李寧，郝加良，秦廣勝，鄧明霞，晉達(dá)

（1.中國(guó)石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長(zhǎng)春130000；2.中國(guó)石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮陽(yáng)457001）

0 引言

隨著頁(yè)巖氣研究的逐步推進(jìn)，中國(guó)頁(yè)巖氣在勘探開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)取得了不菲的成績(jī)，重慶涪陵等地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大型的頁(yè)巖氣田。東濮凹陷在勘探歷程上也早有發(fā)現(xiàn)鹽間泥頁(yè)巖裂縫油氣顯示，鉆井取心及EMI成像測(cè)井均證實(shí)確實(shí)具有鹽間高壓泥巖裂縫油氣藏，但由于該類油藏的隱蔽性和復(fù)雜性，勘探開發(fā)難度都較大，如何利用地震資料對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別和預(yù)測(cè)，是鹽間泥巖裂縫油氣藏成功勘探的技術(shù)關(guān)鍵。

泥頁(yè)巖本身具有低孔、低滲的特征［1］，需經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)量，而泥頁(yè)巖的脆性對(duì)壓裂有非常重要的影響，因此研究泥頁(yè)巖的脆性，是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的關(guān)鍵指標(biāo)之一。脆性越高，越傾向于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，泥頁(yè)巖產(chǎn)能也越高；脆性越差，泥頁(yè)巖的塑性特征越明顯，破壞時(shí)吸收的能量越多，越易形成簡(jiǎn)單形態(tài)的裂縫，在一定程度上降低了壓裂改造的效果［2］。

工程上通常使用彈性模量和泊松比作為評(píng)價(jià)頁(yè)巖脆性的標(biāo)準(zhǔn)［3］。彈性模量越大，說明巖石越不容易發(fā)生形變。泊松比的大小標(biāo)志著材料的橫向變形系數(shù)，泊松比越大，說明巖石在壓力作用下越容易膨脹。不同的彈性模量和泊松比的組合能反映巖石不同的脆性，彈性模量越大，泊松比越低，巖石的脆性越高。因此，通過地震疊前反演得到反映脆性的2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——彈性模量與泊松比，進(jìn)而預(yù)測(cè)脆性指示因子，這是目前國(guó)內(nèi)利用地震方法預(yù)測(cè)脆性指示因子的主要方法。

1 脆性指示因子計(jì)算方法

1.1 脆性指示因子計(jì)算

泥頁(yè)巖礦物組成非常復(fù)雜，主要分為石英類、碳酸鹽巖類和黏土類3 種，石英體積分?jǐn)?shù)高的區(qū)域標(biāo)志為有利的頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)。Jarvie［4］在北美Barnett 頁(yè)巖脆性指示因子研究中主要考慮了石英的作用。

通過對(duì)東濮凹陷沙三上亞段和沙三中亞段泥頁(yè)巖樣品的X 衍射全巖物相分析，將泥頁(yè)巖的礦物組成歸為3 類，即碎屑礦物（石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、硫酸鹽）、黏土和碳酸鹽（方解石、白云石、鐵白云石、菱鐵礦）。泥頁(yè)巖全巖礦物組成中，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)17.0%～52.1%，平均27.6%，不到源巖總礦物組成的1/3。黏土礦物中，伊利石占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為黏土體積分?jǐn)?shù)的88.0%～100.0%，平均97.8%；硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)為2.0%～26.0%，平均為17.3%；碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)除少量薄層灰?guī)r外，為6.1%～46.0%，平均33.4%。在碳酸鹽礦物中，以方解石體積分?jǐn)?shù)為主，白云石次之。泥頁(yè)巖全巖礦物具有黏土礦物體積分?jǐn)?shù)低，普遍含有相對(duì)較高體積分?jǐn)?shù)的脆性組分 （硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物之和平均為50.7%）。

北美已發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏地區(qū)氣源巖全巖礦物組成一般以低黏土、高硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)為特征，黏土礦物一般低于40%，硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)在35%～75%。與北美地區(qū)頁(yè)巖油氣源巖相比，東濮凹陷泥頁(yè)巖黏土礦物體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)，硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)略低，但碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)較高，增加了脆性，有利于裂縫的形成及后期壓裂改造。因此，東濮凹陷的脆性指示因子考慮了碳酸鹽巖的作用。

