基于应力—应变模型的脆塑性测井评价

页岩脆性的测井评价主要从岩石弹性参数特征和矿物含量特征2个方面进行。针对泥页岩高塑性的特征,提出在测井评价基础力学参数中引入峰值变形模量,在此基础上可以对基于应力—应变模型的脆性参数和塑性参数进行解释,获得塑性应变和基于峰前可恢复应变与峰前总应变之比的脆性指数2个力学参数。在实例应用中,该方法计算得到的脆性指数、塑性应变不仅与矿物组分脆性指数吻合较好,与水力压裂微地震事件监测结果也具有较好的耦合性,因此,该方法能够较好地反映岩石的脆性和塑性特征,为页岩气储层脆性评价提供重要依据。     

页岩储层可压性剖面模型研究及应用

水力压裂是有效开发页岩储层的关键技术,页岩的可压裂性是评价页岩储层被有效压裂程度的一个定性指标。岩石力学实验、全岩分析等常规方法因受取心层段、成本等限制,求取的可压性指数存在片面、不连续等缺点。借助测井方法代替常规方法求取目标储层岩石力学参数与矿物组成,结合岩石脆性、矿物组分、成岩作用等影响因素建立了单井可压性剖面模型,利用模型计算了孔南地区页岩储层可压性剖面并对其进行了定量评价,模型方法与实验方法的计算结果较为一致。可压性剖面模型的应用,实现了对整个储层的连续评价,可为页岩储层有效开发提供准确参考依据。     

渤海湾盆地沾化凹陷陆相页岩储层岩石力学特征及可压裂性研究

页岩储层的岩石力学性质与可压裂性对页岩油气的开发具有重要影响。目前对于陆相页岩的岩石力学特征和可压裂性方面的研究较少。利用X射线衍射和岩石力学实验等方法，测试沾化凹陷沙河街组陆相页岩全岩矿物组分、在不同成熟度、不同围压条件下的抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数，并且对页岩储层的可压裂性进行了分析。页岩矿物成分主要为碳酸盐矿物，平均为44.93%，脆性矿物含量稍高于黏土矿物，分别为30.98%和24.09%；单轴压缩时页岩多为劈裂式破裂，易形成缝网；加围压后破坏形式变为剪切式，抗压强度、杨氏模量和泊松比均增大，可压裂性降低；页岩可压裂性与加热温度，即热成熟度呈正相关。综合考虑页岩矿物成分、力学性质、成岩作用和围压等因素，建立可压裂系数数学模型，可对页岩储层的可压裂性进行定量评价，为压裂选层提供依据。      

综合矿物组分和弹性力学参数的页岩脆性评价方法

利用常规测井和阵列声波、元素俘获等特殊测井资料,结合X衍射和岩石三轴抗压强度等岩石力学实验,综合考虑不同矿物组分与弹性力学参数的关系,建立了一种新的脆性指数评价模型。新的岩石脆性计算方法既克服了岩石力学参数法不考虑微观矿物组分的缺点,又解决了矿物组分法对宏观岩石力学参数缺乏考虑的问题。与已有的脆性指数计算方法相比,新方法较准确地体现了不同矿物组分对页岩脆性的贡献率,为研究区页岩储层的压裂工作奠定了基础。     

基于岩石物理与矿物组成的页岩脆性评价新方法

泥页岩的脆性决定其压裂改造的效果,开展页岩的脆性评价研究,可为压裂设计提供技术支撑,压裂改造的效果对提高页岩产能意义重大。鄂尔多斯盆地东南部下寺湾地区延长组长7段张家滩页岩层系内大量发育粉砂质泥页岩条带,矿物组成复杂,岩性非均质性强,对页岩气产量影响显著。针对目前矿物脆性评价中存在的脆性矿物不明确的问题,为了明确复杂矿物组成对页岩脆性的影响,通过对21块样品(页岩15块,粉砂质泥页岩6块)分别开展页岩总有机碳、全岩矿物X-射线衍射和地层条件下的三轴压缩应力试验,系统分析矿物组成及岩石力学特征,并以实验结果为基础分析矿物与岩石物理参数表现的关系,定量模拟岩石弹性参数随矿物组分变化的特征,明确了石英和黄铁矿是张家滩页岩的脆性矿物,并提出基于岩石物理模型的陆相页岩矿物组分脆性评价新方法。以YY22井为例,应用矿物脆性评价方法,计算其页岩层段的矿物脆性指数,为高脆性有利压裂目的层的识别及增产方案设计提供了参数依据。     

