CN105275458A - 基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，该方法包括理想埋深下的垂直应力和最小主应力的计算；以及形成不同脆性矿物含量下的理想强度曲线后，结合Byerlee摩擦定律确定相应的脆延转换深度；最终，构建脆延判定指数，进行泥页岩脆性的动态评价。该基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法充分考虑了泥页岩在不同脆性矿物含量下脆延转换深度的差异，通过构建脆延判定指数动态评价了泥页岩在不同外在加载条件下的脆性特征，为泥页岩油藏的压裂选层和勘探目标优选提供重要参考依据。

Description

基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法

技术领域

本发明涉及非常规油气地质勘探技术领域，特别是涉及到一种基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法。

背景技术

国内外的勘探开发实践表明，泥页岩的脆性特征关系到压裂选层、勘探目标优选乃至高效投产稳产等众多重要方面。前人研究表明，随着埋深（温度和压力）的增加，岩石本身会发生从脆性破裂、延性变形向塑性流动的转换，这种转换特性在岩石力学、地震地质学等方面得到了深入研究和广泛应用。泥页岩作为地下的一种岩石，其脆性同样是不稳定的，具有这种脆—延—塑性的动态转换特性。对于不同脆性矿物含量的泥页岩，在成岩作用和弹性力学等特征相同的情况下，往往随埋深加大，地层压力和温度的升高，岩石本身的脆性会降低，延性增强，并呈现不同脆—延—塑性质的转换特征。为了解泥页岩这种动态转换特性及其在平面上的展布特征，迫切需要研究建立一种泥页岩脆性的动态评价方法。

目前，国内外的学者在泥页岩的脆性评价方面进行了大量的研究和论述，但大多是基于室内岩石力学试验，诸多参数在日常的勘探实践中无法获得，总结的脆性公式不具有实用性。如《页岩脆性的室内评价方法及改进》（李庆辉等，《岩石力学与工程学报》，2012年8月第31卷第8期）中，对这些方法进行了详细的汇总和概括。为克服脆性公式实用性不强的缺陷，有国外学者尝试采用弹性力学参数（泊松比、杨氏模量等）、脆性矿物组分（碳酸盐含量、石英、长石含量）分别进行脆性评价，取得了较好的效果。如《Apracticaluseofshalepetrophysicsforstimulationdesignoptimization:allshaleplaysarenotclonesoftheBarnettshale》（RickmanR等，SPE115258，2008）。近年来，有国内学者综合了弹性力学参数和脆性矿物组分进行脆性评价，也取得了较好的应用效果。如《页岩气储层岩石力学特性及脆性评价》（李庆辉等，《石油钻探技术》，2012年7月第40卷第4期）、《泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价》（刁海燕，《岩石学报》，2013年9月第29卷第9期）。但上述脆性评价方法基于泥页岩的内在非均质性参数，是一种静态评价方法，无法全面、准确的描述泥页岩脆性在外在加载条件下的动态性质。

本发明充分考虑了泥页岩在不同脆性矿物含量下脆延转换深度的差异，在构建脆延判定指数的基础上，动态评价了泥页岩在不同外在加载条件下的脆性特征，为泥页岩的脆性评价提供了一种新的思路和方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种利用不同脆性矿物含量下脆延转换深度差异，定量评价泥页岩在不同外在加载条件下脆性特征的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法包括:

步骤1，根据典型泥页岩井的岩石密度统计，计算理想埋深下的垂直应力；

步骤2，以典型泥页岩井中的实际强度曲线为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量的定量关系，获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力；

步骤3，根据理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，确定相应的脆延转换深度；

步骤4，构建脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

上述的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法优化方案是：

在步骤1中，以典型泥页岩井位为依据，以岩心、常规测井、应力测试等资料为基础，进行岩石密度的统计；基于单轴应力-应变模型，计算理想埋深下的垂直应力：

式中，为垂直应力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为理想埋藏深度，m。

在步骤2中，在典型泥页岩井中，作垂直应力和最小主应力的统计交会图，得到实际埋深条件下的强度曲线。

以典型泥页岩井中的实测或估算的应力、矿物成分数据为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量两者之间的定量关系：

