基于巖石物理實驗的頁巖脆性測井評價方法

徐贛川 鐘光海 謝 冰 黃天俊

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院

頁巖的脆性特性對儲層壓裂改造至關重要［1－3］，直接影響試油層位優選，施工效果是否有效，進一步影響頁巖儲層產能高低。根據國外頁巖氣成功壓裂開采效果可知，當脆性礦物含量高（脆性指數高）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W1井下志留統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實測方法、礦物成分測定和地球物理測井計算彈性參數方法相結合，分析得到該區主要的脆性礦物成分，并深化了頁巖脆性指數的測井計算方法；通過測井計算得到頁巖脆性指數更接近于巖心實驗的脆性，大大提高了測井計算精度；根據頁巖脆性評價結果優選改造深度范圍，指導現場生產壓裂改造實踐。該研究成果可以為現場試油層位優選及儲層改選方案設計提供技術支撐。

1 頁巖儲層特征

頁巖是一種沉積巖，成分復雜，但都具有薄頁狀或薄片層狀的節理，主要是由黏土沉積經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）、有機質外，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境，因而也含有一定數量的黃鐵礦［1］。

根據該地區頁巖巖心實驗資料，結合鉆探情況分析，認為本區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，根據該區2口井巖心物性直方圖（圖1）分析表明，該地區頁巖屬于低孔特低滲儲層，因此頁巖氣儲層的開發依靠常規的開采方式是不可能的，需要進行大型甚至特大型壓裂改造才能獲得產能，頁巖脆性評價對壓裂改造起到至關重要的作用。因此開展頁巖氣儲層脆性指數方法研究，為優選試油層段提供技術支撐。

圖1 頁巖氣儲層巖心物性分析直方圖

2 巖石物理實驗

巖石力學參數有動力學參數和靜力學參數之分。巖石的動力學參數是指巖石在各種動載荷或周期變化載荷作用下所表現出的力學性質參數，用靜載荷作用下測得的是靜力學參數［7］。前者獲取方便、經濟且可得連續資料；后者卻獲取慢而昂貴，還很難得到連續的資料。可是在實際應用中，如鉆井工程所需要的卻是靜力學參數，因此最好的方法是在搞清動、靜力學參數性質的基礎上，通過線性回歸建立起它們的相互關系，實現由動力學參數到靜力學參數的轉換。

2.1 巖石力學靜態參數計算方法

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。根據巖樣在施加載荷條件下的應力—應變關系，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，稱為巖石的靜態彈性模量和靜態泊松比［8］。

楊氏彈性模量是巖石張變彈性強弱的標志。設長為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，則縱向張應力（F／S）與張應變（ΔL／L）之比值即為靜態楊氏彈性模量（Es），楊氏模量是巖石的拉伸應力與拉伸應變之比，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，其靜態計算模型為：

泊松比（μ）又稱橫向壓縮系數。靜態泊松比表示為橫向相對壓縮與縱向相對增長之比。設長為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，則靜態泊松比（μ）計算模型為：

2.2 巖石力學動態參數計算方法

巖石的彈性常數不僅可以根據巖樣在施加載荷條件下的應力—應變關系得到，而且也可以利用彈性波的傳播關系，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彈性模量和動態泊松比，統稱動態彈性常數。根據陣列聲波測井的波形分析所提供的縱波、橫波時差，結合密度測井資料可以計算出地層任一深度的巖石力學參數?？汕蟮脦r石力學動態參數，其計算模型具體如下。

動態楊氏模量：

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 巖石物理實驗結果

選取四川盆地蜀南地區W1井下志留統龍馬溪組儲層的頁巖巖心實驗樣品10塊（圖2紅色和藍色數據點），取樣深度如表1所示，對巖樣進行斷面打磨平整，通過巖石物理實驗儀器，模擬地層溫度、圍壓，進行三軸抗壓實驗，通過巖石物理實驗，發現龍馬溪組頁巖儲層巖石的抗壓強度介于68～141.8MPa，平均抗壓強度為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，根據實驗數據即可以開展頁巖脆性參數評價，為測井評價頁巖脆性奠定實驗基礎。

圖2 W1井動靜態參數對比圖

2.4 巖石動、靜態彈性參數關系分析

依據式（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彈性參數的關系。如圖2所示，利用巖石物理實驗得到的縱橫波速度、密度、巖心靜態彈性模量、泊松比與測井得到的巖石力學參數進行分析對比，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育有關。

進一步綜合分析，實驗得到靜態泊松比與測井計算巖石泊松比對應性較好（圖2），分析可得測井計算動態泊松比（μd）、靜態泊松比（μs）幾乎為1∶1關系，即：μd＝μs。

