CN105840189A - 一种页岩气岩石物理与测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种页岩气岩石物理与测井方法，建立考虑干酪根颗粒的页岩气储层岩石物理模型，预测测井纵、横波速度；在此基础上计算储层的最大、最小水平主应力，及破裂压力，以在没有横波测井的情况下也能够对页岩气储层进行精确的应力评价。本发明所采用的页岩气物理与测井评价方法通过建立岩石物理模型真实反映页岩气储层的复杂矿物以及复杂矿物所造成的多孔隙类型，具体为以一定形态分散存在的干酪根的岩石物理特征，从而在使用该岩石物理模型进行储层速度预测过程中提高预测速度的精度，即提高页岩气储层测井方法的可靠性。

Description

一种页岩气岩石物理与测井方法

技术领域

本发明涉及页岩气储层岩石的测井领域，具体涉及一种页岩气岩石物理与测井方法。

背景技术

页岩气是储存在泥岩、页岩或粉砂质较重的细粒沉积岩中的天然气。在常规油气勘探和开发领域，人们把泥岩、页岩当成盖层和隔层，对地层进行岩石物理性质评价时通常把他们忽略，导致页岩气地层的测井评价方法及相关研究比较紧缺，非常规的页岩气资源已经日益受到各国的重视。

测井作为一种高效的地球物理探测技术，在页岩气勘探和开发的不同阶段都发挥重要的作用。首先，利用测井资料发现和评价页岩气层是一种高效经济的方法。与昂贵的钻井成本和低效并不低廉的实现分析相比，测井可以快速而准确地在钻孔中直接获取地层的多种物理性质，并通过一定的解释理论和技术，高效的对地层进行精细的评价。随着技术的进步，测井所采集的物理信息的数量和精度也在不断提高，其次，将更多的考虑转移到页岩的矿物组成、岩石物性和渗流特性上与砂岩有很大的区别，因此传统测解释理论和方法对于页岩气层并不能完全适用；另外，与常规油气等资源勘探相比，页岩气测井地层评价的内容也有一定的独特性。

对于页岩气储层，由于压裂改造直接影响着气产量，而对地下应力的预测决定着压裂改造的好坏。储层地应力等物理测井评价模型有多种，比较成熟的有Mohr Coulomb模型，黄荣樽模型，单轴应变模型等。通过这些模型求取最大、最小水平主应力，进而求取破裂压力、压力梯度等，可以对储层进行评价，但是这些模型的应用必须以较为精确的杨氏模量、泊松比等岩石力学参数作为输入参数，而精确的岩石力学参数，必须要有精确的纵、横波速度才能计算得到，通常，纵、横波速度可以由偶极子测井得到。但是，大部分已钻井中没有横波测井资料，这给地应力的评价造成了难度。Mullen等使用一个综合的经验公式求算横波，并使用单轴应力公式计算最小闭合压力以对地下应力场进行评价。经验公式求算横波，并使用单轴应力公式计算最小闭合压力以对地下的应力场进行评价。经验公式球算横波受地区具体地质情况影响，很难求取准确。通过建立符合具体岩石物理特征的岩石物理模型，可以计算得到比较准确的横波。岩石气储层岩性复杂，微观孔隙类型多样，富含干酪根，针对这种非常储层，常规的岩石物理模型不能够求算较为准确的速度，经典的Xu-White模型，将砂岩和粘土混合，使用二维的Kuster-Toksoz 模型求取带孔隙的干岩石的弹性模量，使用Gassmann方程求取饱和流体的岩石的弹性模量，但是这个模型只是考虑了粘土和砂岩，岩性不复杂，且孔隙类型也较为简单；在此基础上发展的Xu—Payne岩石物理模型及DEM—Gassmann岩石物理模型都使用三维孔隙谱计算含不同孔隙类型岩石的体积模量和剪切模量得到较好的下过，但是这两个模型只适合于比较简单的岩性，且没有考虑干酪根，不适合于页岩气储层。Bandyopadhyay等使用Brown-Korriga模型，采用固体替换的方式，计算含干酪根岩石的弹性模量，但是根据岩心观察，干酪根是以一定颗粒形态分散存在于泥页岩中，这种方式模拟的不是有机质在岩石中的真实状态。

