汪忠浩,陳 嗣,李厚霖,肖承文,周 波,吳 剛,李華瑋

(1.長江大學 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100；2.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院測井中心，新疆 庫爾勒 841000)

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泥頁巖氣層脆性特征的地球物理測井研究方法

汪忠浩1,陳 嗣1,李厚霖1,肖承文2,周 波2,吳 剛2,李華瑋2

(1.長江大學 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100；2.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院測井中心，新疆 庫爾勒 841000)

頁巖氣作為清潔能源在國際上勘探開發(fā)技術較成熟，研究手段也很豐富，頁巖氣層巖石物理特性研究就是其中的關鍵技術之一。就中國頁巖氣勘探區(qū)塊而言，以中國石化焦石壩、高郵凹陷區(qū)塊較為成功。筆者利用高郵凹陷區(qū)塊泥頁巖氣層鉆井獲得的巖心，在實驗室鉆取直徑2.5 cm、長度4～6 cm的樣本。將飽和水巖樣置入HR2500-2高速冷凍離心機，分8種轉速脫水模擬巖樣不同含水飽和度，再利用CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀模擬地層條件測定泥頁巖樣的縱橫波速度；并利用實驗數(shù)據(jù)得到了泥頁巖儲層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)。處理高郵凹陷區(qū)塊5口井的測井資料，得到ElF4層位的脆性指數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)：泥頁巖的楊氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可壓裂性越強?？偨Y出ElF4層段各小層可壓裂性級別，科學指導了該區(qū)壓裂設計。

巖樣；實驗；縱橫波速度；脆性指數(shù)

1 引 言

隨著油氣資源的日益緊缺，頁巖氣這一新能源已成為國際地學研究的熱點之一，而巖石物理特性在頁巖氣勘探開發(fā)中起著至關重要的作用[1]。2014年全國天然氣、頁巖氣和煤層氣等能源類氣體新增探明地質儲量總量達11 107.15億立方米，創(chuàng)歷史最高水平，其中頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源新增儲量取得重要突破性進展，達1 669.43億立方米，占能源類氣體新增儲量總量的15%，在這些非常規(guī)油氣開發(fā)技術中，最關鍵的就是壓裂技術[2,3]。本文以高郵凹陷區(qū)塊的巖樣制作巖心、通過實驗室縱橫波速度測量得到了泥頁巖巖樣縱橫波時差數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析的方法得到了求取橫波時差的經(jīng)驗公式，運用理論結合實驗得到了求取泥頁巖儲層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)的方法[4]。對高郵凹陷區(qū)塊井進行處理分析，歸納出ElF4層段各小層可壓裂性級別，為巖石力學參數(shù)判別泥頁巖的可壓裂性提供基礎，科學指導該區(qū)壓裂設計。

2 泥頁巖巖心制作

本次實驗選取高郵凹陷區(qū)泥頁巖的巖心，將巖心加工成了長約5 cm，直徑約2.5 cm的圓柱體。將切磨合格的巖心用碳素墨水標注了地區(qū)、井名、巖心編號等相關信息。五塊巖樣分別為馬10、永12、天x76、應3、沛1，如表1所示；在制備巖心時用四氯化碳對巖心進行除油。巖心除油后用甲醇進行浸泡以達到除鹽的目的；將切磨、除油、除鹽后的巖心采用恒溫烘干法進行烘干。烘干時，溫度控制在85±5℃，歷時48小時。至巖心恒重為止，并測量巖心干重；將烘干后的巖心置于地層水溶液中浸泡，在一定壓力下飽和12小時，并稱重。

表1 巖心樣品

3 實驗測試

實驗主要儀器設備有CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀及600 kHz縱橫波換能器一對、巖樣夾持器、HR2500-2高速冷凍離心機、AE200電子天平。檢測環(huán)境：室溫20～25℃，濕度50～70(%RH)。

首先測量泥頁巖巖樣100%飽和水時的縱橫波速度,然后將飽和水巖樣置入HR2500-2高速冷凍離心機。轉速由低到高分為8檔，每一個轉速代表一個壓力點。每一個轉速要保持到巖心中離出的水量不再增加為止,此時測量巖樣的重量，通過計算得到巖樣的含水飽和度,之后將巖樣置入CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀測量巖樣縱橫波速度。記錄每次測量數(shù)據(jù)，可得到不同巖樣的縱橫波速度隨含氣飽和度的變化關系。

