利用孔隙纵横比定量判断孔隙型海相致密油地层岩性变化点的方法

曹翔宇，丁文龙，尹帅

（1.中国地质大学能源学院，北京 100083；2.中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.中国地质大学页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室，北京 100083）

利用孔隙纵横比定量判断孔隙型海相致密油地层岩性变化点的方法

曹翔宇1，2，3，丁文龙1，2，3，尹帅1，2，3

（1.中国地质大学能源学院，北京 100083；2.中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.中国地质大学页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室，北京 100083）

泥质质量分数是指示碎屑岩岩性变化的重要指标，其对岩石物性及弹性性质均具有重要影响。对于深层致密油储层，准确预测地层岩性变化尤为重要。文中以塔中X井区孔隙型海相致密碎屑岩地层为研究对象，利用孔弹性Biot理论获取地层岩石弹性参数，重点探讨了孔隙纵横比（α）对地层岩性变化点的指示作用。目的层的基质矿物体积模量（Ko）主要分布在20～60 GPa，基质矿物剪切模量（μo）主要分布在10～25 GPa；随着泥质质量分数（Vsh）的增加，孔隙型岩石的α值逐渐降低，具有分段性，砂岩的α值分布在0.25～1.00，泥岩的α值分布在0.01～0.25；岩性转折点所对应的α值为0.25，Vsh为40%，岩石体积模量（Ks）为40 GPa，孔隙度（φ）为3%，转折端孔隙度可以为储层物性下限的确定提供参考。

孔隙纵横比；孔隙型；海相；致密油；岩性；方法

0 引言

泥质是碎屑岩的重要组分，随着碎屑岩地层中泥质质量分数的增加，岩石岩性逐渐由泥页岩转变为砂岩［1］。相应地，石英颗粒会由悬浮在黏土基质中逐渐转变为以石英颗粒相互嵌接为主的状态。因此，便存在一个临界泥质质量分数点，该点所对应的位置代表了岩石的岩性发生了重大变化［2］，在沉积学上代表了一次重要的沉积旋回。泥质质量分数是储层预测、测井、地震评价及工程施工的一个重要参数，该参数的准确评价关系到油气储层勘探、开放方案的有效制定［3］。

泥质质量分数影响储层岩石物性，一般来说，高泥质质量分数往往对优质砂岩储层的形成产生不利的影响［4］。此外，泥质质量分数还会对岩石的弹性性质产生显著影响。如Amann等［5］研究了岩石中塑性泥岩段和硬脆性砂岩段的破裂特征，发现硬脆性砂岩段易于发生张性破裂，而塑性泥岩段易于发生剪性破裂。Castagna等［6］对比了黏土、石英、长石等常见碎屑岩组分的弹性波速特征，结果表明这些成岩矿物的弹性波速具有显著差异，黏土弹性波速约为石英、长石的1/2。Bieniawski等［7］的研究表明，随着砂岩中泥质质量分数的增加，岩石的抗压强度逐渐降低。Brace等［8］研究了分选性对不同泥质质量分数岩石力学性质的影响。Alexandrov等［9］对比研究了不同类型黏土矿物Thomsen系数。Oscar等［10］对比分析了泥质质量分数对碳酸盐岩、碎屑岩弹性波速及衰减特征的影响。这些研究均从偏宏观角度说明泥质质量分数对岩石弹性性质具有重要影响，未阐明弹性参数对岩石岩性变化所产生的影响，且缺少从微观角度的详细分析。

基于此，本文以塔中地区深层孔隙型海相致密碎屑岩地层为研究对象，根据孔弹性Biot理论方程［11］，获得地层岩石成岩矿物模量、干岩石模量及孔隙纵横比等弹性参数，从微观层面探讨了泥质质量分数对岩石弹性性质的影响及弹性参数对岩石岩性变化的影响。该研究对深化碎屑岩储层弹性性质研究、认识岩石破裂机制、储层预测、岩性识别及压裂改造等方面均具有重要参考价值。

