CN105277671B - 一种确定页岩地层脆性指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定页岩地层脆性指数的方法，包括以下步骤：根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度；确定包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度；基于页岩地层的综合断裂韧度，以及包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度得到页岩地层脆性指数。本发明的方法考虑了矿物的影响，也考虑了每种矿物被压开的难易强度，因此确定的页岩地层的脆性指数更为准确。

Description

一种确定页岩地层脆性指数的方法

技术领域

本发明涉及页岩油气勘探开发技术领域，尤其涉及一种确定页岩地层脆性指数的方法。

背景技术

页岩地层通常渗透率非常低，需要通过大型压裂方式进行压裂，以增加页岩地层的渗流能力。页岩地层的可压裂性能力大小通过页岩地层的脆性指数来确定。现有技术中采用以下几种方法确定页岩地层的脆性指数。

Evans(1990年)把变形程度小于1％定义为脆性，大于5％定义为延性，其他为脆性-延性过渡。Ingram and Urai(1999年)用过度胶结与正常胶结的单轴抗压强度比值来表示脆性指数，但是实际情况下岩石的胶结程度难以确定。Jarvie(2007年)用脆性矿物占总矿物中的比重来表示脆性指数，但是该方法计算的地层脆性指数偏低，计算公式为：

其中m为脆性矿物种类，n为总矿物种类。

此外，Dan Buller(2010年)在Javie基础上对每种矿物增加一个系数，但并没有给出该系数是如何得来的。

通常用相对岩石模量和相对泊松比的平均值来表示页岩地层的脆性指数，BillGrieser and Jim Bray(2007年)给出了该脆性指数的计算公式为：

其中杨氏模量脆性指数YM_BRI，泊松比脆性指数PR_BRI分别为：

其中YM为页岩地层杨氏模量，PR为页岩地层泊松比，下标min max分别表示该地质区域的最小值和最大值。

但是，该脆性指数与实际地层的脆性大小存在矛盾，而且杨氏模量和泊松比对页岩地层的脆性影响作用并不一样，因此这种方法确定的脆性指数也不够准确。

因此，亟需一种能够准确确定页岩地层脆性指数的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种确定页岩地层脆性指数的方法，包括以下步骤：

根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度；

确定包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度；

基于页岩地层的综合断裂韧度，以及包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度得到页岩地层脆性指数。

根据本发明的一个实施例，所述根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度包括：

确定地质区域内页岩地层中矿物成份及其质量含量；

将各种矿物成份的断裂韧度做为加权系数对矿物成份的质量含量加权求和，得到所述综合断裂韧度。

根据本发明的一个实施例，所述综合断裂韧度用下式表示：

其中，temp为页岩地层的综合断裂韧度，temp_i为第i种矿物的断裂韧度，W_i为第i种矿物的质量含量，N为页岩地层中矿物成份的总数。

根据本发明的一个实施例，所述页岩地层脆性指数用下式表示：

其中，BRI为页岩地层脆性指数，temp为综合断裂韧度，temp_max为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度，temp_min为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最小断裂韧度。

根据本发明的一个实施例，根据全岩实验法和ECS元素测井法确定所述页岩地层中矿物成份及其质量含量。

根据本发明的一个实施例，所述包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度为：仅包括伊利石、蒙脱石或者绿泥石其中一种的页岩地层的断裂韧度。

根据本发明的一个实施例，所述包含单一种类矿物的页岩地层对应的最小断裂韧度为：仅包括石英的页岩地层的断裂韧度。

本发明带来了以下有益效果。

(1)利用页岩地层中每种矿物在相同条件下的断裂韧性，结合页岩地层中矿物含量计算出地层的综合断裂韧性，在页岩地层中仅包含单一种类矿物的情况下，根据断裂韧性的最大、最小值和综合断裂韧性来确定页岩地层脆性指数。不仅考虑了矿物的影响，也考虑了每种矿物被压开的难易强度，因此可以准确确定页岩地层脆性指数。

(2)评价页岩地层可压性能力对选择页岩储层压裂段、降低压裂开采成本、提高页岩气开发效率、提升页岩气采收率具有重要意义。脆性指数越大，说明地层越容易压裂施工，压裂后更容易形成压裂网络缝。压裂的目的是使地层尽可能形成压裂网络缝。如果脆性指数大，则需要的压裂成本就越低，压裂网络缝也不容易闭合，有利于提高生产时间和提高油气产量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是根据本发明实施例一的确定页岩地层脆性指数的方法的步骤流程图；