基于此，研究并开发一种页岩气岩石物理与测井评价方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的物理模型不能真实的反映页岩气储层中的复杂矿物及复杂矿物造成的多孔类型，页岩气储层测井方法可靠度低，本发明目的在于提供一种页岩气岩石物理与测井方法，通过建立物理模型可更真实的反应页岩气储层的复杂矿物及复杂矿物所造成的多孔隙类型，即以一定形态分散存在的干酪根的岩石物理特征，从而使用该岩石模型进行页岩气储层速度预测过程中提高预测速度的精度，在此基础上应力使得在没有测井横波速度的情况下，根据常规测井曲线可以计算得到测量值吻合的地下的最大、最小水平主应力，以及破裂压力，解决了页岩气储层地应力测井方法不可靠的问题。

本发明的通过下述技术方案实现：

一种页岩气岩石物理与测井方法，所述方法包括以下步骤：

步骤a：通过测井岩性分析程序测井获得岩石孔隙度、矿物体积、流体饱和度、干酪根体积，计算矿物在岩石体积分数，所述矿物包括粘土、石英、方解石，采用交会分析获得每个矿物的弹性模量和密度，所述弹性模量和密度可采用已知文献中的经验值，弹性模量是指体积模量、剪切模量；

步骤b：根据步骤a中所得矿物的体积模量和剪切模量、矿物体积分数，采用等应力和等应变算术平均计算岩石基质的体积模量和剪切模量，所述岩石基质指不含孔隙和流体的固体岩石部分；将岩石基质与干酪根混合，计算含干酪根颗粒的岩石的体积模量和剪切模量，将干酪根等效为硬币裂隙形态的颗粒，使用颗粒纵横比表示干酪根颗粒的形状，使用微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法中，形状因子采用Berryman的三维包含物理论中的硬币状缝隙公式计算，所含颗粒纵横比是指硬币缝隙状态颗粒的短轴和长轴之比，在岩石物理模型中颗粒纵横比的取值范围为0—1，作为迭代计算的变量参数；

步骤c：将步骤a所得的孔隙度划分为砂岩矿物孔隙度，灰岩矿物孔隙度、粘土矿物孔隙度三种；将灰岩矿物孔隙度、砂岩矿物孔隙度等效为刚性孔隙占多数，柔性孔隙占少数的孔隙谱；将粘土矿物孔隙度等效为柔性孔隙占多数，刚性孔隙占少数的孔隙谱；将不同的孔隙度与步骤2所得到的含干酪根的岩石基质相混合，这个过程使用微分等效介质方法计算，得到的结果为包括孔隙、干酪根、岩石基质的干岩石的体积模量，剪切模量；所述干岩石为不含流体的岩石固体部分；

步骤d：将流体与步骤c所得到的干岩石相混合，得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量，所述流体指混合流体，是在步骤a得到的饱和度及流体的弹性模量的基础上，使用等应力平均公式计算不同饱和度的油、气、水混合时的体积模量，混合流体的剪切模量为0，根据步骤a所得的矿物体积、孔隙度、饱和、干酪根体积，使用算术平均计算饱含流体岩石的密度；所述流体替换方程为Gassmann方程，所述算术平均计算包含流体岩石的密度的方法采用Wood公式；

步骤e：由步骤d所得的饱和流体岩石的体积模量、剪切模量、密度计算饱和流体岩石的纵、横波速度，即预测纵波速度和预测横波速度，对比实测纵波速度与预测纵波速度，相减求误差，当误差大于限定值时，返回步骤b，调整所述颗粒纵横比的取值范围，直到误差小于限定值或误差达到极小值，当误差小于限定值或达到极小值时，输出预测的纵、横波速度；

步骤f：使用步骤e得到预测纵、横波速度计算动态杨氏模量和泊松比。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述方法还包括建立页岩气物理模型，在常规测井曲线基础上预测纵、横波速度，从而计算储层的最大、最小水平主应力，破裂压力。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述建立的岩石物理模型包括矿物、干酪根、孔隙及其中所含的流体，其中孔隙中的流体包括油、气、水，干酪根等效为硬币状裂缝状态的颗粒，采用微分计算含干酪根的岩石弹性参数，使用颗粒纵横比表示干酪根的大小和形状。

进一步地，为了更好的实现本发明，将步骤f所得的静态杨氏模量和泊松比，上覆地层压力、孔隙压力代入黄荣樽应力模型计算最大水平主应力、最小水平主应力，在这个过程中，需要实际工区岩心的应力测试数据对黄荣樽应力模型中的参数进行标定；根据应力参数之间的关系，计算破裂压力；综合最大水平主应力，最小水平主应力、破裂压力，进行地层应力评价。

进一步地，为了更好的实现本发明，限定所述步骤a中，交会分析是指在测量有纵波、横波、密度测井数据的井中，根据纵横波、密度计算体积模量、剪切模量，根据测井、录井、钻井及地质信息综合判断出井筒中不同矿物较纯的岩性段，分别将这些层段的体积模量、剪切模量、密度数据使用交会图中方法进行显示，选择数据点较为集中的位置作为纯的矿物的体积模量、剪切模量和密度数据。