页岩气储层可压裂性评价技术

从页岩气储层岩石的脆性指数、断裂韧性、岩石力学特性3个方面,对中国页岩气储层可压裂性评价技术进行了研究。根据弹性模量与泊松比的分布范围,建立了适用于四川盆地下志留统龙马溪组页岩的脆性指数预测模型;总结了室内实验测定和利用测井数据计算页岩储层Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性的计算方法;初步建立了以弹性模量E、泊松比μ、单轴抗拉强度S_t三项岩石力学参数为自变量,可压裂指数F_rac为因变量的可压裂性评价方法;绘制了可压裂指数立体图版,据此评价页岩气储层压裂的难易程度,弹性模量值越高,泊松比和抗拉强度值越低,则F_rac值越高,反映储层越容易被压裂。根据地震测井和垂直地震剖面(VSP)等资料,结合室内实验校正,获取整个储层的岩石力学参数后,可以计算任意处的可压裂指数,建立储层可压裂性立体分布图。     

基于数字岩心技术的页岩储层可压裂性定量评价

页岩的可压裂性评价对页岩储层压裂施工具有重要的指导意义。常规方法基于岩心刻度测井得到弹性参数、矿物含量等信息构建脆性指数,未考虑压裂前后储层的变化特征,在实际应用中效果较差。为克服常规的弹性参数和矿物含量等构建脆性指数无法动态监测压裂效果的缺陷,提出一种基于数字岩心的页岩可压裂性定量评价方法。根据压裂前后的CT扫描图像重构三维数字岩心,应用最小外接长方体技术实现裂缝的自动识别,提出原生裂缝发育指数F_1和力学特性指数F_2分别表征压裂前后储层裂缝的变化情况。在此基础上,采用单因素分析和神经网络方法建立基于测井资料的F_1和F_2模型,直观、定量评价昭通A井页岩储层可压裂性,取得较好的应用效果。     

海陆过渡相页岩力学特征及破坏模式——以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组为例

鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组是目前中国页岩气勘探开发的重要接替层位,研究储层页岩力学破坏特征是页岩地质精细评价和后续压裂施工方案制定的基础内容。在对山西组页岩样品开展矿物组成分析、沉积构造特征描述、岩石力学测试的基础上,明确了主要岩相类型及其力学特征,分析了储层岩石力学破坏特征的影响因素。结果表明：山西组页岩主要矿物为石英和黏土质矿物,可划分为硅质页岩、硅质黏土质页岩和黏土质页岩,储层页岩具有力学强度变化范围大、整体低值的特点。受控于岩相的影响,硅质页岩和硅质黏土质页岩力学强度和弹性模量强于黏土质页岩。纹层、充填裂纹以及生物碎屑等结构和构造,增大了力学非均质性,也容易影响裂缝的传播路径。巴西圆盘劈裂实验表明山西组页岩纹层和泥质条带对裂缝具有极强的捕获作用,容易导致裂缝沿着纹层和泥质条带扩展。围压降低了页岩的脆性,使页岩由劈裂破坏转换为剪切破坏,并伴随着充填裂纹和泥质条带的破坏,呈现出破坏形态由沉积构造和围压双重控制的模式,复杂的破坏模式有利于减弱页岩气开发过程中储层裂缝网络渗透率的应力敏感性。研究成果为后续水平井布井选层和压裂施工方案制定提供了借鉴。     

页岩脆性的综合评价方法——以四川盆地W区下志留统龙马溪组为例

页岩储层的脆性特性对页岩气的开发效果具有重要影响,脆性页岩有利于天然裂缝的发育和压裂后形成具有一定导流能力的网状复杂裂缝,从而提高页岩产气量。为了探寻页岩脆性特征,弥补单一学科技术评价页岩脆性存在的不足,提出了一种利用X射线衍射、计算弹性参数和室内岩石力学测试3种技术来综合评价页岩脆性的方法,即通过分析页岩矿物组分含量、泊松比、杨氏模量、横纵波比参数和岩石应力、应变性质,对页岩储层的脆性特征进行综合评价。将该方法应用于四川盆地W区下志留统龙马溪组黑色页岩的脆性评价,结果表明：该区龙马溪组二段脆性好于龙马溪组一段,龙马溪组二段在1 535~1 541 m层段时,具有高的石英含量,较低的泊松比、横纵波比和较高的杨氏模量值;深度在1 541 m时岩样的应力、应变曲线负坡较陡,页岩储层的脆性指数大于50%,有利于对页岩储层进行压裂改造。实践证明：该方法具有较高的有效性,与实际压裂测试结果吻合较好,可作为压裂选层的重要依据。     

