賴 錦，王貴文*，范卓穎，陳 晶，王抒忱，周正龍，范旭強(qiáng)

1中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

2中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

非常規(guī)油氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

賴 錦1,2，王貴文1,2*，范卓穎1，陳 晶1，王抒忱1，周正龍1，范旭強(qiáng)1

1中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

2中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

非常規(guī)油氣儲(chǔ)層一般都需要進(jìn)行壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能，而巖石脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)是非常規(guī)油氣儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要因素之一。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于脆性指數(shù)定義眾多、且計(jì)算方法各異，在關(guān)于脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法方面更是缺少一套完整的研究方法流程。本文回顧了油氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)的研究歷程，明確了脆性指數(shù)定義的科學(xué)內(nèi)涵，歸納總結(jié)了脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法。最后以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7致密油儲(chǔ)層為例，探討了主要的脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法計(jì)算流程及其有效性。在有縱、橫波測(cè)井資料時(shí)，可利用泊-楊法直接計(jì)算巖石脆性指數(shù)。同時(shí)也可通過(guò)元素俘獲測(cè)井礦物成分比值法計(jì)算脆性指數(shù)。此外基于常規(guī)測(cè)井的最優(yōu)化方法確定礦物組分,利用礦物成分比值法也能計(jì)算脆性指數(shù)。通過(guò)X-射線衍射資料與巖性系數(shù)GR/Pe的回歸擬合建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，也可實(shí)現(xiàn)巖石脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)。最后對(duì)脆性指數(shù)測(cè)井計(jì)算中存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向做出展望。研究成果可為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層鉆井和壓裂設(shè)計(jì)工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

脆性指數(shù)；非常規(guī)油氣資源；儲(chǔ)層；測(cè)井評(píng)價(jià)；長(zhǎng)7致密油

0 引言

伴隨著世界油氣需求的持續(xù)增長(zhǎng)與常規(guī)油氣產(chǎn)量的不斷下降，具有較大資源潛力的非常規(guī)油氣逐漸成為勘探和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。井筒、水平井及分段壓裂技術(shù)的日趨成熟促進(jìn)了非常規(guī)油氣的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)[3]。所謂非常規(guī)油氣資源，是指用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量、需用新技術(shù)改善儲(chǔ)層滲透率或流體黏度等才能經(jīng)濟(jì)開(kāi)采、連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)型聚集的油氣資源的統(tǒng)稱，主要包括致密油、頁(yè)巖油、油頁(yè)巖油、致密氣、頁(yè)巖氣、煤層氣和天然氣水合物等[4-5]。非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的重點(diǎn)是評(píng)價(jià)“巖性、物性、脆性、含油性、烴源巖特性、應(yīng)力各向異性”6性及其匹配關(guān)系[6-7]。其中,脆性評(píng)價(jià)旨在優(yōu)選利于規(guī)模壓裂的高脆性儲(chǔ)層段[7]。因?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣儲(chǔ)層一般表現(xiàn)出巖性致密、基質(zhì)孔隙度和滲透率低以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，為了提高單井產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)有效期，一般都需要進(jìn)行大規(guī)模壓裂改造[8-9]。而且并不是所有的層段都能獲得理想的產(chǎn)能，只有那些脆性比較強(qiáng)的層段在壓裂過(guò)程中才可形成復(fù)雜的裂縫供油氣滲流，因此基于巖石脆性評(píng)價(jià)的壓裂性分析對(duì)于優(yōu)選可壓裂層段、多級(jí)壓裂設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)效益等將起到關(guān)鍵作用[9-10]。

