致密砂岩脆性指数测井评价方法_以鄂尔多斯盆地陇东地区长7段致密砂岩储集层为例
第35卷第5期新疆石油地质
Vol.35，No.52014年10月XINJIANG PETROLEUM GEOLOGY Oct.2014
致密砂岩脆性指数测井评价方法
——以鄂尔多斯盆地陇东地区长7段致密砂岩储集层为例
李华阳1，周灿灿1，李长喜1，李潮流1，石玉江2，王长胜2
（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安710065）摘
要：岩石的脆性指数是致密砂岩油气体积压裂设计中应考虑的重要因素之一。通过对岩石弹性参数法和矿物成
分法两种脆性指数测井评价方法的分析，并应用岩石力学实验和全岩X 衍射分析实验标定，建立了应用常规测井的多矿物模型确定致密砂岩脆性指数的方法。对鄂尔多斯盆地陇东地区长7段致密砂岩储集层实际资料处理结果表明，应用常规测井资料对岩石脆性指数进行评价，可以弥补由于阵列声波（或声波扫描）测井采集井数较少难以开展岩石脆性指数平面分布研究的不足，为致密砂岩油气“甜点”优选提供技术支持。关键词：致密砂岩储集层；脆性指数；多矿物模型；岩石力学文章编号：1001-3873（2014）05-0593-05
中图分类号：TE125.1；P631.824
文献标识码：A
收稿日期：2014-03-13
修订日期：2014-06-27
基金项目：国家科技重大专项（2011ZX05020-008）；中石油基础研究项目（2011A-3901）
作者简介：李华阳（1987-），男，湖北孝感人，硕士研究生，地球物理测井，（Tel ）188********（E-mail ）lhypetrochina@https://www.360docs.net/doc/3f14276980.html,.
致密砂岩油气在中国分布广泛且潜力巨大，但由
于储集层致密、岩性复杂，均需采用压裂改造以获得工业产能[1-2]，因此，可压性评价对于优选压裂井段具有重要意义。文献［3］通过页岩脆性指数表征岩石的可压性，为致密储集层的可压性评价开辟了思路。
岩石的脆性指数是致密砂岩油气体积压裂设计中应考虑的重要因素之一，也是测井“七性关系”研究的重要内容之一[4]。国内外针对非常规储集层岩石脆性指数开展了大量研究工作，在测井评价中主要采用岩石弹性参数计算法和岩石矿物组分计算法计算岩石脆性指数。但由于对岩石脆性的物理意义及实验测量、岩石脆性指数与岩石弹性参数关系、岩石脆性指数与矿物组分关系的定量分析和研究不够，一定程度上影响了脆性指数在非常规储集层测井评价中的
应用效果。
本文通过岩石力学实验和全岩X 衍射分析实验标定，分析了岩石脆性指数与岩石弹性参数以及矿物成分之间的关系，建立了应用常规测井的多矿物模型确定致密砂岩脆性指数的方法，并通过实例应用，证明该方法可为优选致密砂岩储集层的有利压裂层段提供重要依据，为致密砂岩油气的工程“甜点”优选提供技术支持。
1岩石脆性指数及实验分析
在非常规储集层测井评价中，通常应用岩石脆性表示储集层岩石的压裂难易程度，但当前尚无关于岩石脆性的明确定义及岩石物理测量方法，多用于定性描述中，并且不同地区不同脆性指数计算方法的计算
Logging Evaluation and Application of Brittleness Index in Tight Sandstone Reservoir
—A case study of Chang?7tight sandstone reservoir in Longdong area of Ordos basin
LI Huayang 1,ZHOU Cancan 1,LI Changxi 1,LI Chaoliu 1,SHI Yujiang 2,WANG Changsheng 2
(1.Research Institute of Petroleum Exploration &Development,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Research Institute of Exploration &Development,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi ’an,Shaanxi 710065,China)
