曹丹平, 韓金鑫*, 肖竣夫, 劉強(qiáng), 付飛琪, 劉迪

1 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 青島 266580 2 中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司物探技術(shù)研究中心, 河北涿州 072750

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)境壓力的不斷提高,全國能源行業(yè)肩負(fù)著“碳達(dá)峰、碳中和”的任務(wù),頁巖氣逐漸成為我國重要的低碳能源(劉合等,2021;田新等,2023).而頁巖本身在自然狀態(tài)下具有低孔低滲的特性,難以直接獲得頁巖油氣資源,必須通過壓裂的方式來形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),從而增加頁巖地層的滲透能力來實(shí)現(xiàn)頁巖儲層的有效開發(fā)(賈長貴等,2012,劉喜武等,2022).其中,脆性是開展頁巖可壓裂性評價(jià)和壓裂方案設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),提高頁巖儲層的脆性評價(jià)精度對頁巖油氣開發(fā)具有重要意義.

常用的脆性評價(jià)方法主要包括彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法和礦物組分脆性評價(jià)方法等.其中,彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法主要利用楊氏模量和泊松比參數(shù)來計(jì)算脆性指數(shù),通常楊氏模量高、泊松比低的巖石具有較高的脆性.基于礦物組分的脆性評價(jià)方法主要利用脆性礦物成分含量與總礦物含量的比值來計(jì)算脆性指數(shù),石英等脆性礦物含量越高,巖石脆性越強(qiáng),在頁巖儲層壓裂時(shí)越容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò).兩種方法各有特點(diǎn)且相對獨(dú)立,并均在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的成效(Jin et al., 2014;Harbert et al.,2020).

采用頁巖中礦物成分含量來評價(jià)頁巖儲層脆性時(shí),其關(guān)鍵在于確定頁巖儲層中的脆性礦物成分及其含量,但巖石礦物組分多種多樣,不同區(qū)域、不同儲層類型往往發(fā)育不同的脆性礦物,在巖性比較簡單的區(qū)域可以只考慮石英礦物的影響,而在復(fù)雜區(qū)域計(jì)算脆性礦物指數(shù)時(shí)則需要充分考慮石英、長石、方解石、白云石等更多礦物成分的影響(Zhang et al., 2017;張宜,2019).基于礦物含量的脆性評價(jià)方法在計(jì)算巖石脆性指數(shù)時(shí),每種礦物往往都被賦予相同的權(quán)重系數(shù),也就是將各礦物對脆性指數(shù)的影響等同對待.實(shí)際上,不同礦物的脆性是不一樣的,對巖石整體脆性特征的影響程度也具有差異性(胡明毅等,2015;白佳佳,2022),在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該充分考慮不同礦物成分對巖石整體脆性的差異性影響,從而有效提高巖石脆性計(jì)算結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性.

如何標(biāo)定不同脆性礦物對巖石脆性整體特征的定量影響程度是有效提高脆性評價(jià)精度的關(guān)鍵.不同脆性礦物成分的變化一定會改變巖石的彈性特征,導(dǎo)致楊氏模量、泊松比及其所反映的巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變.通過三軸壓縮巖石物理實(shí)驗(yàn)有助于定量分析不同礦物成分對巖石整體脆性在貢獻(xiàn)程度方面的差異性,并可以進(jìn)一步采用礦物楊氏模量與泊松比的比值來表征不同礦物對巖石脆性特征的差異性影響.但不同礦物成分對巖石整體脆性特征的影響是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)難以精確標(biāo)定不同礦物及其含量對巖石脆性的定量影響關(guān)系.近年來,數(shù)字巖心技術(shù)在計(jì)算巖石彈性參數(shù)等方面發(fā)展迅速(Hou and Cao, 2022),通過對不同礦物組成的巖石圖像進(jìn)行數(shù)值模擬(Zhu et al.,2017;Das et al., 2019;Cao et al., 2022),能夠直觀反映不同礦物成分及其不同組合方式下的彈性特征(Haddad and Sepehrnoori,2016),通過彈性參數(shù)計(jì)算的脆性指數(shù)能夠更加直接地反映出不同礦物組分對巖石脆性的影響,為定量評價(jià)不同脆性礦物成分對巖石脆性的影響提供了優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件,也為采用基于彈性參數(shù)的巖石脆性計(jì)算方法來定量標(biāo)定不同的脆性礦物對巖石整體脆性的差異性影響程度提供了契機(jī).