巖石脆性是指巖石在受力破壞時(shí)所表現(xiàn)出的一種固有性質(zhì)，表現(xiàn)為巖石在破裂前發(fā)生很小的塑性應(yīng)變，而破裂時(shí)全部以彈性能的形式釋放出來(lái)[9,11-12]。對(duì)于油氣儲(chǔ)層而言，巖石脆性一般定義為巖石發(fā)生破裂前的瞬態(tài)變化難易程度，間接反映的是儲(chǔ)層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度，一般可通過(guò)脆性指數(shù)來(lái)定量表征[9,13-15]。脆性指數(shù)是遴選高品質(zhì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的重要指標(biāo)[16-17]，脆性能夠顯著影響井壁的穩(wěn)定性，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)還對(duì)壓裂的效果影響顯著[17]。通常脆性指數(shù)高的地層性質(zhì)硬脆，可壓裂性好，在壓裂作業(yè)中能夠迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，有利于油氣開(kāi)發(fā)；反之，脆性指數(shù)低的儲(chǔ)層在壓裂過(guò)程僅形成簡(jiǎn)單的裂縫，不利于油氣的滲流[10,13]。因此，巖石的脆性評(píng)價(jià)是非常規(guī)油氣儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要因素之一[10,18]。一般而言，由巖石礦物成分等所決定的巖石彈性力學(xué)參數(shù)的高低可以反映巖石的易壓裂性[3]。因此,可從巖石的礦物組分和巖石力學(xué)參數(shù)兩方面著手來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓裂性[13-19]。基于測(cè)井資料可獲取儲(chǔ)層礦物組分、物性參數(shù)和總有機(jī)碳含量等基礎(chǔ)資料，同時(shí)也可通過(guò)地層縱、橫波時(shí)差等來(lái)計(jì)算巖石的楊氏模量、泊松比、破碎壓力等力學(xué)參數(shù)[20]。通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)與測(cè)井技術(shù)的結(jié)合,既能夠獲得直接的脆性參數(shù)，又能保證所取資料的連續(xù)性[21]，為非常規(guī)油氣資源6性關(guān)系評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

非常規(guī)油氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)的研究受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的普遍重視，不同的研究者歸納總結(jié)了脆性指數(shù)的定義，并提出了基于脆性礦物含量和巖石力學(xué)參數(shù)的不同脆性指數(shù)的定量計(jì)算方法，針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方面也開(kāi)展了大量研究工作[10,14-19]。但總體而言，目前尚無(wú)統(tǒng)一的關(guān)于脆性指數(shù)的定義，在關(guān)于脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法方面更是缺少一套完整的研究方法流程，非常規(guī)油氣儲(chǔ)層中有利壓裂層段優(yōu)選工作受到限制。本文回顧了近20年來(lái)脆性指數(shù)的研究歷程，進(jìn)一步論證了巖石力學(xué)參數(shù)與礦物組分之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)基于礦物組分和巖石力學(xué)參數(shù)的儲(chǔ)層脆性指數(shù)測(cè)井定量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，并提出了適用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的基于常規(guī)測(cè)井資料的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)方法，以期為致密砂巖油氣儲(chǔ)層的工程“甜點(diǎn)”優(yōu)選提供技術(shù)支持。

1 脆性指數(shù)計(jì)算方法

不同學(xué)科的專家學(xué)者基于不同的研究目的，提出了不同的脆性指數(shù)定義和計(jì)算方法[16,22-23]。李慶輝等人總結(jié)了國(guó)外計(jì)算脆性指數(shù)的相關(guān)定義和計(jì)算方法[17]。就非常規(guī)油氣儲(chǔ)層可壓裂性而言，脆性指數(shù)的計(jì)算方法大致上可分為兩種，一是基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)計(jì)算方法，可通過(guò)楊氏模量和泊松比計(jì)算得到；二是基于脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等)含量的計(jì)算方法，可通過(guò)X-衍射資料精確獲得[12-15,19,24-26]，因此，脆性指數(shù)與巖石礦物成分、巖石力學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)[10,27-29]。

基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)計(jì)算是將巖石力學(xué)參數(shù)中楊氏模量與泊松比的大小分別取50％ 的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算[13,19]。其中，泊松比(ν)反映了巖石在外力作用下的破裂能力，而楊氏模量(E)反映了巖石破裂后的支撐能力[14-15,19]。事實(shí)上，巖石脆性理論是泊松比和楊氏模量的綜合體現(xiàn)[21]。即可分別利用泊松比和楊氏模量按照式1和式2分別計(jì)算巖石的脆性指數(shù)，通過(guò)求取兩者的平均值即可獲得基于巖石力學(xué)特征的脆性指數(shù)(式3)[3]。不同的楊氏模量和泊松比的組合表示巖石具有不同的脆性[30]，一般，楊氏模量越高、泊松比越低，巖石的脆性越強(qiáng)，在壓裂過(guò)程中越容易形成復(fù)雜的裂縫[14,15,19,21]。靜態(tài)楊氏模量和泊松比可在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量得到，而動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比可通過(guò)聲波測(cè)井資料解釋得到。

式中，BI為脆性指數(shù)，％；E為巖石的楊氏模量，GPa；ν為巖石泊松比，無(wú)量綱；下標(biāo)min和max分別代表該參數(shù)在某個(gè)地層段內(nèi)的最大值和最小值。BIE和BIν分別為通過(guò)楊氏模量和泊松比所計(jì)算的脆性指數(shù)。

