徐天吉，程冰潔，胡 斌，江瑩瑩，唐建明

(1.中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院 物探三所,四川 成都 610041; 2.中國(guó)石化 多波地震技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041; 3.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059；4.成都信息工程學(xué)院 氣象信息與信號(hào)處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225)

基于VTI介質(zhì)彈性參數(shù)的頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用

徐天吉1，2，程冰潔3，4，胡 斌1，2，江瑩瑩1，2，唐建明2

(1.中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院 物探三所,四川 成都 610041; 2.中國(guó)石化 多波地震技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041; 3.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059；4.成都信息工程學(xué)院 氣象信息與信號(hào)處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225)

大量的科學(xué)研究表明，頁(yè)巖的脆性對(duì)油氣儲(chǔ)層的各向異性、儲(chǔ)集能力、滲透性和可改造性等具有重要的影響，因此巖石的脆性預(yù)測(cè)成為了評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏的重要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析也已經(jīng)證實(shí)，頁(yè)巖的脆性與巖石中的礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)等影響力學(xué)性質(zhì)的因素密切相關(guān)。Rickman等(2008)提出了基于彈性參數(shù)的脆性系數(shù)計(jì)算方法，融合了力學(xué)參數(shù)楊氏模量和泊松比。然而，目前計(jì)算楊氏模量和泊松比的方法均以各向同性介質(zhì)為前提，受此局限，脆性系數(shù)計(jì)算公式必然不能精確地描述復(fù)雜介質(zhì)中的脆性特征。為此，引入Thomsen(2013)提出的VTI介質(zhì)彈性參數(shù)計(jì)算方法，推導(dǎo)出隱含了各向異性參數(shù)ε，γ和δ的脆性系數(shù)計(jì)算公式，從理論上直接把頁(yè)巖的脆性和各向異性密切地聯(lián)系了起來(lái)，較好地詮釋了現(xiàn)實(shí)中脆性頁(yè)巖存在各向異性的巖石物理特性。將該方法應(yīng)用于四川盆地西部新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須家河組五段頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，結(jié)果表明脆性系數(shù)高值異常區(qū)儲(chǔ)層脆性較強(qiáng)，能有利于在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中識(shí)別出“脆性甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)僅有的兩口頁(yè)巖氣專層井吻合良好。

VTI介質(zhì)；彈性參數(shù)；脆性；裂縫；頁(yè)巖氣

天然氣在烴源巖及夾層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等地層中就近大規(guī)模儲(chǔ)集，并原地成藏，形成了資源量極大的非常規(guī)頁(yè)巖氣藏。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，全球頁(yè)巖氣儲(chǔ)量約4561012m3，我國(guó)可采資源量約261012m3，勘探開(kāi)發(fā)潛力巨大。此外，頁(yè)巖氣具備清潔能源的燃燒特性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，正在成為21世紀(jì)日趨重要的接替能源?？梢?jiàn)，當(dāng)前頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)成為油氣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)屬于必然趨勢(shì)。