Abstract:Brittleness index of rock is an important factor for volume fracturing design of tight sandstone reservoir.This paper presents two logging evaluation methods for brittleness index—the rock elastic parameter method and the mineral composition method,and by means of rock mechanics experiment and whole?core X?ray diffraction analysis calibration,develops conventional logging?based multi?mineral model to get the brittleness index of tight sandstone reservoir.The processing result of data from Chang?7tight sandstone reservoir in Longdong ar?ea of Ordos basin shows that using conventional logging data to evaluate the brittleness index of rock could provide technical support for op?timizing selection of “dessert ”of the tight sandstone reservoir by making up the shortages in difficult study of plane distribution of rock brit?tleness index due to fewer wells collecting array acoustic or acoustic scanning logging data.Key Words:tight sandstone;brittleness index;multi?mineral model;rock mechanics
2014年
新疆石油地质
结果差异很大。一般认为，脆性指数与岩石矿物成分、岩石力学性质等密切相关，杨氏模量越大，泊松比越小，岩石脆性指数越高，越容易破裂形成复杂裂缝[5]。脆性指数较高的储集层一般性质硬脆，受构造运动的影响，其天然裂缝发育，对压裂作业非常敏感，能迅速形成复杂的网状裂缝，对提高产能有很好的帮助，而脆性指数低的储集层一般形成简单的双翼型裂缝[6-8]。
目前，实验室研究岩石脆性的主要手段是应力—应变实验、静态弹性参数实验以及岩石矿物成分分析实验等[9-10]。根据应力—应变实验分析，当应力由某一初始弹性态加载到峰值强度后，将发生突变而迅速跌落至残余强度面上。岩石应力跌落的这一特征，被称为应力脆性跌落系数或脆性指数。通过选取三轴实验应力—应变图中脆性较强的岩样（图1），本文应用岩石变形参数法来定义脆性指数B I ，岩石变形参数表征脆性指数公式为
B I =a -b a
×100%，（1）
式中a ，b ——分别为不可恢复应变和残余应变。
根据鄂尔多斯盆地某区块6口井长7段致密油层岩石力学实验结果，杨氏模量和泊松比与脆性指数具有很好的相关性（图2，图3），可较好表征岩石的脆性指数。
在页岩气脆性评价研究中，国外学者分析了不同
矿物岩石的力学性质差异，认为矿物成分及其结构等对岩石脆性有直接影响，并建立了应用岩石矿物成分计算岩石脆性的测井评价模型。由于不同学者对脆性矿物的认识差异（一般认为石英、方解石、长石、白云石等为脆性矿物，而黏土为塑性矿物），所建立的脆性计算模型也各有不同。
为分析致密砂岩储集层中各矿物组分与脆性指数关系，根据鄂尔多斯盆地某区块长7段的岩石力学实验和全岩X 衍射分析实验结果发现（图4，图5），石英含量与岩石变形参数法确定的脆性指数之间有较好的正相关关系，而黏土含量与岩石变形参数法确定的脆性指数之间存在较好的负相关关系。因此，可应用岩石矿物的石英含量来表征砂岩储集层岩石的脆性指数。对于不同地区由于岩石成岩作用的差异性，需要通过岩石物理实验标定来建立相应的岩石矿物成分及含量与脆性指数之间的相关关系。
2岩石脆性指数测井评价方法
由鄂尔多斯盆地某区块的岩石力学实验结果（图2、图3）可知，根据实验测量的泊松比和杨氏模量与脆性指数之间的关系，可建立岩石弹性参数的脆性指数计算式
1201008060402000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
应力，M P a
应变，%
围压15.0MPa
b
a 图1岩石变形参数法确定脆性指数原理
0.400.350.300.250.200.150.100.050.00
10
20
30
40
50
60
泊松比
脆性指数，%
y =0.0052x +0.4036
R 2
=0.9683
图2泊松比与脆性指数关系曲线
图3杨氏模量与脆性指数关系曲线
2.52.0
1.51.00.50.00
10
20
30
40
50
60
杨氏模量，G P a
脆性指数，%
y =0.0185x +1.1082
R 2=0.6706
80
60
40200
020
406080
石英含量，%
脆性指数，%
y =1.0928x -13.307
R 2=0.8076
图4石英含量与脆性指数关系曲线
?
?594
第35卷第5期
李华阳，等：致密砂岩脆性指数测井评价方法B I =
ΔE y +Δμ
2
×100%，（2）式中B I ——脆性指数，%.
