岩石脆性预测在吉木萨尔凹陷致密油勘探中的应用

郭旭光，牛志杰，王振林，冯右伦，周柯全，朱永才

(中国石油新疆油田公司勘探开发研究院， 新疆克拉玛依 834000)



岩石脆性预测在吉木萨尔凹陷致密油勘探中的应用

郭旭光，牛志杰，王振林，冯右伦，周柯全，朱永才

(中国石油新疆油田公司勘探开发研究院， 新疆克拉玛依 834000)

岩石的脆性是非常规油气藏勘探开发中需考虑的关键岩石力学参数之一。岩石脆，压裂过程中易产生缝网，从而有效改造储层，达到提高单井产量的目的。基于岩石弹性参数的归一化杨氏模量和泊松比方法，是当前广泛采用的可用于地震预测的岩石脆性评价技术，但其结果受归一化参数取值的影响较大，适用性受到影响。利用杨氏模量和泊松比的商作为脆性评价指标，并用大量岩石力学实验刻度，大大提高了岩石脆性判别的可信度。利用地震叠前弹性参数反演，开展吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油岩石脆性预测，指导水平井部署。为保证更好的储层改造效果，在水平井轨迹设计过程中不但考虑了储层物性，还充分考虑了岩石脆性。在优选的有利区钻探水平井，并实施了体积压裂，微地震监测结果显示压裂产生了缝状网，储层改造效果理想。该水平井试油获得了稳定高产工业油流。

致密油 岩石力学 脆性 叠前反演 水平井

Guo Xu-guang，Niu Zhi-jie，Wang Zhen-lin， Feng You-lun， Zhou Ke-quan， Zhu Yong-cai. Application of rock brittleness prediction to exploration of tight oil in the Jimusaer depression, Junggar Basin[J].Geology and Exploration, 2015, 51(3):0592-0598.

1 引言

美国页岩气革命的成功带动了非常规油气资源的勘探开发。近年来，北美非常规油气产量迅速攀升，引起了全球范围的一次“淘金热”。在我国，非常规油气资源也备受关注，对经济发展和改善能源结构具有重要意义(袁桂琴等，2013)，并在多个含油气盆地的勘探已取得了战略性突破。致密油是非常规油气资源的一种，是储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1mD(空气渗透率小于1mD)的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油；单井一般无自然产能或自然产能低于工业油流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业石油产量(赵政璋等，2012)。

致密油开采需要两大特有技术：水平井钻探技术和水平井多段体积压裂技术。岩石脆性是致密油储层改造需要考虑的重要岩石力学参数之一，可以反映岩层在一定条件下形成裂缝的能力，脆性越好，其对压裂反应越灵敏，形成的裂缝越复杂(李华阳等，2014)，从而有效改造储层，获得较高的单井产量。

脆性是物体的一种属性，在不同学科的涵义有一定差异(Morleyetal. ，1944；Heteny，1966；Ramsay,1967；李庆辉等，2012)，地质学及材料学认为材料断裂或破坏前表现出极少或没有塑性形变的特征为脆性(Jesse，1960)。

岩石的脆性可以由杨氏模量和泊松比描述，杨氏模量与泊松比的大小反映了地层在一定受力条件下弹性变形的难易程度，杨氏模量越大，地层越硬，刚度越大，地层就容易破裂，对应泊松比小；反之，杨氏模量越小，地层越软，刚度越小，地层就不易破裂，对应泊松比大(陈勉等，2011)。

国内外用于岩石脆性评价的方法较多，归纳起来大致可以分为三大类：① 基于弹性应变的脆性评价方法(Huckaetal.，1974)；② 基于岩石矿物学的脆性评价方法(Jarvieetal.，2007；Wangetal.，2009；Bulleretal.，2010；牛强等，2014)；③ 基于岩石弹性参数的脆性评价方法(Rickmanetal.，2008)。同时，也有把岩石矿物和岩石弹性参数结合起来的脆性评价方法(刁海燕，2013)。基于弹性应变的脆性评价方法将脆性定义为岩石在很小或者是没有塑性变形的情况下破碎的性质，可通过实验室测量岩石应力应变关系从而计算岩石脆性。这种方法虽然能够较真实地反映岩石脆性，但是以实验室分析获得，难以应用在地震预测。基于岩石矿物学的脆性评价方法主要通过计算石英、碳酸盐岩等脆性矿物或者组成脆性矿物的元素所占的比例来评价岩石脆性。由于不同研究区的岩石矿物类型及成分差别很大，这种方法具有典型的地区受限性，推广应用性相对较差，而且仅是井点的岩石脆性评价，不能用于地震预测。基于岩石弹性参数的岩石脆性评价方法是通过杨氏模量和泊松比表征其脆性。目前国内外应用较多的是归一化杨氏模量和泊松比的计算方法。这一方法虽然建立了脆性与弹性模量之间的关系，可用于地震预测，但是该方法需要通过实验方法得到杨氏模量和泊松比的最大值和最小值，准确度难以把握，同时，不同研究区对应参数差异较大，在某一工区选取的参数无法用于其它工区，通用性相对较差。