然而，目前人們對(duì)頁(yè)巖氣藏的認(rèn)識(shí)程度尚低，尤其在頁(yè)巖氣富集機(jī)理、評(píng)價(jià)方法和開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面尚處于探索起步階段。其中，頁(yè)巖氣藏的有效評(píng)價(jià)是決定開(kāi)發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這已經(jīng)被勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐所證實(shí)，并引起了油氣領(lǐng)域?qū)＜业钠毡橹匾暋３Ｒ?guī)油氣藏的評(píng)價(jià)內(nèi)容涵蓋了“生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、圈、?！绷蟪刹匾兀诤狭藷N源、儲(chǔ)層、蓋層為一體的非常規(guī)頁(yè)巖氣藏，評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要集中在基礎(chǔ)地質(zhì)條件和儲(chǔ)層條件兩大方面[1-3]。事實(shí)上，作為一類典型的沉積巖儲(chǔ)集體，在石英、長(zhǎng)石、粘土、有機(jī)質(zhì)等復(fù)雜的碎屑成分及物理化學(xué)性質(zhì)、薄頁(yè)狀或薄片層狀的節(jié)理、孔隙、裂縫、脆性等影響下，不同類型頁(yè)巖的生烴能力和天然氣儲(chǔ)集能力等必然差異明顯。因此，對(duì)頁(yè)巖地層的有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、礦物成分、物性和含氣量等展開(kāi)評(píng)價(jià)，已經(jīng)成為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層條件評(píng)價(jià)的重點(diǎn)內(nèi)容[4-8]。儲(chǔ)層條件不僅決定了頁(yè)巖對(duì)天然氣的儲(chǔ)集能力，還涉及到天然氣滲流疏導(dǎo)和地層壓裂改造潛力等。實(shí)踐證實(shí)，頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力、滲透性、可改造性等與頁(yè)巖的脆性特征密切相關(guān)。頁(yè)巖的脆性越強(qiáng)，在內(nèi)、外應(yīng)力的作用下，就越容易產(chǎn)生各向異性并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破碎，增加在頁(yè)巖地層內(nèi)部形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)的可能性。這樣，不僅有利于擴(kuò)大天然氣的存儲(chǔ)空間，還有利于拓展天然氣運(yùn)移的喉道及增加滲流到井中的概率。可見(jiàn)，為了滿足頁(yè)巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)需求，針對(duì)頁(yè)巖脆性開(kāi)展預(yù)測(cè)方法研究，顯然十分必要。

當(dāng)然，受頁(yè)巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)興起時(shí)間及研究認(rèn)識(shí)程度等因素的局限，見(jiàn)諸報(bào)道的頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)方法極少。歸納起來(lái)，目前存在的方法主要有兩大類[9-13]。一類是礦物成分法，利用頁(yè)巖中的脆性礦物(如石英、長(zhǎng)石、方解石、菱鐵礦等)與塑性礦物(主要指粘土礦物)之間的百分比，建立脆性特征表征參數(shù)，達(dá)到頁(yè)巖地層脆性空間描述或預(yù)測(cè)的目的。這類方法在南襄盆地泌陽(yáng)凹陷湖相頁(yè)巖壓裂中獲得了應(yīng)用，季澤普(2013)結(jié)合頁(yè)巖類型、巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成及其含量、巖石微相特征等，歸納出鈣質(zhì)頁(yè)巖“脆而不甜”、砂質(zhì)頁(yè)巖“既脆又甜”、黑色(粘土質(zhì))頁(yè)巖“甜而不脆”等規(guī)律，為壓裂選層、選點(diǎn)等提供了重要參考[14]。另一類是力學(xué)參數(shù)法，基于應(yīng)力與應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)-物理關(guān)系，計(jì)算頁(yè)巖在各類應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉伸、壓縮、剪切等形變的概率，利用楊氏模量、體積模量、剪切模量、泊松比等彈性參數(shù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖的脆性特征[15]。這類方法的應(yīng)用，目前主要以巖心樣品為分析對(duì)象，利用力學(xué)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室完成研究，針對(duì)儲(chǔ)層的空間預(yù)測(cè)卻鮮有報(bào)道。

本文所研究的頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)方法隸屬于力學(xué)參數(shù)法。在目前彈性參數(shù)計(jì)算方法以各向同性介質(zhì)為基礎(chǔ)的前提下，作者提出了以各向異性介質(zhì)(主要研究了橫向各向同性介質(zhì)，Vertical Transverse Isotropic Media,簡(jiǎn)稱VTI介質(zhì))中的彈性參數(shù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖脆性的新方法，并針對(duì)四川盆地新場(chǎng)地區(qū)須家河組五段頁(yè)巖氣藏目標(biāo)地層開(kāi)展了應(yīng)用研究，取得了井-震吻合較好的預(yù)測(cè)效果。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基于VTI介質(zhì)彈性參數(shù)的巖石脆性系數(shù)

在材料科學(xué)中，視脆性(brittleness)和塑性(ducti-lity)為固態(tài)物質(zhì)的兩種相反屬性。對(duì)于脆性物質(zhì)，當(dāng)遭受外力時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生明顯的形變；并且，即便其具有較高的強(qiáng)(硬)度，也容易在較少的能量下產(chǎn)生破裂。對(duì)于塑性物質(zhì)，具有拉伸韌性或壓縮韌性，發(fā)生形變或破碎時(shí)，則將吸收更多的能量。換言之，在相同應(yīng)力作用下，脆性物質(zhì)應(yīng)變較小，吸收的能量較少，破碎概率更高。