本文聯(lián)合彈性參數(shù)和礦物組分兩種脆性評價(jià)方法,通過開展數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)來定量刻畫脆性礦物成分相對于黏土礦物對巖石整體脆性的貢獻(xiàn)程度,在彈性特征的約束下求取不同礦物成分與脆性指數(shù)的定量關(guān)系及權(quán)重系數(shù),提出基于礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的脆性評價(jià)方法,避免了不同礦物平均化對巖石脆性指數(shù)計(jì)算的影響,更加準(zhǔn)確合理地體現(xiàn)了不同礦物組分對頁巖脆性的貢獻(xiàn).

1 基于數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的脆性評價(jià)

1.1 數(shù)字巖石物理建模及實(shí)驗(yàn)原理

本文通過固體波動(dòng)方程,模擬了巖石物理應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn).固體運(yùn)動(dòng)由波動(dòng)方程給出:

(1)

其中ρ為固體密度,u為位移場,S為壓力場,F為體力項(xiàng).

將每種礦物都假設(shè)為線性彈性的材料,利用胡克定律來模擬固體礦物的本構(gòu)關(guān)系:

σij=λδijεαα+2μεij,

(2)

式中λ和μ是拉梅常數(shù);δij和εij分別是應(yīng)力張量和應(yīng)變張量的元素.

在頁巖頂部施加垂直于巖石頂部和平行于巖石頂部的正弦位移:

u=A*sin(2πtf),

(3)

其中u是巖石頂部的位移;f是正弦位移的頻率;t是正弦位移的時(shí)間,A為振幅,大小為10-9m.

為了討論礦物成分對巖石脆性的定量影響關(guān)系,本文構(gòu)建了一個(gè)頁巖數(shù)字巖石物理模型,模型大小為5 mm×5 mm,來模擬微觀下頁巖巖心的實(shí)際狀態(tài)(Wu et al., 2020),采用有限元方法對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,以滿足模型求解時(shí)的穩(wěn)定性.為了更好地模擬實(shí)際頁巖巖心中礦物的分布情況,在數(shù)字模型中礦物隨機(jī)分布,不同的顏色代表不同的礦物,包含石英、黏土、有機(jī)質(zhì)、長石、方解石、白云石、黃鐵礦七種礦物.模型邊界條件設(shè)置是數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)在模擬縱橫波傳播時(shí)效果好壞的關(guān)鍵,為滿足模型的穩(wěn)定性,更加符合數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的條件,本文在模擬縱波傳播時(shí),巖石兩側(cè)的邊界固體位移在X方向上為0(Quintal et al., 2016),使得應(yīng)變只能發(fā)生在縱向方向;在模擬橫波傳播時(shí),巖石兩側(cè)的邊界為周期性邊界條件(朱偉等,2020),在模擬縱橫波傳播時(shí),底部邊界固體的位移皆為0(圖1).

圖1 頁巖數(shù)字巖石物理模型及數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置 (a) 縱波傳播時(shí)邊界條件; (b) 橫波傳播時(shí)邊界條件.Fig.1 Digital petrophysical model of shale and setting of boundary conditions for numerical simulation(a) Boundary conditions of longitudinal wave propagation; (b) Boundary conditions of shear wave propagation.

