鮑祥生， 周海燕， 符志國

(1.廣東石油化工學(xué)院，茂名 525000；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心，茂名 525000;3．中國石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司地球物理公司，成都 610213)

0 引言

頁巖氣屬于一種非常重要的非常規(guī)油氣資源[1-3]，它是以游離態(tài)、吸附態(tài)為主，賦存于富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段的天然氣[3-7]，主要分布于盆地中央厚度較大[8]、面積廣的暗色泥頁巖和高碳泥頁巖中[8-9]。據(jù)預(yù)測我國也具有非常豐富的頁巖氣資源[7，10]，但頁巖氣所在的儲層屬于一種典型的低孔、超低滲儲層，目前我國使用的勘探技術(shù)還不成熟[11-12]，勘探開采難度大，主要通過水力壓裂技術(shù)來改善裂縫的分布，提高生產(chǎn)效率[13]。雖然頁巖氣在我國廣泛分布，但尋找更有利于進(jìn)行壓裂措施改造的頁巖氣層是當(dāng)前頁巖氣勘探一大主要任務(wù)，評價頁巖氣儲層壓裂改造的指標(biāo)主要是利用脆性礦物指數(shù)，目前國內(nèi)、外關(guān)于脆性礦物指數(shù)主要包括3類方法：①彈性參數(shù)法[4-5]，主要是基于楊氏模量和泊松比兩個彈性參數(shù)來參與計算得到脆性礦物指數(shù)；②礦物組分法[13-14]，它是基于脆性礦物在總礦物中的比重的一種計算方法，它主要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)來計算某點的脆性礦物指數(shù)；③多元擬合法[15]，它是以多種測井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)通過回歸算法擬合得到的一種方法。礦物組分法與多元擬合法的適應(yīng)性比較差，不利于對地下頁巖層段縱橫向的脆性礦物指數(shù)的評價，而彈性參數(shù)法從思路上來看應(yīng)具有較好的適應(yīng)性，因為該方法充分利用彈性參數(shù)來進(jìn)行計算獲得頁巖脆性礦物指數(shù)，而彈性參數(shù)(井上或儲層空間)是可以通過對測井?dāng)?shù)據(jù)或具有較高縱橫向分辨率的地震數(shù)據(jù)采用一定的算法可以獲得。盡管現(xiàn)有方法①，相對方法②和方法③存在一些優(yōu)點，但也存在不足，主要表現(xiàn)為，在將該類最常用的方法用于預(yù)測四川某地區(qū)志留系S地層的脆性礦物指數(shù)時，在有些深度段利用這些方法應(yīng)用效果較好，而有些深度段利用這些方法應(yīng)該效果比較差。從S地層的現(xiàn)有地質(zhì)研究來看，該層段存在豐富的頁巖氣資源，但目前由于脆性礦物指數(shù)預(yù)測精度低，導(dǎo)致尋找有利于壓裂改造的頁巖氣層段變得困難。針對目前①方法存在的不足，通過分析研究提出基于孔隙度分級的頁巖脆性礦物指數(shù)預(yù)測方法(簡稱基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法)，該方法是在對井旁孔隙度進(jìn)行三段分級劃分的基礎(chǔ)上形成的一種脆性礦物指數(shù)預(yù)測方法，相對于目前的彈性參數(shù)法而言，該方法在不同孔隙度大小的層段都具有較好的預(yù)測精度。

1 常規(guī)彈性參數(shù)計算方法

目前常用的計算方法是一種均分權(quán)值計算法，通常被稱為Rickman脆性指數(shù)法[4-5]。該方法的主要思想是先對楊氏模量和泊松比進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化運算，然后對標(biāo)準(zhǔn)化的楊氏模量和泊松比分別取權(quán)值為0.5后相加計算得到脆性礦物指數(shù)?？捎檬?1)～式(3)來表示。

(1)

式中：Emax和Emin分別表示楊氏模量的最大值和最小值；EBrit為標(biāo)準(zhǔn)化的楊氏模量。

(2)

式中：υmax和υmin泊松比的最大最小值；vBrit為標(biāo)準(zhǔn)化的泊松比。

BBrit=0.5EBrit+0.5υBrit

(3)

式中：BBrit表示脆性礦物指數(shù)。

2 基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法

基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法的實現(xiàn)步驟主要包括如下5步：

1)基于測井獲得的縱波速度(Vp，m/s)、橫波速度(Vs，m/s)、巖石密度(ρ,g/cm3)計算得到楊氏模量(E，Pa)和泊松比(υ)，計算公式見式(4)和式(5)。

(4)

(5)

2)對楊氏模量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到以104MPa為單位的楊氏模量數(shù)據(jù)E′，計算公式見式(6)。

(6)

3)對數(shù)據(jù)以孔隙度升序方式進(jìn)行排序，得到以孔隙度從小到大的排列數(shù)據(jù)。

4)將數(shù)據(jù)分為三個部分：①孔隙度介于[0，1.5%]之間的數(shù)據(jù)；②孔隙度介于(1.5%，4.5%]之間的數(shù)據(jù)；③孔隙度>4.5%的數(shù)據(jù)。