ΔE y ——归一化处理后的杨氏模量，GPa ；Δμ——泊松比相对值。
ΔE y =E y -19-1；（3）
Δμ=0.4-μ0.4-0.1
.（4）
为了应用（2）式计算岩石脆性指数，杨氏模量和泊松比等岩石弹性参数的获取是关键。为获取高精度的杨氏模量和泊松比等岩石弹性参数，测井采集系列中应配备高精度的密度测井和阵列声波测井（或声波扫描测井），同时，以岩石力学实验测量值刻度测井计算值。岩石弹性参数的常用测定方法分为静态法和动态法。静态弹性参数是通过岩石力学实验直接获取岩石属性参数，包括泊松比、杨氏模量、抗压强度、抗张强度、抗剪强度和内摩擦角等；动态弹性参数是通过测定岩样中的纵波和横波传播速度并结合体积密度转换后得到的，其计算公式如下：
E y,d =ρ?è??
?
÷
3Δt 2p -4Δt 2s Δt 2s ?è???÷1Δt 2
p -1Δt 2s ；（5）μd =?è??
?
÷
1Δt 2p -2Δt 2s 2?è???
÷1Δt 2p -1Δt 2s .（6）
式中Δt p ——纵波声波时差，μs/m ；
Δt s ——横波声波时差，μs/m ；ρ——体积密度，g/cm 3
.
需要注意的是，实验室测量值是静态弹性参数，
测井计算值是动态弹性参数，二者之间存在较大的差异，而且这种差异随地层力学性质和实验条件的不同而不同，通常采用回归拟合关系来实现弹性参数的动静态转换[11]。根据研究区岩石力学实验结果，泊松比和杨氏模量的转换公式分别为
μs =0.513μd +0.103；（7）
E y,s =0.616E y,d +0.439.（8）
式中μs ,μd ——分别为静态和动态泊松比；
E y,s ,E y,d ——分别为静态和动态杨氏模量，GPa.
应用矿物成分计算岩石脆性指数的计算公式为
B I =K ×V qa
V qa +V ca +V do +V cl
×100%，（9）
式中
V qa ，V ca ，V do ，V cl ——分别为石英、方解石、白云石
和黏土的含量；
K ——地区修正系数。
3岩石脆性指数测井评价效果分析
在岩石脆性指数测井评价中，若有高精度的密度测井和阵列声波测井，可应用（2）式直接计算岩石脆性指数，应用实验室刻度进行岩石动、静态弹性参数转换是计算的关键。但实际测井中，大多数井只测量了常规测井，无横波测井资料，难以应用岩石弹性参数法计算脆性指数。根据前述岩石力学实验和全岩分析实验结果以及（9）式可知，矿物成分计算法在研究区储集层脆性指数计算中也具有较好的效果。因此，针对常规测井资料，如何获得较准确的岩石矿物剖面是评价脆性指数的关键。
传统的砂泥岩剖面对于储集层划分和有效性评价具有很好的辅助作用，但利用自然伽马曲线计算得到的砂质和泥质主要反映粒度大小，难以反映矿物成分含量（石英、黏土等）。因此，在致密油脆性指数评价中，为应用矿物成分法计算，需使用多矿物模型[12]对该地区的矿物组分进行精细处理。多矿物模型是将复杂岩性储集层看成是由若干种骨架矿物、黏土矿物和孔隙流体等几部分组成，而地层的测井值就是这几部分的综合响应，其响应方程为
χ=χ1V 1+χ2V 2+…+χi -1V i -1+χi V i ，（10）1=V 1+V 2+…+V i -1+V i .
（11）
其中
χi ——各矿物的密度、声波、中子、自然伽马
等的测井响应值；
V i ——各矿物的体积含量。
根据研究区矿物成分分析资料确定主要矿物组成，建立岩石物理解释模型，利用密度、声波、中子、伽马以及电阻率五条常规测井曲线建立测井响应方程组，采用最优化处理方法进行求解[13]。图6中计算结果对比道为A 井应用多矿物模型计算的岩石矿物组分质量分数与全岩X 衍射分析结果对比（计算结果对
比道中点数据为全岩X 衍射分析结果，曲线为矿物的计算结果）具有很好的一致性，反映多矿物模型和组分骨架参数选择合理，计算结果可靠，可精细解释岩
40
30
20100
20
406080
黏土含量，%
脆性指数，%
y =-0.6696x +50.339
R 2=0.6531
图5黏土含量与脆性指数关系曲线
?