用北美和東濮凹陷2 種計(jì)算方法對(duì)文古4 井的脆性指示因子進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。在彈性模量與泊松比的交會(huì)圖中可以看出（見圖1），利用石英和碳酸鹽巖計(jì)算的脆性指示因子，更能在彈性參數(shù)的變化上得到反映，即高脆性表現(xiàn)為高彈性模量和低泊松比。找到適合東濮凹陷的脆性指示因子的計(jì)算方法，可為脆性指示因子的地震預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 彈性模量與泊松比交會(huì)圖

1.2 彈性參數(shù)脆性指示因子計(jì)算

地球物理技術(shù)是指導(dǎo)泥頁(yè)巖油氣鉆井部署和儲(chǔ)層改造優(yōu)化方面必要的手段，服務(wù)和指導(dǎo)勘探開發(fā)的整個(gè)過程。利用地球物理方法預(yù)測(cè)脆性指示因子，需要建立彈性參數(shù)與脆性指示因子之間的關(guān)系。這就需要用到巖石力學(xué)的方法，即利用彈性模量和泊松比綜合計(jì)算，定義為彈性參數(shù)脆性因子。

由于泊松比和彈性模量的單位不同，為了評(píng)價(jià)每個(gè)參數(shù)對(duì)巖石脆性的影響，應(yīng)該分別進(jìn)行均一化處理，然后平均，產(chǎn)生脆性指示因子。Rickman［5］認(rèn)為泥頁(yè)巖的彈性模量分布在1～8 GPa，泊松比分布在0.15～0.40。通過計(jì)算，歸一化彈性模量和泊松比的平均值來得到脆性指示因子的計(jì)算式為

式中：BI 為脆性指示因子；Emax，Emin分別為最大、最小彈性模量，GPa；νmax，νmin分別為最大、最小泊松比。

利用這種方法計(jì)算文古4 井的彈性參數(shù)脆性指示因子，結(jié)果見圖2。將其結(jié)果與礦物脆性指示因子對(duì)比可知，脆性指示因子（第3 列藍(lán)色曲線）與巖心實(shí)測(cè)（第3 列紅色散點(diǎn)）的脆性指示因子基本相同，而彈性參數(shù)脆性指示因子（第4 列橙色曲線）與礦物脆性指示因子曲線（第4 列藍(lán)色曲線）趨勢(shì)相同，說明通過彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換能夠得到較為可靠的脆性指示因子分布。

利用巖石礦物學(xué)計(jì)算的礦物脆性指示因子與巖石力學(xué)計(jì)算的彈性參數(shù)脆性指示因子進(jìn)行比較，這2 種算法在彈性模量與泊松比的交會(huì)圖上對(duì)應(yīng)的區(qū)域基本一致，均為脆性組分對(duì)應(yīng)高彈性模量和低泊松比，柔性組分對(duì)應(yīng)低彈性模量和高泊松比。低泊松比、高彈性模量脆性泥頁(yè)巖層段是尋找高產(chǎn)油氣井的主要目的層。

圖2 文古4 井脆性指示因子計(jì)算方法比較

2 脆性指示因子地震定量預(yù)測(cè)

2.1 理論基礎(chǔ)

地震疊前反演能夠從疊前地震資料中獲得地震波縱橫波速度、 彈性模量、 泊松比等儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于巖性識(shí)別和油氣檢測(cè)都起著至關(guān)重要的作用［6-10］。脆性指示因子也可以通過反演出的泊松比和彈性模量轉(zhuǎn)換得到。

在實(shí)際的地震勘探中，地震射線是以非零角度入射到巖層分界面上，反射系數(shù)不僅與縱波速度和密度有關(guān)，而且還與橫波速度有關(guān)。因此，要準(zhǔn)確地研究反射系數(shù)的特征，必須從波動(dòng)理論出發(fā)，導(dǎo)出反射系數(shù)的精確公式。通常利用Zoeppritz 方程及其各種近似式來計(jì)算反射系數(shù)。宗兆云等［6］提出了一種通過Aki和Richards 近似方程演化后的YPD 近似方程，建立了縱波反射系數(shù)與彈性模量反射系數(shù)、 泊松比反射系數(shù)及密度反射系數(shù)的線性關(guān)系，可以通過疊前反演直接得到彈性模量和泊松比的方法，該方法適用地層為水平層狀介質(zhì)。

