准噶尔盆地东南缘页岩油储层脆性预测与评价

摘要：

准噶尔盆地东南缘二叠系中下部发育页岩油致密储层，脆性预测与评价对其勘探和开发有重要意义。本文利用岩石物理实验、测井资料和叠前地震资料计算了准噶尔盆地东南缘二叠系页岩油致密储层脆性指数，对Rickman经典公式法、杨氏模量与泊松比比值法、拉梅系数法和剪切模量法进行了比较、分析与评价。研究认为：1）杨氏模量相对泊松比对岩性有更好的区分度，由拉梅系

数表征的泥岩分布率较高；2）根据文献所得测井多参数计算脆性指数的方法应用效果不佳，在Castagna经验公式换算横波速度基础上计算的脆性指数具有较好的应用效果；3）由YPD（Youngs modulusPoissons ratiodensity）式和LMR（拉梅系数密度）式反演的弹性参数变化率也能较好地指示有利储层，尤以密度变化率为最佳，该属性在扇三角洲前缘及分流河道特征上得到很好的展示；4）岩石物理实验和实际资料应用均表明，ρE/σ为研究区脆性的最佳表征公式，效果好于Rickman经典公式与其他方法。

关键词：

准噶尔盆地；致密储层；页岩油；岩石物理实验；横波速度；杨氏模量；泊松比；脆性指数

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230140

中图分类号：P631.4

文献标志码：A

于正军，张军华，周昊，等. 准噶尔盆地东南缘页岩油储层脆性预测与评价. 吉林大学学报（地球科学版），2024，54（5）：17111723. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230140.

Yu Zhengjun， Zhang Junhua， Zhou Hao， et al.

Brittleness Prediction and Evaluation of Shale Oil Reservoir in Southeastern Margin of Junggar Basin. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2024，54 （5）：17111723.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230140.

收稿日期：20230530

作者简介：于正军（1968-），男，教授级高级工程师，博士，主要从事油气藏勘探综合研究，E-mail：yuzj_789@163.com

通信作者：张军华（1965-），男，教授，博士生导师，主要从事石油物探的教学与研究工作，E-mail：zjh@upc.edu.cn

基金项目：中石化先导项目（P21007）；国家自然科学基金项目（42072169）

Supported by the Sinopec Pilot Project （P21007） and the National Natural Science Foundation of China （42072169）

Brittleness Prediction and Evaluation of Shale Oil Reservoir in Southeastern Margin of Junggar Basin

Yu Zhengjun1， Zhang Junhua2， Zhou Hao2， Ren Ruijun1， Chen Yongrui2， Yang Yulong1

1. Geophysical" Research Institute of Shengli Oilfield Company， Sinopec， Dongying 257022， Shandong， China

2. School of Geosciences， China University of Petroleum， Qingdao 266580， Shandong， China

Abstract：

Shale oil tight reservoirs are developed in the middle and lower part of Permian in southeastern margin of Junggar basin. Brittleness prediction and evaluation are of great significance to its exploration and development. In this paper， the brittleness index of Permian tight reservoir in southeastern margin of Junggar basin is calculated by using petrophysical experiments， well logging data and prestack seismic data， and the Rickman classical formula method， the

method of ratio of

Youngs modulus and Poissons ratio， the Lamé coefficient method and the shear modulus method are compared， analyzed and evaluated. The results show that： 1） Compared with Poissons ratio， Youngs modulus has a better discrimination of lithology， and the mudstone distribution resolution represented by Lamé coefficient is higher; 2） The method of calculating brittleness index based on logging multi-parameters obtained in the literature has a poor application effect， but the brittleness index calculated on the basis of converting shear wave velocity by Castagnas formula has a good application effect; 3） The change rates of elastic parameters inverted by YPD （Youngs modulusPoissons ratiodensity） formula and LMR （Lamé coefficientdensity） formula can also indicate favorable reservoir， especially the density change rate is the best， and the characteristics of upper fan delta front and distributary channel can be well demonstrated by this attribute; 4） Petrophysical experiments and actual data applications show that ρE/σ is the best characterization formula of brittleness in the study area， and the effect is better than Rickmans classic formula and other methods.

