泥页岩气层脆性特征的地球物理测井研究方法

汪忠浩,陈 嗣,李厚霖,肖承文,周 波,吴 刚,李华玮

(1.长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100；2.塔里木油田分公司 勘探开发研究院测井中心，新疆 库尔勒 841000)



泥页岩气层脆性特征的地球物理测井研究方法

汪忠浩1,陈 嗣1,李厚霖1,肖承文2,周 波2,吴 刚2,李华玮2

(1.长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100；2.塔里木油田分公司 勘探开发研究院测井中心，新疆 库尔勒 841000)

页岩气作为清洁能源在国际上勘探开发技术较成熟，研究手段也很丰富，页岩气层岩石物理特性研究就是其中的关键技术之一。就中国页岩气勘探区块而言，以中国石化焦石坝、高邮凹陷区块较为成功。笔者利用高邮凹陷区块泥页岩气层钻井获得的岩心，在实验室钻取直径2.5 cm、长度4～6 cm的样本。将饱和水岩样置入HR2500-2高速冷冻离心机，分8种转速脱水模拟岩样不同含水饱和度，再利用CTS-45型非金属超声波检测分析仪模拟地层条件测定泥页岩样的纵横波速度；并利用实验数据得到了泥页岩储层的泊松比、杨氏模量、脆性指数等参数。处理高邮凹陷区块5口井的测井资料，得到ElF4层位的脆性指数，结果发现：泥页岩的杨氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可压裂性越强。总结出ElF4层段各小层可压裂性级别，科学指导了该区压裂设计。

岩样；实验；纵横波速度；脆性指数

1 引 言

随着油气资源的日益紧缺，页岩气这一新能源已成为国际地学研究的热点之一，而岩石物理特性在页岩气勘探开发中起着至关重要的作用[1]。2014年全国天然气、页岩气和煤层气等能源类气体新增探明地质储量总量达11 107.15亿立方米，创历史最高水平，其中页岩气、煤层气等非常规油气资源新增储量取得重要突破性进展，达1 669.43亿立方米，占能源类气体新增储量总量的15%，在这些非常规油气开发技术中，最关键的就是压裂技术[2,3]。本文以高邮凹陷区块的岩样制作岩心、通过实验室纵横波速度测量得到了泥页岩岩样纵横波时差数据，采用统计分析的方法得到了求取横波时差的经验公式，运用理论结合实验得到了求取泥页岩储层的泊松比、杨氏模量、脆性指数等参数的方法[4]。对高邮凹陷区块井进行处理分析，归纳出ElF4层段各小层可压裂性级别，为岩石力学参数判别泥页岩的可压裂性提供基础，科学指导该区压裂设计。

2 泥页岩岩心制作

本次实验选取高邮凹陷区泥页岩的岩心，将岩心加工成了长约5 cm，直径约2.5 cm的圆柱体。将切磨合格的岩心用碳素墨水标注了地区、井名、岩心编号等相关信息。五块岩样分别为马10、永12、天x76、应3、沛1，如表1所示；在制备岩心时用四氯化碳对岩心进行除油。岩心除油后用甲醇进行浸泡以达到除盐的目的；将切磨、除油、除盐后的岩心采用恒温烘干法进行烘干。烘干时，温度控制在85±5℃，历时48小时。至岩心恒重为止，并测量岩心干重；将烘干后的岩心置于地层水溶液中浸泡，在一定压力下饱和12小时，并称重。

表1 岩心样品

3 实验测试

实验主要仪器设备有CTS-45型非金属超声波检测分析仪及600 kHz纵横波换能器一对、岩样夹持器、HR2500-2高速冷冻离心机、AE200电子天平。检测环境：室温20～25℃，湿度50～70(%RH)。

首先测量泥页岩岩样100%饱和水时的纵横波速度,然后将饱和水岩样置入HR2500-2高速冷冻离心机。转速由低到高分为8档，每一个转速代表一个压力点。每一个转速要保持到岩心中离出的水量不再增加为止,此时测量岩样的重量，通过计算得到岩样的含水饱和度,之后将岩样置入CTS-45型非金属超声波检测分析仪测量岩样纵横波速度。记录每次测量数据，可得到不同岩样的纵横波速度随含气饱和度的变化关系。

3.1 离心机转速的选取

不同转速下两相流体的离心力差等于毛管压力[5],即:

Pc=1.097×10-8ΔρL[(Re-L/2)]n2

(1)