另外一種脆性指數(shù)的定性判定方法是通過(guò)X-射線衍射XRD方法測(cè)定巖石的全巖礦物組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，定性分析儲(chǔ)層中脆性礦物(一般為石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物)與黏土礦物的相對(duì)含量[13-15,19,31]。儲(chǔ)層中脆性礦物的存在，控制了壓裂過(guò)程中裂縫的發(fā)育程度[32]。其中，石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等脆性礦物含量高，是壓裂時(shí)裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的內(nèi)因，其他因素則是裂縫發(fā)育的外因[33]。石英含量的增加將提高巖石的脆性，而碳酸鹽礦物含量增加有利于后期改造，富含石英或者碳酸鹽等脆性物質(zhì)的儲(chǔ)層有利于復(fù)雜縫網(wǎng)的產(chǎn)生，而黏土礦物含量高的塑性地層則不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)[34]。可以說(shuō)，富含大量脆性礦物與否是非常規(guī)油氣儲(chǔ)層能否通過(guò)壓裂造縫獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[30]。因此，脆性礦物含量分析是了解巖石脆性的基礎(chǔ)工作[33]。

如若把石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽巖都看成是脆性礦物，對(duì)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層而言，其脆性指數(shù)可通過(guò)式4計(jì)算[31,35-37]。此外，另有一些專家學(xué)者認(rèn)為，與石英和碳酸鹽礦物相比，長(zhǎng)石的脆性相對(duì)較弱，尤其是針對(duì)一些石英和碳酸鹽礦物相對(duì)含量較高的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層(致密砂巖油氣)而言，如若按式1計(jì)算，得到的脆性指數(shù)偏高，因此長(zhǎng)石不被認(rèn)為是傳統(tǒng)意義上的脆性礦物，此時(shí)脆性指數(shù)的計(jì)算公式如下式5[37]。

式中，BI為脆性指數(shù)，％；Qz為石英含量；Car為碳酸鹽礦物含量；Fels為長(zhǎng)石含量；Clay為黏土總量。

一般來(lái)說(shuō)，石英等脆性礦物含量越高，越容易引起相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)變化(泊松比減小而楊氏模量增大)[26]。礦物組分是其巖石力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)與內(nèi)因，聲學(xué)性質(zhì)(縱、橫波時(shí)差)則是巖石力學(xué)性質(zhì)的外在表現(xiàn)形式[30]。如下圖1為鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7致密油儲(chǔ)層的巖石力學(xué)參數(shù)與石英、碳酸鹽礦物含量之和的對(duì)比，從圖中可以看出，隨著石英、碳酸鹽礦物含量的增大，楊氏模量增大而泊松比減小，且二者具有良好的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，代表石英和碳酸鹽巖含量越高，巖石脆性越強(qiáng)，由此證明把石英和碳酸鹽礦物當(dāng)作脆性礦物是合理的(圖1)。事實(shí)上，石英和碳酸鹽巖是非常規(guī)油氣儲(chǔ)層中的主要脆性礦物，基本反映了其脆性特征，決定了儲(chǔ)層的可壓裂性。

圖1 巖石力學(xué)參數(shù)與石英、碳酸鹽礦物含量之和的對(duì)比Fig. 1 Comparison of geomechanical parameters and (Quartz +Carbonate) content

2 基于巖石力學(xué)特性的脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法

當(dāng)測(cè)井資料齊全，有密度測(cè)井資料、陣列聲波或偶極聲波所測(cè)量的縱、橫波時(shí)差時(shí)，即可通過(guò)泊-楊法計(jì)算巖石脆性指數(shù)[21]。動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比可通過(guò)以下式6和式7計(jì)算獲得。聲波法計(jì)算脆性指數(shù)通過(guò)對(duì)泊松比、楊氏模量等巖石力學(xué)參數(shù)綜合分析，是巖石整體力學(xué)的反映，相對(duì)能較精確地反映巖石的脆性[21]。該方法的特點(diǎn)是具有較高的精度，是目前最可靠的脆性指數(shù)計(jì)算方法，缺點(diǎn)是成本較高，不適用于沒(méi)有采集到陣列聲波或者偶極聲波的井。

式中，E為楊氏模量，GPa；ν為巖石泊松比，無(wú)量綱；ρ為體積密度，g/cm3，DTp為縱波時(shí)差，μs/m，DTs為橫波時(shí)差，μs/m；106為將楊氏模量轉(zhuǎn)換為以GPa為單位的系數(shù)。