如何表征物質(zhì)的脆性呢？脆性物質(zhì)的定義[8]指出，當(dāng)物質(zhì)極限受力時(shí)突然破裂并釋放全部彈性能量，且在破裂前僅產(chǎn)生了很小的應(yīng)變，此即為脆性物質(zhì)?？梢?jiàn)，物質(zhì)的脆性與應(yīng)力、應(yīng)變、能量密切相關(guān)。Rickman等(2008)采用脆性系數(shù)描述Barnett頁(yè)巖的脆性，將脆性系數(shù)定義[16]為

(1)

式中：B為脆性系數(shù)，%；E為楊氏模量，104MPa；σ為泊松比，無(wú)量綱。

在各向同性介質(zhì)中，彈性參數(shù)E和泊松比σ的表達(dá)式[17]分別為

(2)

(3)

在各向同性介質(zhì)中，利用楊氏模量表述的柔度矩陣為

(4)

在VTI介質(zhì)中(坐標(biāo)系及字母下標(biāo)關(guān)系詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18])，該矩陣為

式中：E11和E33分別為水平方向和垂直方向的楊氏模量，104MPa；μ12,μ13和σ12，σ13分別是具有方向性的剪切模量(104MPa)和泊松比。利用楊氏模量與速度、密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[18]，可將柔度矩陣(5)轉(zhuǎn)換為剛度矩陣的形式，即

(6)

式中：vP90,vP0和vS9090,vS0分別為水平方向和垂直方向的縱、橫波速度，m/s；λ12和λ13分別是具有方向性的拉梅系數(shù),104MPa。在該6×6的對(duì)稱矩陣中，33分量為縱波模量M0；11和22分量控制縱波的水平速度；44和55分量控制垂向S波速度的水平極化；66分量控制水平S波速度的水平極化。

對(duì)比式(5)和(6)可知，在各向異性介質(zhì)中，彈性參數(shù)與各向同性介質(zhì)不同[17-19]。在式(6)所示的各向異性介質(zhì)的剛度矩陣中，有5個(gè)獨(dú)立參數(shù)，12分量、13分量和23分量中，展示出了2個(gè)不同的拉梅系數(shù)λ12和λ13。

利用式(7)—(9)所示Thomsen各向異性參數(shù)與速度的關(guān)系[18]:

(7)

(8)

(9)

可以推導(dǎo)出楊氏模量和泊松比的各向異性(VTI)表達(dá)式(Thomsen,2010[20]，2013[17])，即

由于σ12和σ13具有方向性，便于計(jì)算，這里取其平均值，即

(14)

由此，結(jié)合式(1),(10),(11)和(14)，可以推導(dǎo)出VTI介質(zhì)中水平方向(B11)和垂直方向(B33)的巖石脆性系數(shù)(%)，即

(15)

(16)

分析E11,E33和σ′的表達(dá)式可知，B11和B33均隱含了Thomsen各向異性參數(shù)ε，γ和δ，說(shuō)明巖石的脆性與各向異性密切相關(guān)。

基于式(15)和(16)，利用測(cè)井資料中的速度和密度數(shù)據(jù)就能夠計(jì)算出巖石的脆性系數(shù)。如圖1所示，基于四川盆地西部須家河組五段(簡(jiǎn)稱須五段)頁(yè)巖氣專層井HF-2中的縱波速度、橫波速度和密度數(shù)據(jù)，計(jì)算出了各向異性參數(shù)、楊氏模量、泊松比及脆性系數(shù)。由圖1可見(jiàn)，B，B11和B33總體趨勢(shì)一致；但是，

圖1 川西須五段頁(yè)巖專層井HF-2的各向異性、楊氏模量、泊松比及脆性系數(shù)等參數(shù)Fig.1 Parameters of well HF-2 in the 5th member of the Xujiahe Formation of the western Sichuan Basin,including anisotropy,Young’s modulus,Poisson’s ratio and brittleness coefficienta. Thomsen各向異性系數(shù)ε，δ和γ；b,c.楊氏模量E11,E33;d.楊氏模量E11和E33之差;e.各向異性條件下的泊松比σ′;f.各向同性條件下的脆性系數(shù)B;g,h.各向異性條件下的脆性系數(shù)B11,B33;i.各向同性與各向異性條件下的脆性系數(shù)之差