1 研究区构造及沉积特征

研究区位于塔中X井区，地形具有东南高西北低的宽缓单斜特征。工区内中新生界沉积地层稳定，基本无断裂活动；古生界地层发育高角度走滑断裂，断裂活动期次主要为加里东—海西期。在中—晚奥陶世末，受加里东中期Ⅲ幕构造运动影响，塔中古陆形成，海域退缩至古陆之间并形成物源区，志留纪海盆周围陆源碎屑持续供给，形成研究区以海相碎屑岩沉积为主的沉积体系域。本文所研究目的层即位于志留系下统。

研究区目前勘探程度较低，在具有稳定泥岩盖层封闭、有利沉积组合及构造演化背景条件下，易于形成岩性-地层圈闭，是该区勘探的重点方向。工区内目的层海相碎屑岩地层沉积连续、厚度稳定、易于对比，上覆区域性泥岩盖层和下伏砂岩段为岩性突变面，在地震波组上存在上超不整合。所研究目的层岩性主要包括粉砂岩、细砂岩、岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、泥质粉砂岩、灰质泥岩及深灰色泥岩。显微薄片观察统计显示结果表明，石英颗粒质量分数通常低于75%，具有近物源沉积特征。

研究区海相碎屑岩地层中，常见的沉积特征为低角度层理、波状层理、生物扰动，以及生物化石现象，反映出水体较浅的沉积环境［12］。偶见滨外由于风暴作用而形成的泥砾。砂岩段沉积相主要为受风暴浪影响频繁的无障壁滨岸—临滨亚相，主要发育退积型临滨叠置砂体，滨岸相前滨及临滨区域可发育有利致密砂岩储层。泥岩段属深水陆棚沉积，主要为灰黑—深灰泥岩及薄粉砂夹层，自然伽马（GR）高，通常大于100 API。

研究区目的层埋深大于5 000m，砂岩段的钻遇厚度多分布在60～120m，孔隙度小于10%，渗透率小于1×10-3μm2，地层压力约为1.30 MPa，具有致密油显示，属深层海相致密砂岩储层。通过显微镜及扫描电镜观察发现，目的层岩石中裂缝不发育，以孔隙空间为主，主要包含残余粒间孔、粒缘溶孔、粒内溶孔及晶间孔。其中，残余粒间孔最为重要，占总有效孔隙的50%～60%，这些孔隙的连通性较好；其次为一些粒缘溶孔、粒内溶孔和晶间孔，这些孔隙的连通性要相对差一些。

以研究区X5井为例，该井目的层海相碎屑岩地层埋深主要分布在5 400～5 650m，该井段测井资料齐全。砂岩和泥岩叠置分布，为多次沉积旋回；不同岩性岩石在常规测井曲线上具有明显差别，易于识别。地层岩石孔隙度基本小于10%，其中砂岩段孔隙度要大于泥岩段。泥岩段的含水饱和度（Sw）接近100%；部分致密砂岩地层，如5 495～5 515m井段，含水饱和度低于40%～50%，同时具有良好的致密油显示，是进行压裂储层改造的优选层位。

2 岩石弹性参数提取方法

根据孔弹性Biot理论，岩石骨架刚度系数f可以表示为［13-14］

式中：Kf为流体体积模量，GPa；Ko为成岩矿物体积模量，GPa；φ为岩石的孔隙度；γ为弹性系数；Fk为中间变量。

当岩石中含有多种相态流体组分时，式（1）中Kf可以根据Wood方程［15］求取（见式（2）），Fk见式（3）。一些流体组分的模量参数可以参考文献中的一些取值（见表1）［15-17］。地层岩石体积模量Ks可以利用测井资料由式（4）进行解释，代表一种静态结果，一般略大于静态值。本文根据三轴力学测试获得的两者间动静态校正关系（见式（5）），相关系数R为0.773。

式中：Ki为流体中单一相组分的体积模量，GPa；Si为单一相组分的饱和度，%；n为流体组分种类；Ks为地层岩石体积模量，GPa；Kstatic为静态体积模量，GPa；Kdynamic为动态体积模量，GPa；vP和vS分别为纵波波速和横波波速，km/s；ρ为岩石密度，g/cm3。