通过式(1)可计算出毛管压力为0.01 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.69 MPa、0.8 MPa、1 MPa时分别对应的离心机转速。其中Pc为岩样毛管压力，单位为MPa；Δρ为两相流体密度差，单位为g/cm3；L为岩样的长度，单位为cm；Re为岩样外旋转半径，单位为cm；n为离心机转速，单位为r/min。

3.2 泥页岩岩样纵横波速度测量步骤

3.2.1 测定仪器系统及纵波换能器的声波零时间

将发射换能器与接收换能器直接对接记录纵波传播到达时间，即为测量系统及纵波换能器零时间T0。

3.2.2 岩样纵波速度测定

将待测岩样装入岩样夹持器中，单轴加压4Mpa使岩样与换能器端面充分耦合，能在示波器上清晰地观测到纵波首波，读出声波通过岩样的传播时间T。

3.2.3 计算岩样在单轴压力下的声波速度

(2)

式(2)中：VP为岩样的纵波速度，单位为m/s；L为岩样的长度，单位为m；T为岩样的纵波传播时间；T0为系统及纵波传播的零时间。

重复上述实验过程，测出岩样的横波速度VS(m/s)。

3.2.4 地层岩样分析得出横波时差

利用声波纵波测井资料，利用式(3)可计算出横波时差，横纵波时差间的相关性较好，其精度为0.95。

Δts=2.609 1×AC-28.988

(3)

式(3)中:Δts为横波时差，单位为μs/ft；AC为纵波时差，单位为μs/ft。

计算出不同毛管压力下,岩样的含水饱和度、含气饱和度、纵横波速度、纵横波时差等参数(表2)。其中含水饱和度(SW)、含气饱和度(Sg)通过岩样称重计算得到；纵横波速度(VP、VS)为实验直接测出,单位为m/s；纵波时差(AC)与横波时差1(Δts1)通过纵横波速度直接换算得出，单位为μs/ft；横波时差2(Δts2)通过公式(3)计算得出，单位为μs/ft。

表2 实验数据

续表2

4 泥页岩岩石力学参数计算方法

页岩气储层具有孔隙度低、渗透率极低的特点，因此页岩气储层形成工业产能的关键技术就是水平井及多级压裂改造等工艺技术。利用测井资料我们可以得到页岩气储层的弹性力学参数、强度参数以及地层应力的状态，这些参数为储层的压裂改造提供有力的依据。

根据岩石弹性波动理论,使用经验公式[6,7]得出岩石力学参数。

(4)

式(4)中：U为泊松比，无量纲，反应了页岩在压力下的破裂能力，一般为0.2～0.4；Δts为横波时差，单位为μs/ft；AC为纵波时差，单位为μs/ft。

(5)

式(5)中：G为剪切模量，单位为GPa，表征岩石抵抗切应变的能力，其值越大，则表示材料的刚性越强；DEN为密度，单位为g/cm3；Δts为横波时差，单位为μs/ft。

(6)

式(6)中：E为杨氏模量，单位为GPa，反映了页岩被压裂后保持裂缝的能力，一般为10～80GPa； Δts为横波时差，单位为μs/ft；AC为纵波时差，单位为μs/ft。

页岩脆性参数BI是影响页岩可压裂性的最重要的因素[8]，页岩脆性包括泊松比和杨氏模量，泊松比反映了页岩在压力下的破裂能力，杨氏模量反映了压裂后保持裂缝的能力。页岩杨氏模量越高、泊松比越低、脆性越高，可压裂性越高。则根据泊松比和杨氏模量可得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

页岩脆性的大小对压裂产生的诱导裂缝的形态产生很大的影响[9,10]。塑性页岩泥质含量较高，压裂时容易产生裂缝变形，形成简单的裂缝网络，脆性页岩石英等脆性矿物含量较高，压裂时容易形成复杂的裂缝网络[11]。因此，页岩脆性越高，裂缝形成的裂缝网络越复杂，可压裂性越高。

表3 不同级别可压裂性泥页岩储层特征

当脆性指数在10～30时，可压裂性低，使用少量体用量和大量支撑剂且支撑剂浓度高；当脆性指数在30～50时，可压裂性中等，使用适中体用量和适中支撑剂；当脆性指数在50～70时，可压裂性高，使用大量体用量和少量支撑剂且支撑剂浓度低，如表3所示。