當(dāng)Thomsen各向異性參數(shù)ε，γ和δ變化較大時(shí)，E11，E33，σ′,B11和B33均有比較明顯的變化。對(duì)比圖1a與d、圖1a與i，當(dāng)ε，γ和δ變化較大時(shí)，E11-E33，B33-B11，B-B11和B-B33均有相應(yīng)的變化。其中，E11-E33變化較小，B-B11和B-B33變化較大，說(shuō)明各向同性和各向異性條件下的脆性系數(shù)還是存在較大差異(便于對(duì)比分析和顯示，將B33-B11和B-B11分別放大100倍和1.5倍)。由此可見(jiàn)，VTI介質(zhì)中的E11，E33，B11和B33等參數(shù)均具有各向異性的特征。當(dāng)E11和E33增加或減小時(shí)，B11和B33呈現(xiàn)出相同的單調(diào)變化，展現(xiàn)出了楊氏模量與脆性系數(shù)之間的正向變化特征，這就是楊氏模量被用于預(yù)測(cè)巖石脆性的理論基礎(chǔ)。當(dāng)σ′增加或減小時(shí)，B11和B33表現(xiàn)為相反的單調(diào)變化，可見(jiàn)泊松比也在很大程度上影響巖石的脆性。泊松比越小(巖石孔隙度可能越小、致密程度可能越高)，巖石脆性越強(qiáng)；相反，則塑性越強(qiáng)。

1.2 基于地震疊前反演的脆性系數(shù)計(jì)算思路

由巖石物理學(xué)可知，彈性參數(shù)與介質(zhì)密度和速度密切相關(guān)。在各向同性介質(zhì)中，利用速度、密度與彈性參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以把Thomsen(2013)所述楊氏模量和泊松比表達(dá)式[16]公式(2)和公式(3)變換為

(17)

(18)

利用速度、密度與阻抗的關(guān)系，即縱波阻抗IP0=ρvP0、橫波阻抗IS0=ρvS0，將彈性參數(shù)楊氏模量、泊松比、剪切模量和縱波模量表述為

(19)

(20)

(21)

(22)

基于上述式(19)—(22)，可以將式(10)—(16)所示的E11，E33，σ′,B11和B33的表達(dá)式變化為與巖石密度、縱橫波阻抗及Thomsen各向異性參數(shù)ε,γ和δ有關(guān)的解析表達(dá)式。因而，在計(jì)算脆性參數(shù)B11和B33時(shí)，關(guān)鍵是首先獲取ρ，IP0，IS0，ε，γ和δ這6個(gè)參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)的計(jì)算能夠通過(guò)地震反演獲取[21]，計(jì)算思路如圖2所示。

2 應(yīng)用實(shí)例

在四川盆地西部新場(chǎng)-孝泉地區(qū)，須家河組五段(簡(jiǎn)稱須五段)主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系，向南逐漸過(guò)渡為三角洲前緣-前三角洲水下扇-濱淺湖沉積環(huán)境。該地區(qū)須五段地層主要以泥頁(yè)巖為主，層間夾(深)灰色粉砂巖及細(xì)-中粒巖屑砂巖互層；地層厚度自西向東呈減薄趨勢(shì)，平均厚度達(dá)460 m；埋深自西向東呈加深趨勢(shì)，頂部埋深2 000～4 000 m。廣泛發(fā)育的泥頁(yè)巖作為烴源巖，為生成大規(guī)模的天然氣提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。受應(yīng)力作用，在脆性較強(qiáng)的頁(yè)巖和薄砂層內(nèi)部，容易形成孔隙和裂縫，加之頂、底板地層完整、斷層不發(fā)育和封蓋良好等利好因素，為該地區(qū)天然氣的解吸、滲透和富集創(chuàng)造了有利條件。在良好的儲(chǔ)運(yùn)空間中，生成的天然氣經(jīng)短距離運(yùn)移到砂巖互層，就近成藏，形成了川西陸相須五段典型的自生自儲(chǔ)的“近源或源內(nèi)”式連續(xù)型非常規(guī)天然氣藏。