本文提出了一种新的脆性指数计算方法：基于岩石力学实验刻度的岩石脆性评价方法。该方法通过大量岩石样品的三轴应力实验，以岩石应力-应变关系和岩石的破碎状态为依据，建立以岩石杨氏模量和泊松比为核心的岩石脆性评价标准，并以实验刻度测井，利用测井资料计算脆性指数。这一方法不仅实现了脆性连续表征，而且可以用于地震预测，为致密油勘探有利区优选、井位部署及压裂提供依据。

2 方法原理

具体实现流程如下：

(1) 通过实验建立脆性评价标准

通过大量岩样的应力-应变曲线形态及岩样破坏状态，定义岩石脆性。① 脆性较好：轴向应力-轴向应变(下文简称应力-应变)曲线为直线型，在大的非线性变形前就发生了破坏，破坏形式为脆性破坏；② 脆性一般：应力-应变曲线为S型，主要反映了微裂纹在受压条件下的力学行为，破坏形式为剪切破坏；③ 脆性较差：应力-应变曲线为下凹型，变形没有明显的阶段，破坏形式为塑性破坏。

(2) 求取岩石杨氏模量和泊松比

利用(1)、(2)式求取岩石杨氏模量和泊松比，或者利用应力-应变和径向应变-轴向应变曲线的弹性状态斜率，分别求取岩石杨氏模量和泊松比。

(3) 求取脆性指数

以实验刻度测井，通过纵、横波测井曲线计算杨氏模量和泊松比，并根据式(3)求取脆性指数。

(1)

(2)

(3)

式中：E为杨氏模量，ν为泊松比，BI为脆性指数，Δσ为轴向应力增量，Δε1为轴向应变增量，Δε2为径向应变增量。

上述岩石脆性评价方法避免了由于杨氏模量和泊松比归一化参数取值的不确定性带来的误差，同时可以实现岩石脆性的测井连续表征，进而用于地震预测，将井点的脆性评价结果扩展到三维空间，进行致密油储层脆性分布规律研究，指导勘探开发部署及储层改造方案设计。

3 脆性研究及应用

3.1 研究区地质概况

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起西南部，面积约1300km2，是一个西断东超的箕状凹陷，主体勘探部位相对平缓，地层倾角3°～5°。目的层中二叠统芦草沟组是一套优质烃源岩层，厚度200～350m，内部集中发育上、下两套物性相对较好、横向大面积稳定分布的储层段，即“甜点体”，储层覆压孔隙度6%～16%，覆压渗透率整体小于0.1mD，具有典型的致密油特征。该区储层岩性复杂多变，多为碎屑岩和碳酸盐岩的过渡岩类，上“甜点体”储层主要岩性有砂屑云岩、岩屑长石粉细砂岩、云屑砂岩，还有少量微晶云岩；下“甜点体”储层主要岩性为白云质粉细砂岩。

3.2 岩石脆性评价

为了开展“甜点”脆性研究，针对目的层连续取心的吉174井，选取了85块不同岩性的岩样进行三轴岩石力学实验，并通过岩石应力-应变关系及岩石的破碎状态对岩石脆性进行评价。实验加载围压10 MPa，加载速率50N/s。

脆性较好：岩石应力-应变曲线表现较好弹性，呈直线型，曲线斜率较陡，达到最大抗压强度之前岩石破碎，岩石破碎时轴向应变一般小于0.8%，轴向应变-径向应变曲线在破裂点之前斜率变化小，在破裂点曲线产生突变；岩石破裂形态为破碎(图1a)。