在模擬縱波傳播求取縱波速度時(shí),在巖石頂部施加一個(gè)垂直于巖石頂部的正弦振動(dòng),X方向?yàn)樗椒较?Y方向?yàn)樨Q直方向.計(jì)算Y方向的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變,Y方向的平均應(yīng)變是通過應(yīng)變除以Y方向的巖石長度來計(jì)算的,有效P波模量Re(M)是由巖石頂部平均應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算得到的,其計(jì)算模型為

(4)

(5)

其中,Re(M)表示有效P波模量;σP表示峰值處應(yīng)力振幅;εP表示峰值處的應(yīng)變振幅;t0表示峰值處的時(shí)間;VP為縱波速度;ρ為礦物的密度,f為100 Hz.

在求取橫波速度時(shí),在巖石頂部施加一個(gè)平行于巖石頂部的正弦振動(dòng),計(jì)算X方向的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變.剪切模量Re(G)計(jì)算方法與有效P波模量的計(jì)算方法類似,皆是由巖石頂部平均應(yīng)力應(yīng)變比計(jì)算得到的,其計(jì)算模型具體為

(6)

(7)

其中,Re(G)表示剪切模量;σS表示峰值處的應(yīng)力振幅,εS表示峰值處的應(yīng)變振幅;t1表示峰值處的時(shí)間;VS為橫波速度,f為100 Hz.

因此,通過數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)可以直觀地獲得不同礦物組分條件下的縱橫波速度等彈性參數(shù),為基于彈性參數(shù)和礦物成分開展脆性評價(jià)及聯(lián)合分析提供了橋梁.

1.2 基于數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法

根據(jù)數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)獲得的縱橫波速度可以計(jì)算出動(dòng)態(tài)楊氏模量、體積模量及泊松比(Fj?r,2019),得到不同礦物組成下巖石的彈性參數(shù),其計(jì)算模型為

(8)

(9)

(10)

其中Kdyn為動(dòng)態(tài)體積模量;Edyn為動(dòng)態(tài)楊氏模量;ν為泊松比.

利用Herbert等人利用的彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法,對楊氏模量和泊松比做處理后計(jì)算得到巖石脆性指數(shù)B1,其計(jì)算模型為

(11)

(12)

(13)

其中υ為泊松比,E是楊氏模量,單位為MPSI.BRITE代表?xiàng)钍夏Ａ繉Υ嘈灾笖?shù)的影響;BRITυ代表泊松比對脆性指數(shù)的影響.楊氏模量的范圍界定在1～8 MPSI,泊松比范圍界定在0.15～0.45之間,當(dāng)E=8 MPSI且υ=0.15時(shí),認(rèn)為頁巖將“100%”易碎,可壓裂性好;當(dāng)E=1 MPSI,υ=0.45時(shí),巖石被視為“0%”脆性的巖石,其可壓裂性差.

本文也采用了Guo等(2013)利用的彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法B2,利用楊氏模量與泊松比的比值來計(jì)算脆性大小:

(14)

(15)

1.3 基于礦物成分的脆性評價(jià)方法

基于礦物成分的脆性指數(shù)評價(jià)是對頁巖儲層開展脆性評價(jià)的重要方法(黃銳等,2014;Ye et al., 2020),它們的共同特點(diǎn)是將脆性礦物與總礦物含量的比值作為巖石脆性指數(shù),但在具體呈現(xiàn)方式上具有差異性.可以將石英、長石、方解石、白云石等多種脆性礦物的共同影響全部列出,如公式(16)所示(陳吉和肖賢明,2013);也可以將石英與碳酸鹽礦物的影響合并在一起考慮來作為對巖石脆性的影響,如公式(17)所示(李鉅源,2013);也可以僅考慮石英礦物的影響,如公式(18)所示(才博等,2012);還可以進(jìn)一步考慮楊氏模量與泊松比在礦物脆性評價(jià)中對巖石脆性的影響,如公式(19)所示(刁海燕,2013).公式(16)—(19)為

(16)

(17)

(18)

B6=

(19)