圖2 脆性系數(shù)及其計(jì)算思路Fig.2 Brittleness coefficient and its calculation workflow

勘探實(shí)踐表明，在新場(chǎng)-孝泉地區(qū)的須五段頁(yè)巖氣探區(qū)，存在“富砂型”、“富頁(yè)型”和“砂頁(yè)互層型”三大類有利巖性組合，巖層非均質(zhì)性較強(qiáng)、各向異性特征明顯。在致密砂巖中，天然氣以“游離態(tài)”的形式存在；在頁(yè)巖中，天然氣以“吸附態(tài)”、“游離態(tài)”和“溶解態(tài)”3種形式賦存。在巖層孔隙度、各向異性、裂縫密度、有機(jī)碳含量、熱成熟度等物性與地化指標(biāo)相對(duì)優(yōu)越的區(qū)域，易形成天然氣富集的優(yōu)質(zhì)“地質(zhì)甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。當(dāng)“地質(zhì)甜點(diǎn)”儲(chǔ)層廣泛發(fā)育脆性巖石時(shí)，這類儲(chǔ)層亦為“工程甜點(diǎn)”儲(chǔ)層，更利于天然氣的滲流富集和開(kāi)發(fā)改造。區(qū)內(nèi)HF-1井(“富頁(yè)型”)和HF-2井(“富砂型”)是頁(yè)巖氣專層井，通過(guò)儲(chǔ)層壓裂改造，在相對(duì)較大的孔隙、天然裂縫和人造裂縫的疏導(dǎo)下，加速了地層內(nèi)部游離氣和吸附氣的滲流，最終獲得了天然氣工業(yè)產(chǎn)能。

就地震響應(yīng)特征而言，受巖性組合、巖層厚度、有機(jī)碳含量、含氣性、脆性及各向異性等多種復(fù)雜因素的影響[22]，該地區(qū)須五段砂巖阻抗高于泥頁(yè)巖阻抗，厚度較大的泥頁(yè)巖地層段和砂泥薄互層段產(chǎn)生較弱的地震反射，夾有較厚砂層的泥頁(yè)巖產(chǎn)生低頻、強(qiáng)波峰-強(qiáng)波谷“亮點(diǎn)”型地震反射。圖3分別為該區(qū)過(guò)HF-1井和HF-2井的須五段地震反射剖面，展示了地震波傳播經(jīng)過(guò)目標(biāo)層(藍(lán)色曲線)后，呈現(xiàn)出低頻強(qiáng)反射響應(yīng)特征。圖4分別為HF-1井和HF-2井目標(biāo)層的振幅屬性，展示了濱淺湖沉積相中振幅較強(qiáng)的地震反射區(qū)域?yàn)橛欣麅?chǔ)層分布區(qū)。

基于本文所述的頁(yè)巖脆性系數(shù)計(jì)算原理，利用新場(chǎng)-孝泉地區(qū)的測(cè)井、地震和地質(zhì)等綜合資料，計(jì)算出了須五段水平方向和垂直方向的巖石脆性系數(shù)B11和B33(圖5，圖6)。