脆性中等：岩石应力-应变曲线表现为中等弹性，呈S型，应力达到岩石最大抗压强度时，岩石发生破坏，此前岩石有塑性变形，岩石破坏时，轴向应变大于0.8%，小于1.5%，轴向应变-径向应变曲线上，破裂点有较缓的变化，岩石发生剪切破坏且破碎程度较小(图1b)。

脆性较差：岩石应力-应变曲线为较差弹性，呈下凹型，应力达到最大抗压强度之前岩石一直发生塑性变形，轴向应变一般大于1.5%时才发生破坏，在破裂点之前轴向应变-径向应变曲线曲线斜率持续增加，在破裂点无突变；岩石破裂形态为剪切破坏(图1c)。

图1 不同脆性岩石应力-应变关系及破碎状态Fig.1 The rock stress-strain curves and fracture with different brittleness

根据实验结果，建立脆性评价参数。脆性较好：杨氏模量大于等于15GPa，泊松比小于等于0.2，脆性指数大于75GPa；脆性中等：杨氏模量介于15GPa和10GPa之间，泊松比介于0.2和0.23之间，脆性指数介于75GPa和43.5GPa之间；脆性较差：杨氏模量小于10GPa，泊松比大于0.23，脆性指数小于0.43GPa。85块岩样实验数据见表1。

统计岩性与脆性的关系发现，砂屑云岩、云质砂岩、微晶云岩整体脆性较好，泥晶云岩和长石岩屑砂岩脆性中等，碳质泥岩和泥岩脆性最差(图2)，说明储层脆性整体好于非储层。

图2 岩性与脆性关系Fig.2 The relationship between rock lithology and Brittleness a-不同岩性岩石杨氏模量和泊松比交会图; b-不同岩性岩石 样品破碎照片 a-cross-plot of Young's modulus and Poisson ratio for different rocks; b-pictures showing fracture of different rock samples under pressure

3.3 致密油“甜点”脆性预测

以实验室实测结果为刻度，利用纵横波资料计算杨氏模量和泊松比，实现岩石脆性的测井连续表征。工区内绝大部分探井测量了横波速度，对于未测横波速度的个别井，采用Xu-White模型预测横波速度。根据测井计算结果，砂屑云岩、粉细砂岩、云屑砂岩、云质粉细砂岩等储层(对应核磁测井解释有效孔隙度大于5%)的脆性好于泥岩，脆性指数均

表1 岩石力学弹性参数实验数据Table 1 Geomechanics parameters from experimentation

大于43.5GPa，砂屑云岩、云屑砂岩脆性最好，脆性指数大于75GPa，部分井段大于100GPa(图3)。根据岩石力学实验，脆性指数大于75GPa时，岩石容易破碎，这类岩石在水力压裂改造过程中，较容易产生网状缝。对于脆性指数大于100GPa的储层，实验过程中岩石完全破碎(见图1a)，说明脆性非常好，这类岩石在水力压裂过程中，很容易产生网状缝。

脆性指数的测井连续表征为地震预测奠定了基础。利用地震叠前同步反演获得杨氏模量和泊松比，二者运算求取脆性指数，便可以实现脆性分布预测。叠前同步反演可以同时获得纵波阻抗、横波阻抗和密度三个基本弹性参数，然后通过岩石力学参数与纵横波阻抗、密度之间的关系计算得到杨氏模量和泊松比。

叠前同步反演的理论基础是Zeoppritz方程。Zeoppritz方程可以精确描述弹性界面各种地震波振幅与入射角的关系，但是由该方程推导出的反射系

图3 吉174井岩石脆性测井评价图Fig.3 Brittleness logging evaluation of well JI 174

图4 弹性参数预测平面图Fig.4 Predicted Elastic parameters with Prestack inversion

数表达形式复杂，不易进行数值计算，因此在实际使用过程中采用简化形式。广泛采用的近似式是Aki-Richards提出的线性化近似，Fatti对Aki-Richards近似式进行了进一步改写：

(4)

式中R(θ)为反射系数，θ为入射角；Ip、ΔIp分别为纵波组抗和上下地层纵波阻抗差；Is、ΔIs分别为横波阻抗和上下地层横波阻抗差；ρ、Δρ分别为密度和上下地层密度差；vp、vs分别为纵波速度和横波速度。