涪陵地区页岩气测井评价参数研究

页岩气储层与常规储层在各方面存在差异,因此页岩气测井解释评价工作显得更为复杂。通过对涪陵大安寨、焦石坝地区关键井的实际生产研究,从页岩地层的常规测井响应特征入手,结合岩心分析资料建立了总有机碳含量、孔隙度、含气量、岩石矿物组分、岩石脆性等储层参数多种解释模型,并优选出页岩储层关键评价参数的计算方法。结合研究工区的实际产剖测试资料对页岩气储层进行了测井初步综合解释评价,并讨论了测井系列的优选项目。     

渝西地区五峰组—龙马溪组深层页岩储层力学脆性的非均质性特征 ——以Z-3井为例

为了研究储层力学脆性对层段优选的作用,针对页岩储层力学脆性的非均质性特征,以渝西地区Z-3井五峰组—龙马溪组页岩储层为例,通过手标本观测、岩石薄片观测、扫描电镜观测、X射线衍射、单轴抗压实验、三轴抗压实验、巴西抗拉强度等储层分析手段,测试评价储层的力学脆性特征,并表征其层段非均质性。结果表明,深层页岩储层物性受特殊储层成岩作用影响非均质性相对减弱,其评价需要不同于中浅部储层的新指标体系。综合峰前、峰后曲线特征的脆性指数和脆性矿物比例参数两种评价方式,可得五峰组—龙马溪组底部是相对优质的力学脆性层段;受沉积环境、矿物组分与沉积分异、差异成岩作用等因素的控制,五峰组—龙马溪组页岩储层具有力学脆性非均质性,主要体现在储层的矿物组分比例、微观沉积特征及力学脆性特征具有横向稳定的层段性差异,可以作为页岩气压裂层段优选与勘探开发的科学依据。     

致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法

研究致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法对致密油压裂优化设计具有重要意义。文章以辽河盆地沙河街组致密碎屑岩储层为例,开展了不同岩性岩石的三轴压缩实验,分析了宏观破裂行为和压后岩石显微裂缝的发育类型,通过对比常规的弹性参数法和矿物组分法等脆性评价方法,建立了基于三轴压缩破裂过程中能量守恒的新脆性评价方法。实验表明,岩石破裂特征受控于岩石脆性和岩石所处的围压条件。一方面,脆性较强的岩石主要发育穿晶张裂缝,随着脆性程度减弱,裂缝数量逐渐减少,类型则以晶内裂缝为主;另一方面,随着围压增加,压裂后岩石内部微裂缝类型从穿粒张裂缝向晶内裂缝过渡,说明围压极大地抑制了微裂缝的扩展。传统弹性参数法表征的脆性结果与实验描述的脆性破裂特征相反（即脆性指数高,而岩石破裂程度差）,而矿物组分法不能描述不同围压下岩石的脆性程度。本文提出的新脆性评价方法,可以连续地描述岩石从超脆性到韧性变形的力学演化过程,脆性指数不仅与峰前的杨氏模量有关,而且还与峰后应力降梯度（软化模量）有关。利用该方法表征了不同围压下致密砂岩脆性程度,其结果与实验描述岩石脆性破裂特征相符合,证实了方法的可行性。     

Burial depth interval of the shale brittle–ductile transition zone and its implications in shale gas exploration and production

Brittleness and ductility of shale are closely related to shale gas exploration and production. How to predict brittleness and ductility of shale is one of the key issues in the study of shale gas preservation and hydraulic fracturing treatments. The magnitude of shale brittleness was often determined by brittle mineral content(for example, quartz and feldspars) in shale gas exploration.However, the shale brittleness is also controlled by burial depth. Shale brittle/ductile properties such as brittle, semibrittle and ductile can mutually transform with burial depth variation. We established a work flow of determining the burial depth interval of brittle–ductile transition zone for a given shale. Two boundaries were employed to divide the burial depth interval of shale brittle/ductile properties. One is the bottom boundary of the brittle zone(BZ), and the other is the top boundary of the ductile zone(DZ). The brittle–ductile transition zone(BDTZ) is between them.The bottom boundary of BZ was determined by the overconsolidation ratio(OCR) threshold value combined with pre-consolidation stress which the shale experienced over geological time. The top boundary of DZ was determined based on the critical confining pressure of brittle–ductile transition. The OCR threshold value and the critical confining pressure were obtained from uniaxial strain andtriaxial compression tests. The BZ, DZ and BDTZ of the Lower Silurian Longmaxi shale in some representative shale gas exploration wells in eastern Sichuan and western Hubei areas were determined according to the above work flow. The results show that the BZ varies with the maximum burial depth and the DZ varies with the density of the overlying rocks except for the critical confining pressure.Moreover, the BDTZ determined by the above work flow is probably the best burial depth interval for marine shale gas exploration and production in Southern China. Shale located in the BDTZ is semi-brittle and is not prone to be severely naturally fractured but likely to respond well to hydraulic fracturing. The depth interval of BDTZ determined by our work flow could be a valuable parameter of shale gas estimation in geology and engineering.     