圖5顯示，在HF-1井的目標(biāo)層(圖5b中藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)地層)，巖石脆性系數(shù)高值異常區(qū)(黃-紅色)分布并不廣泛，預(yù)示著該層強(qiáng)脆性巖石分布范圍有限，不利于天然縫隙的規(guī)模發(fā)育和后期壓裂改造。分析圖5可見(jiàn)，盡管強(qiáng)振幅異常分布廣泛、有利儲(chǔ)層(“甜點(diǎn)”)面積較大(圖5a)，但儲(chǔ)層脆性僅局部較強(qiáng)，大部分區(qū)域可能是“甜”而“不脆”。在該區(qū)儲(chǔ)層十分致密(平均孔隙度約4%)的背景下，如果巖層脆性不強(qiáng)，則無(wú)論拉伸、壓縮還是剪切作用均難以使巖層產(chǎn)生破碎，必然不利于巖層孔隙、喉道的進(jìn)一步擴(kuò)張和天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模發(fā)育。盡管HF-1井目標(biāo)層泥頁(yè)巖厚度較大、有機(jī)碳含量較高(約2.3%)、熱成熟度適中，有利于天然氣的生成，有機(jī)碳向天然氣轉(zhuǎn)化過(guò)程中也有利于擴(kuò)大有機(jī)質(zhì)孔隙,但是在儲(chǔ)層脆性欠發(fā)育的背景下，地層壓力不足以使天然氣聚集的空間和運(yùn)移的通道有效增加，也不利于天然氣向厚泥頁(yè)巖中的薄粉砂夾層解吸與滲流富集。同時(shí)，由于巖層脆性欠發(fā)育，在后期的儲(chǔ)層壓裂改造過(guò)程中難以使閉合縫有效開(kāi)啟、難以使微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張、難以產(chǎn)生多組隨機(jī)裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最終不能將儲(chǔ)層中聚集的天然氣大規(guī)模地疏導(dǎo)到開(kāi)發(fā)井中。在這些因素的制約下，HF-1井僅獲得了較低的天然氣工業(yè)產(chǎn)能。

圖3 川西新場(chǎng)-孝泉地區(qū)HF-1井(a)和HF-2井(b)須五段地震反射剖面Fig.3 Seismic reflection profiles of well HF-1(a) and HF-2(b) in the 5th member of the Xujiahe Formation of Xinchang-Xiaoquan area in the western Sichuan Basin

圖4 川西新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須五段HF-1井(a)和HF-2井(b)目標(biāo)層地震振幅屬性Fig.4 Amplitudes of layers of interest in well HF-1(a) and HF-2(b) in the 5th member of the Xujiahe Formation of Xinchang-Xiaoquan area in the western Sichuan Basin

圖5 川西新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須五段巖石脆性系數(shù)B11沿HF-1井目標(biāo)層(a)及剖面(b)分布Fig.5 Distribution of brittleness coefficient B11 along layers of interest (a) and profiles (b) in well HF-1 of the 5thmember of the Xujiahe Formation of Xinchang-Xiaoquan area in the western Sichuan Basin

圖6 川西新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須五段巖石脆性系數(shù)B33沿HF-2井目標(biāo)層(a)及剖面(b)分布Fig.6 Distribution of brittleness coefficient B33 along layers of interest (a) and profiles (b) in well HF-2 of the 5thmember of the Xujiahe Formation of Xinchang-Xiaoquan area in the western Sichuan Basin

巖性主要礦物含量/%粘土礦物脆性礦物(石英、長(zhǎng)石等)黑色頁(yè)巖351605478460503439540420399561410530425522

圖6顯示，在HF-2井的目標(biāo)層(圖6b中藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)地層)，巖石脆性系數(shù)高值異常區(qū)(黃-紅色)沿層廣泛展布,預(yù)示著該層大部分巖石脆性較強(qiáng)，抗壓、抗張和抗剪的能力較差,在外力作用下容易斷裂破碎，有利于裂縫發(fā)育。此外，該巖層段以頁(yè)巖、粉砂巖等粒度較細(xì)的致密巖性組合為主，巖層孔隙度低且含石英、長(zhǎng)石等脆性成分較高(表1)，使巖石的強(qiáng)度和彈性模量增加，在相同應(yīng)力作用下，更容易產(chǎn)生形變破裂；即使巖石發(fā)生較小的應(yīng)變，也容易產(chǎn)生裂縫，增加裂縫的發(fā)育密度。在后期的壓裂改造過(guò)程中，壓裂的脆性巖層中產(chǎn)生了人工裂縫，溝通了儲(chǔ)層中不同組系的高角度構(gòu)造縫、近水平成巖縫、小斷裂伴生縫等，組成了裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使泥頁(yè)巖的隔擋能力變差、滲透性變強(qiáng)，有利于天然氣向薄粉-細(xì)砂巖層中大規(guī)模聚集，進(jìn)而令該井獲得了較高的天然氣工業(yè)產(chǎn)能。