图4是通过叠前反演预测的吉木萨尔凹陷芦草沟组上“甜点体”杨氏模量、泊松比及脆性指数分布图。图中显示，高杨氏模量主要分布在吉173-吉174-吉31井区；低泊松比主要分布在吉174井区；脆性指数综合了杨氏模量和泊松比，吉174-吉172井区上“甜点体”脆性较好。

综合“甜点体”脆性及物性预测结果，以上“甜点体”为目的层，对某直井A侧钻水平井(A_H)。根据地应力研究结果，该区最小水平主应力方向为近北东向，考虑到A井下倾方向脆性更好，水平井设计轨迹沿235°方位，向脆性较好的方向钻探(图5)。A井钻探水平段长度为1233 m，完钻后采用裸眼封隔器体积压裂工艺，完成了15级压裂。 微地震检测结果表明，压后"甜点体"得到了有效改造，单级缝长220～460 m，缝高50～70 m(图6)。该井试油获得高产，最高日产油69.46 t，763天累计产油16030.7 t，表明达到了较好的储层改造效果，提高了致密油资源的动用率。

图5 过A_H井脆性指数剖面Fig.5 Brittleness index section cross horizontal well A_H

图6 A_H井压裂效果微地震检测图Fig.6 Micro seismic monitored artificial fracture distribution of horizontal well A_H after hydraulic fracturing

4 结论

提出了一种新的岩石脆性指数计算评价方法：利用三轴应力实验中岩石应力-应变关系和破碎状态建立脆性评价标准；实验刻度测井，利用杨氏模量和泊松比比值法计算脆性指数，实现岩石脆性连续表征。该方法通过测井表征建立了岩石脆性实验分析和地震预测之间的桥梁，使岩石脆性从实验样品点的分析评价拓展到二维平面和三维空间的半定量预测，为致密油井位部署及压裂方案设计提供指导。与目前被广泛采用的、可用于地震预测的岩石弹性参数归一化评价方法相比，无需选则用于归一化的杨氏模量和泊松比的最大值、最小值，具有较好的适应性。

针对吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油，开展了岩石脆性研究，发现砂屑云岩、粉细砂岩、云屑砂岩、云质粉细砂岩等储层的脆性普遍较好，泥岩、碳质泥岩等非储层脆性相对差。利用叠前同步反演预测了该区“甜点体”脆性分布，根据预测结果部署的水平井体积压裂后获得高产，微地震监测显示形成了人工缝网，储层改造效果好，说明水平井眼周围岩石脆性好，间接反映了脆性预测结果的可靠性。

Buller D, Suparman F, Kwong S, Spain D. Miller M. 2010 .A novel approach to shale-gas evaluation using a cased-hole pulsed neutron tool[C]. SPWLA 51stAnnual Logging Symposium

Chen Mian, Jin Yan, Zhang Guang-qing. 2011. Basis of rock mechanism for petroleum engineering[M]. Beijing: Petroleum Industry Press:1-100(in Chinese)

Diao Hai-yan.2013.Rock mechanical properties and brittleness evaluation of shale reservoir[J].Acta Petrologica Sinica,29(9):3300-3306(in Chinese with English abstract)

Heteny M.1966.Handbook of experimental stress analysis[M]. New York:John Wiley:23-25

Hucka V, Das B. 1974.Brittleness determination of rocks by different methods[C]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. Pergamon, 11(10): 389-392

Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, Pollastro R M. 2007.Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment [J]. AAPG bulletin, 91(4): 475-499

Jesse V H. 1960.Glossary of geology and related sciences[M]. Washington D. C.:American Geological Institute:99-102

Li Hua-yang,Zhou Can-can,Li Chang-xi,Li Chao-liu,Shi Yu-jiang,Wang Chang-sheng.2014.Logging evaluation and application of brittleness index in tight sandstone reservoir[J]. Xin jiang Petroleum Geology,35(5):593-597(in Chese with English abstract)

Li Qing-hui,Chen Mian,Jin Yan,Wang F P,Hou Bing,Zhang Bao-wei.2012.Indoor evaluation method for shale brittleness and improvement[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 31(8):1680-1685(in Chese with English abstract)