致密地层岩石脆性指数的测井优化建模

脆性评价是页岩油气、致密油气等非常规油气藏的大型压裂、开发等储层改造工程中的关键工作。根据岩石力学、动态弹性参数和岩石物理、X-射线衍射、地球化学等资料,分析了国内外几种常用脆性指数之间的相互关系,研究了弹性参数法脆性指数与岩石矿物组分及含量的关系,明确了矿物及组分对脆性的影响并应用多元回归法建立了基于权重矿物组分的脆性指数模型。构建新的岩石物理体积模型,应用最优化测井方法得到岩石的矿物和孔隙含量,实现了基于常规测井资料的脆性指数精确计算。研究表明:岩石脆性指数与矿物组分及含量有关,不同区块、不同地层的矿物具有不同的脆性特征;该工区方解石是使岩石脆性增强和裂缝产生的主要矿物,有机碳、黏土、石英和斜长石是降低脆性的重要矿物;基于常规测井资料的优化计算所得岩石组分及含量与实验数据一致性高;将处理结果与矿物组分模型相结合得到的脆性指数与弹性参数法脆性指数基本一致,为无横波资料井的岩石脆性评价奠定了基础。     

西233区长7致密储层三维脆性分布特征

明确致密储层的三维脆性分布特征,有助于压裂层段优选和压裂施工设计。文中以鄂尔多斯盆地西233区长7致密储层为研究对象,利用岩心矿物组分、岩石力学化验分析和地球物理测井资料,在岩心刻度测井的思想指导下,对研究区目的层的矿物组分、弹性模量、泊松比进行了处理解释,构建了基于矿物成分-力学参数的脆性指数计算模型;基于脆性指数,采用三维地质建模的思想,构建了脆性指数三维分布模型,进而刻画了脆性三维分布特征。研究结果表明:西233区长7致密储层脆性分布连片性较差,整体上脆性受储层岩性和非均质性影响较大;脆性发育区向西南方向延伸,并演化为西北、西南和东南方向3条次级脆性发育带,南部脆性连续性较差,整体上呈现出较强的脆性非均质性。     

复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

四川自贡、泸州等区块深层页岩硬度高、脆性强、层理缝发育,水平钻井过程中井下阻卡、溢流等事故频发。针对该问题,通过开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载围压速度下力学性能实验,研究了钻井液的封堵性及起钻速度对脆性页岩力学性能的影响及页岩破坏规律。实验结果表明:钻井液封堵性对深层脆性页岩强度和弹性模量具有明显影响,封堵性好时,页岩抗压强度可达350 MPa,弹性模量为16 000 MPa;封堵性差时,页岩抗压强度仅为40 MPa,弹性模量为6 000 MPa;围压卸载速度越快,脆性页岩越容易发生破坏,即起钻速度过快会导致井底有效液柱压力降低,引发井壁岩石崩落;井底压力环境下页岩多为沿层理裂缝发生破裂。该研究解释了复杂工况下深层脆性页岩力学性能及破坏规律,为现场制订防塌工艺措施提供了科学依据。     

川南长宁地区五峰组—龙马溪组页岩脆性特征

脆性是页岩气储层地质评价的重要内容。以露头和钻井资料为基础,提出基于“石英、白云石和黄铁矿”3种矿物的脆性指数计算方法,并结合弹性参数脆性指数法对川南长宁地区五峰组—龙马溪组页岩脆性特征进行了定量评价;在此基础上着重分析了脆性指数与矿物组成和有机碳含量的相关性;应用“矿物三端元+沉积微相”法,在有利岩相研究的基础上,综合页岩脆性特征对研究区“甜点层”进行了进一步的优选。结果表明：研究区五峰组—龙马溪组底部厚度约30~40m的页岩段脆性最好,矿物脆性指数达50%~75%,杨氏模量平均为37.84GPa,泊松比平均为0.19,弹性参数脆性指数平均为61%,且自下而上脆性变差;脆性指数与矿物组成和有机碳含量的相关性显著,反映了沉积环境对页岩脆性特征的重要影响;长宁地区的“甜点层”为深水陆棚发育的硅质页岩相和钙质硅质混合页岩相,平均脆性指数大于50%,平均有机碳含量大于3%,分布于五峰组至鲁丹阶中下部,累计厚度约为42m。