其中B3、B4、B5、B6代表各種脆性指數(shù)計(jì)算方法;W代表礦物在總礦物含量中所占比重;YM代表礦物的楊氏模量;PR代表礦物的泊松比.礦物脆性評價(jià)方法B3、B4將每種礦物對巖石脆性的貢獻(xiàn)視為等同的,例如B3將白云石、方解石、長石、石英礦物對巖石脆性的影響視為等同,而實(shí)際上,由于每種礦物的化學(xué)成分不同,其彈性特征也會存在差異,對巖石脆性的貢獻(xiàn)也會存在很大差異.B6將礦物楊氏模量與泊松比的比值作為約束進(jìn)行巖石的脆性評價(jià),但B6與B3都只將石英礦物作為脆性礦物來開展巖石的脆性評價(jià).

1.4 基于數(shù)字巖石物理的彈性參數(shù)和礦物組分脆性評價(jià)方法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)流程

彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法與礦物脆性評價(jià)方法都具有其特點(diǎn)且相對獨(dú)立,彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法能夠從巖石的彈性特征上計(jì)算巖石整體的脆性特征,礦物脆性評價(jià)方法可以通過巖石的礦物組成對其進(jìn)行脆性評價(jià),因此本文綜合考慮兩種方法的優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了基于數(shù)字巖石物理的彈性參數(shù)和礦物組分脆性評價(jià)方法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)流程(圖2),構(gòu)建基于礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的脆性評價(jià)方法.

圖2 數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of digital rock physics experiment

首先,提取不同礦物成分的楊氏模量與泊松比,明確礦物彈性特征的差異性;其次,在設(shè)計(jì)數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)時(shí),利用楊氏模量、泊松比及密度來表征不同礦物成分的彈性性質(zhì),通過控制不同礦物成分含量的變化,研究縱橫波速度隨著礦物含量的變化規(guī)律,明確楊氏模量、泊松比與礦物成分間的關(guān)系,從礦物的彈性特征上綜合分析不同礦物對頁巖脆性的影響,進(jìn)而明確不同礦物成分與脆性指數(shù)的定量關(guān)系;最后,通過提取不同礦物成分與脆性指數(shù)關(guān)系曲線的斜率,作為礦物脆性指數(shù)敏感因子(礦物彈性特征標(biāo)定的自適應(yīng)系數(shù)),根據(jù)該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)流程提出礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的脆性評價(jià)方法:

(20)

其中B7為構(gòu)建的基于礦物組分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的礦物脆性評價(jià)方法;i為礦物種類;Wi為地層中礦物的體積百分含量;W總礦物為地層中礦物總含量;Ai為礦物彈性特征標(biāo)定的自適應(yīng)系數(shù).不同礦物組分的彈性特征不同,對巖石脆性的影響程度也不同,因此需要針對不同的礦物成分的差異來構(gòu)建脆性評價(jià)方法,本文開展數(shù)字巖石物理的目的就是精確標(biāo)定不同礦物成分的系數(shù),從而在脆性評價(jià)中體現(xiàn)出不同脆性礦物的貢獻(xiàn)程度的差異.

2 數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)分析

2.1 模型的礦物成分組成及參數(shù)設(shè)計(jì)

采用巖石物理手冊等資料(Carmichael,1984)中石英、黃鐵礦、方解石、白云石、長石、黏土的楊氏模量、泊松比及密度信息(表1),以此來表征不同的礦物.巖石中礦物組成及其礦物彈性特征的差異都會引起巖石整體彈性特征的變化,從而造成巖石整體脆性發(fā)生改變.在本次數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定了模型中礦物組成的初始值,其中黏土含量40%、長石含量15%,方解石含量10%,石英含量20%、黃鐵礦含量3%,白云石含量10%和有機(jī)質(zhì)含量2%(圖3),其中黏土礦物、石英、碳酸巖含量較多,而黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)含量較少.

