致密储层脆性测井解释方法研究

覃豪,杨小磊

(大庆油田公司勘探开发研究院,黑龙江大庆163712)

0 引 言

随着水平井和体积压裂改造技术的突破,致密油气已经成为现实接替领域[1]。致密油气储层的“三品质”是致密储层测井评价的核心,其中工程品质,是选择压裂层段、能否充分解放致密储层的油气潜力的基础[2]。工程品质评价最终的目的是评价储层的脆性。岩石脆性指数反映岩石易于破裂程度,是致密油储层体积压裂设计中的重要参数,一般采用弹性参数计算或矿物组分法计算[3-7]。

大庆深层徐家围子地区沙河子组致密储层与优质烃源岩相接触,是典型的致密气储层。该区储层岩性为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩等,命名达到20余类,长石种类包括钾长石和斜长石,岩屑种类包括变质岩和岩浆岩,杂基种类包括泥质和方解石。当岩石的矿物含量相同,储层分选、胶结类型和粒度等发生变化时,选择合适的方法对储层的脆性进行准确解释,是应用测井方法评价脆性的核心,均须开展研究。本文通过对矿物组分法和弹性参数法进行深入分析和评价,指出这2种方法解释脆性的关键技术;并假设地层为块状均质条件下,采用理论计算的方法,分析脆性随岩石物理特征变化而变化的规律;选择弹性参数法解释该区沙河子组的致密储层脆性,为致密气勘探开发提供了可靠保障。

1 脆性评价方法

1.1 矿物组分法

常用脆性评价方法是北美油页岩矿物组分法,其表达式见式(1)。从式(1)可知,矿物组分法关键是确定各类造岩矿物的体积含量。目前各类矿物含量解释的方法有最优化法[8]和统计回归法等。北美油页岩,岩性主要为碳酸盐岩,其矿物种类相对简单,应用这2种方法解释的矿物体积,相对比较准确。中国的致密储层一般为陆源碎屑沉积的岩石,在应用矿物组分法时,一般对式(1)进行变形优化,变形后的计算模型见式(2)。应用式(2)解释研究区的脆性,关键是主要脆性矿物含量的解释。

(1)

(2)

式中,IB为脆性指数,无量纲;Vqa、Vca、Vfd、Vdo和Vcl分别为石英、方解石、长石、白云石和黏土的体积含量,%。

研究区多产长石岩屑砂岩或岩屑长石砂岩,岩屑类型一般为岩浆岩、变质岩(薄片资料),对于变质岩和岩浆岩的矿物类型无法从薄片等资料明确,因此,无法确定致密砂岩中的岩屑是否为脆性物质,也无法确定岩屑中脆性物质占有多大比例。全岩分析能确定矿物的类型,但是资料相对较少,且费用高。应用测井方法解释脆性物质含量时,应用多矿物最优化的方法[8],确定矿物骨架值是矿物含量精确解释否的关键。不同地区实际选取的矿物骨架参数与岩石的测井响应有关,与矿物自身骨架值相差较大,同时还受到测井曲线分辨率的影响,计算的矿物含量准确性相对较低,结果很难反映储层脆性物质的多少,解释的脆性指数准确性相对较低。在统计回归法中,首先选取敏感参数,再根据全岩分析确定的矿物含量建立统计模型。这种方法得到的脆性矿物含量受到曲线分辨率的限制,也很难得到准确的脆性矿物含量。

1.2 弹性参数法

弹性参数法应用岩石力学参数(弹性模量和泊松比)计算脆性指数[见式(3)]。弹性模量和泊松比并非直接反映岩石脆性的参数,但是弹性模量越大,泊松比越小,岩石脆性越好,通过对弹性模量和泊松比进行归一化,以此表示储层脆性。式(4)和式(5)分别为弹性模量和泊松比归一化计算公式。式(6)和式(7)为横、纵波时差计算弹性模量和泊松比的公式[9]。

(3)

IE=(E-Emin)/(Emax-Emin)×100%

(4)

Iμ=(μ-μmax)/(μmin-μmax)×100%

(5)

(6)

(7)

式中,IB为岩石脆性指数,%;IE为弹性模量计算脆性指数,%;Iμ为泊松比计算脆性指数,%;E为弹性模量,MPa;μ为泊松比,无量纲;Δts为横波时差,μs/ft(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtc为纵波时差,μs/ft;DEN为岩石密度,g/cm3。

从式(3)～式(7)可知,岩石密度、横波和纵波时差确定后,即可计算泊松比和弹性模量,也就得到了储层的脆性指数。该方法简单,但是准确计算脆性指数的关键有2点:①泊松比和弹性模量的最大值和最小值的刻度;②横波测井费用高,不是所有井都能测偶极子横波,因此,需要进行横波时差曲线重构,构建的方法和模型的精度直接影响脆性解释的精度。

