歸一化計(jì)算公式。式(6)和式(7)為橫、縱波時(shí)差計(jì)算彈性模量和泊松比的公式[9]。

(3)

IE=(E-Emin)/(Emax-Emin)×100%

(4)

Iμ=(μ-μmax)/(μmin-μmax)×100%

(5)

(6)

(7)

式中,IB為巖石脆性指數(shù),%;IE為彈性模量計(jì)算脆性指數(shù),%;Iμ為泊松比計(jì)算脆性指數(shù),%;E為彈性模量,MPa;μ為泊松比,無量綱;Δts為橫波時(shí)差,μs/ft(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtc為縱波時(shí)差,μs/ft;DEN為巖石密度,g/cm3。

從式(3)～式(7)可知,巖石密度、橫波和縱波時(shí)差確定后,即可計(jì)算泊松比和彈性模量,也就得到了儲(chǔ)層的脆性指數(shù)。該方法簡(jiǎn)單,但是準(zhǔn)確計(jì)算脆性指數(shù)的關(guān)鍵有2點(diǎn):①泊松比和彈性模量的最大值和最小值的刻度;②橫波測(cè)井費(fèi)用高,不是所有井都能測(cè)偶極子橫波,因此,需要進(jìn)行橫波時(shí)差曲線重構(gòu),構(gòu)建的方法和模型的精度直接影響脆性解釋的精度。

綜合以上分析表明,彈性參數(shù)法適用范圍更廣,脆性指數(shù)解釋的關(guān)鍵是橫波時(shí)差曲線的重構(gòu)、泊松比和彈性模量最大值、最小值的選取。結(jié)合徐家圍子地區(qū)沙河子組的巖性特征,儲(chǔ)層脆性指數(shù)解釋方法選擇彈性參數(shù)法。

2 脆性指數(shù)變化的規(guī)律

2.1 脆性指數(shù)變化分析

從礦物模型法可知,當(dāng)巖石中脆性礦物含量發(fā)生變化時(shí),脆性指數(shù)大小必將隨脆性礦物含量增加而增加,隨脆性礦物的減少而減少,但當(dāng)巖石的分選、膠結(jié)類型和粒度等發(fā)生變化時(shí),脆性指數(shù)的大小變化也是脆性指數(shù)研究的內(nèi)容。

從式(3)～式(7)可知,應(yīng)用彈性模量和泊松比能計(jì)算脆性指數(shù)。從式(3)可知,脆性指數(shù)是脆性彈性模量和脆性泊松比之和除以2,因此,可以選擇彈性模量或泊松比研究脆性指數(shù)變化的規(guī)律。隨著巖石結(jié)構(gòu)特征變化,測(cè)井測(cè)得的橫波和縱波速度必然發(fā)生變化,那么泊松比或彈性模量計(jì)算的脆性也必然發(fā)生變化。由式(5)得到泊松比與橫縱波時(shí)差比值的關(guān)系式(8),再分析脆性指數(shù)與橫縱波時(shí)差比值的關(guān)系式,即應(yīng)用泊松比研究脆性指數(shù)隨巖石物理特征變化時(shí)的變化規(guī)律

(8)

假設(shè)塊狀地層、各向均質(zhì)條件下,進(jìn)行理論計(jì)算,泊松比最小值取石英的泊松比(0.135),最大值為純泥巖的泊松比(0.308),建立脆性指數(shù)、泊松比與橫縱波時(shí)差比值的關(guān)系(見圖1)。

圖1 脆性指數(shù)、泊松比與橫縱波時(shí)差的比值關(guān)系圖

2.2 脆性指數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)圖1可知,當(dāng)巖石的橫縱波時(shí)差比值變大時(shí)儲(chǔ)層脆性變差,當(dāng)巖石的橫縱波時(shí)差比值變小時(shí)儲(chǔ)層脆性變好,可知儲(chǔ)層巖石分選性與物性變化、膠結(jié)程度變化時(shí)脆性變化的規(guī)律。對(duì)于巖石分選性,分選越好,泥質(zhì)含量越低,導(dǎo)致橫縱波時(shí)差比值越小,脆性指數(shù)越大;分選越差,泥質(zhì)含量越高,脆性指數(shù)越小。對(duì)于物性,孔隙度越大,橫縱波時(shí)差比值越小,脆性越大;孔隙度越小,橫縱波時(shí)差比值越大,脆性越小。對(duì)于膠結(jié)物類型:常有鈣質(zhì)膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物、鐵質(zhì)膠結(jié)物和泥質(zhì)膠結(jié)物這幾種類型,對(duì)應(yīng)的橫縱波時(shí)差比值一般是鈣質(zhì)的最小、泥質(zhì)的最大,因此,脆性指數(shù)是鈣質(zhì)膠結(jié)最大,泥質(zhì)膠結(jié)最小。對(duì)于薄互層組合,砂巖巖石結(jié)構(gòu)由塊狀演變成薄互層或有層理界面,橫縱波時(shí)差增大,巖石脆性指數(shù)變小。