表1 不同礦物彈性及密度參數(shù)Table 1 Elasticity and density parameters of different mineral

圖3 模型中礦物組成的初始值Fig.3 Initial values of mineral composition in the model

同時(shí)也設(shè)定了礦物在頁巖模型中的合理變化范圍(圖4),由于不同工區(qū)對脆性礦物的定義不同,而黏土礦物作為典型的塑性礦物是普遍認(rèn)可的,可以作為標(biāo)尺來衡量其他礦物相對于黏土對脆性的貢獻(xiàn)情況.因此本文將黏土礦物對巖石脆性的貢獻(xiàn)假設(shè)為0,在控制礦物含量變化時(shí),黏土和其他礦物之間存在礦物替代.即在模型的初始條件下增加或減少其中的一種礦物成分含量,相對應(yīng)的,黏土含量減少或增加對應(yīng)的含量,其他礦物含量保持不變,以此來控制礦物含量的變化,研究不同礦物成分相對于黏土礦物對巖石脆性的相對影響.

圖4 不同礦物含量變化范圍Fig.4 Variation range of different mineral contents

2.2 礦物成分對彈性參數(shù)的定量影響關(guān)系

頁巖儲層中礦物組成不同,其彈性特征也會存在明顯的差異.圖5是不同礦物成分組成的數(shù)字巖石模型,根據(jù)公式(9)—(10),可以計(jì)算出不同礦物成分與動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比的關(guān)系(圖5),得到了不同礦物成分與模型的縱橫波速度、動(dòng)態(tài)楊氏模量及泊松比的定量影響關(guān)系.隨著石英、黃鐵礦、方解石、白云石、長石礦物含量的增加,模型的縱橫波速度也在不斷增加;而有機(jī)質(zhì)含量越高,縱橫波速度越小.其中泊松比反映了巖石的抗破壞能力,楊氏模量反映了巖石在壓裂后保持裂縫穩(wěn)定的能力(Rickman et al., 2008),兩者綜合反映了巖石的力學(xué)性質(zhì),楊氏模量越大,泊松比越小,巖石的脆性特征越明顯.隨著石英、黃鐵礦、白云石、長石礦物含量的增加,動(dòng)態(tài)楊氏模量變大,泊松比減小,礦物與動(dòng)態(tài)楊氏模量及泊松比關(guān)系曲線在圖像上呈交叉形態(tài),可以判定石英、黃鐵礦、白云石、長石,相對于黏土礦物來說,對巖石脆性具有的積極的貢獻(xiàn);隨著方解石的含量增加,楊氏模量變大,泊松比也隨之增高,由于楊氏模量增加、泊松比減小是判斷礦物是否為脆性礦物的標(biāo)準(zhǔn),所以并不能從礦物與模型動(dòng)態(tài)楊氏模量與泊松比的關(guān)系上去判斷方解石、有機(jī)質(zhì)對巖石脆性的貢獻(xiàn)是積極的還是消極的,還需要進(jìn)一步的討論.

圖5 不同礦物對彈性參數(shù)的定量影響關(guān)系Fig.5 Quantitative relationships between the effects of different minerals on elastic parameters

2.3 基于礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的脆性評價(jià)方法

圖5所得結(jié)論表明,僅僅通過楊氏模量和泊松比是無法準(zhǔn)確地判斷礦物對巖石脆性的貢獻(xiàn)程度的,因此通過脆性評價(jià)方法B1、B2、B3、B4、B5、B6對不同礦物組成的頁巖模型開展脆性評價(jià),研究礦物在不同脆性指數(shù)評價(jià)方法下對巖石脆性影響的差異性,結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同礦物成分對頁巖脆性指數(shù)的影響關(guān)系Fig.6 Relationship between different mineral compositions and shale brittleness index