5 应用实例

表4 不同层位参数

图1 大1井层可压裂评价成果Fig.1 Well Da1 (1 275～1 371 m) fracturing evaluation results

图2 黄158井层可压裂评价成果Fig.2 Well Huang158 (3 062～3 120 m) fracturing evaluation results

图3 黄158井层可压裂评价成果Fig.3 Well Huang158 (3 139～3 270 m) fracturing evaluation results

6 结 论

通过制作高邮凹陷区块泥页岩岩心,经过CTS-45型非金属超声波检测分析仪实验测试,得到了泥页岩岩样的纵横波时差数据,并利用实验数据分析得到开采时泥页岩储层的泊松比、杨氏模量、脆性指数等参数。结合实际井总结出：泥页岩的杨氏模量越高，泊松比越低;脆性越高，可压裂性越强，能科学评估泥页岩岩石的可压裂性。

[1]FK Guidry, JW Walsh. Well Log Interpretation of a Devonian Gas Shale: An Example Analysis[J].SPE 1993,26932: 393-394.

[2]Bob Shelley, Bill Grieser. Data Analysis of Barnett Shale Completions[J].SPE, 2008, 100674：366-374.

[3]Wang F P, Reed R M. Pore networks and fluid flow in gas shales[R].SPE, 2009,124253.

[4]侯颉,邹长春,杨玉卿.页岩气储层矿物组分测井分析方法[J].工程地球物理学报,2012,9(5):101-107.

[5]杨建,付永强,陈鸿飞,等.页岩储层的岩石力学特征[J].天然气工业,2012,32(7):12-14.

[6]李庆辉,陈勉,金衍,等.页岩脆性的室内评价方法及改进[J].岩石力学与工程学报,2012,31(8):1 680-1 685.

[7]刘之的,夏宏泉,陈平.岩石泊松比的测井计算方法研究[J]. 测井技术,2004,28(6):508-510.

[8]Griggs David, Handin John. Rock deformation: a symposium [M].New York: Waverly Press, 1960:66-67.

[9]杨小兵,杨争发,谢冰,等.页岩气储层测井解释评价技术[J].天然气工业,2012,32(9)：33-36.

[10]蒙应华,汪玉琼,杨仕欲.AMT法与TEM法在黔南页岩气勘查中的综合应用[J].工程地球物理学报,2015,12(5):627-632.

[11]张林晔,李政,朱日房.页岩气的形成与开发[J].天然气工业,2009,29(1):124-128.

The Interpretation Methods of Geophysical Well Logging for the Brittle Characteristics of Shale Gas Reservoirs

Wang Zhonghao1,Chen Si1,Li Houlin1,Xiao Chengwen2,Zhou Bo2,Wu Gang2,Li Huawei2

(1.GeophysicsandOilResource,InstituteofYangtzeUniversity,WuhanHubei430100,China; 2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,TarimOilfieldofCNPC,KorlaXinjiang841000,China)

Shale gas as a clean energy development technology is relatively mature in worldwide and its research methods are also abundant. Now rock physical properties of Shale gas reservoirs are one of the key technologies. In terms of Chinese shale gas exploration blocks, Sinopec focal dam and Gaoyou sag block are more successful. Firstly, in the laboratory 5 samples(2.5 cm in diameter, length of 4～6 cm)from the cores are drilled in shale gas layer. Secondly, the saturated water sample is put into HR2500-2 high-speed refrigerated centrifuge, and then 8 kinds of speed dehydration are used to simulate samples in different water saturation. Thirdly, it is placed at simulated conditions of formation to determine p-and s-wave velocity of samples by using the CTS-45 nonmetal ultrasonic testing analyzer. Finally, combining experimental data with the calculation method of rock mechanics parameters, a series of parameters can be obtained such as Poisson ratio, Young’s modulus and brittleness index. The results, which get from the above mentioned methods for 5 wells of Gaoyou sag block, show that the higher the Young’s modulus is, the lower Poisson ratio is. And the higher the brittleness is, the stronger the fracturing performance is. ElF4interval of each small layer fracturing level is summarized, which has scientific guidance on the fracturing design.

samples; the experiment; p-and s-wave velocity; brittleness index

1672—7940(2016)01—0007—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.002

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目(编号:2013E-3809)

汪忠浩(1966-)，男，博士，教授，主要从事地球物理测井方向的研究。E-mail: wang1966@yangtzeu.edu.cn

陈 嗣(1990-)，男，硕士研究生，主要从事测井资料处理与综合解释。E-mail:chen1990s@qq.com

P631.8

A

2015-11-04