进一步地，为了更好的实现本发明，限定所述步骤d中饱和流体岩石的体积模量和剪切模量是采用流体替换方程计算所得。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明所采用的页岩气物理与测井评价方法通过建立岩石物理模型真实反映页岩气储层的复杂矿物以及复杂矿物所造成的多孔隙类型，具体为以一定形态分散存在的干酪根的岩石物理特征，从而在使用该岩石物理模型进行储层速度预测过程中提高预测速度的精度，即提高页岩气储层测井方法的可靠性。

（2）本发明所采用的页岩气物理与测井评价方法中应力预测在没有测井横波速度的情况下，根据常规测井曲线可以计算得到与测量值吻合的地下的最大、最小水平主应力，以及破裂压力，是一种可靠的页岩气地应力测井预测方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实 施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

一种页岩气岩石物理与测井评价方法，建立页岩气储层物理模型，在常规测井曲线的基础上预测测井纵、横波速度；在此基础上计算储层的最大、最小水平主应力，破裂压力；所建立的岩石物理模型，包括矿物、干酪根，孔隙及其中所含的流体，所述孔隙中的流体包括油、气、水，其中将干酪根等效为硬币状裂缝形态的颗粒，使用颗粒纵横比表示其大小和形状，以微分计算含干酪根的岩石弹性参数，得到在岩石中分散存在的干酪根的弹性特征。

以下实施例结合中国南方某页岩气盆地侏罗系页岩气储层为例来阐述本发明的具体实施方式：

首先通过测井解释得到地层中的矿物体积、孔隙度、饱和度、干酪根体积；通过交会分析得到主要矿物的弹性模量和密度，通过文献调研得到流体的弹性模量和目的，此处弹性参数特指体积模量、剪切模量；将测井解释结果引入新建立的页岩气储层岩石物理模型，通过调整岩石物理模型中孔隙类型分布谱参数，迭代计算纵波速度与横波速度。使用预测纵、横波速度计算动态杨氏模量和泊松比，并根据地区实测数据总结的经验关系式将动态的杨氏模量和泊松比转换为杨氏模量和泊松比；由测井数据计算上覆地层压力和空隙压力，此处测井数据特指密度和声波时差；将静态的杨氏模量、泊松比、上覆地层压力、孔隙压力代入黄荣樽应力模型中计算最大水平主应力和最小水平主应力，在这个过程中需要根据实际工区岩心压力测试数据标定黄荣樽应力模型参数；在此基础上计算破裂压力；在最大水平主应力，最小水平主应力、破裂压力的基础上就可以对地层压力进行评价。

步骤a：通过测井岩性分析程序测井获得岩石孔隙度、矿物体积、流体饱和度、干酪根体积，计算矿物在岩石体积分数，所述矿物包括粘土、石英、方解石，采用交会分析获得每个矿物的弹性模量和密度，所述弹性模量和密度可采用已知文献中的经验值，弹性模量是指体积模量、剪切模量；

所述复杂岩性分析程序，是Atlas公司的复杂岩性程序；通过该程序，可以根据常规测井曲线计算较为精细的泥质含量，矿物体积分数，孔隙度，流体饱和度等参数。其具体公式为所属领域的公知常识，不再赘述。

所述的交会分析是指，在测量有纵波、横波、密度测井数据的井中，根据纵横波、密度计算体积模量、剪切模量，根据测井、录井、钻井及地质信息综合判断出井筒不同矿物较纯的岩性段，分别将这些层段的体积模量、剪切模量、密度数据使用交会图的方法进行显示，选择数据点较为集中的位置作为纯的矿物的体积模量、剪切模量和密度数据。

所述建立的岩石物理模型包括矿物、干酪根、孔隙及其中所含的流体，其中孔隙中的流体包括油、气、水，干酪根等效为硬币状裂缝状态的颗粒，采用微分计算含干酪根的岩石弹性参数，使用颗粒纵横比表示干酪根的大小和形状。

本实施例中，得到的矿物、流体的弹性模量和密度如表1所示。

表1为本发明中矿物及流体的性质参数

步骤b：根据步骤a中所得矿物的体积模量和剪切模量、矿物体积分数，采用等应力和等应变算术平均计算岩石基质的体积模量和剪切模量，所述岩石基质指不含孔隙和流体的固体岩石部分；将岩石基质与干酪根混合，计算含干酪根颗粒的岩石的体积模量和剪切模量，将干酪根等效为硬币裂隙形态的颗粒，使用颗粒纵横比表示干酪根颗粒的形状，使用微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法中，形状因子采用Berryman的三维包含物理论中的硬币状缝隙公式计算，所含颗粒纵横比是指硬币缝隙状态颗粒的短轴和长轴之比，在岩石物理模型中颗粒纵横比的取值范围为0—1，作为迭代计算的变量参数；