可以發(fā)現(xiàn)隨著礦物含量的增加,不同的脆性評價(jià)方法在相同的礦物組成下存在很大的差異,其中脆性指數(shù)數(shù)值大小與變化趨勢發(fā)生比較明顯的變化.對比礦物脆性評價(jià)方法B3、B4、B5、B6的結(jié)果,B6的脆性指數(shù)的數(shù)值明顯大于B3、B4、B5所得的脆性指數(shù),與B3、B4、B5方法所得結(jié)果作比較,B6所得結(jié)果中方解石對礦物脆性指數(shù)的影響得到了相反的趨勢.B5、B6僅把單一礦物作為脆性礦物進(jìn)行脆性指數(shù)分析,B3、B4則把不同脆性礦物對頁巖脆性指數(shù)的影響平均化,導(dǎo)致脆性評價(jià)結(jié)果難以體現(xiàn)不同礦物成分的差異.結(jié)果表明,礦物成分的差異對脆性指數(shù)的數(shù)值影響很大,需要針對脆性礦物的差異來體現(xiàn)不同礦物成分對脆性的作用程度.

彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法B1、B2所得結(jié)果與礦物脆性評價(jià)方法B3、B4、B5、B6所得結(jié)果進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),隨著石英、黃鐵礦、白云石、方解石、長石礦物含量的增加,彈性參數(shù)脆性評價(jià)結(jié)果數(shù)值上大于礦物脆性評價(jià)的結(jié)果,且礦物含量的增加對兩種彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法B1、B2所得結(jié)果的影響趨勢是一致的,其中石英、黃鐵礦、白云石、方解石、長石都對巖石脆性有積極的響應(yīng);有機(jī)質(zhì)含量的增加,則會使巖石的脆性減小,而B3、B4、B5、B6方法所得結(jié)果沒有體現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)含量對頁巖脆性指數(shù)的影響.

(21)

(22)

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圖7 礦物與彈性特征表征的脆性指數(shù)關(guān)系曲線斜率歸一化結(jié)果Fig.7 The slope normalization result of the brittle index relationship curve characterized by minerals and elastic characteristics

(24)

(25)

表2 礦物脆性評價(jià)結(jié)果與彈性參數(shù)脆性評價(jià)結(jié)果相關(guān)性Table 2 Correlation between mineral brittleness evaluation results and elastic parameter brittleness evaluation results

3 下寺灣地區(qū)的礦物脆性評價(jià)

本文以下寺灣地區(qū)的頁巖數(shù)據(jù)為例開展脆性評價(jià)測試,該工區(qū)各礦物的體積分?jǐn)?shù)如圖8所示(秦曉艷等,2016),對其進(jìn)行頁巖脆性評價(jià).其中,在15塊頁巖試樣中,黏土礦物相對含量最高,范圍在34.2%～68.6%之間,平均為51.4%;黃鐵礦的相對含量最少,范圍大致分布在0.4%～3.4%之間,平均為1.9%.長石的相對含量在14.4%～42.8%,平均為28.6%,石英的相對含量在7.8%～22.4%,平均為15.1%;碳酸鹽礦物在總礦物含量的比重范圍在0.9%～14.4%之間,平均為7.65%,將碳酸鹽礦物劃分為方解石和白云石,方解石和白云石在總礦物含量的所占比重皆為3.8%,我們?nèi)∶糠N礦物含量的平均值來計(jì)算脆性指數(shù).對其應(yīng)用多種礦物脆性評價(jià)方法開展脆性評價(jià),并與本文提出的礦物彈性特征約束下的脆性評價(jià)方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(圖9).

圖8 下寺灣地區(qū)試樣的礦物組成對比Fig.8 Comparison of mineral composition of samples in Xiasiwan area

圖9 下寺灣地區(qū)試樣不同脆性評價(jià)結(jié)果對比Fig.9 Comparison of different brittleness evaluation results of specimens in the Xiasiwan area