5)對不同孔隙度范圍的數(shù)據(jù)，采用不同的公式來計算脆性礦物指數(shù)。

對于孔隙度介于[0，1.5%]之間數(shù)據(jù)，用公式(7)來計算。

(7)

對于孔隙度介于(1.5%，4.5%]之間的數(shù)據(jù)，用公式(8)來計算。

(8)

對于孔隙度>4.5%，用公式(9)來計算。

(9)

通過以上5步，可以獲得有關(guān)研究目標(biāo)層更為可靠的脆性礦物指數(shù)數(shù)據(jù)。

3 實際數(shù)據(jù)應(yīng)用

為了驗證本方法的有效性，選取四川某區(qū)的有實測脆性礦物指數(shù)數(shù)據(jù)的頁巖層段的井進(jìn)行實例分析。圖1是研究區(qū)的一口典型井的5條測井化關(guān)系。這5條測井曲線分別是實測的縱波速度、橫波速度、密度、孔隙度和脆性礦物指數(shù)隨深度的變規(guī)律，將圖1中的曲線在深度方向劃分為3段：①深度范圍3 380 m～3 620 m，中高縱波速度、橫波速度、高密度和中低孔隙度；②深度范圍3 620 m～3 675 m，低縱波和橫波速度、低密度和高孔隙度；③深度范圍3 675 m～3 690 m，高縱波和橫波速度、高密度和低孔隙度。其中第3段的孔隙度值均低于1.5%，第2段的孔隙度值基本都高于4.5%。

基于圖1的縱波速度、橫波速度和密度數(shù)據(jù)，采用公式(4)和公式(5)計算出楊氏模量和泊松比數(shù)據(jù)，如圖2所示。根據(jù)楊氏模量和泊松比數(shù)據(jù)在深度上的變化規(guī)律，將圖2中的曲線在深度方向劃分為3段：①深度范圍3 380 m～3 620 m，中等楊氏模量、中等泊松比；②深度范圍3 620 m～3 675 m，低楊氏模量、高泊松比；③深度范圍3 675 m～3 690 m，高楊氏模量、低泊松比。

基于圖1所示的研究區(qū)的測井曲線特征，首先對孔隙度曲線進(jìn)行分級，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)規(guī)律分析，將圖1第四列的孔隙度根據(jù)數(shù)值大小分為3級：①0%～1.5%;②1.5%～4.5%;③值>4.5%。圖3是3類孔隙度的交匯圖。

圖1 S井不同測井參數(shù)隨深度的變化關(guān)系Fig.1 Changes of different log parameters with the depth of S well

對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：均分權(quán)值計算法的預(yù)測值與測量值只在少數(shù)點預(yù)測誤差較小外，其他預(yù)測誤差都比較大，有的預(yù)測值與測量值預(yù)測絕對誤差達(dá)到50%；基于孔隙度分析的彈性參數(shù)法無論是在孔隙度介于[0，1.5%]、(1.5%，4.5%]，還是孔隙度>4.5%時預(yù)測效果都比較好，說明了新方法在該地區(qū)是好于目前最常用的均分權(quán)值計算法。

圖2 楊氏模量和泊松比隨深度的變化關(guān)系Fig.2 Changes of Young's modulus and Poisson's ratio with the depth

圖3 以交繪圖顯示的孔隙度隨深度的變化圖Fig.3 Change of porosity shown by cross plot with the depth

圖4 兩種脆性礦物指數(shù)預(yù)測方法預(yù)測值與測量值對比圖Fig.4 Contrast between the measured value and predicted values obtained with two brittle mineral index prediction methods

4 結(jié)論

1)現(xiàn)有的均分權(quán)值計算法被用來預(yù)測本地區(qū)脆性礦物指數(shù)效果并不理想，說明這種方法也具有區(qū)域適用性，如直接應(yīng)用于其他地區(qū)頁巖層段的脆性礦物指數(shù)預(yù)測，將會帶來較大的預(yù)測誤差，給應(yīng)用地區(qū)帶來較大的勘探開發(fā)風(fēng)險。

2)通過對均分權(quán)值計算法、基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法的預(yù)測結(jié)果與原始實測結(jié)果的對比可以看出，基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法預(yù)測效果較好。

3)研究形成的基于孔隙度分級的彈性參數(shù)法，是采用孔隙度分級的思想來獲得準(zhǔn)確度更高的頁巖脆性礦物指數(shù)預(yù)測,可以在跟本區(qū)有相似特征(楊氏模量、泊松比以及孔隙度表現(xiàn)規(guī)律)的地方有一定適應(yīng)性。與均分權(quán)值計算法類似，本文提出的方法也具有區(qū)域適應(yīng)性，對與本區(qū)特征差別較大的地方，該方法不可以直接使用，但本方法的研究思路可以借鑒。

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