综合以上分析表明,弹性参数法适用范围更广,脆性指数解释的关键是横波时差曲线的重构、泊松比和弹性模量最大值、最小值的选取。结合徐家围子地区沙河子组的岩性特征,储层脆性指数解释方法选择弹性参数法。

2 脆性指数变化的规律

2.1 脆性指数变化分析

从矿物模型法可知,当岩石中脆性矿物含量发生变化时,脆性指数大小必将随脆性矿物含量增加而增加,随脆性矿物的减少而减少,但当岩石的分选、胶结类型和粒度等发生变化时,脆性指数的大小变化也是脆性指数研究的内容。

从式(3)～式(7)可知,应用弹性模量和泊松比能计算脆性指数。从式(3)可知,脆性指数是脆性弹性模量和脆性泊松比之和除以2,因此,可以选择弹性模量或泊松比研究脆性指数变化的规律。随着岩石结构特征变化,测井测得的横波和纵波速度必然发生变化,那么泊松比或弹性模量计算的脆性也必然发生变化。由式(5)得到泊松比与横纵波时差比值的关系式(8),再分析脆性指数与横纵波时差比值的关系式,即应用泊松比研究脆性指数随岩石物理特征变化时的变化规律

(8)

假设块状地层、各向均质条件下,进行理论计算,泊松比最小值取石英的泊松比(0.135),最大值为纯泥岩的泊松比(0.308),建立脆性指数、泊松比与横纵波时差比值的关系(见图1)。

图1 脆性指数、泊松比与横纵波时差的比值关系图

2.2 脆性指数变化规律

根据图1可知,当岩石的横纵波时差比值变大时储层脆性变差,当岩石的横纵波时差比值变小时储层脆性变好,可知储层岩石分选性与物性变化、胶结程度变化时脆性变化的规律。对于岩石分选性,分选越好,泥质含量越低,导致横纵波时差比值越小,脆性指数越大;分选越差,泥质含量越高,脆性指数越小。对于物性,孔隙度越大,横纵波时差比值越小,脆性越大;孔隙度越小,横纵波时差比值越大,脆性越小。对于胶结物类型:常有钙质胶结物、硅质胶结物、铁质胶结物和泥质胶结物这几种类型,对应的横纵波时差比值一般是钙质的最小、泥质的最大,因此,脆性指数是钙质胶结最大,泥质胶结最小。对于薄互层组合,砂岩岩石结构由块状演变成薄互层或有层理界面,横纵波时差增大,岩石脆性指数变小。

据此,还可以对脆性解释的合理性进行判别。对于没有进行岩石脆性实验的地区,缺乏实验资料对解释结果的验证,无法确定解释结果的合理性时,可以根据横纵波时差的变化范围,确定合理的脆性指数变化范围。

3 徐深气田沙河子组岩石脆性指数解释方法

3.1 横波时差重构模型

横波时差曲线的重构方法较多,有理论模型法和经验公式法(统计回归法)2类。其中理论模型法包括Greenberg-Castagna模型、Xu-White模型、Biot-Gassman模型、Cemented模型、Krief模型等[10]。这些模型中需要确定的参数较多,且无法验证参数的准确性,同时考虑到模型的实用性,因此,采用统计回归的方法来建立横波时差解释模型。

图2 实测横波时差与中子孔隙度关系图(分岩性)

图3 实测横波时差与中子孔隙度关系图(不分岩性)

图4 实测横波时差与泥质含量关系图(分岩性)

图5 实测横波时差与泥质含量关系图(不分岩性)

图6 实测横波时差与纵波时差关系图(分岩性)

图7 实测横波时差与纵波时差关系图(不分岩性)

岩石的脆性反映岩石力学特征,选择敏感参数重构横波时差曲线时,应选择反映岩石结构特征的信息。图2、图4、图6、图8、图9分别为横波时差与中子孔隙度、自然伽马相对值(ΔGR)、纵波时差、岩性密度和深侧向电阻率之间的关系图。中子孔隙度、自然伽马相对值、纵波时差与横波时差的相关系较好,为敏感参数,岩性密度和深侧向电阻率不敏感。图2可见,砂岩和泥岩具有较好的线性关系。图3横波时差与中子孔隙度整体具有幂指数关系。图4可见,砂岩和泥岩均不具有较好的线性关系。图5可见,当岩性从砂岩向泥岩变化时,整体具有指数关系。图6中砂岩和泥岩具有较好的线性关系。由图7可见,当岩性从砂岩向泥岩变化时,整体具有对数关系。因此,选用中子孔隙度、ΔGR及纵波时差建立横波时差重构模型。结合地区流体性质,分别建立含有中子项的公式(8)和不含有中子项的公式(9)。