在測(cè)井資料比較齊全時(shí)，泊-楊法是最常用的計(jì)算巖石脆性的方法，通常也被認(rèn)為是相對(duì)比較精確的方法，但缺點(diǎn)是對(duì)資料的品質(zhì)要求比較高，在缺少縱橫波時(shí)差等資料時(shí)無(wú)法應(yīng)用，因此泊-楊法并不具有普遍適用性，對(duì)于只有常規(guī)測(cè)井資料的井無(wú)法計(jì)算其脆性指數(shù)。

3 基于礦物組分的脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法

巖石礦物組分是巖石力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)因，而聲學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)是巖石力學(xué)性質(zhì)的外在表現(xiàn)，也是利用測(cè)井曲線計(jì)算礦物組分和脆性指數(shù)的理論基礎(chǔ)[38]。偶極聲波和陣列聲波等可獲得地層縱橫波時(shí)差等測(cè)井曲線，但這兩種測(cè)井資料成本較高，不可能每口井都能采集得到。事實(shí)上，大多數(shù)井可能只測(cè)量了常規(guī)測(cè)井，無(wú)法應(yīng)用巖石彈性參數(shù)法來(lái)計(jì)算其脆性指數(shù)。因此當(dāng)測(cè)井資料較少、無(wú)陣列聲波測(cè)井時(shí)，可用礦物成分法去評(píng)價(jià)巖石脆性指數(shù)。實(shí)驗(yàn)室條件下，可通過(guò)X-射線衍射資料獲得巖石的礦物組分并進(jìn)一步定量計(jì)算巖石脆性指數(shù)，此外X-射線熒光錄井測(cè)量的元素含量也可用于脆性指數(shù)的計(jì)算[34]。這兩種方法雖然被認(rèn)為是比較可靠的通過(guò)礦物組分計(jì)算脆性指數(shù)的方法，但缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力，缺點(diǎn)是過(guò)分依賴于取心井及其取心井段，且基本都是散點(diǎn)數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)單井縱向上脆性指數(shù)的連續(xù)定量評(píng)價(jià)，還得依靠作為地下地質(zhì)信息載體的測(cè)井資料。文獻(xiàn)調(diào)研表明，除聲波測(cè)井之外，元素俘獲(ECS)測(cè)井和最優(yōu)化方法確定礦物組分被廣泛采用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)[10]。

3.1 利用ECS測(cè)井計(jì)算碳酸鹽等礦物含量

元素俘獲譜測(cè)井儀器通過(guò)探測(cè)快中子與地層中的原子核發(fā)生非彈性散射碰撞及熱中子被俘獲產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，通過(guò)解譜分析可獲得地層中26 種元素(Si、Al、Ca、Mg、Na、K、Fe等)的相對(duì)干重(質(zhì)量)。進(jìn)一步通過(guò)聚類(lèi)分析、因子分析和氧化物閉合模型(即組成礦物的氧化物、碳酸鹽含量百分?jǐn)?shù)之和為100％)可定量求解地層中的黏土礦物(Clay)、煤(Coal)、砂質(zhì)(Q-F-M，石英、長(zhǎng)石、云母)、菱鐵礦(Siderite)、黃鐵礦(Pyrite)以及碳酸鹽(Carbonate)礦物含量[39-42]。目前ECS已經(jīng)廣泛運(yùn)用于巖性識(shí)別、粘土礦物類(lèi)型和含量確定、沉積環(huán)境的分析、復(fù)雜巖性變化評(píng)價(jià)等方面，同時(shí)在壓裂酸化等工程應(yīng)用方面也取得了較好的效果[40-42]。

圖2為鄂爾多斯盆地X井長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層基于ECS測(cè)井所計(jì)算的脆性指數(shù)與泊-楊法所計(jì)算的脆性指數(shù)的對(duì)比，從圖中可以看出，總體而言，利用ECS測(cè)井所獲得的巖石礦物比值的方法所計(jì)算的脆性指數(shù)與泊-楊法所計(jì)算的脆性指數(shù)具有良好的一致性，總體上有利的壓裂層段位于脆性指數(shù)較高的層段，如圖2中的2 430.5～2 456.0 m深度段。因此通過(guò)ECS測(cè)井能識(shí)別非常規(guī)儲(chǔ)層中黏土、石英、碳酸鹽巖、黃鐵礦等成分的含量，再通過(guò)脆性礦物的比值，可確定單井縱向上連續(xù)的脆性指數(shù)分布。

