新疆油田获中国国家发明专利金奖破解岩石密码

文／姜晶华

●金奖背后，是无数次的研究讨论。

是遵循北美页岩油气通行的技术方法，在挫败面前止步不前，还是始终不渝，创立一种适合我国陆相页岩油岩石脆性指数表征方法，用以指导同类油气藏的勘探开发？

大约10年前，新疆油田勘探开发研究院的科研团队坚定地选择了后者。历经千回百转，今年7月14日，一项名为“一种岩石脆性的测井方法及装置”荣获中国国家发明专利金奖。

这项成果的核心是：以岩石学、岩石力学、岩石物理学参数联测实验为基础，研究发现了岩石脆性指数与岩石物理参数之间内在的变化规律，发明了具有胶结物类型、含量及应力环境校正的岩石脆性指数表征方法，弥补了现有技术的不足，突破了我国陆相地层测井脆性高精度连续表征技术瓶颈。

待解的技术瓶颈

岩石脆性指数表征方法，是一把打开碎屑岩可压性评价的“钥匙”，让石油人能提前预测哪些储层压裂后产量会更高，为这类储层的高效勘探和开发提供“密码”。

但是，“岩石脆性表征现有的技术方法都具有一定应用环境和使用条件，没有一种技术方法可以适用所有的地质条件。”对于这一点，“一种岩石脆性的测井方法及装置”发明专利的第一完成人孙中春深有体会。

十年前，新疆油田向吉木萨尔页岩油迈出勘探步伐，并接连获得新发现。然而，由于储层品质不高，必须通过压裂来实现有效开发和稳产。随之，作为压裂设计的核心参数，岩石脆性指数高精度连续测井表征成为急需突破的关键技术。

起初，这个关键技术算不上难题。当时，油气现场通行的测井连续脆性表征方法是在北美页岩油气勘探实践基础上形成的。主要有两类：一类是动态参数法，另一类是脆性矿物含量法。

不料，使用此类方法后，吉木萨尔页岩油甜点脆性表征出现了令人遗憾的结果。

“以吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油甜点实验数据的脆性分类为例，动态参数法脆性分类的准确率不足60%，矿物含量法的脆性分类准确率不足40%。”孙中春介绍说。

2011年，在查阅了大量文献和进行了反复现场试验后，孙中春领衔的科研团队找到了制约北美页岩油气测井连续脆性表征方法的核心原因——这两类方法存在明显的技术不足。一是没有考虑碎屑岩储层的胶结方式、胶结物类型和含量的影响；二是没有考虑环境应力变化对岩石脆性的影响。

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油甜点胶结的类型及含量变化较大，既有黏土胶结又有碳酸盐岩胶结，且甜点埋深的变化较大。应用现有的两类方法，造成了碳酸盐岩胶结甜点计算的脆性指数明显偏小，黏土胶结物含量较高的甜点计算的脆性指数明显偏高。同一岩性的甜点小层，出现了随埋深增大脆性指数显著增大的违背岩石力学基本特征的不合理的现象。

“从吉木萨尔页岩油扩展到更广的范围来看，由于我国低渗透、致密及页岩油储层多发育于陆相地层，这两类方法的技术缺陷在陆相地层应用问题较为突出。陆相地层岩石脆性测井高精度的连续表征成为技术瓶颈，急需突破。”孙中春说。

曲折的探索实践

“低渗透、致密油、页岩油气需要压裂才能有效开发。岩石的脆性指数是储层压裂增产潜能评价的关键参数，岩石脆性指数连续测井表征是压裂设计的核心技术……找到岩石物理参数与岩石力学参数之间的关联性是实现岩石脆性指数测井连续高精度表征的技术关键……”这段话在孙中春和科研团队的讨论中出现了无数次。

为了找到这种“内在关联性”，研究团队设计了多种岩石力学和岩石物理学参数联测的实验方案。

从2011年到2014年，由克拉玛依的实验室到内地高校的实验室，再由国内的实验室到国外的实验室，科研团队经历着“坐过山车式”的心路历程。多次的实验失败，没有磨灭研究人员的信心。总结经验，研究人员发现了实验效果不理想的原因：一是模拟的应力环境不够理想，二是联测的技术方法不够理想。

莫道浮云终蔽日，严冬过尽绽春蕾。研究人员按照实验目的设计实验方法和实验流程，参加实验过程并进行实验质控。最终，实验顺利完成并达到了预期的实验效果。

实验数据揭示：岩石的脆性随黏土胶结物含量的增加呈幂指数降低；随碳酸盐岩胶结物含量的增加，岩石的脆性指数呈幂指数增大；随围压的增加，岩石的脆性指数呈幂指数降低。

以上述实验结果为指导，一种具有胶结类型、含量和应力环境校正的测井表征模型诞生了。实验数据表明，该模型脆性指数岩石脆性分类的符合率达到96%以上，完全能够满足生产需求。困扰多年的技术瓶颈终于被突破了。

随后，“一种岩石脆性的测井方法及装置”实现了从实验室到生产现场的成果转化，为碎屑岩压裂选层，压裂工艺设计及分段、分簇提供了重要的技术利器。

通用的岩石密码

“一种岩石脆性的测井方法及装置”获得中国国家发明专利金奖后，有朋友问孙中春：“老孙，你们的专利名称里有‘装置’，是啥装置？”

●深入的野外考察奠定研究基础。

其实，这个“装置”并非有形实物，而是一种无形的逻辑框架、工作流程。换句话说，这种岩石脆性的测井方法及逻辑框架是一种通用的碎屑岩岩石脆性表征的“密码”，适应于所有的碎屑岩地层。

据悉，此项专利已在中石油的范围内推广应用，为我国非常规油气的压裂开采提供了全新的技术手段。

中国工程院院士翟光明和赵晓哲认为：参评专利“建立了全新的脆性指数表征模型，巧妙地避开了弹性参数动、静态转换的技术难题，创造性地建立了岩石结构和应力环境校正项，实现了岩石结构及应力环境变化引起的脆性指数变化的有效表征”，“填补了测井脆性表征岩石结构、应力环境校正的技术空白”。

中国工程院院士邱中建、中国科学院院士戴金星、中国工程院院士李根生、中国科学院院士邹才能及多位教授组成的专家组鉴定认为：这项发明专利“发明了具有应力环境校正和岩石结构校正的脆性表征方法，实现了复杂岩性和应力条件下的岩石脆性表征，为页岩油气、储层改造、压裂分段、分簇提供了关键的工程参数”。