Key words：

Junggar basin;" tight reservoir; shale oil; petrophysical experiment;" shear wave velocity; Youngs modulus; Poissons ratio; brittleness index

0" 引言

脆性是非常规油气藏勘探开发的重要参数，反映物体受力变形时发生破裂的性质，与延性、弹性、塑性等都属于岩石的力学特性。脆性大小一般通过脆性指数来衡量，其计算方法主要包括矿物含量占比法、岩石物理实验测量法、测井资料换算法和地震叠前反演法等。Rickman等［1］对杨氏模量和泊松比进行归一化并取二者的平均值作为脆性指数。Goodway等［2］用拉梅常数进行组合来表示脆性指数。Guo等［3］利用杨氏模量和泊松比的比值描述脆性。张丰麒等［4］将Zoeppritz方程推广为BI-Zoeppritz方程，直接反演脆性指数。Zhang等［5］基于AVO（amplitude variation with offset）理论和多孔介质理论推导出脆性反演方程。张瑞等［6］使用幂指数经验公式代替Aki近似方程中的密度项，建立了一套直接反演岩石脆性参数的方法。刘庆等［7］将灰色关联方法与层次分析相结合，为脆性指数的预测提供了新思路。

在前人研究的基础上，本文从准噶尔盆地（简称准）东南缘取心井的岩石物理实验出发，分别用Rickman经典公式法、杨氏模量与泊松比比值法、拉梅系数法等方法计算脆性指数，分析脆性指数的分布特点；采用测井多参数法，以声波时差转换得到的纵波速度和多种方法获得的横波信息计算井的脆性指数，并与录井进行对比验证；优选角度域的叠前数据体，利用小、中、大三个角度的叠前资料直接反演弹性参数变化率数据体，并由此估算脆性，开展测井约束弹性参数叠前反演；最后对变化率（反射系数）预测的脆性指数和弹性参数反演的脆性指数进行分辨率与信噪比评价，为研究区二叠系致密油的勘探开发以及类似勘探新区开展脆性预测提供参考。

1" 研究区概况

准噶尔盆地东南缘发育多个残留凹陷，包括石钱滩凹陷、梧桐窝子凹陷、木垒凹陷、古城凹陷、吉南凹陷、吉木萨尔凹陷、石树沟凹陷等（图1）。其中：吉木萨尔凹陷已探明丰富的二叠系页岩油地质储量，实现了规模化勘探开发［8］；石钱滩凹陷石钱1井发现了自生自储的石炭系碎屑岩构造岩性油气藏；

吉南凹陷萨探1井在二叠系钻遇了371 m厚的烃源岩［9］。石钱滩凹陷钱1井，木垒凹陷木参1井、木垒1井和木垒2井近来又有了新的油气发现，这也展示了准东南缘良好的油气勘探前景。

准东南二叠系以沙奇凸起为界，北部一般以平地泉组（P2p）命名，南部以芦草沟组（P2l）命名［10］。不同区块岩性有所不同，吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组主要发育湖相云质混积岩，石树沟凹陷平地泉

组白云石、方沸石体积分数较高，发育灰岩、砂岩及砂砾岩［813］。准东南二叠系储层具有邻源供烃、自生为主、原位聚集的典型陆相页岩油特点［14］。

对于致密油勘探开发来说，储层描述除了物性、含油性以外，脆性也是重要的衡量指标。准东南区块地域辽阔，勘探面积达8 674 km2，但已钻探井较少。充分利用有限的取心、录井、测井与地震资料开展脆性指数计算与评价，具有客观必要性。

2" 基于岩石物理实验的脆性计算与评价

利用岩石物理实验测试岩石样品的杨氏模量、泊松比，再根据Rickman经典公式（表1）即可计算岩石的脆性指数［1］。还可以根据弹性参数的物理含义，计算表征脆性特性的属性（它们的量值不在［0， 1］之间，本文称之为类脆性指数），如表1中的杨氏模量与泊松比比值法［3］、拉梅系数法［2］与剪切模量法［2］。