3.2 最優(yōu)化方法確定礦物組分

事實(shí)上ECS測(cè)井也由于較高的成本導(dǎo)致其在脆性指數(shù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用受到限制。因此，對(duì)缺少陣列(偶極)聲波和ECS測(cè)井資料的井而言，基于常規(guī)測(cè)井資料的脆性指數(shù)顯得尤為重要。一般而言，可通過(guò)常規(guī)測(cè)井采用多礦物模型(最優(yōu)化解)計(jì)算礦物成分，進(jìn)一步利用礦物成分比值法確定脆性指數(shù)，即將復(fù)雜巖性非常規(guī)油氣儲(chǔ)層看成是由若干種骨架礦物、黏土礦物和孔隙流體等幾部分組成，建立相關(guān)的非限定方程(式8)，并采用最優(yōu)化處理方法進(jìn)行求解[10]。以關(guān)鍵井主要巖性礦物組分(X-射線衍射結(jié)果)為依據(jù)建立合理的巖石體積模型，并采用最優(yōu)化方法，通過(guò)不斷迭代修正巖石體積模型中各礦物的含量，求解最接近實(shí)際的頁(yè)巖礦物含量[10,25]。此外，由于常規(guī)測(cè)井資料的多解性，因此基于多礦物模型計(jì)算的脆性指數(shù)需要實(shí)驗(yàn)室條件下X-射線衍射資料的刻度，以提高解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

式中：GR、ρ、NΦ、tΔ、Pe分別為實(shí)測(cè)自然伽馬(API)、密度(g/cm3)，中子孔隙度值(％)、聲波時(shí)差(μs/ft)和光電吸收截面指數(shù)(b/e)。1V、2V、3V、4V、 V5、V6分別為黏土、石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、有機(jī)質(zhì)和流體的體積，小數(shù)。GR1-GR6分別為粘土、石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物、有機(jī)質(zhì)和流體的自然伽馬測(cè)井響應(yīng)值，其他的類(lèi)似。

圖3 Y井泊-楊法計(jì)算脆性指數(shù)與多礦物模型計(jì)算脆性指數(shù)對(duì)比Fig. 3 Comparison of brittleness index calculated by Young’s modulus-Poisson’s ratio and by multimineral model

如下圖3即為Y井長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層應(yīng)用最優(yōu)化計(jì)算的巖石礦物組分剖面和脆性指數(shù)與泊-楊法計(jì)算的脆性指數(shù)的對(duì)比。從圖3中可以看出，采用兩種方法計(jì)算的脆性指數(shù)也具有良好的對(duì)應(yīng)性。當(dāng)然由于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層礦物組成比較復(fù)雜，除了常見(jiàn)的石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、黏土之外，還有一些模型中未考慮的黃鐵礦、菱鐵礦等礦物，這些礦物的存在會(huì)影響多礦物模型所計(jì)算的巖石礦物組合剖面的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步影響脆性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果。從圖3中看，確實(shí)有局部層段通過(guò)多礦物模型最優(yōu)化解計(jì)算的脆性指數(shù)與泊-楊法計(jì)算的脆性指數(shù)有一定差異。但總體而言，在無(wú)陣列聲波測(cè)井資料情況下，基于常規(guī)測(cè)井多礦物模型計(jì)算礦物組分的方法也可實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)，也具有較好的計(jì)算精度，能夠大致滿足壓裂設(shè)計(jì)的要求[3]。該方法通過(guò)礦物解釋結(jié)果能夠獲得全井段脆性指數(shù)剖面，實(shí)用性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)[17]。此外，基于礦物比值的脆性指數(shù)計(jì)算方法由于沒(méi)有考慮成巖改造的影響，有時(shí)不能完全反應(yīng)真實(shí)情況[17,43]。范卓穎等利用Schlumberger公司的Geoframe軟件中的Elan模塊采用最優(yōu)化方法對(duì)致密地層礦物含量進(jìn)行了計(jì)算，從而通過(guò)常規(guī)測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)了脆性指數(shù)的定量評(píng)價(jià)[43]。