图2是根据本发明实施例二的某区域X1井页岩地层矿物和脆性指数示意图；

图3是根据本发明实施例三的某区域X2井页岩地层矿物和脆性指数示意图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

页岩地层是由不同的矿物所组成的，每种矿物在一定的条件下有一定的断裂韧性，因此根据页岩地层矿物和其断裂韧性就可以确定整个地层的断裂韧性。

由于每种矿物在不同的应力条件下都会体现一定的脆性，因此脆性只是一个相对的概念。本发明实施例的方法是利用页岩地层中每种矿物在相同条件下的断裂韧性，结合页岩地层中矿物含量计算出地层的综合断裂韧性，该综合断裂韧性反应了每种矿物的综合影响；在页岩地层中仅包含单一种类矿物的情况下，针对矿物种类的不同，存在断裂韧性的最大、最小值，根据断裂韧性的最大、最小值和综合断裂韧性来确定页岩地层脆性指数。如此以来，不仅考虑了矿物的影响，也考虑了每种矿物被压开的难易强度，因此根据本发明实施例确定的页岩地层的脆性指数更为准确。

实施例一

图1是根据本实施例的确定页岩地层脆性指数的方法的步骤流程图。以下结合图1对本实施例的方法进行详细说明。

在步骤S101中，根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度。由于不同矿物具有不同的断裂韧性，页岩地层中不同矿物对压裂过程中所起的作用不同。

首先确定地质区域内页岩地层中矿物成份及其质量含量，然后将各种矿物成份的断裂韧度做为加权系数对矿物成份的质量含量加权求和，得到所述综合断裂韧度。例如，可以采用全岩实验法或者ECS元素测井法确定所述页岩地层中矿物成份及其质量含量。

页岩地层的综合断裂韧度，其数值大小表达为：

其中，temp为页岩地层的综合断裂韧度，temp_i为第i种矿物的断裂韧度，W_i为第i种矿物的质量含量，N为页岩地层中矿物成份的总数。

temp_i的数值可以通过查询国际岩石力学协会提供的矿物断裂韧性数据得出。

页岩地层的综合断裂韧度temp反应的是页岩地层中每种矿物对脆性的综合影响。由于页岩地层压裂过程不仅跟矿物含量有关，还跟断裂韧度有关。用断裂韧度作为矿物含量的加权系数来评价页岩地层脆性指数，避免了单一矿物带来的缺限。公式(1)的计算方法与页岩地层的含气量无关，不会出现现有技术中用岩石力学参数评价页岩地层脆性指数带来的不准确问题，因而能准确地评价高含气页岩地层的脆性指数。

在步骤S102中，确定包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度。

根据国际岩石力学协会(ISRM)提供的不同矿物断裂韧性数据和实验结果，可以得到表1所示的页岩主要矿物的断裂韧度参数。

表1

本领域技术人员容易理解，粘土的矿物成分包含伊利石、蒙脱石和绿泥石。

表1示出包含单一种类矿物的页岩地层对应的断裂韧度。例如，当页岩地层中仅包括石英这一种矿物成分时，其断裂韧度为0.24MPa·m^1/2；当页岩地层中仅包括泥岩(例如，伊利石)这一种矿物成分时，其断裂韧度为2.19MPa·m^1/2。

由表1可以看出，仅包括泥岩的页岩地层的断裂韧度最大，temp_max＝2.19MPa·m^{1 /2}，仅包括石英的页岩地层的断裂韧度最小，temp_min＝0.24MPa·m^1/2。

在步骤S103中，基于页岩地层的综合断裂韧度，以及包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度得到页岩地层脆性指数。

页岩地层脆性指数用下式表示：

其中，BRI为页岩地层脆性指数，temp为综合断裂韧度，temp_max为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度，temp_min为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最小断裂韧度。

由公式(2)可以看出，根据本实施例是根据断裂韧性的最大、最小值和综合断裂韧性来确定页岩地层的脆性指数。如此以来，不仅考虑了矿物含量的影响，也考虑了每种矿物被压开的难易强度，可以得到准确的脆性指数。

