劉雙蓮，李浩，張?jiān)?/p>

（1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2．中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

0 引 言

頁巖儲(chǔ)層為低孔隙度特低滲透率致密儲(chǔ)層，需要采用水平井技術(shù)及儲(chǔ)層改造技術(shù)進(jìn)行開采才能有效達(dá)到工業(yè)開發(fā)規(guī)模［1］。水平井儲(chǔ)層改造效果的好壞與頁巖氣儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特性、儲(chǔ)層性質(zhì)等密切相關(guān)［2］。其中，頁巖儲(chǔ)層的脆性將直接影響儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特性，影響儲(chǔ)層最終改造效果。通常的做法是以脆性指數(shù)（BI）評(píng)價(jià)頁巖脆性，脆性指數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確與否直接影響壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)及壓裂效果。

調(diào)研情況分析，評(píng)價(jià)頁巖脆性指數(shù)的方法有20種之多，易于操作且常用的評(píng)價(jià)方法主要有3種，一是Jarvie D M［3］和 Rickman R［4］等利用頁巖中脆性礦物含量計(jì)算脆性指數(shù)；二是Rickman R提出利用測(cè)井曲線計(jì)算的彈性模量和泊松比計(jì)算脆性指數(shù)；三是Grieser B［5］提出的利用在一定深度段內(nèi)讀取彈性模量和泊松比的最大值與最小值的方法計(jì)算脆性指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)采用這3種方法對(duì)同一地層的脆性指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，其中利用脆性礦物含量計(jì)算的脆性指數(shù)值在高總有機(jī)碳含量（TOC）頁巖處與其他2種方法存在明顯的差異。本文基于此，開展了TOC含量對(duì)脆性指數(shù)影響分析。

1 常用3種脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法

1．1 脆性礦物含量計(jì)算脆性指數(shù)法（方法1）

頁巖中脆性礦物是指頁巖礦物組分里包含的硅質(zhì)、鈣質(zhì)等礦物含量，Jarvie D M［3］和 Rickman R［4］采用式（1）對(duì)Barnett頁巖脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算

式中，VQuartz、VCarb、VClays分別為硅質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量、泥質(zhì)含量。

1．2 彈性模量和泊松比計(jì)算脆性指數(shù)（方法2）

Rickman R采用彈性模量和泊松比計(jì)算脆性指數(shù)，即

式中，YM和PR為利用測(cè)井曲線計(jì)算的彈性模量和泊松比；YMBRIT、PRBRIT分別為利用彈性模量和泊松比計(jì)算的脆性指數(shù)，二者平均值BI2為最后的脆性指數(shù)。

1．3 彈性模量和泊松比最大、最小值法計(jì)算脆性指數(shù)（方法3）

Grieser B等［5］提出利用在一定深度段內(nèi)讀取彈性模量和泊松比的最大值和最小值，計(jì)算脆性指數(shù)的公式為

式中，YM和PR為利用測(cè)井曲線計(jì)算的靜態(tài)彈性模量和泊松比；YMmax、YMmin分別為計(jì)算井段內(nèi)彈性模量的最大值和最小值；PRmax、PRmin分別為計(jì)算井段內(nèi)泊松比的最大值和最小值；YMBRIT、PRBRIT分別為利用彈性模量和泊松比計(jì)算的脆性指數(shù)，二者平均值BI3為最后的脆性指數(shù)。

1．4 3種方法計(jì)算脆性指數(shù)差異實(shí)例分析

分別采用上述3種方法進(jìn)行了頁巖的脆性指數(shù)計(jì)算。圖1中第6道是計(jì)算的脆性指數(shù)剖面，其中紅色實(shí)線、綠色及藍(lán)色虛線分別對(duì)應(yīng)方法1、方法2及方法3計(jì)算的脆性指數(shù)曲線。

從圖1中可以看出，第1種利用礦物含量計(jì)算脆性指數(shù)的值相對(duì)偏大，特別是在Y1井2380～2415m井段，該方法計(jì)算值明顯大于后2種方法。仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，在2380m以上地層，3種方法計(jì)算結(jié)果差異并不特別明顯，總體具有趨勢(shì)一致的特點(diǎn)。

2 TOC對(duì)脆性指數(shù)影響分析

為了厘清TOC對(duì)脆性指數(shù)計(jì)算具體有哪些影響，本文根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合該井段測(cè)井響應(yīng)特征，開展了TOC對(duì)脆性指數(shù)評(píng)價(jià)影響的探索研究。

圖1 Y1井頁巖地層脆性特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表1是2口井的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與TOC含量關(guān)系表。從表1中可以看到，在相同的測(cè)試條件下，彈性模量與泊松比并不因?yàn)門OC含量的增大而發(fā)生顯著的變化。分析表1中TOC、石英及黏土含量與彈性模量與泊松比之間的關(guān)系可以看出，彈性模量受TOC影響小，但受石英含量的影響比較大，石英含量高時(shí)，彈性模量測(cè)試值相對(duì)較高，其中Y1井的2406．95～2407．00m井段石英含量達(dá)51．5%，其彈性模量達(dá)到37963MPa；Y2井的2153．15～2153．23m井段石英含量為61．1%，彈性模量為39977MPa。對(duì)較小，當(dāng)TOC含量為4．2%時(shí)，密度測(cè)量值2．45 g／cm3；當(dāng)TOC含量為1%時(shí)，密度測(cè)量值為2．61 g／cm3。由此推測(cè)，密度測(cè)量值受頁巖地層中TOC含量的影響而降低，從而導(dǎo)致方法2與方法3計(jì)算的脆性指數(shù)值偏低。