式中，为脆性矿物含量，%；为最小主应力，Mpa；为常数；是以为自变量的定量公式，可以是线性、指数、幂函数等多种形式，视具体的拟合情况而定。

在实际的垂直应力和最小主应力交会图中，可大致拟合出三种脆性矿物含量下的强度曲线。其中，左侧的直线代表了脆性矿物含量下限时的强度曲线；右侧的直线代表了脆性矿物上限时的强度曲线；中间的直线代表了脆性矿物上下限之间的强度曲线。由于三条强度曲线均代表了泥页岩的应力变化，因此三者的斜率相同，但截止值不同，具体的定量关系式为：

式中，为实际埋深下的垂直应力，Mpa；为不同脆性矿物含量下的最小主应力，MPa；k为常系数，不同脆性矿物含量时k值相同；为常数，不同脆性矿物含量时值不同。

在得到上述不同脆性矿物含量下的强度曲线后，将步骤1中计算的理想埋深下的垂直应力代入，即可获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力。

在步骤3中，据步骤1和步骤2可得理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，两者交点即为相应的脆延转换压力，进而得到相应的脆延转换深度：

式中，为脆延转换压力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为脆延转换深度，m。

所谓的Byerlee摩擦定律是指，岩石沿某一滑动面发生摩擦滑动的条件是该面上的正应力和剪切应力满足关系：

式中，为正应力，MPa；为剪切应力，MPa。

在步骤4中，构建脆延判定指数，定义为脆延转换深度与当前构造埋深的差值，即：

式中，为脆延判定指数，m；为脆延转换深度，m；为当前构造埋深，m。

若脆延判定指数，表明此时泥页岩尚处于脆性阶段，值越大，越有利于压裂；若脆延判定指数，表明此时泥页岩已处于延性阶段，不利于压裂。

结合单井或特定区域的脆性矿物含量、构造埋深和应力等基础数据，计算脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

上述方案更进一步的优化方案是：

在步骤4中，为准确评价单井或特定区域外地区的脆延判定指数，可将变异函数为工具，在满足估计方差最小的条件下，计算未知区域的最佳线性无偏估值：

式中，为待评价地区n处的脆延判定指数估值；为第口井或特定区域处的脆延判定指数；为与有关的加权系数，可通过求解下列克里金方程组求得：

式中，为研究区域内各资料点间的协方差；为待估计点与各资料点相互间的协方差；为拉格朗日常数。

本发明的有益效果：

本发明中的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，充分考虑了泥页岩在不同脆性矿物含量下脆延转换深度的差异，通过构建脆延判定指数动态评价泥页岩在不同外在加载条件下的脆性特征，为泥页岩油藏的压裂选层和勘探目标优选提供重要参考依据。

附图说明

图1为本发明的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法的一具体实施例的流程图；

图2是典型泥页岩井中的岩石密度统计图；

图3是典型泥页岩井中的脆性矿物含量与最小主应力的统计交会图；

图4是不同脆性矿物含量（上限、下限、上下限）下的强度曲线图；

图5是不同脆性矿物含量下强度曲线与Byerlee摩擦定律联合确定脆延转换深度的交会图；

图6是基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价平面图。

具体实施方式

下文特举出两个较好实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例1

如图1所示，图1为本发明的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法的流程图。

在步骤101中，以典型泥页岩井位为依据，以岩心、常规测井、应力测试等资料为基础，进行岩石密度的统计；基于单轴应力-应变模型，计算理想埋深下的垂直应力：

式中，为垂直应力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为理想埋藏深度，m。流程进入到步骤102。

在步骤102中，在典型泥页岩井中，作垂直应力和最小主应力的统计交会图，得到实际埋深条件下的强度曲线。

以典型泥页岩井中的实测或估算的应力、矿物成分数据为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量两者之间的定量关系：

式中，为脆性矿物含量，%；为最小主应力，Mpa；为常数；是以为自变量的定量公式，可以是线性、指数、幂函数等多种形式，视具体的拟合情况而定。

在实际的垂直应力和最小主应力交会图中，可大致拟合出三种脆性矿物含量下的强度曲线。其中，左侧的直线代表了脆性矿物含量下限时的强度曲线；右侧的直线代表了脆性矿物上限时的强度曲线；中间的直线代表了脆性矿物上下限之间的强度曲线。由于三条强度曲线均代表了泥页岩的应力变化，因此三者的斜率相同，但截止值不同，具体的定量关系式为：

式中，为实际埋深下的垂直应力，Mpa；为不同脆性矿物含量下的最小主应力，MPa；k为常系数，不同脆性矿物含量时k值相同；为常数，不同脆性矿物含量时值不同。

在得到上述不同脆性矿物含量下的强度曲线后，将步骤1中计算的理想埋深下的垂直应力代入，即可获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力。流程进入到步骤103。

