基于成像礦物譜的頁巖氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)計(jì)算方法
——以四川盆地南部下志留統(tǒng)龍馬溪組為例

顏 磊 何傳亮 侯克均

1. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院 2. 中石化西南石油工程技術(shù)服務(wù)股份有限公司

0 引言

頁巖氣儲(chǔ)層的脆性礦物含量和脆性指數(shù)是影響其壓裂效果及產(chǎn)能的重要參數(shù)，是頁巖氣藏壓裂方案設(shè)計(jì)的核心技術(shù)問題之一[1-4]。對(duì)于油氣儲(chǔ)層而言，巖石脆性一般定義為巖石發(fā)生破裂前的瞬態(tài)變化難易程度，間接反映的是儲(chǔ)層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度，一般可以通過脆性指數(shù)來定量表征[5-6]。

目前國內(nèi)外常用的脆性指數(shù)的計(jì)算方法[7-8]，大致上可分為兩種：①是基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)計(jì)算方法。當(dāng)測井資料齊全，有密度測井資料、陣列聲波或偶極聲波所測量的縱、橫波時(shí)差時(shí)，即可通過泊—楊法計(jì)算巖石脆性指數(shù)[9-11]；②是基于脆性礦物(石英、長石、碳酸鹽礦物等)含量的計(jì)算方法。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過X射線衍射資料獲得巖石的礦物組分并進(jìn)一步定量計(jì)算巖石脆性指數(shù)[9,12-13]。這兩種方法雖然被認(rèn)為是比較可靠的通過礦物組分計(jì)算脆性指數(shù)的方法，但缺點(diǎn)是成本較高，耗時(shí)耗力，并且過分依賴于取心資料，基本都是散點(diǎn)數(shù)據(jù)。

四川盆地南部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖，是該地區(qū)永川、威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣主力研究層位[14-15]。筆者以此為例，利用成像測井?dāng)?shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，通過對(duì)頁巖礦物含量的定量分析，建立了頁巖氣儲(chǔ)層的礦物含量和脆性指數(shù)的定量計(jì)算方法。這種方法一定程度上解決了不依靠巖心實(shí)驗(yàn)資料來評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層脆性的技術(shù)難題，具有較高的計(jì)算精度和現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值；對(duì)比常規(guī)測井資料，成像測井能精確反映井周的巖性及脆性變化情況，比如裂縫的發(fā)育狀況、局部的巖性變化等[16-17]；對(duì)層理和薄層的識(shí)別能力較好，這些信息在頁巖儲(chǔ)層脆性及可壓裂性評(píng)價(jià)中也非常重要。最后以永頁X1井和威頁X1井所鉆遇的龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層為實(shí)例，計(jì)算地層的脆性指數(shù)。結(jié)果表明該方法效果較好，能夠解決研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)的技術(shù)難題。

圖1 原始成像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖

1 基于成像礦物譜的脆性指數(shù)計(jì)算方法

通過對(duì)成像測井?dāng)?shù)據(jù)分析和校正，進(jìn)行圖像的直方圖加強(qiáng)，將成像測井圖像刻度為成像礦物譜；然后基于正態(tài)分布理論并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，通過解析成像礦物譜，獲得礦物含量；最后結(jié)合裂縫特征等建立了脆性指數(shù)計(jì)算模型，最終形成了頁巖儲(chǔ)層礦物含量及脆性指數(shù)的計(jì)算方法。

1.1 成像測井?dāng)?shù)據(jù)分析、校正及處理

在成像測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解編和深度校正后，對(duì)極板的數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)（圖1，紅線為99%的數(shù)據(jù)分布區(qū)域）。由于儀器極板刻度因素等影響，各極板的原始測井?dāng)?shù)據(jù)分布范圍變化較大，峰值分布不合理，部分?jǐn)?shù)據(jù)可能為畸變值，這與地層的實(shí)際情況不符合，需要依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行各極板數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化校正。

由于方解石等碳酸鹽巖礦物和石英等碎屑巖礦物的差異，在圖中會(huì)出現(xiàn)雙峰特征；又因?yàn)閭€(gè)別壞電極等影響，大約有1%的無效數(shù)據(jù)需要用鄰近插值處理，約99%分布區(qū)間的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。據(jù)此設(shè)置各極板數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的范圍，采用正態(tài)分布函數(shù)進(jìn)行極板數(shù)據(jù)的分布區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)劃分為0～255級(jí)區(qū)間。正態(tài)分布概率密度函數(shù)為：

式中x表示極板電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，S/m；μ、σ表示常數(shù)，無量綱。