实施例二

图2是根据本实施例的某区域X1井页岩地层矿物和脆性指数示意图。其中第一道为地层深度，第二道为页岩地层矿物质量含量组合，第三道为页岩地层中总有机碳含量，第四道为页岩地层中气体总含量，第五道和第六道为页岩地层中水平方向、垂直方向的泊松比和杨氏模量，第七道是根据Bill Grieser and Jim Bray方法计算的水平方向和垂直方向脆性指数，第八道为采用实施例一中的方法计算的脆性指数。

图2中第二道为根据元素测井资料计算的矿物质量含量组合，分别表示出以下质量含量：黄铁矿WPYR、伊利石WILL、绿泥石WCHL、蒙脱石WMON、石英WQRZ、长石WFLD、方解石WCLC、硬石膏WANH、云母WMIC、白云岩WDOL以及其他矿物WSM。

第七道和第八道为X1井2215-2160米脆性指数曲线。其中，第七道两条曲线分别由水平方向杨氏模量Ehorz、垂直方向杨氏模量Evert、水平方向泊松比Vhorz和垂直方向泊松比Vvert计算的脆性指数，在该井段水平方向的脆性指数Brit(horz)大于垂直方向的脆性指数Brit(vert)，第八道为用页岩矿物含量及其断裂韧度计算的脆性指数Brit(Temp)。

从图中看出，X1井用断裂韧性和矿物计算的脆性指数比用岩石力学参数(杨氏模量和泊松比)计算的脆性指数整体略低。

对于某一地域，由测井资料得到的区域岩石力学参数数量有限，因此用岩石力学参数计算的模型中，杨氏模量和泊松比的最大、最小值难以确定，导致计算得到的脆性指数并不准确。而本发明实施例一中用矿物和断裂韧性计算的结果比较准确。

此外，含气量和总有机碳含量对岩石力学参数计算会产生一定的影响，如含气量和总有机质含量越大时，通常声波时差越大。由于影响因素复杂，在高含气体的层段会出现岩石力学参数的不确定性(2142-2415m)。导致根据杨氏模量和泊松比计算的脆性指数并不准确。因此，在含气量较大的页岩地层，本发明的方法并不需要岩石力学参数，因而得到的脆性指数比较准确。

实施例三

图3是根据本实施例的某区域X2井页岩地层矿物和脆性指数示意图。图中每道曲线表示的意义和图2相同。

图3为X2井2215-2160米脆性指数曲线，该井段岩石力学参数的各向异性大小大于X1井。用岩石力学参数计算的脆性指数在2346-2354米井段为40左右，说明该段脆性较低。从页岩地层矿物含量来看，2340-2370米井段地层矿物相差无几，因此脆性指数变化不应该出现如图3中第七道所示的剧烈变化。这说明现有技术中用岩石力学参数计算的脆性指数并不准确。而第八道中用断裂韧性计算的脆性指数较好地反应了页岩地层的真实脆性。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种确定页岩地层脆性指数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度；

确定包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度；

基于页岩地层的综合断裂韧度，以及包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度和最小断裂韧度得到页岩地层脆性指数；所述根据地质区域内页岩地层矿物构成情况确定综合断裂韧度包括：

确定地质区域内页岩地层中矿物成份及其质量含量；

将各种矿物成份的断裂韧度做为加权系数对矿物成份的质量含量加权求和，得到所述综合断裂韧度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述综合断裂韧度用下式表示：

<mrow> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>m</mi> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>temp</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>

其中，temp为页岩地层的综合断裂韧度，temp_i为第i种矿物的断裂韧度，W_i为第i种矿物的质量含量，N为页岩地层中矿物成份的总数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述页岩地层脆性指数用下式表示：

<mrow> <mi>B</mi> <mi>R</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>m</mi> <mi>p</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>temp</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>temp</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>temp</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中，BRI为页岩地层脆性指数，temp为综合断裂韧度，temp_max为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度，temp_min为包含单一种类矿物的页岩地层对应的最小断裂韧度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据全岩实验法或者ECS元素测井法确定所述页岩地层中矿物成份及其质量含量。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述包含单一种类矿物的页岩地层对应的最大断裂韧度为：仅包括伊利石、蒙脱石或者绿泥石其中一种的页岩地层的断裂韧度。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述包含单一种类矿物的页岩地层对应的最小断裂韧度为：仅包括石英的页岩地层的断裂韧度。