結(jié)果表明,不同的脆性評價(jià)方法之間所得的脆性指數(shù)存在著很大的差異.利用B3進(jìn)行頁巖脆性指數(shù)評價(jià)時(shí),雖然將長石、石英、碳酸鹽作為脆性礦物,但是也忽略了黃鐵礦的影響,同時(shí)該方法將每種礦物對巖石脆性的貢獻(xiàn)視為等同的;利用B4進(jìn)行頁巖脆性評價(jià)時(shí),該方法將碳酸鹽和石英作為脆性礦物,同樣將石英和碳酸鹽對脆性指數(shù)的貢獻(xiàn)視為等同,且忽略了長石與黃鐵礦等礦物對脆性指數(shù)的影響;應(yīng)用B5脆性評價(jià)方法開展脆性評價(jià)時(shí),只將石英作為脆性礦物,而忽略了碳酸鹽等礦物對頁巖脆性指數(shù)的影響;而通過礦物脆性評價(jià)方法B6開展脆性評價(jià)時(shí),雖然考慮了礦物彈性特征對脆性指數(shù)的影響,但僅把石英作為脆性礦物.而本文構(gòu)建的B7是各礦物彈性特征約束下的礦物脆性評價(jià)方法,能夠體現(xiàn)各礦物對巖石脆性貢獻(xiàn)的差異性,能夠更合理地反映不同脆性礦物對巖石整體脆性特征的影響程度,避免了平均化各礦物對脆性指數(shù)的影響,能夠提高頁巖脆性評價(jià)及可壓裂性評價(jià)時(shí)的合理性.

4 結(jié)論和認(rèn)識

頁巖儲層的脆性評價(jià)是勘探開發(fā)過程中重要的評價(jià)內(nèi)容.本文在收集、調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上,針對我國頁巖儲層礦物含量復(fù)雜以及礦物脆性評價(jià)方法存在局限性等問題,通過數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn),開展了礦物成分與頁巖脆性關(guān)系的研究,聯(lián)合彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法,提出了根據(jù)礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的頁巖脆性礦物指數(shù)計(jì)算方法.本文主要取得以下認(rèn)識:

(1) 刻畫了礦物對頁巖彈性特征影響的差異性.通過數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的方式,得到了礦物含量變化與縱橫波速度的關(guān)系,隨著石英、黃鐵礦、長石、方解石、白云石礦物含量的增加,頁巖模型整體的縱橫波速度也在不斷增加.隨著方解石含量增加,楊氏模量變大,泊松比也隨之增高;而隨著石英、黃鐵礦、白云石、長石礦物含量的增加,楊氏模量變大,泊松比減小.

(2) 構(gòu)建了根據(jù)礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)變化的頁巖脆性礦物指數(shù)計(jì)算方法.通過數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的方式,明確了不同礦物與脆性指數(shù)的定量關(guān)系,基于礦物成分貢獻(xiàn)程度自適應(yīng)的變化,構(gòu)建了頁巖脆性礦物指數(shù)計(jì)算方法,避免了將各礦物對脆性指數(shù)的影響平均化,準(zhǔn)確地表征了不同礦物對巖石脆性貢獻(xiàn)的差異性.將不同礦物脆性評價(jià)結(jié)果與彈性參數(shù)脆性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)該方法所得結(jié)果與彈性參數(shù)脆性評價(jià)方法所得結(jié)果間存在較好的相關(guān)性,從而驗(yàn)證了該方法的合理性.

(3) 以下寺灣地區(qū)試樣的礦物組成為例,研究了不同脆性評價(jià)方法的差異性.結(jié)果表明,利用B3、B4對其進(jìn)行脆性評價(jià)時(shí),平均化了各礦物對脆性指數(shù)影響;B5只考慮了石英作為脆性礦物;B6雖然考慮了礦物彈性特征對脆性指數(shù)的影響,但僅把石英作為脆性礦物,忽略了長石、白云石、黃鐵礦對脆性指數(shù)的影響.本文構(gòu)建的B7是在基于不同礦物的彈性特征約束下的礦物組分脆性評價(jià)方法,綜合考慮了礦物對脆性指數(shù)的貢獻(xiàn)的差異性,能夠更合理地反映不同脆性礦物對巖石整體脆性特征的影響程度,能夠更精確地指導(dǎo)頁巖可壓裂性評價(jià).