35.98e(0.308Vsh)-152.61R=0.85

(8)

Δts,cg=68.28ln (Δtc)+53.97e(0.308ΔGR)-

228.92R=0.85

(9)

式中,Δts,cg为重构的横波曲线,μs/ft;φN为中子孔隙度,%;Δtc为纵波时差,μs/ft;Vsh为泥质含量。

图8 实测横波时差与岩性密度关系图(分岩性)

图9 实测横波时差与深侧向电阻率关系图(分岩性)

图10 达深×井不同横波模型解释结果对比图

分别应用式(8)和式(9)计算横波时差,并以此计算泊松比、弹性模量和脆性指数,对比实测的横波时差及相关参数(见图10)。3 510.0～3 548.0 m进段岩性包括砂岩、砂砾岩、泥岩和煤,重构的横波时差在各种岩性段与测井值相差小于3 μs/ft,泥岩段用式(8)计算的结果横波时差更接近测井实测值,计算的泊松比、弹性模量和脆性指数也是如此;砂岩段和砂砾岩段,横波时差及相关参数相差不大;煤层段横波时差及相关参数相差较大。深度3 522.7～3 528.0 m,密度小于2.6 g/cm3为储层段,式(8)与式(9)计算的横波时差略有差异,相应的泊松比、弹性模量和脆性指数,式(9)计算的结果更接近实测横波时差测井的计算值。对比表明,由于天然气的挖掘效应,式(9)适用,能反映岩石力学性质的变化,解释的泊松比与实测曲线解释结果符合好;对于不含气储层,式(8)更适用。

3.2 脆性解释

3.2.1弹性模量和泊松比取值的意义

矿物组分法计算脆性的公式(1)表示的是脆性矿物在岩石矿物中所占有的含量,而弹性参数法计算脆性的公式(3)则是泊松比和弹性模量归一化后求和的平均值。研究根据其中一种边界(全是石英砂岩或泥岩),对这2种方法的内涵进行分析。

假设岩石全是石英砂岩,矿物组分法计算脆性的公式(1)可知,石英是脆性物质,当岩石全由石英组成,岩石的脆性指数为100%。同样的石英砂岩,弹性参数法计算脆性的公式(3)可知,泊松比和弹性模量的归一化值均为100%。此时泊松比归一化方程中,泊松比的最小值为石英的泊松比,最大值为研究区泥岩实际值;此时弹性模量归一化方程中,弹性模量的最大值取石英的弹性模量,最小值取研究区泥岩实际值。当岩石矿物发生变化时,脆性变差,对于矿物组分法而言是石英含量的减小,对于弹性参数法而言,则是计算的泊松比和弹性模量的变化,那么,两者的实际关系为随着石英含量减小,对应的泊松比和弹性模量的变化。因此,泊松比的最小值取石英的泊松比,最大值为研究区纯泥岩的泊松比,弹性模量的最大值为石英的弹性模量,最小值为研究区泥岩的弹性模量。在同类岩性中,以此取值,采用弹性参数法计算脆性指数具有可比性,否则只是某个区域的相对值。

3.2.2脆性指数解释及分析

徐家围子地区沙河子组岩石脆性计算时,按3.2.1中的分析结果进行取值,解释的脆性范围为46.7%～82.2%。该区没有进行岩石脆性实验,无法对解释结果的进行验证。而图1表示了脆性指数与横纵波时差比值之间的理论关系,研究区的横纵波时差比值范围在1.6～1.9,其中砂砾岩范围为1.6～1.7,确定储层脆性解释的范围为42.1%～74.3%。计算结果与理论分析结果的范围一致,中值一致,表明弹性参数法计算脆性指数反映了脆性矿物的含量。

4 结 论

(1)致密砂岩(岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩)的脆性解释方法应选择弹性参数法,岩石的脆性不仅与脆性好的矿物含量有关,更重要的是与其所处地下环境的岩石力学弹性参数有关。

(2)储层中含有天然气时,横波时差重构模型应选择不受天然气影响的测井曲线。徐家围子地区沙河子组横波时差曲线重构模型为纵波时差和泥质含量统计模型。

(3)数值模拟表明,物性越差、分选越差、脆性越低;薄互层发育的地层脆性差,储层改造所需的破裂压力越大。在没有实验资料验证的条件下,数值模拟确定徐深气田沙河子组砂岩的脆性指数范围为42%～74%。