对研究区29块岩样进行岩石物理实验，测得弹性参数与岩样的岩性分布如图2所示。从图2可以看出，泥岩杨氏模量小、泊松比大、拉梅系数小，根据表1公式分析可知，脆性指数小；反之，砂岩、灰岩等，杨氏模量大、泊松比小、拉梅系数大，脆性强。对图2a进一步观察还能发现，杨氏模量相对泊松比对岩性有更好的区分度；从图2b可以看出，由拉梅系数表征的泥岩分布更集中，分辨率高于杨氏模量泊松比分布。

用表1所示公式计算每块样品的脆性或类脆性指数，按同一顺序排列，结果如图3所示。由图3a可以看到：1）泥岩与非泥岩（灰岩、砂岩等）的脆性指数有较好的区分度；2）泥岩的平均脆性指数为0.251，非泥岩的平均脆性指数为0.696，二者比值为2.77，一定程度上可反映区分岩性的能力。图3b基本结论同图3a，非泥岩与泥岩的类脆性指数均值比

为4.19，高于第一种方法。由图3c可以看到，21号灰岩、23号砾岩的类脆性指数低于泥岩，这是反常规的错误结果，而且非泥岩与泥岩的类脆性指数均值比为1.32，是4种方法中最低的。图3d中20号泥岩样本与后续砾岩样本也很难区分，不过非泥岩与泥岩的类脆性指数均值比为3.03，处于4种方法的第2位。综合以上认识，4种脆性指数评价方法中，杨氏模量与泊松比比值法云质岩、灰岩、砂岩等岩性的杨氏模量大、泊松比小，具有放大甜点的效应，区分泥岩与非泥岩的能量最强，为最佳表征方法，其次为剪切模量法，再次为Rickman经典公式法，拉梅系数法最差。

3" 测井多参数脆性计算与比较

3.1" 测井多参数经验公式直接计算脆性指数

一口井的取心段有限，而且也不是每口井都取

心，因此，用岩石物理实验计算脆性是很有限的。测井是评价储层的很好手段，井的脆性指数可通过测井参数计算得到。

袁思乔等［15］在研究松辽盆地大情字井油田白垩系青山口组一段致密砂岩储层时，得出了声波时差AC（AC）、密度DEN（ρ）、电阻率（Rt）、自然伽马GR（GR）、补偿中子GNL（Cnl）等5种测井参数与脆性指数的关系，其中ρ、Rt与脆性正相关，其他三种测井曲线与脆性负相关，测井曲线计算前都做归一化处理，计算公式为