步骤c：将步骤a所得的孔隙度划分为砂岩矿物孔隙度，灰岩矿物孔隙度、粘土矿物孔隙度三种；将灰岩矿物孔隙度、砂岩矿物孔隙度等效为刚性孔隙占多数，柔性孔隙占少数的孔隙谱；将粘土矿物孔隙度等效为柔性孔隙占多数，刚性孔隙占少数的孔隙谱；将不同的孔隙度与步骤2所得到的含干酪根的岩石基质相混合，这个过程使用微分等效介质方法计算，得到的结果为包括孔隙、干酪根、岩石基质的干岩石的体积模量，剪切模量；所述干岩石为不含流体的岩石固体部分；

步骤d：将流体与步骤c所得到的干岩石相混合，得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量，所述流体指混合流体，是在步骤a得到的饱和度及流体的弹性模量的基础上，使用等应力平均公式计算不同饱和度的油、气、水混合时的体积模量，混合流体的剪切模量为0，根据步骤a所得的矿物体积、孔隙度、饱和、干酪根体积，使用算术平均计算饱含流体岩石的密度；所述流体替换方程为Gassmann方程，所述算术平均计算包含流体岩石的密度的方法采用Wood公式；

步骤e：由步骤d所得的饱和流体岩石的体积模量、剪切模量、密度计算饱和流体岩石的纵、横波速度，即预测纵波速度和预测横波速度，对比实测纵波速度与预测纵波速度，相减求误差，当误差大于限定值时，返回步骤b，调整所述颗粒纵横比的取值范围，直到误差小于限定值或误差达到极小值，当误差小于限定值或达到极小值时，输出预测的纵、横波速度；

步骤f：使用步骤e得到预测纵、横波速度计算动态杨氏模量和泊松比。

所述步骤a中，交会分析是指在测量有纵波、横波、密度测井数据的井中，根据纵横波、密度计算体积模量、剪切模量，根据测井、录井、钻井及地质信息综合判断出井筒中不同矿物较纯的岩性段，分别将这些层段的体积模量、剪切模量、密度数据使用交会图中方法进行显示，选择数据点较为集中的位置作为纯的矿物的体积模量、剪切模量和密度数据。

所述步骤a中的矿物类型包括粘土、方解石、石英，考虑了页岩气储层中最主要的三种岩性，也是根据测井数据可以比较准确求得的。

步骤b中的干酪根颗粒等效方式，使用Berryman的三维包含物形态中的裂缝形态来描述与计算，因为干酪根为柔性物质，不同于固体矿物，又存在剪切模量，不同于流体，使用这种表达方式，与镜下观察的有机存在方式更为符合。

步骤c中的孔隙度表达方式，使用Berryman的三维包含物形态中，球形孔隙，针形孔隙与裂缝孔隙来表述与计算，其中方解石、石英、白云石孔隙为球形孔隙和针形孔隙等刚性孔隙占主要部分，裂缝型孔隙等柔性孔隙占少数部分的孔隙谱来表述。

以上三点使得新建的岩石物理模型优于经典的Xu-White模型，即包括的矿物类型较多；较为合理的表述并计算了岩石中有机质对弹性性质的影响；分开使用较为复杂的孔隙类型表述了岩石中云英、方解石、粘土成分中的孔隙类型，与岩石中的实际情况更加符合，使得速度预测的精度相比较于Xu—White模型有较大的改善。

本发明所述的一种页岩气岩石物理与测井评价方法中还包括，步骤g：具体方法为将步骤f所得的静态杨氏模量和泊松比，上覆地层压力、孔隙压力代入黄荣樽应力模型计算最大水平主应力、最小水平主应力，在这个过程中，需要实际工区岩心的应力测试数据对黄荣樽应力模型中的参数进行标定；根据应力参数之间的关系，计算破裂压力；综合最大水平主应力，最小水平主应力、破裂压力，进行地层应力评价。