4 其他計(jì)算脆性指數(shù)方法

4.1 GR/Pe比值法計(jì)算脆性指數(shù)

一般而言，對(duì)儲(chǔ)層巖性(礦物組分)響應(yīng)較敏感的測(cè)井曲線為自然伽馬GR、自然電位SP以及井徑CAL等。此外，由于不同的造巖礦物的光電吸收截面指數(shù)(Pe)差異也很大，相比較而言，流體對(duì)Pe的影響較小。因此定義一個(gè)巖性指數(shù)：GR/PE(GR單位為API，Pe單位為b/e)，即為自然伽馬GR(API)與光電吸收截面指數(shù)Pe(b/e)的比值，作為表征儲(chǔ)層礦物組分較好的參數(shù)。GR/Pe的物理意義為單位光電吸收截面指數(shù)下的GR測(cè)井值。GR/Pe系數(shù)能把礦物組分引起的巖性的變化進(jìn)一步放大，進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)巖石中礦物組分的含量，確定脆性指數(shù)大小。一般GR/Pe值越小，巖性指數(shù)值越小，代表巖性越純(石英等含量越高)，脆性指數(shù)越大[44]。因此可以通過(guò)X-射線衍射所獲得的巖石礦物定量特征，首先利用式1或者式2計(jì)算相應(yīng)的脆性指數(shù)，再通過(guò)巖心刻度測(cè)井的方法確定每一個(gè)巖樣所對(duì)應(yīng)的GR和Pe測(cè)井值，進(jìn)一步通過(guò)回歸分析確定脆性指數(shù)與GR/Pe值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立適合于研究工區(qū)目的層段的脆性指數(shù)經(jīng)驗(yàn)擬合公式。Lai Jin等通過(guò)GR/Pe的方法計(jì)算了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7段的脆性指數(shù)[44]，如下圖4即為Z井長(zhǎng)7段致密油應(yīng)用GR/Pe法和脆性指數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算脆性指數(shù)的對(duì)比結(jié)果。從圖4中可以看出，采用兩種方法計(jì)算的脆性指數(shù)也具有良好的對(duì)應(yīng)性，說(shuō)明該方法切實(shí)可行[44]。因此在無(wú)陣列聲波測(cè)井資料情況下，基于常規(guī)測(cè)井GR/Pe的方法也可實(shí)現(xiàn)巖石的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)，為壓裂設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。該方法的特點(diǎn)是成本較低，對(duì)于任何一口采集到了常規(guī)測(cè)井系列的井，均可以實(shí)現(xiàn)其脆性指數(shù)的計(jì)算，有利于單井脆性指數(shù)的評(píng)價(jià)與脆性指數(shù)平面成圖。但同時(shí)也具有明顯的地區(qū)適用性，如欲推廣至其他盆地其他層位的致密儲(chǔ)層脆性指數(shù)精細(xì)評(píng)價(jià)，尚需進(jìn)一步的分析與刻度工作。

4.2 其他脆性指數(shù)測(cè)井計(jì)算方法

目前并沒(méi)有一套通用的脆性指數(shù)定義及其計(jì)算方法[45-46]，針對(duì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層而言，不同的專家學(xué)者提出了適合自己研究區(qū)目的層段的脆性指數(shù)表征以及測(cè)井評(píng)價(jià)方法[44-49]。Guo等研究指出剪切模量μ、泊松比v、λρ乃至Vp/Vs均可作為表征頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)的理想?yún)?shù)，因此在有縱橫波測(cè)井資料的情況下，也可通過(guò)計(jì)算Vp/Vs等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脆性指數(shù)定量表征[50]。常規(guī)測(cè)井系列測(cè)量的一般都包括縱波時(shí)差和密度測(cè)井資料，但由于橫波波速測(cè)井成本高，多數(shù)井不一定可以采集到橫波波速曲線，因此通過(guò)利用有限的常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)構(gòu)建出橫波速度計(jì)算模型再通過(guò)泊楊法可以求取儲(chǔ)層脆性指數(shù)[51]。秦曉艷等通過(guò)橫、縱波之間的關(guān)系建立了預(yù)測(cè)下寺灣地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段的橫波速度理論計(jì)算公式，并最終計(jì)算了相應(yīng)的脆性指數(shù)[51]。黃軍平等優(yōu)選對(duì)礦物組分較為敏感的聲波時(shí)差、中子、密度、自然伽馬和深、淺側(cè)向電阻率6條測(cè)井曲線。首先對(duì)曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用多元回歸分析方法，建立了致密巖石中礦物組分含量及脆性指數(shù)的定量評(píng)價(jià)模型[38]。Martin等通過(guò)測(cè)井曲線基于泊楊法等計(jì)算了致密灰?guī)r儲(chǔ)層的脆性指數(shù)，并與成像測(cè)井解釋的裂縫特征(裂縫密度和韌性等)相耦合，有效地預(yù)測(cè)了Mississippian致密灰?guī)r中的有利壓裂層段[22]。Luan等指出楊氏模量與泊松比的比值可作為表征非常規(guī)油氣儲(chǔ)層脆性的理想?yún)?shù)，該值越大，代表其脆性越強(qiáng)[52]。Chen等提出楊氏模量與拉姆系數(shù)(E/λ)的比值可作為表征頁(yè)巖脆性的靈敏參數(shù)，同樣該值越大，代表其脆性越強(qiáng)[53]。Guo等以四川盆地須家河組頁(yè)巖為例，首先分析了頁(yè)巖破裂的力學(xué)機(jī)制，在不同的覆壓條件下計(jì)算了相應(yīng)的楊氏模量和泊松比值，并將二者與裂縫韌性耦合，且分別為BIE和BIv賦予不同的權(quán)值，將二者加權(quán)平均值作為脆性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果與微地震成像結(jié)果匹配良好，因此可作為較好的評(píng)價(jià)脆性指數(shù)的指標(biāo)[54]。