據(jù)此,還可以對(duì)脆性解釋的合理性進(jìn)行判別。對(duì)于沒有進(jìn)行巖石脆性實(shí)驗(yàn)的地區(qū),缺乏實(shí)驗(yàn)資料對(duì)解釋結(jié)果的驗(yàn)證,無法確定解釋結(jié)果的合理性時(shí),可以根據(jù)橫縱波時(shí)差的變化范圍,確定合理的脆性指數(shù)變化范圍。

3 徐深氣田沙河子組巖石脆性指數(shù)解釋方法

3.1 橫波時(shí)差重構(gòu)模型

橫波時(shí)差曲線的重構(gòu)方法較多,有理論模型法和經(jīng)驗(yàn)公式法(統(tǒng)計(jì)回歸法)2類。其中理論模型法包括Greenberg-Castagna模型、Xu-White模型、Biot-Gassman模型、Cemented模型、Krief模型等[10]。這些模型中需要確定的參數(shù)較多,且無法驗(yàn)證參數(shù)的準(zhǔn)確性,同時(shí)考慮到模型的實(shí)用性,因此,采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法來建立橫波時(shí)差解釋模型。

圖2 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與中子孔隙度關(guān)系圖(分巖性)

圖3 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與中子孔隙度關(guān)系圖(不分巖性)

圖4 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與泥質(zhì)含量關(guān)系圖(分巖性)

圖5 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與泥質(zhì)含量關(guān)系圖(不分巖性)

圖6 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與縱波時(shí)差關(guān)系圖(分巖性)

圖7 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與縱波時(shí)差關(guān)系圖(不分巖性)

巖石的脆性反映巖石力學(xué)特征,選擇敏感參數(shù)重構(gòu)橫波時(shí)差曲線時(shí),應(yīng)選擇反映巖石結(jié)構(gòu)特征的信息。圖2、圖4、圖6、圖8、圖9分別為橫波時(shí)差與中子孔隙度、自然伽馬相對(duì)值(ΔGR)、縱波時(shí)差、巖性密度和深側(cè)向電阻率之間的關(guān)系圖。中子孔隙度、自然伽馬相對(duì)值、縱波時(shí)差與橫波時(shí)差的相關(guān)系較好,為敏感參數(shù),巖性密度和深側(cè)向電阻率不敏感。圖2可見,砂巖和泥巖具有較好的線性關(guān)系。圖3橫波時(shí)差與中子孔隙度整體具有冪指數(shù)關(guān)系。圖4可見,砂巖和泥巖均不具有較好的線性關(guān)系。圖5可見,當(dāng)巖性從砂巖向泥巖變化時(shí),整體具有指數(shù)關(guān)系。圖6中砂巖和泥巖具有較好的線性關(guān)系。由圖7可見,當(dāng)巖性從砂巖向泥巖變化時(shí),整體具有對(duì)數(shù)關(guān)系。因此,選用中子孔隙度、ΔGR及縱波時(shí)差建立橫波時(shí)差重構(gòu)模型。結(jié)合地區(qū)流體性質(zhì),分別建立含有中子項(xiàng)的公式(8)和不含有中子項(xiàng)的公式(9)。

35.98e(0.308Vsh)-152.61R=0.85

(8)

Δts,cg=68.28ln (Δtc)+53.97e(0.308ΔGR)-

228.92R=0.85

(9)

式中,Δts,cg為重構(gòu)的橫波曲線,μs/ft;φN為中子孔隙度,%;Δtc為縱波時(shí)差,μs/ft;Vsh為泥質(zhì)含量。

圖8 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與巖性密度關(guān)系圖(分巖性)

圖9 實(shí)測(cè)橫波時(shí)差與深側(cè)向電阻率關(guān)系圖(分巖性)