總之，針對(duì)HF-1井和HF-2井的目標(biāo)層，基于VTI介質(zhì)彈性參數(shù)的脆性系數(shù)(B11和B33)較好地反映了這兩類儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)——脆性特征。應(yīng)用結(jié)果表明，在新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須五段，預(yù)測(cè)脆性較差的巖層，存在“甜”而“不脆”的特征，天然裂縫不發(fā)育、裂縫密度低，后期改造作用難以有效溝通裂縫網(wǎng)絡(luò)；相反，預(yù)測(cè)脆性較強(qiáng)的巖層，具備既“甜”又“脆”的特征，易于被壓裂改造，天然裂縫與人工裂縫能有效組合，并形成利于烴源巖中天然氣解吸和滲流的通道，最終獲得天然氣工業(yè)產(chǎn)能。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 在各向異性條件下，彈性參數(shù)(楊氏模量、泊松比)與Thomsen參數(shù)ε，γ和δ有關(guān)。本文推導(dǎo)的頁(yè)巖脆性系數(shù)計(jì)算公式實(shí)質(zhì)上包含了Thomsen參數(shù)。因此，該公式直接把頁(yè)巖的脆性和各向異性密切地聯(lián)系了起來(lái)，豐富了現(xiàn)實(shí)中脆性頁(yè)巖存在各向異性的巖石物理基礎(chǔ)理論。

2) 在新場(chǎng)-孝泉地區(qū)須五段，脆性系數(shù)高值異常區(qū)，能較好地反映儲(chǔ)層脆性特征。正是在廣泛分布的較強(qiáng)脆性儲(chǔ)層的影響下，使具有較高有機(jī)碳豐度的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層同時(shí)具備了“地質(zhì)甜點(diǎn)”和“工程甜點(diǎn)”的有利條件，促使儲(chǔ)層孔隙、各向異性和裂縫等進(jìn)一步發(fā)育，為天然氣的解吸、滲流、富集和儲(chǔ)層后期壓裂改造創(chuàng)造了有利條件。

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(編輯 李 軍)

Shale brittleness prediction based on elastic parameters of VTI media

Xu Tianji1,2,Cheng Bingjie3，4，Hu Bin1，2，Jiang Yingying1，2，Tiang Jianming2

(1. Exploration& Production Research Institute,SINOPEC Southwest Oil & Gas Company,Chengdu,Sichuan 610041,China;2.SINOPECKeyLaboratoryofMulti-ComponentsSeismicTechnology，Chengdu,Sichuan610041,China;3.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;4.SichuanProvinceKeyLaboratoryofMeteorologicalInformationandSignalProcessing,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu,Sichuan610225,China)

Numerous studies show that shale brittleness has great influences on the anisotropy,pooling capacity,permeability and fracability of oil and gas reservoirs,thus making the prediction of shale brittleness one of the hot spots in shale gas reservoirs evaluation.Lab analyses also confirmed a close relationship between shale brittleness and several factors like the mineral content and the pore structure that affect mechanical properties of shale rocks.Rickman et al (2008) proposed a method for brittleness coefficient calculation based on elastic parameters.The method combined Young’s modulus and the Poisson ratio- two mechanical parameters that can only be calculated with an assumption that the reservoirs in concern are isotropous.Therefore,the method can not accurately describe the brittleness of complex media.To deal with the problem,we introduced the elastic parameter calculation method of VTI media proposed by Thomsen (2013),and developed a brittleness calculation formula comprised of anisotropic parametersε,γandδ.Theoretically,the formulat links shale brittleness to anisotropy and offered a better way for anisotropic characterization of shale rocks.Application of the method to the study of the 5thmember of the Xujiahe Formation in Xinchang-Xiaoquan gas field of Sichuan Basin indicated that shale reservoirs in areas with abnormally high brittleness coefficients have strong brittleness,thus it can be used to better identify “brittle sweet spots” within “geologic sweet spots”.The brittleness prediction results coincide well with the drilling results of the only two shale gas wells.

VTI media,elastic parameter,brittleness,fracture,shale gas

2015-06-25;

2016-07-12。

徐天吉(1975—)，男，高級(jí)工程師，石油與天然氣地震勘探方法及應(yīng)用。E-mail:xu_tianji@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41574099)；國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1262206)。

0253-9985(2016)06-0971-08

10.11743/ogg20160619

P631

A