5 研究展望

總體上，不同的專家學(xué)者基于不同的原理和模型，提出了不同的脆性指數(shù)計(jì)算方法，這些脆性指數(shù)直接存在一定的差異[45]，但針對(duì)油氣儲(chǔ)層而言，主要的依據(jù)仍是泊-楊法以及脆性礦物含量比值法。當(dāng)測(cè)井資料齊全，有縱橫波和密度測(cè)井資料時(shí)，可通過(guò)泊-楊法計(jì)算脆性指數(shù)[45]。而當(dāng)測(cè)井資料序列不全，未采集陣列聲波及ECS測(cè)井時(shí)，基于最優(yōu)化方法確定礦物組分的礦物成分比值法作為泊-楊法的補(bǔ)充，同樣能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)巖石脆性指數(shù)。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建橫波速度再通過(guò)泊-楊法計(jì)算也是獲得脆性指數(shù)的較好方法。此外，還可以通過(guò)探討表征儲(chǔ)層脆性的其他靈敏參數(shù)，如GR/Pe與基于X-衍射資料脆性礦物含量的關(guān)系，也可以建立脆性與其他彈性常數(shù)如λρ乃至Vp/Vs的關(guān)系，同樣也能夠獲得精度較高的脆性指數(shù)。

圖4 Z井泊-楊法計(jì)算脆性指數(shù)與多礦物模型計(jì)算脆性指數(shù)對(duì)比Fig. 4 Comparison of brittleness index calculated by Young’s modulus -Poisson’s ratio and by GR/Pe

巖石脆性方面的研究以指導(dǎo)非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層壓裂改造為主要目的，目前沒(méi)有直接測(cè)井巖石脆性的方法[11,45]，但脆性指數(shù)的計(jì)算與巖石力學(xué)特性是密切相關(guān)的，一般情況下，結(jié)合單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗張強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)脆性指數(shù)大于60％時(shí)，巖石具有較高脆性，而當(dāng)脆性指數(shù)小于40％，則指示較低的脆性[8]。因此通過(guò)巖石力學(xué)特征參數(shù)、脆性礦物成分含量結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，即可計(jì)算非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層脆性指數(shù)[55]。國(guó)外測(cè)井服務(wù)公司如貝克休斯和哈里伯頓等一般應(yīng)用縱泊-楊法來(lái)計(jì)算巖石脆性程度，并通過(guò)巖石脆性程度來(lái)選擇水平著陸點(diǎn)以及壓裂、射孔層段。斯倫貝謝公司除采用陣列聲波法外，還采用更先進(jìn)的聲波掃描測(cè)井來(lái)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)特征，并在縱橫波時(shí)差基礎(chǔ)上通過(guò)最小水平應(yīng)力來(lái)優(yōu)選水平著陸點(diǎn)和壓裂、射孔層段[56]。而應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料評(píng)價(jià)巖石脆性指數(shù)可以彌補(bǔ)由于陣列聲波(或聲波掃描)測(cè)井采集井?dāng)?shù)較少難以開(kāi)展脆性指數(shù)平面分布研究的不足[10]。

科學(xué)立足巖石脆性斷裂和破壞的力學(xué)機(jī)制，并以實(shí)驗(yàn)室高精度分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，首先充分利用好關(guān)鍵井陣列聲波和ECS測(cè)井資料分別以泊-楊法和礦物成分比值法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵井脆性指數(shù)定量評(píng)價(jià)。進(jìn)一步通過(guò)巖心分析化驗(yàn)資料與常規(guī)測(cè)井曲線標(biāo)定與擬合，建立適合于研究區(qū)目的層段的脆性指數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可最終實(shí)現(xiàn)研究區(qū)各單井非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的脆性指數(shù)測(cè)井定量評(píng)價(jià)，達(dá)到為壓裂設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)的目的。需要說(shuō)明的是，由于巖石的非均質(zhì)性，通常導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)和靜態(tài)力學(xué)參數(shù)有一定差別，實(shí)驗(yàn)室條件下分析的用于脆性評(píng)價(jià)的巖石力學(xué)研究所依據(jù)的主要是三軸壓縮實(shí)驗(yàn)確定的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)，因此最好的方法是利用靜態(tài)力學(xué)參數(shù)來(lái)標(biāo)定測(cè)井解釋的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，使脆性評(píng)價(jià)更好地指導(dǎo)鉆井和壓裂等工程應(yīng)用實(shí)踐[39]。

