东濮凹陷泥页岩脆性指示因子地震预测

李宁，郝加良，秦广胜，邓明霞，晋达

（1.中国石化东北油气分公司勘探开发研究院，吉林 长春130000；2.中国石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮阳457001）

0 引言

随着页岩气研究的逐步推进，中国页岩气在勘探开发领域已经取得了不菲的成绩，重庆涪陵等地区已经发现了大型的页岩气田。东濮凹陷在勘探历程上也早有发现盐间泥页岩裂缝油气显示，钻井取心及EMI成像测井均证实确实具有盐间高压泥岩裂缝油气藏，但由于该类油藏的隐蔽性和复杂性，勘探开发难度都较大，如何利用地震资料对其进行有效识别和预测，是盐间泥岩裂缝油气藏成功勘探的技术关键。

泥页岩本身具有低孔、低渗的特征［1］，需经过大规模压裂改造才能获得商业产量，而泥页岩的脆性对压裂有非常重要的影响，因此研究泥页岩的脆性，是评价泥页岩储层的关键指标之一。脆性越高，越倾向于形成裂缝网络，泥页岩产能也越高；脆性越差，泥页岩的塑性特征越明显，破坏时吸收的能量越多，越易形成简单形态的裂缝，在一定程度上降低了压裂改造的效果［2］。

工程上通常使用弹性模量和泊松比作为评价页岩脆性的标准［3］。弹性模量越大，说明岩石越不容易发生形变。泊松比的大小标志着材料的横向变形系数，泊松比越大，说明岩石在压力作用下越容易膨胀。不同的弹性模量和泊松比的组合能反映岩石不同的脆性，弹性模量越大，泊松比越低，岩石的脆性越高。因此，通过地震叠前反演得到反映脆性的2 个关键参数——弹性模量与泊松比，进而预测脆性指示因子，这是目前国内利用地震方法预测脆性指示因子的主要方法。

1 脆性指示因子计算方法

1.1 脆性指示因子计算

泥页岩矿物组成非常复杂，主要分为石英类、碳酸盐岩类和黏土类3 种，石英体积分数高的区域标志为有利的页岩气开发区。Jarvie［4］在北美Barnett 页岩脆性指示因子研究中主要考虑了石英的作用。

通过对东濮凹陷沙三上亚段和沙三中亚段泥页岩样品的X 衍射全岩物相分析，将泥页岩的矿物组成归为3 类，即碎屑矿物（石英、长石、黄铁矿、硫酸盐）、黏土和碳酸盐（方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿）。泥页岩全岩矿物组成中，黏土矿物体积分数17.0%～52.1%，平均27.6%，不到源岩总矿物组成的1/3。黏土矿物中，伊利石占绝对优势，为黏土体积分数的88.0%～100.0%，平均97.8%；硅质矿物体积分数为2.0%～26.0%，平均为17.3%；碳酸盐体积分数除少量薄层灰岩外，为6.1%～46.0%，平均33.4%。在碳酸盐矿物中，以方解石体积分数为主，白云石次之。泥页岩全岩矿物具有黏土矿物体积分数低，普遍含有相对较高体积分数的脆性组分 （硅质矿物和碳酸盐矿物之和平均为50.7%）。

北美已发现页岩气藏地区气源岩全岩矿物组成一般以低黏土、高硅质矿物体积分数为特征，黏土矿物一般低于40%，硅质矿物体积分数在35%～75%。与北美地区页岩油气源岩相比，东濮凹陷泥页岩黏土矿物体积分数相当，硅质矿物体积分数略低，但碳酸盐体积分数较高，增加了脆性，有利于裂缝的形成及后期压裂改造。因此，东濮凹陷的脆性指示因子考虑了碳酸盐岩的作用。

用北美和东濮凹陷2 种计算方法对文古4 井的脆性指示因子进行计算和对比分析。在弹性模量与泊松比的交会图中可以看出（见图1），利用石英和碳酸盐岩计算的脆性指示因子，更能在弹性参数的变化上得到反映，即高脆性表现为高弹性模量和低泊松比。找到适合东濮凹陷的脆性指示因子的计算方法，可为脆性指示因子的地震预测奠定了基础。

图1 弹性模量与泊松比交会图

1.2 弹性参数脆性指示因子计算

地球物理技术是指导泥页岩油气钻井部署和储层改造优化方面必要的手段，服务和指导勘探开发的整个过程。利用地球物理方法预测脆性指示因子，需要建立弹性参数与脆性指示因子之间的关系。这就需要用到岩石力学的方法，即利用弹性模量和泊松比综合计算，定义为弹性参数脆性因子。

由于泊松比和弹性模量的单位不同，为了评价每个参数对岩石脆性的影响，应该分别进行均一化处理，然后平均，产生脆性指示因子。Rickman［5］认为泥页岩的弹性模量分布在1～8 GPa，泊松比分布在0.15～0.40。通过计算，归一化弹性模量和泊松比的平均值来得到脆性指示因子的计算式为