μ決定了圖形的數(shù)據(jù)分布中心位置，σ決定了圖形中峰的陡峭程度。

通過f(x)函數(shù)處理將極板數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化（圖2），數(shù)據(jù)分布中心和主峰高度都較接近。將標(biāo)準(zhǔn)化后的測井?dāng)?shù)據(jù)通過變換，采用直方圖增強(qiáng)的方式進(jìn)行成像測井?dāng)?shù)據(jù)圖像增強(qiáng)，得到圖像灰度分布均勻且級(jí)數(shù)為0～255范圍內(nèi)的數(shù)字圖像。

采用離散函數(shù)將每一灰度級(jí)rk映射到預(yù)計(jì)的灰度級(jí)Sk，得到均衡化的數(shù)據(jù)為：

式中n表示圖像中像素的數(shù)量和，無量綱；nj表示灰度級(jí)為rj的像素?cái)?shù)量，無量綱；r表示輸入圖像的灰度級(jí)，無量綱；pr表示前面獲得的直方圖數(shù)據(jù)，無量綱；k=0, 1, 2, …, L－1；L表示離散灰度級(jí)的數(shù)量，無量綱。

圖2 原始成像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的統(tǒng)計(jì)直方圖

將前面的均衡數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)變換得到直方圖規(guī)定化數(shù)據(jù)：

式中Z表示輸出圖像的灰度級(jí)，無量綱。

通過上述處理，將原始數(shù)據(jù)的每個(gè)像素rk映射到對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)Sk，再將Sk映射到最終的灰度級(jí)值Zk，從而實(shí)現(xiàn)直方圖增強(qiáng)。采用全井段作為窗長得到靜態(tài)成像測井圖像XRMI_S1，采用一定窗長得到動(dòng)態(tài)成像測井圖像XRMI_D1。

1.2 靜態(tài)成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為成像礦物譜

基于全井段標(biāo)準(zhǔn)化和增強(qiáng)的靜態(tài)成像測井?dāng)?shù)據(jù)，較準(zhǔn)確地反映了地層的巖性特征。一般情況下，在頁巖氣儲(chǔ)層的靜態(tài)成像測井圖像上，高亮顏色部分對(duì)應(yīng)高電阻率的巖石，例如石英、方解石等；暗色部分對(duì)應(yīng)低電阻率的巖石，例如黏土礦物，并且不同礦物對(duì)應(yīng)的顏色有差異[18-19]。

但是僅根據(jù)顏色差異難以精確區(qū)分巖性，為了定量分析，需要將成像圖0～255灰度級(jí)映射為礦物譜，并刻度到0～100區(qū)間，通過轉(zhuǎn)化后，用波形來顯示成像礦物譜（圖3）。具體的映射關(guān)系為：

式中XSPEC(X)表示任意點(diǎn)的礦物譜數(shù)據(jù)，無量綱；XRMI_S1(X)表示任意點(diǎn)的靜態(tài)成像測井?dāng)?shù)據(jù)，無量綱。

圖3 成像測井波形礦物譜圖

1.3 礦物譜分布截止值的確定

筆者在成像礦物譜分布特征研究基礎(chǔ)上，采用巖心礦物成分分析刻度成像礦物譜的方法，利用實(shí)驗(yàn)礦物成分分析結(jié)果開展了成像礦物譜方解石類、石英長石類和黏土類礦物組分譜分布截止值確定的研究。研究中采用方解石類譜分布截止值（C1）和石英長石類譜分布截止值（C2）取不同截止值條件下，進(jìn)行成像礦物譜計(jì)算的礦物含量與對(duì)應(yīng)井段巖心分析礦物含量對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)方解石類譜分布截止值C1為25%、石英長石類譜分布截止值C2為50%時(shí)，成像礦物譜計(jì)算的礦物含量與對(duì)應(yīng)井段巖心分析礦物含量結(jié)果基本一致，并且在非取心段及成像礦物譜計(jì)算的礦物含量與對(duì)應(yīng)井段的巖性掃描測井或者元素俘獲測井資料分析的礦物含量結(jié)果基本一致。由此可以確定川南龍馬溪組成像礦物譜方解石類譜分布截止值C1為25%、石英長石類譜分布截止值C2為50%（圖4）。然后根據(jù)地層成像礦物譜分布特征，進(jìn)行地層礦物譜解析，并計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層方解石類、石英長石類和黏土類的礦物含量。

1.4 計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層中的脆性指數(shù)

根據(jù)礦物譜解析結(jié)果，獲得方解石類、石英長石類和黏土含量。在頁巖氣儲(chǔ)層中，石英、長石類礦物含量對(duì)地層的可壓裂性影響最大，因此采用石英、長石類含量與所有礦物含量的比例來計(jì)算脆性指數(shù)。即