Morley A. 1944. Strength of materials[M]. London: Longman Green:71-72

Niu Qiang,Zeng Jian-hui,Wang Xin,Zhou Kai-fu,Li Xiang-feng,Sun Peng.2014.Application of X-ray element logging to shale brittleness evaluation in shenli oil-field[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency, 21(1): 24-27(in Chese with English abstract)

Ramsay J G..1967.Folding and fracturing of rocks[M]. London:McGraw-Hill:44-47

Rickman R, Mullen M, Petre E, Grieser B, Kundert D. 2008.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: All shale plays are not clones of the Barnett Shale[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers

Yuan Gui-qin,Sun Yue,Gao Wei-dong,Shi Xu-dong,Wang Ying-xiu.2013.Development status of the shale gas geophysical prospecting technology[J].Geology and Exploration, 49(5):945-950(in Chese with English abstract)

Wang F P, Gale J F W. 2009 .Screening criteria for shale-gas systems[C]. GCAGS

Zhao Zheng-zhang, Du Jin-hu. 2012. Tight oil and gas[M]. Beijing:Petroleum Industry Press:1-100(in Chinese)

[附中文参考文献]

陈 勉，金 衍，张广清. 2011.石油工程岩石力学基础[M].北京:石油工业出版社:1-100

刁海燕. 2013.泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价[J]. 岩石学报, 29(9): 3300-3306

李华阳,周灿灿,李长喜,李潮流,石玉江,王长胜. 2014.致密砂岩脆性指数测井评价方法[J].新疆石油地质, 35(5):593-597

李庆辉,陈 勉,金 衍,WANG F P,侯冰,张保卫. 2012.页岩脆性的室内评价方法及改进[J].岩石力学与工程学报, 31(8):1680-1685

牛 强,曾溅辉,王 鑫,周开富，李向峰，孙 鹏. 2014. X射线元素录井技术在胜利油区泥页岩脆性评价中的应用[J]. 油气地质与采收率, 21(1): 24-27

袁桂琴,孙 跃,高卫东,石旭东,王英秀. 2013.页岩气地球物理勘探技术发展现状[J].地质与勘探, 49(5):945-950

赵政璋,杜金虎. 2012.致密油气[M]. 北京:石油工业出版社:1-100

Application of Rock Brittleness Prediction to Exploration of Tight Oil in the Jimusaer Depression, Junggar Basin

GUO Xu-guang, NIU Zhi-jie, WANG Zhen-lin, FENG You-lun, ZHOU Ke-quan, ZHU Yong-cai

(ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,XinjiangOilfieldCompany,CNPC,Karamay,Xinjiang834000)

Brittleness of rocks is one of the key parameters of rock mechanics which should be considered in exploration and development of unconventional oil and gas reservoirs. When the rock is brittle, fracture networks tend to form during hydraulic fracturing, thus improving the reservoir properties effectively, and enhancing the single-well productivity. Based on the current technologies, evaluating the brittleness of rocks can be applied to seismic prediction using normalized Young's modulus and Poisson ratio. Although it is widely used, the evaluation results are highly influenced by the normalization parameters, so this approach is not perfect. This work used the quotient of Young's modulus and Poisson ratio (EPR) as the value of brittleness，which is calibrated with rock mechanic experiment results. It has significantly increased the in credibility of rock brittleness identification. Meanwhile, by using prestack elastic parameters inversion, the rocks brittleness of Permian Lucaogou Formation in the Jimusar sag was predicted, and the result was used to deploy a horizontal well. In order to ensure good fracturing, not only rock reservoir physical properties, but more important, rock brittleness is fully considered in the design of horizontal well trajectory. A horizontal well was drilled in the favorable area that has better brittleness as shown by seismic prediction. Multi-stage hydraulic fracturing was carried out to this horizontal well. Microseismic detection shows that fracture networks were generated during fracturing in this well, which indicated that good stimulation has been achieved. High-yield oil flow was obtained from this horizontal well after fracturing.

tight oil, rock mechanics, brittleness, prestack inversion, horizontal well

2015-01-15；

2015-03-22；[责任编辑]郝情情。

中石油重大科技专项(编号 2012E-34-02)资助。

郭旭光(1982年-)，男，2008年毕业于中国石油大学(华东)，获硕士学位，工程师，长期从事试油地质勘探工作。E-mail: guoxug@petrochina.com.cn。

P597.3

A

0495-5331(2015)03-0592-07