在步骤103中，据步骤101和步骤102可得理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，两者交点即为相应的脆延转换压力，进而得到相应的脆延转换深度：

式中，为脆延转换压力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为脆延转换深度，m。

所谓的Byerlee摩擦定律是指，岩石沿某一滑动面发生摩擦滑动的条件是，当该面上的正应力和剪切应力满足关系：

式中，为正应力，MPa；为剪切应力，MPa。流程进入到步骤104。

在步骤104中，构建脆延判定指数，定义为脆延转换深度与当前构造埋深的差值，即：

式中，为脆延判定指数，m；为脆延转换深度，m；为当前构造埋深，m。若脆延判定指数，表明此时泥页岩尚处于脆性阶段，值越大，越有利于压裂；若脆延判定指数，表明此时泥页岩已处于延性阶段，不利于压裂。结合单井或特定区域的脆性矿物含量、构造埋深和应力等基础数据，计算脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

实施例2

如图1所示，图1为本发明的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法的流程图。

在步骤101中，以典型泥页岩井位为依据，以岩心、常规测井、应力测试等资料为基础，进行岩石密度的统计；基于单轴应力-应变模型，计算理想埋深下的垂直应力：

式中，为垂直应力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为理想埋藏深度，m。流程进入到步骤102。

在步骤102中，在典型泥页岩井中，作垂直应力和最小主应力的统计交会图，得到实际埋深条件下的强度曲线。

以典型泥页岩井中的实测或估算的应力、矿物成分数据为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量两者之间的定量关系：

式中，为脆性矿物含量，%；为最小主应力，Mpa；为常数；是以为自变量的定量公式，可以是线性、指数、幂函数等多种形式，视具体的拟合情况而定。

在实际的垂直应力和最小主应力交会图中，可大致拟合出三种脆性矿物含量下的强度曲线。其中，左侧的直线代表了脆性矿物含量下限时的强度曲线；右侧的直线代表了脆性矿物上限时的强度曲线；中间的直线代表了脆性矿物上下限之间的强度曲线。由于三条强度曲线均代表了泥页岩的应力变化，因此三者的斜率相同，但截止值不同，具体的定量关系式为：

式中，为实际埋深下的垂直应力，Mpa；为不同脆性矿物含量下的最小主应力，MPa；k为常系数，不同脆性矿物含量时k值相同；为常数，不同脆性矿物含量时值不同。

在得到上述不同脆性矿物含量下的强度曲线后，将步骤1中计算的理想埋深下的垂直应力代入，即可获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力。流程进入到步骤103。

在步骤103中，据步骤101和步骤102可得理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，两者交点即为相应的脆延转换压力，进而得到相应的脆延转换深度：

式中，为脆延转换压力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为脆延转换深度，m。

所谓的Byerlee摩擦定律是指，岩石沿某一滑动面发生摩擦滑动的条件是，当该面上的正应力和剪切应力满足关系：

式中，为正应力，MPa；为剪切应力，MPa。流程进入到步骤104。

在步骤104中，构建脆延判定指数，定义为脆延转换深度与当前构造埋深的差值，即：

式中，为脆延判定指数，m；为脆延转换深度，m；为当前构造埋深，m。若脆延判定指数，表明此时泥页岩尚处于脆性阶段，值越大，越有利于压裂；若脆延判定指数，表明此时泥页岩已处于延性阶段，不利于压裂。结合单井或特定区域的脆性矿物含量、构造埋深和应力等基础数据，计算脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