圖10 達(dá)深×井不同橫波模型解釋結(jié)果對(duì)比圖

分別應(yīng)用式(8)和式(9)計(jì)算橫波時(shí)差,并以此計(jì)算泊松比、彈性模量和脆性指數(shù),對(duì)比實(shí)測(cè)的橫波時(shí)差及相關(guān)參數(shù)(見圖10)。3 510.0～3 548.0 m進(jìn)段巖性包括砂巖、砂礫巖、泥巖和煤,重構(gòu)的橫波時(shí)差在各種巖性段與測(cè)井值相差小于3 μs/ft,泥巖段用式(8)計(jì)算的結(jié)果橫波時(shí)差更接近測(cè)井實(shí)測(cè)值,計(jì)算的泊松比、彈性模量和脆性指數(shù)也是如此;砂巖段和砂礫巖段,橫波時(shí)差及相關(guān)參數(shù)相差不大;煤層段橫波時(shí)差及相關(guān)參數(shù)相差較大。深度3 522.7～3 528.0 m,密度小于2.6 g/cm3為儲(chǔ)層段,式(8)與式(9)計(jì)算的橫波時(shí)差略有差異,相應(yīng)的泊松比、彈性模量和脆性指數(shù),式(9)計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)測(cè)橫波時(shí)差測(cè)井的計(jì)算值。對(duì)比表明,由于天然氣的挖掘效應(yīng),式(9)適用,能反映巖石力學(xué)性質(zhì)的變化,解釋的泊松比與實(shí)測(cè)曲線解釋結(jié)果符合好;對(duì)于不含氣儲(chǔ)層,式(8)更適用。

3.2 脆性解釋

3.2.1彈性模量和泊松比取值的意義

礦物組分法計(jì)算脆性的公式(1)表示的是脆性礦物在巖石礦物中所占有的含量,而彈性參數(shù)法計(jì)算脆性的公式(3)則是泊松比和彈性模量歸一化后求和的平均值。研究根據(jù)其中一種邊界(全是石英砂巖或泥巖),對(duì)這2種方法的內(nèi)涵進(jìn)行分析。

假設(shè)巖石全是石英砂巖,礦物組分法計(jì)算脆性的公式(1)可知,石英是脆性物質(zhì),當(dāng)巖石全由石英組成,巖石的脆性指數(shù)為100%。同樣的石英砂巖,彈性參數(shù)法計(jì)算脆性的公式(3)可知,泊松比和彈性模量的歸一化值均為100%。此時(shí)泊松比歸一化方程中,泊松比的最小值為石英的泊松比,最大值為研究區(qū)泥巖實(shí)際值;此時(shí)彈性模量歸一化方程中,彈性模量的最大值取石英的彈性模量,最小值取研究區(qū)泥巖實(shí)際值。當(dāng)巖石礦物發(fā)生變化時(shí),脆性變差,對(duì)于礦物組分法而言是石英含量的減小,對(duì)于彈性參數(shù)法而言,則是計(jì)算的泊松比和彈性模量的變化,那么,兩者的實(shí)際關(guān)系為隨著石英含量減小,對(duì)應(yīng)的泊松比和彈性模量的變化。因此,泊松比的最小值取石英的泊松比,最大值為研究區(qū)純泥巖的泊松比,彈性模量的最大值為石英的彈性模量,最小值為研究區(qū)泥巖的彈性模量。在同類巖性中,以此取值,采用彈性參數(shù)法計(jì)算脆性指數(shù)具有可比性,否則只是某個(gè)區(qū)域的相對(duì)值。

3.2.2脆性指數(shù)解釋及分析

徐家圍子地區(qū)沙河子組巖石脆性計(jì)算時(shí),按3.2.1中的分析結(jié)果進(jìn)行取值,解釋的脆性范圍為46.7%～82.2%。該區(qū)沒有進(jìn)行巖石脆性實(shí)驗(yàn),無法對(duì)解釋結(jié)果的進(jìn)行驗(yàn)證。而圖1表示了脆性指數(shù)與橫縱波時(shí)差比值之間的理論關(guān)系,研究區(qū)的橫縱波時(shí)差比值范圍在1.6～1.9,其中砂礫巖范圍為1.6～1.7,確定儲(chǔ)層脆性解釋的范圍為42.1%～74.3%。計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)果的范圍一致,中值一致,表明彈性參數(shù)法計(jì)算脆性指數(shù)反映了脆性礦物的含量。

4 結(jié) 論

(1)致密砂巖(巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖)的脆性解釋方法應(yīng)選擇彈性參數(shù)法,巖石的脆性不僅與脆性好的礦物含量有關(guān),更重要的是與其所處地下環(huán)境的巖石力學(xué)彈性參數(shù)有關(guān)。

(2)儲(chǔ)層中含有天然氣時(shí),橫波時(shí)差重構(gòu)模型應(yīng)選擇不受天然氣影響的測(cè)井曲線。徐家圍子地區(qū)沙河子組橫波時(shí)差曲線重構(gòu)模型為縱波時(shí)差和泥質(zhì)含量統(tǒng)計(jì)模型。

(3)數(shù)值模擬表明,物性越差、分選越差、脆性越低;薄互層發(fā)育的地層脆性差,儲(chǔ)層改造所需的破裂壓力越大。在沒有實(shí)驗(yàn)資料驗(yàn)證的條件下,數(shù)值模擬確定徐深氣田沙河子組砂巖的脆性指數(shù)范圍為42%～74%。