式中XBrite表示脆性指數(shù)；XV石英表示解析的石英礦物體積；XV黏土表示解析的黏土礦物體積；XV方解石表示解析的方解石礦物體積。

圖4 成像礦物譜分布截止值解析圖

2 龍馬溪組頁巖氣井實(shí)例分析

基于建立的頁巖氣儲(chǔ)層礦物含量及脆性指數(shù)分析方法，利用成像測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了川南頁巖氣井的XRMI成像測井資料處理解釋（圖5），永頁X1井計(jì)算的礦物含量成果（圖5第6道）與元素俘獲能譜測井成果（圖5第9道）具有很好的相關(guān)性。在長井段，兩者在黏土礦物、石英與長石類礦物、方解石礦物的體積含量等變化趨勢一致，數(shù)值基本相近。

從應(yīng)用效果來看，本方法在實(shí)際計(jì)算中具有更高的精度，能夠精確反映地層礦物含量、裂縫及地層層理的細(xì)微變化，計(jì)算的脆性指數(shù)XBrite能夠有效反映地層脆度變化情況。另外，在層理、裂縫特征的評(píng)價(jià)中具有更直觀的優(yōu)勢[20-22]。例如，永頁X1井在4 087～4 097 m井段的脆性相對(duì)更高，因此建議本井在該段開窗側(cè)鉆水平段，該井水平段獲得頁巖氣產(chǎn)量7.37×104m3/d，在水平井靶點(diǎn)層位優(yōu)選中得到成功應(yīng)用。目前，該技術(shù)已經(jīng)在永川和威遠(yuǎn)地區(qū)的永頁X1井、永頁X2井、威頁X1井等多口頁巖氣井中進(jìn)行了應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)吻合較好，其誤差情況如表1所示，精度較高，證明利用該方法對(duì)頁巖氣脆性指數(shù)的評(píng)價(jià)效果顯著。

從該方法在威頁X1井的應(yīng)用情況看：首先，常規(guī)測井曲線特征表明井深3 579～3587 m頁巖儲(chǔ)層段有機(jī)質(zhì)豐富，物性較好，計(jì)算的游離氣含量高，該段為本井的優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層段；其次，從成像圖、礦物譜及計(jì)算的脆性指數(shù)看，總體裂縫欠發(fā)育，暗色層理發(fā)育明顯，礦物譜上呈高尖峰譜特征，3583.5～3 587.0 m井段的脆性指數(shù)更高，均值約為66.3%，綜合地質(zhì)及工程的脆性因素，建議將該段作為開窗側(cè)鉆的目的層（圖6）。從實(shí)際水平段的軌跡來看，進(jìn)入A靶點(diǎn)后軌跡在3 580.5～3583.5 m井段中穿行的比例為15.5%，3583.5～3 587.0 m井段中穿行的比例為84.5%，主要的穿行軌跡為該方法技術(shù)提出的目的層段，最終測試獲得頁巖氣產(chǎn)量17.20×104m3/d，應(yīng)用效果顯著。

圖5 川南永頁X1井成像測井計(jì)算成果與巖性掃描測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比圖

表1 基于成像測井及巖心分析的脆性指數(shù)對(duì)比表

3 結(jié)論

1）基于成像礦物譜的脆性指數(shù)計(jì)算方法，成本較低、適用性強(qiáng)，具有較高的計(jì)算精度和實(shí)用價(jià)值；能夠精確反映井周的巖性及脆性變化情況，同時(shí)對(duì)層理和薄層也具有較好的識(shí)別能力。這些信息在頁巖儲(chǔ)層脆性及可壓裂性評(píng)價(jià)中具有非常重要的參考價(jià)值。

2）該技術(shù)方法計(jì)算的脆性指數(shù)XBrite能夠有效反映地層脆度變化情況，與多口井的巖心分析脆性指數(shù)誤差較小，在一定程度解決了常規(guī)測井資料獲取頁巖儲(chǔ)層脆性礦物含量及脆性指數(shù)精細(xì)評(píng)價(jià)的技術(shù)難題，具有較高的計(jì)算精度和實(shí)用價(jià)值。

3）通過在四川盆地永川區(qū)塊和威遠(yuǎn)區(qū)塊多口井的應(yīng)用，該方法能為水平井的靶窗層位選擇提供如脆性指數(shù)等工程參數(shù)，效果顯著，多口井測試獲得頁巖氣工業(yè)產(chǎn)能。

圖6 川南威頁X1井基于成像礦物譜的脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果圖