3.1 離心機轉速的選取

不同轉速下兩相流體的離心力差等于毛管壓力[5],即:

Pc=1.097×10-8ΔρL[(Re-L/2)]n2

(1)

通過式(1)可計算出毛管壓力為0.01 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.69 MPa、0.8 MPa、1 MPa時分別對應的離心機轉速。其中Pc為巖樣毛管壓力，單位為MPa；Δρ為兩相流體密度差，單位為g/cm3；L為巖樣的長度，單位為cm；Re為巖樣外旋轉半徑，單位為cm；n為離心機轉速，單位為r/min。

3.2 泥頁巖巖樣縱橫波速度測量步驟

3.2.1 測定儀器系統(tǒng)及縱波換能器的聲波零時間

將發(fā)射換能器與接收換能器直接對接記錄縱波傳播到達時間，即為測量系統(tǒng)及縱波換能器零時間T0。

3.2.2 巖樣縱波速度測定

將待測巖樣裝入巖樣夾持器中，單軸加壓4Mpa使巖樣與換能器端面充分耦合，能在示波器上清晰地觀測到縱波首波，讀出聲波通過巖樣的傳播時間T。

3.2.3 計算巖樣在單軸壓力下的聲波速度

(2)

式(2)中：VP為巖樣的縱波速度，單位為m/s；L為巖樣的長度，單位為m；T為巖樣的縱波傳播時間；T0為系統(tǒng)及縱波傳播的零時間。

重復上述實驗過程，測出巖樣的橫波速度VS(m/s)。

3.2.4 地層巖樣分析得出橫波時差

利用聲波縱波測井資料，利用式(3)可計算出橫波時差，橫縱波時差間的相關性較好，其精度為0.95。

Δts=2.609 1×AC-28.988

(3)

式(3)中:Δts為橫波時差，單位為μs/ft；AC為縱波時差，單位為μs/ft。

計算出不同毛管壓力下,巖樣的含水飽和度、含氣飽和度、縱橫波速度、縱橫波時差等參數(shù)(表2)。其中含水飽和度(SW)、含氣飽和度(Sg)通過巖樣稱重計算得到；縱橫波速度(VP、VS)為實驗直接測出,單位為m/s；縱波時差(AC)與橫波時差1(Δts1)通過縱橫波速度直接換算得出，單位為μs/ft；橫波時差2(Δts2)通過公式(3)計算得出，單位為μs/ft。

表2 實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表2

4 泥頁巖巖石力學參數(shù)計算方法

頁巖氣儲層具有孔隙度低、滲透率極低的特點，因此頁巖氣儲層形成工業(yè)產(chǎn)能的關鍵技術就是水平井及多級壓裂改造等工藝技術。利用測井資料我們可以得到頁巖氣儲層的彈性力學參數(shù)、強度參數(shù)以及地層應力的狀態(tài)，這些參數(shù)為儲層的壓裂改造提供有力的依據(jù)。

根據(jù)巖石彈性波動理論,使用經(jīng)驗公式[6,7]得出巖石力學參數(shù)。

(4)

式(4)中：U為泊松比，無量綱，反應了頁巖在壓力下的破裂能力，一般為0.2～0.4；Δts為橫波時差，單位為μs/ft；AC為縱波時差，單位為μs/ft。

(5)

式(5)中：G為剪切模量，單位為GPa，表征巖石抵抗切應變的能力，其值越大，則表示材料的剛性越強；DEN為密度，單位為g/cm3；Δts為橫波時差，單位為μs/ft。

(6)

式(6)中：E為楊氏模量，單位為GPa，反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，一般為10～80GPa； Δts為橫波時差，單位為μs/ft；AC為縱波時差，單位為μs/ft。

頁巖脆性參數(shù)BI是影響頁巖可壓裂性的最重要的因素[8]，頁巖脆性包括泊松比和楊氏模量，泊松比反映了頁巖在壓力下的破裂能力，楊氏模量反映了壓裂后保持裂縫的能力。頁巖楊氏模量越高、泊松比越低、脆性越高，可壓裂性越高。則根據(jù)泊松比和楊氏模量可得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