Ibw1=

15（

0.32ρ+0.13Rt+0.41AC+0.08Cnl+0.06GR）×100%。（1）

付娟娟等［16］研究了山西沁水盆地石炭系—二叠系页岩储层脆性指数与测井响应间的关系，得出以下关系式：

Ibw2=33.6ρ-0.05Rt-8.6GR-0.01AC。 （2）

3.2" 利用横波速度换算脆性指数

利用声波时差可以换算纵波速度，如果有横波时差，可用弹性参数之间的关系获取杨氏模量与泊松比，进而计算井段的脆性指数。

a. Rickman经典公式法；b. 杨氏模量与泊松比比值法；c. 拉梅系数法；d. 剪切模量法。

E=ρ3v2P-4v2S（vP/vS）2-1； （3）

σ=0.5（vP/vS）2-1（vP/vS）2-1。 （4）

式中：vS为横波速度；vP为纵波速度。

3.2.1" 利用横波速度与其他测井曲线的统计关系获取

杨秀春等［17］在研究鄂东气田韩城矿区煤岩地层时，得出了横波时差与纵波时差、密度的如下关系：

ΔtS=ρΔt2P0.4105ΔtP+322.36ρ-478.41。" （5）

式中：ΔtS为横波时差；ΔtP为纵波时差。

孙玉凯等［18］在研究吐哈油田胜北地区的岩性油

气藏时，得到了横波时差与补偿中子、电阻率、密度之间的关系：

ΔtS=215.69CnlρRt+111.34。（6）

赵炎［19］给出了横波时差的以下计算公式：

ΔtS=ΔtP{1-1.15［（1/ρ+1/ρ3）/（e1ρ）］}1.5。 （7）

3.2.2" 利用岩石物理实验横波与纵波速度关系获取

Castagna等根据不同岩性，给出了不同换算公式［20］：

1）白云岩地层：

vS=0.583vP-0.078。（8）

2）饱含水净砂岩：

vS=0.804vP-0.856。（9）

本文通过准东南4口井29块岩样的岩石物理实验，统计出了横波速度与纵波速度的关系（图4）：

vS=579.18e0.0003vP。（10）

从图4可以看出，横波速度与文献［1720］给出的规律类似，基本呈线性关系，拟合度较高。

3.3" 研究区井脆性指数计算与比较

以钱1井二叠系平地泉组云质岩甜点段和木垒1井芦草沟组二段2砂组滩坝砂储层、一段2砂组扇三角洲砂体为研究对象，用多种方法计算脆性指数，并进行比较和评价。

3.3.1" 钱1井

对于钱1井，首先直接由测井多参数计算脆性指数Ibw1（式（1））、Ibw2（式（2））（图5）。分析可知：1）Ibw1集中在几个峰值，DEN与Rt曲线的贡献率很高，部分异常漏检（如DEN曲线所在325 m处的白云质灰岩）；2）Ibw2存在负值，甜点段曲线缺乏差异性，不适合钱1井区，原因是计算公式的系数对研究工区不合适。

然后分别利用赵炎经验公式、Castagna经验公式和岩石物理实验方法计算脆性指数，即Ibw3由式（7）换算，Ibw4由式（8）换算，Ibw5由式（10）换算（图5）。纵波速度从测井数据中获取，根据式（3）（4）分别计算杨氏模量和泊松比，再利用Rickman经典公式计算脆性（为了便于数值比较，不采用表1中其他方法）。可以看出：1）Ibw3、Ibw4曲线特征基本类似，Ibw4在306 m Rxo曲线处的泥质粉砂岩得到有效识别，效果好于Ibw3；2）岩石物理实验得到的Ibw5总体与录井吻合较好，但355 m处Rt曲线处的泥岩脆性偏高。概括来说，对于钱1井区，因为目的层段云质岩发育，取心又少，由Castagna经验公式统计分析白云岩纵横波速度关系为佳。

3.3.2" 木垒1井

对于木垒1井，分别利用赵炎经验公式、Castagna经验公式和岩石物理实验方法计算脆性指数，即Ibw3由式（7）换算，Ibw4由式（9）换算，Ibw5由式 （10）换算。纵波速度从测井数据中获取，根据式（3）（4）计算杨氏模量和泊松比，再利用Rickman经典公式计算脆性。将计算结果与录井进行比较，如图6所示。可以看到，木垒1井的砂岩脆性强，3种方法大部分砂岩储层都能得到较好的指示。但Rxo曲线的几处薄砂岩，岩石物理实验指示的脆性

Rl. 感应电阻率；Rxo. 冲洗带地层电阻率。ft（英尺）为非法定计量单位，1 ft=0.3048 m，下同。

calculation results of different brittleness index and logging in"" Well Qian 1

M2RX. 高分辨率阵列感应测井电阻率，其中的X代表高分辨率感应测井的不同探测深度。

（Ibw5）不大，效果不如其他方法；而在Rt曲线表示的含油储层段内，岩石物理实验（Ibw5）的区分度好于其他2种方法。相对而言，岩石物理实验计算的脆性是3种方法中最好的。

总的来说，对于本文这样少井的新区，如果没有横波测井，用赵炎经验公式（式（7））、Castagna经验公式（式（8）、式（9））或岩石物理实验结果换算的横波也基本上可以得到与录井比较一致的脆性指数，并以岩石物理实验相对为好。