6 結(jié)論

(1)就非常規(guī)油氣儲(chǔ)層可壓裂性而言，脆性指數(shù)的計(jì)算方法可分為3種，一是基于巖石力學(xué)參數(shù)的泊-楊法；二是基于脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等)含量計(jì)算礦物成分比值法；三是經(jīng)驗(yàn)公式法。

(2)當(dāng)測(cè)井資料齊全，有密度測(cè)井資料、陣列聲波或偶極聲波所測(cè)量的縱、橫波時(shí)差時(shí)，即可通過(guò)泊-楊法計(jì)算巖石脆性指數(shù)。

(3)利用ECS測(cè)井礦物成分比值的方法也能計(jì)算儲(chǔ)層較精確的脆性指數(shù)。對(duì)只有常規(guī)測(cè)井資料的井而言，可使用多礦物模型最優(yōu)化處理方法計(jì)算出不同的礦物組分含量，并進(jìn)一步計(jì)算其脆性指數(shù)。

(4)脆性指數(shù)與GR/Pe值一般具有良好統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，因此可通過(guò)回歸分析建立適合于研究區(qū)目的層段的脆性指數(shù)計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)脆性指數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)。此外，通過(guò)提取Vp/Vs等表征儲(chǔ)層脆性比較靈敏的參數(shù)也可以由測(cè)井方法計(jì)算儲(chǔ)層脆性指數(shù)。

(5)科學(xué)立足巖石脆性斷裂和破壞的力學(xué)機(jī)制，并以實(shí)驗(yàn)室高精度分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，利用靜態(tài)力學(xué)參數(shù)來(lái)標(biāo)定測(cè)井解釋的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，可使脆性評(píng)價(jià)更好地指導(dǎo)鉆井和壓裂等工程應(yīng)用實(shí)踐。

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Research progress in brittleness index evaluation methods with logging data in unconventional oil and gas reservoirs

LAI Jin1, WANG Guiwen1,2, FAN Zhuoying1, CHEN Jing1, WANG Shuchen1, ZHOU Zhenglong1, FAN Xuqiang1
1 College of Geosciences, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China

Unconventional oil and gas reservoirs typically require fracturing to achieve industrial capacity. Logging evaluation for rock brittleness is one of the important factors that should be considered in the design of fracturing for unconventional oil and gas reservoirs. At home and abroad, the brittleness index is defned variably and calculated by different methods. However, there is a lack of a complete research method fow for brittleness index evaluation with logging data. This paper reviews the history of the oil and gas reservoir brittleness index, provides a scientifc evaluation of brittleness index defnitions and summarizes brittleness index calculation methods. Finally, the Chang 7 tight oil reservoir in Ordos Basin is taken as an example for discussing the calculation processes and effectiveness of logging evaluation methods for brittleness index. When there are comprehensive wave and shear wave logging data, the rock brittleness index can be calculated directly by Poisson’s ratio and Young’s modulus method or by using mineral composition which could be gained from either Elemental Capture Spectroscopy (ECS) logging curves or optimization method based on conventional logging data. X-ray diffraction data and regression of GR/Pe can also be used to establish an empirical formula for the brittleness index which is suitable for the target study layers to achieve logging evaluation of the brittleness index. Finally, the problems existing in the brittleness index evaluation with logging data are discussed, and the future development direction is put forward. The research results can provide scientifc guidance for drilling and fracturing layer optimization of unconventional oil and gas reservoirs.

brittleness index; unconventional oil and gas resources; reservoirs; logging evaluation; Chang 7 tight oil

2016-07-28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05020-008、2016ZX05019-005-007)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41472115)聯(lián)合資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.028

(編輯 付娟娟)

賴錦, 王貴文, 范卓穎, 陳晶, 王抒忱, 周正龍, 范旭強(qiáng). 非常規(guī)油氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展. 石油科學(xué)通報(bào), 2016, 03: 330-341

LAI Jin, WANG Guiwen, FAN Zhuoying, CHEN Jing, WANG Shuchen, ZHOU Zhenglong, FAN Xuqiang. Research progress in brittleness index evaluation methods with logging data in unconventional oil and gas reservoirs. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 330-341. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.028

*通信作者, wanggw@cup.edu.cn