頁巖脆性的大小對壓裂產(chǎn)生的誘導裂縫的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響[9,10]。塑性頁巖泥質含量較高，壓裂時容易產(chǎn)生裂縫變形，形成簡單的裂縫網(wǎng)絡，脆性頁巖石英等脆性礦物含量較高，壓裂時容易形成復雜的裂縫網(wǎng)絡[11]。因此，頁巖脆性越高，裂縫形成的裂縫網(wǎng)絡越復雜，可壓裂性越高。

表3 不同級別可壓裂性泥頁巖儲層特征

當脆性指數(shù)在10～30時，可壓裂性低，使用少量體用量和大量支撐劑且支撐劑濃度高；當脆性指數(shù)在30～50時，可壓裂性中等，使用適中體用量和適中支撐劑；當脆性指數(shù)在50～70時，可壓裂性高，使用大量體用量和少量支撐劑且支撐劑濃度低，如表3所示。

5 應用實例

表4 不同層位參數(shù)

圖1 大1井層可壓裂評價成果Fig.1 Well Da1 (1 275～1 371 m) fracturing evaluation results

圖2 黃158井層可壓裂評價成果Fig.2 Well Huang158 (3 062～3 120 m) fracturing evaluation results

圖3 黃158井層可壓裂評價成果Fig.3 Well Huang158 (3 139～3 270 m) fracturing evaluation results

6 結 論

通過制作高郵凹陷區(qū)塊泥頁巖巖心,經(jīng)過CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀實驗測試,得到了泥頁巖巖樣的縱橫波時差數(shù)據(jù),并利用實驗數(shù)據(jù)分析得到開采時泥頁巖儲層的泊松比、楊氏模量、脆性指數(shù)等參數(shù)。結合實際井總結出：泥頁巖的楊氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可壓裂性越強，能科學評估泥頁巖巖石的可壓裂性。

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The Interpretation Methods of Geophysical Well Logging for the Brittle Characteristics of Shale Gas Reservoirs

Wang Zhonghao1,Chen Si1,Li Houlin1,Xiao Chengwen2,Zhou Bo2,Wu Gang2,Li Huawei2

(1.GeophysicsandOilResource,InstituteofYangtzeUniversity,WuhanHubei430100,China; 2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,TarimOilfieldofCNPC,KorlaXinjiang841000,China)

Shale gas as a clean energy development technology is relatively mature in worldwide and its research methods are also abundant. Now rock physical properties of Shale gas reservoirs are one of the key technologies. In terms of Chinese shale gas exploration blocks, Sinopec focal dam and Gaoyou sag block are more successful. Firstly, in the laboratory 5 samples(2.5 cm in diameter, length of 4～6 cm)from the cores are drilled in shale gas layer. Secondly, the saturated water sample is put into HR2500-2 high-speed refrigerated centrifuge, and then 8 kinds of speed dehydration are used to simulate samples in different water saturation. Thirdly, it is placed at simulated conditions of formation to determine p-and s-wave velocity of samples by using the CTS-45 nonmetal ultrasonic testing analyzer. Finally, combining experimental data with the calculation method of rock mechanics parameters, a series of parameters can be obtained such as Poisson ratio, Young’s modulus and brittleness index. The results, which get from the above mentioned methods for 5 wells of Gaoyou sag block, show that the higher the Young’s modulus is, the lower Poisson ratio is. And the higher the brittleness is, the stronger the fracturing performance is. ElF4interval of each small layer fracturing level is summarized, which has scientific guidance on the fracturing design.

samples; the experiment; p-and s-wave velocity; brittleness index

1672—7940(2016)01—0007—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.002

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發(fā)項目(編號:2013E-3809)

汪忠浩(1966-)，男，博士，教授，主要從事地球物理測井方向的研究。E-mail: wang1966@yangtzeu.edu.cn

陳 嗣(1990-)，男，碩士研究生，主要從事測井資料處理與綜合解釋。E-mail:chen1990s@qq.com

P631.8

A

2015-11-04