为准确评价单井或特定区域外地区的脆延判定指数，可将变异函数为工具，在满足估计方差最小的条件下，计算未知区域的最佳线性无偏估值：

式中，为待评价地区n处的脆延判定指数估值；为第口井或特定区域处的脆延判定指数；为与有关的加权系数，可通过求解下列克里金方程组求得：

式中，为研究区域内各资料点间的协方差；为待估计点与各资料点相互间的协方差；为拉格朗日常数。

图2是典型泥页岩井中的岩石密度统计图，是计算理想埋深条件下垂直应力的基础。图3是典型泥页岩井中的脆性矿物含量与最小主应力的统计交会图，两者建立的定量关系是进一步确定脆性矿物含量上、下限值的依据。图4是不同脆性矿物含量（上限、下限、上下限）下的强度曲线图，其中，左侧的直线代表了脆性矿物含量下限时的强度曲线；右侧的直线代表了脆性矿物上限时的强度曲线；中间的直线代表了脆性矿物上下限之间的强度曲线。三条强度曲线为斜率相同的线性关系式，均代表了泥页岩的应力变化，不同脆性矿物含量的差别体现在截止值有所不同。图5是不同脆性矿物含量下强度曲线与Byerlee摩擦定律联合确定脆延转换深度的交会图，两条曲线的交点即为泥页岩的脆延转换压力，进一步计算可得不同脆性矿物含量下的脆延转换深度。图6是基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价平面图，通过与实际的钻探情况进行比较，发现评价结果较为合理：在工区的西北部脆延判定指数H较大，见工业油流的泥页岩井多分布于此；而工区的东北部脆延判定指数H较大，主要是由于含有较多的砂质含量造成。由此说明，该方法的实际应用效果较好，实现了不同脆性矿物含量下的泥页岩脆性的动态评价，可以应用于泥页岩油藏的压裂选层和勘探目标优选等方面。

Claims (4)

1.基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，其特征在于包括：

步骤1，根据典型泥页岩井的岩石密度统计，计算理想埋深下的垂直应力；

步骤2，以典型泥页岩井中的实际强度曲线为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量的定量关系，获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力；

步骤3，根据理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，确定相应的脆延转换深度；

步骤4，构建脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

2.根据权利要求1所述的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，其特征在于，在步骤1中，以典型泥页岩井位为依据，以岩心、常规测井、应力测试资料为基础，进行岩石密度的统计；基于单轴应力-应变模型，计算理想埋深下的垂直应力：

式中，为垂直应力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为理想埋藏深度，m；

在步骤2中，在典型泥页岩井中，作垂直应力和最小主应力的统计交会图，得到实际埋深条件下的强度曲线；

以典型泥页岩井中的实测或估算的应力、矿物成分数据为基础，明确最小主应力和脆性矿物含量两者之间的定量关系：

式中，为脆性矿物含量，%；为最小主应力，Mpa；为常数；是以为自变量的定量公式，包括线性、指数、幂函数多种形式；

在实际的垂直应力和最小主应力交会图中，拟合出三种脆性矿物含量下的强度曲线，三条强度斜率相同，但截止值不同，具体的定量关系式为：

式中，为实际埋深下的垂直应力，Mpa；为不同脆性矿物含量下的最小主应力，MPa；k为常系数，不同脆性矿物含量时k值相同；为常数，不同脆性矿物含量时值不同；

在得到上述不同脆性矿物含量下的强度曲线后，将步骤1中计算的理想埋深下的垂直应力代入，获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的最小主应力；

在步骤3中，据步骤1和步骤2获得理想埋深时不同脆性矿物含量下的强度曲线，结合Byerlee摩擦定律，两者交点即为相应的脆延转换压力，进而得到相应的脆延转换深度：

式中，为脆延转换压力，MPa；为统计的泥页岩密度，g/cm³；为重力加速度，m/s²；为脆延转换深度，m；

在步骤4中，构建脆延判定指数，定义为脆延转换深度与当前构造埋深的差值，即：

式中，为脆延判定指数，m；为脆延转换深度，m；为当前构造埋深，m；

若脆延判定指数，表明此时泥页岩尚处于脆性阶段，值越大，越有利于压裂；若脆延判定指数，表明此时泥页岩已处于延性阶段，不利于压裂；

结合单井或特定区域的脆性矿物含量、构造埋深和应力等基础数据，计算脆延判定指数，进行泥页岩的脆性动态评价。

3.根据权利要求2所述的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，其特征在于，在步骤4中，为准确评价单井或特定区域外地区的脆延判定指数，将变异函数为工具，在满足估计方差最小的条件下，计算未知区域的最佳线性无偏估值：

式中，为待评价地区n处的脆延判定指数估值；为第口井或特定区域处的脆延判定指数；为与有关的加权系数，通过求解下列克里金方程组求得：

式中，为研究区域内各资料点间的协方差；为待估计点与各资料点相互间的协方差；为拉格朗日常数。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于脆延判定指数的泥页岩脆性动态评价方法，其特征在于，所述的Byerlee摩擦定律是指，岩石沿某一滑动面发生摩擦滑动的条件是，该面上的正应力和剪切应力满足关系：

式中，为正应力，MPa；为剪切应力，MPa。