4" 基于叠前反演的脆性表征方法

用矿物组分、岩石物理实验和测井资料换算只能得到目标点或目标层段的脆性，要得到脆性的区域分布，须用叠前资料反演弹性参数，再用一定的表征公式计算脆性指数。

叠前反演经典公式是Aki amp; Richards近似式［21］，它是关于纵横波速度、密度与反射系数的关系式：

R（θ）=

sec2θ2ΔvPvP-4v2Sv2PΔvSvS+（12-2v2Sv2Psin2θ）Δρρ。（11）

式中：R（θ）为反射系数；θ为入射角和透射角的均值；ΔvP、ΔvS、Δρ分别为反射界面上下的纵波速度差、横波速度差和密度差。

由于式（11）表示的速度变化率与脆性的关联度还不是很强，为此利用弹性参数之间的关系，得到其他多种反演公式，如杨氏模量泊松比密度（Youngs modulusPoissons ratiodensity， YPD）反演式［22］：

R（θ）=（14sec2θ-2ksin2θ）ΔEE+14sec2θ（2k-3）（2k-1）2k（4k-3）+2ksin2θ1-2k3-4kΔσσ+（12-14sec2θ）Δρρ。（12）

式中：k为横波速度与纵波速度的比值；ΔE、Δσ分别为反射界面上下的杨氏模量差、泊松比差。式（12）要求解杨氏模量、泊松比、密度的变化率（或称反射系数）三个变量，给定与θ有关的3个角度域道集，近似为R（θ），即可联立求解方程。

还有拉梅系数密度（LMR）反演式［2］：

R（θ）=（14-12k2）Δλλsec2θ+（12sec2θ-2sin2θ）k2Δμμ-14（1-tan2θ）Δρρ。 （13）

式中，Δλ、Δμ为反射界面上下的拉梅系数差。

除了以上方法外，还有学者直接反演流体体积模量、孔隙度［5］，以及用4个角度数据反演出4个弹性参数：流体项、杨氏模量、泊松比、密度［23］。

上述方法和计算公式反演的是弹性参数变化率或反射系数，在井和地层结构约束下可以得到真实的弹性阻抗和各种弹性参数，再进一步换算、表征脆性指数。

将以上方法应用到准东南钱1井工区，利用如图7所示小、中、大3个角度的数据体进行弹性参数变化率反演。图8展示了平地泉组下部甜点的沿层反演切片。我们惊喜地发现，YPD式反演的密度变化率有很好的反演效果。如图8g，研究区西北部扇三角洲前缘及分流河道特征得到很好体现，与地质认识相符，指示了本区云质岩有利发育区。

通过岩石物理实验计算横波时差曲线，在井和地层结构的约束下，笔者反演了弹性阻抗和多种弹性参数，图9展示了杨氏模量和泊松比过井反演剖面。从图9可以发现，杨氏模量相对泊松比剖面信噪比更高，对云质岩有更好的识别度，反演结果与图2a岩石物理实验结果一致。

根据多种弹性参数反演结果，用表1所示的脆性指数表征公式计算了钱1井区的云质岩发育段沿层脆性指数，结果如图10所示。与密度变化率等弹性参数进行比较，井约束反演指示的脆性有利带也在研究区的西北部，预测部位大体一致；但脆性指数有条带状甜点特征。其中：Rickman经典公式法（图10a）和拉梅系数法（图10c）两种方法目标区信噪比较高，但它们在研究区的南部存在野值；而杨氏模量与泊松比比值法（图10b）和剪切模量法（图10d）两种方法没有野值。总体来看，反演所得脆性指数认识与图3所示岩石物理实验表征结果完全一致，杨氏模量与泊松比比值法用到了弹性参数杨氏模量与泊松比的比值，大的杨氏模量除以小的泊松比具有更明显的脆性特征，具有类似甜点属性的优势，值得推广使用。

5" 结论

准东南二叠系芦草沟组/平地泉组发育页岩油致密层，脆性是储层评价的重要指标。利用获取的29块取心样品、多口井的测井资料以及叠前三维地震数据体，用多种方法对脆性指数进行了计算、比较与评价。

1）岩石物理实验结果表明，杨氏模量是比泊松比更好的弹性参数。

2）井脆性指数分析表明，Castagna经验公式具有很好的适用性。

3）密度变化率直接反演具有分辨率高的特点，可以较好地表征储层的沉积特征。

4）相较于Rickman经典公式，用杨氏模量与泊松比的比值来表征脆性物理意义明确，应用效果更好，值得进一步推广使用。

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