Fatti 等［7］的似方程能夠更穩(wěn)定地反演得到所需的彈性參數(shù)，因此，東濮凹陷，采用了此種方法。將Aki-Richard 近似公式重新整理為

其中

式中：S（θ）為地震信號(hào)；W（θ）為入射角為θ 時(shí)的子波；Zp，Zs分別為縱、橫波波阻抗，kg·m-3·m·s-1；ρ 為密度，kg/m3；D 為微分算子；vs，vp分別為橫、縱波速，m/s;k，m 為含水背景趨勢(shì)的斜率，通過分析井上的含水背景趨勢(shì)，可以縱波阻抗與橫波阻抗和密度之間存在關(guān)系中得到。

式中：kc，mc為截距；ΔLs，ΔLD為異常段到背景趨勢(shì)線的差，通常為烴類的響應(yīng)。

利用共軛梯度法求解式（2），最終得到縱波速度、橫波速度和密度數(shù)據(jù)體。將疊前反演結(jié)果轉(zhuǎn)換為彈性模量和泊松比，結(jié)合式（1），最終能夠?qū)崿F(xiàn)利用地震方法對(duì)脆性指示因子的空間預(yù)測(cè)。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

東濮凹陷柳屯洼陷及周邊地區(qū)共有74 口井在鹽間泥巖見到不同級(jí)別油氣顯示，其中文古2、文300、文403、新文401、文201 等井顯示良好。泥頁(yè)巖最富集的沉積微相類型為深湖—半深湖相和前三角洲泥，紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖相、紋層狀云質(zhì)泥巖相有機(jī)質(zhì)富集。紋層狀灰質(zhì)泥巖相聲波時(shí)差低，電阻率高［8］，表明其儲(chǔ)集空間發(fā)育程度和油氣富集程度均高；脆性指示因子高，容易壓裂，表明紋層狀灰質(zhì)泥巖相和紋層狀泥巖相為甜點(diǎn)相。為了認(rèn)識(shí)脆性指示因子的空間分布，為含油氣泥頁(yè)巖的開發(fā)及壓裂提供依據(jù)，對(duì)柳屯洼陷文古4 井區(qū)進(jìn)行了脆性指示因子預(yù)測(cè)。

圖3展示的是過文古4 井主測(cè)線的脆性指示因子。井的位置投放的是文古4 井從井上計(jì)算的脆性指示因子，預(yù)測(cè)剖面與井上計(jì)算結(jié)果吻合較好，文古4 沙三中3 泥巖段處于高脆性組分發(fā)育段。

圖3 過文古4 井的脆性指示因子分布

從脆性指示因子數(shù)據(jù)體上提取文古4 塊沙三中3含油層平面分布，利用已知幾口井的驗(yàn)證脆性指示因子的預(yù)測(cè)結(jié)果得出，文古4、水平井濮衛(wèi)383-FP2 井在沙三中3 層段脆性指示因子高，在80%～90%，文古2 及文300 井在沙三中3 層段是含油層，處于高脆性組分發(fā)育帶，文408 與文301 井在次層段為干層，處于低脆性指示因子分布區(qū)，符合情況較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

脆性指示因子是泥頁(yè)巖油氣藏勘探開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)之一，利用地球物理手段進(jìn)行定量的脆性指示因子預(yù)測(cè)能為泥頁(yè)巖油氣藏的勘探開發(fā)提供有利的技術(shù)支撐。本文對(duì)東濮凹陷的脆性指示因子進(jìn)行了分析，找到了適合東濮凹陷的脆性指示因子計(jì)算方法。通過疊前同時(shí)反演及參數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到了脆性指示因子的定量分布，并且與區(qū)塊實(shí)鉆情況符合較好，為整個(gè)東濮凹陷泥頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)做了良好的鋪墊。此方法也適宜推廣到東濮凹陷其他區(qū)域泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，與應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)合，還能有效地預(yù)測(cè)裂縫展布。

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