表1 流体组分模量及密度取值

对于含有多种矿物组分的矿物体积模量Ko及剪切模量μo，可以采用Hashin-Shtrikman（HS）方法［18］，通过区分不同类型矿物组分的模量参数进行预测。HS方法提供了确定成岩矿物模量参数的最窄上下界线，当仅考虑2类组分时，具体表达式如下：

式中：μ1，μ2分别为不同组分单一相组分的剪切模量，GPa；V1，V2分别为不同组分单一相组分的质量分数或体积分数，%。

对于碎屑岩地层而言，石英和黏土为其主要矿物组分。此时，在利用HS方法时，当选取石英的体积模量为K1值时，计算结果对应岩石矿物体积模量的上界；当选取黏土的体积模量为K1值时，计算结果对应岩石矿物体积模量的下界［18］。所求取岩石矿物体积模上下界的平均值即为岩石Ko。同理，可求取岩石μo。

根据式（1），γ可以表示为

对于干岩石，Kf=0，Ks=Kd（Kd为干岩石体积模量），根据式（1）可知，等效干岩石骨架刚度系数fd可以表示为

Kd可以根据Berryman等的方法获取为［19］

其中：σm为成岩矿物泊松比，其为岩石中泥质质量分数的函数（见图1），其值小于地层岩石实际泊松比［20］。对于碎屑岩地层岩石，当其中泥质质量分数较低时，岩石中主要含石英，σm小于0.1。当其中泥质质量分数较高时，岩石中主要含黏土，此时，σm接近0.3。σm整体平均值约为0.2。α为孔隙纵横比。

将式（10）代入式（9），可得：

图1 泥质质量分数对碎屑岩σm的影响

由式（8）可知，对于干岩石，γd可以表示为

对于严格意义的孔隙型地层岩石，流体组分的Kf对岩石体积体积模量的影响较小［21］，此时满足：

由式（11）和（13），可得：

将式（16）代入式（14），可得：

联立式（13）—（15）及式（17），可求取岩石α值。

3 结果及分析

3.1 岩石模量参数提取结果

利用上述方法，获得岩石各弹性参数。选取X5井 5 480～5 520m井段进行分析，该井段具有完整的取心测试，样本数据N为231。通过岩心观察进行岩性识别，同时与测井解释结果进行对比。

利用上述方法，确定碎屑岩目的层Ko，μo，Ks，Kd等弹性参数，以及测井测试获得的弹性波速（vP及vS）与泥质质量分数间关系（见图2）。由图可以看出，随着泥质质量分数的增加，岩石Ko，μo及弹性波速均降低。目的层碎屑岩的Ko主要分布在20～60GPa，μo主要分布在10～25 GPa，vP主要分布在3 700～5 000m/s，vS主要分布在2 000～3 000m/s。

岩石Ks大于Kd，两者具有较好的正线性相关性；随着岩石体积模量的增加，Ks和Kd的拟合线具有逐渐靠近中线的趋势，表明饱和水与否对体积模量相对较小的岩石影响程度更大；反之，影响程度小一些。

图2 X5井目的层碎屑岩地层各弹性参数变化规律

3.2 利用α-Ks交会图识别岩性变化点

X5井目的层岩石孔隙度与泥质质量分数间关系见图3a，随着Vsh的增加，岩石孔隙度逐渐降低。在地层岩石Vsh从5%增加到80%的过程中，岩石孔隙度从10%降低到了约0.5%，Vsh对地层岩石物性影响显著。

利用上述方法获取的目的层岩石α与Vsh间关系见图3b。与图3a类似的是，随着Vsh的增加，α值也逐渐降低；不同的是，从α值的降低趋势可以看出其明显呈现分段性。

第1个阶段，岩石Vsh约从0增加到40%，对应岩石α值从1.00降低到约0.25，α值呈现一种近线性的递减变化。第2阶段，对应岩石Vsh约从40%增加到80%，相应α值从0.25降低到了接近0的极小值。该阶段岩石α值的降低趋势实际上接近负对数形式，图3b中红色直线只代表该范围数据处于第2阶段。