式中：BI 为脆性指示因子；Emax，Emin分别为最大、最小弹性模量，GPa；νmax，νmin分别为最大、最小泊松比。

利用这种方法计算文古4 井的弹性参数脆性指示因子，结果见图2。将其结果与矿物脆性指示因子对比可知，脆性指示因子（第3 列蓝色曲线）与岩心实测（第3 列红色散点）的脆性指示因子基本相同，而弹性参数脆性指示因子（第4 列橙色曲线）与矿物脆性指示因子曲线（第4 列蓝色曲线）趋势相同，说明通过弹性参数转换能够得到较为可靠的脆性指示因子分布。

利用岩石矿物学计算的矿物脆性指示因子与岩石力学计算的弹性参数脆性指示因子进行比较，这2 种算法在弹性模量与泊松比的交会图上对应的区域基本一致，均为脆性组分对应高弹性模量和低泊松比，柔性组分对应低弹性模量和高泊松比。低泊松比、高弹性模量脆性泥页岩层段是寻找高产油气井的主要目的层。

图2 文古4 井脆性指示因子计算方法比较

2 脆性指示因子地震定量预测

2.1 理论基础

地震叠前反演能够从叠前地震资料中获得地震波纵横波速度、 弹性模量、 泊松比等储层预测的关键参数，这些参数对于岩性识别和油气检测都起着至关重要的作用［6-10］。脆性指示因子也可以通过反演出的泊松比和弹性模量转换得到。

在实际的地震勘探中，地震射线是以非零角度入射到岩层分界面上，反射系数不仅与纵波速度和密度有关，而且还与横波速度有关。因此，要准确地研究反射系数的特征，必须从波动理论出发，导出反射系数的精确公式。通常利用Zoeppritz 方程及其各种近似式来计算反射系数。宗兆云等［6］提出了一种通过Aki和Richards 近似方程演化后的YPD 近似方程，建立了纵波反射系数与弹性模量反射系数、 泊松比反射系数及密度反射系数的线性关系，可以通过叠前反演直接得到弹性模量和泊松比的方法，该方法适用地层为水平层状介质。

Fatti 等［7］的似方程能够更稳定地反演得到所需的弹性参数，因此，东濮凹陷，采用了此种方法。将Aki-Richard 近似公式重新整理为

其中

式中：S（θ）为地震信号；W（θ）为入射角为θ 时的子波；Zp，Zs分别为纵、横波波阻抗，kg·m-3·m·s-1；ρ 为密度，kg/m3；D 为微分算子；vs，vp分别为横、纵波速，m/s;k，m 为含水背景趋势的斜率，通过分析井上的含水背景趋势，可以纵波阻抗与横波阻抗和密度之间存在关系中得到。

式中：kc，mc为截距；ΔLs，ΔLD为异常段到背景趋势线的差，通常为烃类的响应。

利用共轭梯度法求解式（2），最终得到纵波速度、横波速度和密度数据体。将叠前反演结果转换为弹性模量和泊松比，结合式（1），最终能够实现利用地震方法对脆性指示因子的空间预测。

2.2 实际应用

东濮凹陷柳屯洼陷及周边地区共有74 口井在盐间泥岩见到不同级别油气显示，其中文古2、文300、文403、新文401、文201 等井显示良好。泥页岩最富集的沉积微相类型为深湖—半深湖相和前三角洲泥，纹层状灰质页岩相、纹层状云质泥岩相有机质富集。纹层状灰质泥岩相声波时差低，电阻率高［8］，表明其储集空间发育程度和油气富集程度均高；脆性指示因子高，容易压裂，表明纹层状灰质泥岩相和纹层状泥岩相为甜点相。为了认识脆性指示因子的空间分布，为含油气泥页岩的开发及压裂提供依据，对柳屯洼陷文古4 井区进行了脆性指示因子预测。

图3展示的是过文古4 井主测线的脆性指示因子。井的位置投放的是文古4 井从井上计算的脆性指示因子，预测剖面与井上计算结果吻合较好，文古4 沙三中3 泥岩段处于高脆性组分发育段。

图3 过文古4 井的脆性指示因子分布

从脆性指示因子数据体上提取文古4 块沙三中3含油层平面分布，利用已知几口井的验证脆性指示因子的预测结果得出，文古4、水平井濮卫383-FP2 井在沙三中3 层段脆性指示因子高，在80%～90%，文古2 及文300 井在沙三中3 层段是含油层，处于高脆性组分发育带，文408 与文301 井在次层段为干层，处于低脆性指示因子分布区，符合情况较好。

3 结束语

脆性指示因子是泥页岩油气藏勘探开发的关键参数之一，利用地球物理手段进行定量的脆性指示因子预测能为泥页岩油气藏的勘探开发提供有利的技术支撑。本文对东濮凹陷的脆性指示因子进行了分析，找到了适合东濮凹陷的脆性指示因子计算方法。通过叠前同时反演及参数转换，最终得到了脆性指示因子的定量分布，并且与区块实钻情况符合较好，为整个东濮凹陷泥页岩储层识别与评价做了良好的铺垫。此方法也适宜推广到东濮凹陷其他区域泥页岩储层，与应力预测结合，还能有效地预测裂缝展布。

［1］蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价［J］.天然气工业，2010，30（10）：7-12.

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