由實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)可知，利用方法2與方法3計(jì)算脆性指數(shù)，由于測(cè)井曲線是儲(chǔ)層信息的綜合反映，不僅包括頁巖巖石骨架，同時(shí)包括流體、孔隙、裂縫與TOC含量等多種信息，因此測(cè)井曲線測(cè)值受到各種綜合因素的干擾，對(duì)于相同含氣頁巖，TOC含量的影響最大。其中TOC含量對(duì)密度、自然伽馬及中子的測(cè)量值影響最大，聲波測(cè)量值影響較小。表2統(tǒng)計(jì)了對(duì)泊松比與彈性模量計(jì)算有影響的密度與縱橫波時(shí)差值。從表2中可以看到，TOC含量對(duì)密度測(cè)值影響較大，而對(duì)縱橫波時(shí)差測(cè)量值影響相

式中，Δtp為縱波時(shí)差，μs／ft；Δts為橫波時(shí)差，μs／ft；ρb為體積密度，g／cm3。

圖2是利用式（8）和式（9）計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)成果圖。圖2中第8、9道分別是計(jì)算的彈性模量、泊松比與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從計(jì)算結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，在上部TOC含量較低層段（2030～2130m），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)井計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。而在下部TOC含量高的地層（2140～2160m），實(shí)驗(yàn)得到的彈性模量明顯大于測(cè)井計(jì)算值，而泊松比受影響較小，由此說明，受TOC含量升高影響，密度測(cè)值明顯偏低，導(dǎo)致彈性模量計(jì)算結(jié)果偏低，也直接影響到由彈性模量計(jì)算得到的脆性指數(shù)值。

表1 Y1、Y2井彈性模量、泊松比與TOC及礦物含量表

表2 Y1、Y2井彈性模量、泊松比與測(cè)井響應(yīng)關(guān)系表

圖2 Y2井計(jì)算巖石力學(xué)成果圖

3 TOC含量影響校正

針對(duì)TOC含量對(duì)測(cè)井曲線的影響，嘗試校正由TOC含量引起的彈性模量計(jì)算結(jié)果。由體積計(jì)算模型分析，測(cè)井測(cè)得的密度ρb是由巖石骨架、流體及TOC體積密度的總體體現(xiàn)［6］。因此，計(jì)算彈性模量參數(shù)時(shí)，采用巖石的骨架密度參與計(jì)算，則有可能校正由TOC含量帶來的影響。

以TOC實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)刻度測(cè)井，建立了多參數(shù)擬合法計(jì)算TOC含量。圖3中有機(jī)碳計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算的TOC含量與實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)碳含量具有較好的一致性。利用計(jì)算出來的TOC含量，采用體積模型，計(jì)算出相應(yīng)頁巖地層的巖石骨架密度。

將巖石的骨架密度代入式（9）計(jì)算彈性模量，與實(shí)驗(yàn)值相比較（見圖3），經(jīng)過校正后的彈性模量計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較為接近；同理，3種方法計(jì)算的脆性指數(shù)趨于一致。

圖3 Y2井TOC校正后計(jì)算的巖石力學(xué)成果圖

4 結(jié) 論

（1）頁巖脆性指數(shù)計(jì)算方法較多。采用不同的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)在TOC含量高的頁巖層段其脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果存在明顯差異，其中以礦物組分計(jì)算的脆性指數(shù)值明顯高于用巖石力學(xué)參數(shù)（彈性模量與泊松比）的計(jì)算結(jié)果。

（2）研究采用體積模型法對(duì)TOC含量高的頁巖地層的密度測(cè)井值進(jìn)行校正，能有效消除頁巖層段TOC對(duì)頁巖密度骨架的影響。利用校正后的密度計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)與脆性指數(shù)，具有3種方法計(jì)算結(jié)果趨于一致的效果。

（3）從理論角度嘗試分析了TOC含量對(duì)脆性指數(shù)的影響，如要深入分析其機(jī)理，需加強(qiáng)頁巖有機(jī)質(zhì)含量與巖石力學(xué)相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，多角度分析脆性指數(shù)的影響因素。

［1］劉雙蓮，陸黃生．頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)方法探討［J］．測(cè)井技術(shù)，2011，35（2）：112－116．

［2］蔣廷學(xué)．頁巖油氣水平井壓裂裂縫復(fù)雜性指數(shù)研究及應(yīng)用展望［J］．石油鉆探技術(shù)，2013，40（4）：17－22．

［3］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al．Uncoventional Shale－Gas Systems：The Mississippian Barnett Shale on North－central Texas as one Model for Thermogenic Shale－Gas Assessment［J］．APPG Bulletin，2007，91（4）：475－499．

［4］Rickman R，Mullen M，Petre E，et al．A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization：All Shale Plays are not Clones of the Barnett Shale［C］∥SPE115258，presented at 2008SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Denber，Colorado，2008．

［5］Grieser B，Bray J．Identification of Production Potential in Unconventional Reservoirs［C］∥SPE 106623 presented at 2007SPE Production and Operations Symposium，Oklahoma City，Oklahoma，2007．

［6］Sondergeld C H，Newsham K E，Comisky J T，et al．Petrophysical Considerations in Evaluating and Producing Shale Gas Resources［C］∥SPE 131768presented at 2010SPE Unconventional Gas Conference held in Pittsburgh，Pennsylvania，USA，2010．