对于研究区目的层，岩心观察及Vsh测井解释结果显示，砂岩的Vsh小于40%，而泥岩的Vsh大于40%。因此，图3b的转折点刚好对应了岩性发生变化的情况。

图3b中，2个变化阶段的交点对应的点坐标：Vsh为40%，α为0.25，说明所提取的孔隙型目的层岩石α值对Vsh敏感。从该转折点所对应的图3a中Vsh为40%的点（灰色框）可看出，该Vsh点所对应的孔隙度较离散，表明该折转变化特征在岩石物性上并没有良好显示，但在所提取的α值上具有良好显示（见图3b）。

图3 泥质质量分数对岩石物性及弹性参数的影响

进一步探讨所获取地层α值与Ks间的关系，见图4。由图4可看出，地层岩石α值与Ks间具有非常好的对数关系。将图4变化划分为2段，第1段岩石α值为0～0.25，岩石Ks为16～40 GPa，该阶段数据变化趋势较陡；第2段，岩石α为0.25～1.00，岩石Ks为40～55 GPa，该阶段数据变化趋势较缓。转折点所对应的坐标，α为0.25，Ks为40 GPa，利用所计算的α也可以将岩性变化点所对应的岩石Ks值区分出来。

3.3 利用α-φ交会图识别岩性变化点

图4中，利用岩石Ks与α交会图识别出的岩性变化点，对应的岩石Ks约为40 GPa。由图5所示目的层岩石Ks与φ交会图可以看出，Ks为40 GPa所对应的岩石孔隙度较为离散。一般来说，对于同一岩性岩石，随着孔隙度的增加，岩石Ks逐渐发生降低［22］。

图4 目的层岩石Ks与α的关系

但对于图5所示砂泥岩来说，砂岩中以石英矿物为主，其本身就具有较高的刚度，因而即使其具有较高孔隙度，其Ks也相对较高。受沉积微相不同的影响，图5中砂岩或泥岩地层岩石的Ks随孔隙度的增加，变化较为离散。

图5 目的层岩石Ks与φ间关系

进一步作岩石α与孔隙度间交会图 （见图6），看出，其与图4曲线变化特征较为类似。与图4相比，α可以使地层岩石孔隙度的离散度大大降低 （见图6）。岩石α与φ间变化关系明显呈两段性，岩性变化点所对应的地层岩石α为0.25，φ为3%。

利用研究区目的层致密砂岩孔渗及可动流体饱和度资料确定的储层物性（φ）下限约为3%，与利用图6所示方法确定的岩性变化转折点一致。表明当致密砂岩储层孔隙度变化较大时，利用本文方法确定的岩性变化转折端孔隙度可为储层物性下限的确定提供参考。

3.4 讨论

上述研究表明，利用本文方法所确定的α可以大大降低地层岩石中Vsh，Ks，φ的离散程度。同时，曲线变化明显呈两段性，转折端对应岩性变化点，从而易于识别临界Vsh，Ks及φ值。

图6 目的层岩石φ与α关系

这种现象主要是因为，α代表了孔隙的形态特征，图7所示为理想条件下具有不同α值的岩石孔隙形态特征。很显然，对于孔隙型岩石而言，当其外界所受应力不同时，α值会出现不同程度的变形。根据Gassmann方程［23］，岩石孔隙的体积模量（Kp）与Ko和Kd间具有式（18）所示关系，α值与岩石Kp具有直接关联，从而影响到岩石Ko和Kd等弹性参数的变化。同时，所研究孔隙型地层中砂岩和泥岩的α值具有显著差异，砂岩的α值主要分布在0.250～1.000，而泥岩的α值主要分布在0.001～0.250，从而造成α值与Vsh及Ks交会图中转这端的出现。因此，孔隙形态参数α值与岩石的弹性性质密切相关。

图7 不同形态岩石孔隙α值示意

α值对碎屑岩孔隙度的影响，主要是由于，当岩石Vsh从0增加到100%的过程中（见图8），岩石会首先由纯砂岩（Vsh=0）转变为低泥质砂岩，然后过渡到高泥质砂岩，此时石英仍是岩石中最为重要的矿物组分，石英颗粒间相互接触，构成岩石骨架。当Vsh达到并超过某一临界泥质质量分数点时，岩石岩性发生重大变化，由高泥质砂岩转变为砂质泥岩，此时，石英颗粒悬浮在黏土基质组分中。

