新疆油田獲中國國家發明專利金獎破解巖石密碼

文／姜晶華

●金獎背后，是無數次的研究討論。

是遵循北美頁巖油氣通行的技術方法，在挫敗面前止步不前，還是始終不渝，創立一種適合我國陸相頁巖油巖石脆性指數表征方法，用以指導同類油氣藏的勘探開發？

大約10年前，新疆油田勘探開發研究院的科研團隊堅定地選擇了后者。歷經千回百轉，今年7月14日，一項名為“一種巖石脆性的測井方法及裝置”榮獲中國國家發明專利金獎。

這項成果的核心是：以巖石學、巖石力學、巖石物理學參數聯測實驗為基礎，研究發現了巖石脆性指數與巖石物理參數之間內在的變化規律，發明了具有膠結物類型、含量及應力環境校正的巖石脆性指數表征方法，彌補了現有技術的不足，突破了我國陸相地層測井脆性高精度連續表征技術瓶頸。

待解的技術瓶頸

巖石脆性指數表征方法，是一把打開碎屑巖可壓性評價的“鑰匙”，讓石油人能提前預測哪些儲層壓裂后產量會更高，為這類儲層的高效勘探和開發提供“密碼”。

但是，“巖石脆性表征現有的技術方法都具有一定應用環境和使用條件，沒有一種技術方法可以適用所有的地質條件?！睂τ谶@一點，“一種巖石脆性的測井方法及裝置”發明專利的第一完成人孫中春深有體會。

十年前，新疆油田向吉木薩爾頁巖油邁出勘探步伐，并接連獲得新發現。然而，由于儲層品質不高，必須通過壓裂來實現有效開發和穩產。隨之，作為壓裂設計的核心參數，巖石脆性指數高精度連續測井表征成為急需突破的關鍵技術。

起初，這個關鍵技術算不上難題。當時，油氣現場通行的測井連續脆性表征方法是在北美頁巖油氣勘探實踐基礎上形成的。主要有兩類：一類是動態參數法，另一類是脆性礦物含量法。

不料，使用此類方法后，吉木薩爾頁巖油甜點脆性表征出現了令人遺憾的結果。

“以吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油甜點實驗數據的脆性分類為例，動態參數法脆性分類的準確率不足60%，礦物含量法的脆性分類準確率不足40%。”孫中春介紹說。

2011年，在查閱了大量文獻和進行了反復現場試驗后，孫中春領銜的科研團隊找到了制約北美頁巖油氣測井連續脆性表征方法的核心原因——這兩類方法存在明顯的技術不足。一是沒有考慮碎屑巖儲層的膠結方式、膠結物類型和含量的影響；二是沒有考慮環境應力變化對巖石脆性的影響。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油甜點膠結的類型及含量變化較大，既有黏土膠結又有碳酸鹽巖膠結，且甜點埋深的變化較大。應用現有的兩類方法，造成了碳酸鹽巖膠結甜點計算的脆性指數明顯偏小，黏土膠結物含量較高的甜點計算的脆性指數明顯偏高。同一巖性的甜點小層，出現了隨埋深增大脆性指數顯著增大的違背巖石力學基本特征的不合理的現象。

“從吉木薩爾頁巖油擴展到更廣的范圍來看，由于我國低滲透、致密及頁巖油儲層多發育于陸相地層，這兩類方法的技術缺陷在陸相地層應用問題較為突出。陸相地層巖石脆性測井高精度的連續表征成為技術瓶頸，急需突破?！睂O中春說。

曲折的探索實踐

“低滲透、致密油、頁巖油氣需要壓裂才能有效開發。巖石的脆性指數是儲層壓裂增產潛能評價的關鍵參數，巖石脆性指數連續測井表征是壓裂設計的核心技術……找到巖石物理參數與巖石力學參數之間的關聯性是實現巖石脆性指數測井連續高精度表征的技術關鍵……”這段話在孫中春和科研團隊的討論中出現了無數次。

為了找到這種“內在關聯性”，研究團隊設計了多種巖石力學和巖石物理學參數聯測的實驗方案。

從2011年到2014年，由克拉瑪依的實驗室到內地高校的實驗室，再由國內的實驗室到國外的實驗室，科研團隊經歷著“坐過山車式”的心路歷程。多次的實驗失敗，沒有磨滅研究人員的信心。總結經驗，研究人員發現了實驗效果不理想的原因：一是模擬的應力環境不夠理想，二是聯測的技術方法不夠理想。

莫道浮云終蔽日，嚴冬過盡綻春蕾。研究人員按照實驗目的設計實驗方法和實驗流程，參加實驗過程并進行實驗質控。最終，實驗順利完成并達到了預期的實驗效果。

實驗數據揭示：巖石的脆性隨黏土膠結物含量的增加呈冪指數降低；隨碳酸鹽巖膠結物含量的增加，巖石的脆性指數呈冪指數增大；隨圍壓的增加，巖石的脆性指數呈冪指數降低。

以上述實驗結果為指導，一種具有膠結類型、含量和應力環境校正的測井表征模型誕生了。實驗數據表明，該模型脆性指數巖石脆性分類的符合率達到96%以上，完全能夠滿足生產需求。困擾多年的技術瓶頸終于被突破了。

隨后，“一種巖石脆性的測井方法及裝置”實現了從實驗室到生產現場的成果轉化，為碎屑巖壓裂選層，壓裂工藝設計及分段、分簇提供了重要的技術利器。

通用的巖石密碼

“一種巖石脆性的測井方法及裝置”獲得中國國家發明專利金獎后，有朋友問孫中春：“老孫，你們的專利名稱里有‘裝置’，是啥裝置？”

●深入的野外考察奠定研究基礎。

其實，這個“裝置”并非有形實物，而是一種無形的邏輯框架、工作流程。換句話說，這種巖石脆性的測井方法及邏輯框架是一種通用的碎屑巖巖石脆性表征的“密碼”，適應于所有的碎屑巖地層。

據悉，此項專利已在中石油的范圍內推廣應用，為我國非常規油氣的壓裂開采提供了全新的技術手段。

中國工程院院士翟光明和趙曉哲認為：參評專利“建立了全新的脆性指數表征模型，巧妙地避開了彈性參數動、靜態轉換的技術難題，創造性地建立了巖石結構和應力環境校正項，實現了巖石結構及應力環境變化引起的脆性指數變化的有效表征”，“填補了測井脆性表征巖石結構、應力環境校正的技術空白”。

中國工程院院士邱中建、中國科學院院士戴金星、中國工程院院士李根生、中國科學院院士鄒才能及多位教授組成的專家組鑒定認為：這項發明專利“發明了具有應力環境校正和巖石結構校正的脆性表征方法，實現了復雜巖性和應力條件下的巖石脆性表征，為頁巖油氣、儲層改造、壓裂分段、分簇提供了關鍵的工程參數”。