表1 W1井龍馬溪組頁巖三軸抗壓實驗數據表

據圖2巖石物理實驗，可看出靜態楊氏模量與測井計算的動態楊氏模量對應性較差，因而需要做巖石動、靜態楊氏模量轉換關系研究。巖石動靜態楊氏模量關系圖表明（圖3），實驗得到巖石動靜態楊氏模量相關性較好，相關系數R＝0.842。因此可利用實驗得到巖石動靜態楊氏模量回歸關系，從而得到頁巖楊氏模量的動靜態轉換關系模型：

式中Es為巖石靜態楊氏模量，6 890MPa；Ed為巖石動態楊氏模量，6 890MPa；a、b分別為系數。

圖3 頁巖巖石動、靜態楊氏模量的關系圖

3 頁巖儲層脆性指數的測井評價方法

巖石脆性理論是泊松比和楊氏模量的綜合體現［9－11］。這兩個分量（泊松比和楊氏模量）結合起來能夠反映巖石在應力（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行歸一化處理，然后進行平均從而計算出作為百分數的脆性指數。

圖4 泊松比與楊氏模量交會圖

該理論指出韌性頁巖點將落在東北角［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。對巖石脆性進行定量評價的脆性指數可以從隨后的步驟獲得［15］。

3.1 頁巖脆性指數泊—楊法計算方法

1）找出泊松比和楊氏模量在各自區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＿MIN為楊氏模量最小值（最具彈性的）；YM＿MAX為楊氏模量最大值（最具脆性的）；PR＿MIN為泊松比最小值（最具脆性的）；PR＿MAX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楊氏模量轉換模型，對測井計算楊氏模量進行校正，最終校正巖石脆性指數接近巖心實際脆性指數（圖5）。從圖5中可以看出，校正后的楊氏模量、脆性指數（紅色曲線）與巖心實際靜態楊氏模量、巖心脆性指數一致性較好，說明利用頁巖力學實驗建立的動靜態轉換模型在該地區具有較好的適用性。

圖5 W1井動、靜態參數校正及脆性成果圖

3.2 頁巖脆性礦物含量測井計算方法

根據W1井頁巖巖心礦物組分分析數據，利用三角巖性圖版的頁巖巖石礦物組分分布情況并結合巖心脆性指數（圖6）得出，紅色數據點的巖石脆性大于40%，藍色數據點的巖石脆性為30%～40%，黑色數據點為小于30%。從圖6中可以看出，黏土含量大于40%時，巖石脆性指數明顯降低。

根據前人研究成果［16］，認為頁巖脆性礦物主要為石英、長石。通過本次研究綜合分析，認為當黏土含量小于40%，頁巖脆性指數與黏土含量關系不明顯，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分。進一步分析（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，易于溶蝕產生溶孔。通過以上頁巖巖石礦物組分與巖心脆性實驗結果分析，該地區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，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。

通過測井優化處理計算，得到巖石礦物成分含量，進而計算脆性礦物含量。但與實驗得到靜態參數計算巖石脆性指數存在一定的差異，因此，建立礦物成分計算巖石脆性指數與巖心脆性指數校正圖（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，也可為優選儲層改造層段提供技術支撐。

圖7 礦物成分法計算脆性與巖心脆性指數校正圖

礦物成分計算巖石脆性指數與巖心脆性指數校正模型為：

式中b0、b1分別為系數。

4 現場應用

對XX地區頁巖氣儲層段脆性指數、脆性礦物含量及動、靜巖石力學參數進行了分析，頁巖儲層巖性細、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、層理發育、層間縫發育，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參數泊松比、楊氏模量綜合分析，是巖石整體力學的反映，大多數認為更能反映巖石的脆性。如圖8所示，兩種計算方法結果在頁巖氣儲層段具有相同的變化趨勢。

根據測井計算頁巖脆性指數結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，脆性指數較??；試油上、下段脆性礦物含量高，脆性指數大，通過對試油段破裂點監測，頁巖儲層壓裂改造破裂點主要集中在上下兩段，最終試油獲得頁巖氣工業氣流，結果表明測井計算脆性指數對試油壓裂改造有較好的指導意義。

5 結論及建議

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計算方法，得到以下結論及建議：

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

圖8 W1井頁巖氣井段巖石脆性指數處理成果圖

2）通過巖石礦物組分含量結合脆性指數研究，認為當黏土含量大于40%時，巖石脆性明顯降低；當黏土含量小于40%時，巖石脆性指數與黏土含量關系不明顯，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的兩種計算方法，即泊—楊法和礦物含量法。當測井資料齊全，有縱橫波和密度測井資料時，泊—楊法計算的頁巖脆性指數結果精度較高，優選泊—楊法；當測井資料較少，無陣列聲波測井時，礦物成分法作為泊—楊法的補充，同樣能夠較準確地評價頁巖脆性。

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