当Vsh进一步增加并接近100%时，岩石岩性转变为泥页岩。计算所获得的泥页岩具有相对较低的α值，这与泥页岩中黏土组分往往呈薄片状的形态特征也是相符的［24-28］。图8中所示临界Vsh点即为利用前述方法获得的岩性转折点所对应的Vsh值点。研究区目的层岩石的有效孔隙空间以石英粒间孔、粒缘溶孔及粒内溶孔为主，而泥质组分作为充填物，孔隙空间连通性差。因此，图8中临界Vsh点两侧的岩石物性具有显著差异，最终造成图6中转折端的出现。

图8 泥质质量分数对孔隙型岩石岩性的影响

4 结论

1）本文以塔中X井区孔隙型海相致密碎屑岩地层为研究对象，利用孔弹性Biot理论获取地层岩石弹性参数，探讨了α对地层岩性变化点的指示作用。

2）提取了所研究目的层的Ko及μo，其Ko主要分布在20～60 GPa，μo主要分布在10～25 GPa，Ks＞Kd，两者具有较好的正线性相关性，饱和水与否对体积模量相对较小的岩石影响程度更大。

3）随着Vsh的增加，孔隙型岩石的α值逐渐降低，具有分段性。岩性转折点所对应的α值为0.25，Vsh为40%，Ks为40 GPa，φ为3%，转折端孔隙度可以为储层物性下限的确定提供参考。

4）从微观尺度层面分析了利用α判断孔隙型岩石地层岩性变化点的有效性。该研究对深化孔隙型致密油储层认识，进而有效制定勘探、开放方案具有一定参考价值。

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（编辑 杨会朋）

Quantitative determination of lithology variation of porous marine tight oil by using pore aspect ratio

CAO Xiangyu1，2，3,DING Wenlong1，2，3,YIN Shuai1，2，3
(1.School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.MOE Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Enrichment Mechanism,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.Key Laboratory for Shale Gas Exploitation and Assessment,Ministry of Land and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

The content of clay is an important index to indicate the change of clastic rocks,and it has important influence on the physical properties and elastic properties of rocks.Taking the pore type marine tight clastic rock stratum in the X well area of the Tazhong as the research object,the elastic parameters of the stratum are obtained with the Biot theory and the indication of the α to the change of the formation lithology is discussed.The main ideas are as follows:Kois mainly distributed in 20-60 GPa,and μois mainly distributed in 10-25 GPa;with the increase of Vsh,the α value ofthe porous rock gradually decreases,the α value ofsandstone in 0.25-1.00,and the α value ofthe mudstone in 0.01-0.25;at the turning point,α=0.25,Vsh=40%,Ks=40 GPa,φ=3%,the porosity of the turning point can provide a reference for determining the lower limit ofreservoir physicalproperties.

pore aspect ratio;pore type;marine facies;tight oil;lithology;method

国家自然科学基金项目“渤海湾盆地济阳坳陷古近系陆相富有机质页岩裂缝研究”（41372139）、“中国南方下古生界海相富有机质页岩裂缝发育程度与主控因素定量关系研究”（41072098）；国家科技重大专项课题“煤系地层游离气富集规律分布与研究”（2011ZX05033-004），国家科技重大专项专题“渤海湾盆地页岩气资源评价”（2011ZX05018-001-002）、“致密油有效开发机理与关键技术“（2016ZX05046-003-001）

TE132.1

A

10.6056/dkyqt201606010

2016-03-10；改回日期：2016-09-07。

曹翔宇，男，1991年生，在读硕士研究生，矿产普查与勘探专业，主要从事石油构造分析与控油作用、非常规油气构造和裂缝及其与含气量关系研究。E-mail：1549429281@qq.com。

曹翔宇，丁文龙，尹帅.利用孔隙纵横比定量判断孔隙型海相致密油地层岩性变化点的方法［J］.断块油气田，2016，23（6）：731-737.

CAO Xiangyu，DING Wenlong，YIN Shuai.Quantitative determination of lithology variation of porous marine tight oil by using pore aspect ratio［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：731-737.