?595
2014年
新疆石油地质石的矿物剖面，为应用矿物成分法计算岩石脆性指数
奠定了基础。
岩
性测井
孔隙度测井
电阻率曲线（Ω·m ）
矿物剖面
计算结果对比
黏土质量百分比
（%）
0100
实验分析黏土含量
（%）0100长石质量百分比
（%）
0100实验分析长石含量（%）0
100实验分析石英含量（%）0100石英质量百分比
（%）0
100
石英长英伊利石绿泥石
AT90
AT60AT30AT20AT10
时差（μs/m ）350
1001.85 2.85密度（g/m 3
）补偿中子（%）井径（cm ）535-5050自然电位
（mV ）0
350自然伽马（API ）深度（m ）
1840
1850
1860
1870
45
-15
图6A 井最优化处理计算矿物组分含量与岩心X 衍射分析结果对比
为分析两种脆性指数测井评价效果，选择研究区
资料齐全的B 井进行处理（图7）。图7中第七道为岩石力学弹性参数计算的脆性指数剖面，第二道、第三道分别为应用最优化计算的岩石矿物组分剖面和应用单矿物模型计算的砂泥岩剖面，对比可看出二者有较大差异；第六道黄色曲线为应用砂质含量计算的脆性指数同岩石弹性参数法计算结果的对比，可看出砂质含量难以反映储集层岩石的脆性指数；而第五道中
绿色曲线是根据多矿物模型计算结果应用矿物成分
法计算岩石脆性指数，与应用岩石弹性参数法计算脆性指数一致性好，可有效指示纵向剖面上储集层岩石脆性指数的差异，为有利压裂层段选择提供依据。基于矿物组分的脆性指数计算法实现了在无阵列声波测井资料情况下的岩石脆性指数评价，通过岩心刻度测井，具有较好的计算精度。并且矿物成分计算法纵向上连续性好，井间对比方便，可在平面上进行规模
矿物剖面
矿物成分法计算脆性
100
1000石英长石伊利石绿泥石
烃源岩
300
自然伽马（API ）
脆性
脆性
脆性
脆性
纵横波
岩性测井井径2035
（cm ）
砂质泥质
岩性剖面0
100岩石力学计算脆性0
100岩石力学计算脆性0100
岩石力学计算脆性0100横波（μs/m ）06000
600矿物成分法计算脆性0
100砂质含量计算脆性0
100纵波（μs/m ）
图7B 井不同方法计算脆性指数对比
?
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第35卷第5期李华阳，等：致密砂岩脆性指数测井评价方法
化处理，便于脆性指数平面成图。
4结论
（1）脆性指数可以表征岩石压裂的难易程度，脆性指数越大，对压裂反应越灵敏，形成的裂缝越复杂，岩石的脆性指数是致密砂岩油气体积压裂设计中的重要因素之一，是测井“七性关系”研究的重要内容之一。
（2）通过岩石力学实验和全岩X衍射分析实验标定，分析了岩石脆性指数与岩石弹性参数以及矿物成分之间的关系，建立了鄂尔多斯盆地陇东地区长7段岩石弹性参数计算法和矿物成分计算法两种脆性指数测井评价方法。
（3）应用常规测井资料，通过岩心实验标定建立了多矿物最优化处理模型和基于矿物成分的脆性指数计算方法，与岩石弹性参数计算法得到的脆性指数一致性好，对鄂尔多斯盆地陇东地区长7段致密砂岩储集层实际资料处理结果表明该方法具有较好的应用效果，为优选致密砂岩储集层的有利压裂层段提供了重要依据。
（4）基于矿物成分计算法的脆性指数测井评价弥补了由于阵列声波（或声波扫描）测井采集井数较少难以开展岩石脆性指数平面分布研究的不足，可进行批量处理，便于脆性指数平面成图，为致密砂岩油气的工程“甜点”优选提供了技术支持。
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