步骤e、f中将符合页岩气储层岩石物理特征的岩石物理模型预测的弹性参数引入应力计算模型，得到较为精确的评价页岩储层地下应力的数据，即将岩石物理模型与应力计算模型相结合，在没有测量横波的常规测井曲线的基础上，根据常规测井曲线也可以进行较为精确的地下应力场评价。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤a：通过测井岩性分析程序测井获得岩石孔隙度、矿物体积、流体饱和度、干酪根体积，计算矿物在岩石体积分数，所述矿物包括粘土、石英、方解石，采用交会分析获得每个矿物的弹性模量和密度，所述弹性模量和密度可采用已知文献中的经验值，弹性模量是指体积模量、剪切模量；

步骤b：根据步骤a中所得矿物的体积模量和剪切模量、矿物体积分数，采用等应力和等应变算术平均计算岩石基质的体积模量和剪切模量，所述岩石基质指不含孔隙和流体的固体岩石部分；将岩石基质与干酪根混合，计算含干酪根颗粒的岩石的体积模量和剪切模量，将干酪根等效为硬币裂隙形态的颗粒，使用颗粒纵横比表示干酪根颗粒的形状，使用微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法计算含所述干酪根颗粒的岩石体积模量和剪切模量；在所述微分等效介质方法中，形状因子采用Berryman的三维包含物理论中的硬币状缝隙公式计算，所含颗粒纵横比是指硬币缝隙状态颗粒的短轴和长轴之比，在岩石物理模型中颗粒纵横比的取值范围为0—1，作为迭代计算的变量参数；

步骤c：将步骤a所得的孔隙度划分为砂岩矿物孔隙度，灰岩矿物孔隙度、粘土矿物孔隙度三种；将灰岩矿物孔隙度、砂岩矿物孔隙度等效为刚性孔隙占多数，柔性孔隙占少数的孔隙谱；将粘土矿物孔隙度等效为柔性孔隙占多数，刚性孔隙占少数的孔隙谱；将不同的孔隙度与步骤2所得到的含干酪根的岩石基质相混合，这个过程使用微分等效介质方法计算，得到的结果为包括孔隙、干酪根、岩石基质的干岩石的体积模量，剪切模量；所述干岩石为不含流体的岩石固体部分；

步骤d：将流体与步骤c所得到的干岩石相混合，得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量，所述流体指混合流体，是在步骤a得到的饱和度及流体的弹性模量的基础上，使用等应力平均公式计算不同饱和度的油、气、水混合时的体积模量，混合流体的剪切模量为0，根据步骤a所得的矿物体积、孔隙度、饱和、干酪根体积，使用算术平均计算饱含流体岩石的密度；所述流体替换方程为Gassmann方程，所述算术平均计算包含流体岩石的密度的方法采用Wood公式；

步骤e：由步骤d所得的饱和流体岩石的体积模量、剪切模量、密度计算饱和流体岩石的纵、横波速度，即预测纵波速度和预测横波速度，对比实测纵波速度与预测纵波速度，相减求误差，当误差大于限定值时，返回步骤b，调整所述颗粒纵横比的取值范围，直到误差小于限定值或误差达到极小值，当误差小于限定值或达到极小值时，输出预测的纵、横波速度；

步骤f：使用步骤e得到预测纵、横波速度计算动态杨氏模量和泊松比。

2.根据权利要求1所述的一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述方法还包括建立页岩气物理模型，在常规测井曲线基础上预测纵、横波速度，从而计算储层的最大、最小水平主应力，破裂压力。

3.根据权利要求2所述的一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述建立的岩石物理模型包括矿物、干酪根、孔隙及其中所含的流体，其中孔隙中的流体包括油、气、水，干酪根等效为硬币状裂缝状态的颗粒，采用微分计算含干酪根的岩石弹性参数，使用颗粒纵横比表示干酪根的大小和形状。

4.根据权利要求3所述的一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述方法还包括步骤g：将步骤f所得的静态杨氏模量和泊松比，上覆地层压力、孔隙压力代入黄荣樽应力模型计算最大水平主应力、最小水平主应力，在这个过程中，需要实际工区岩心的应力测试数据对黄荣樽应力模型中的参数进行标定；根据应力参数之间的关系，计算破裂压力；综合最大水平主应力，最小水平主应力、破裂压力，进行地层应力评价。

5.根据权利要求4所述的一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述步骤a中，交会分析是指在测量有纵波、横波、密度测井数据的井中，根据纵横波、密度计算体积模量、剪切模量，根据测井、录井、钻井及地质信息综合判断出井筒中不同矿物较纯的岩性段，分别将这些层段的体积模量、剪切模量、密度数据使用交会图中方法进行显示，选择数据点较为集中的位置作为纯的矿物的体积模量、剪切模量和密度数据。

6.根据权利要求5所述的一种页岩气岩石物理与测井方法，其特征在于：所述步骤d中饱和流体岩石的体积模量和剪切模量是采用流体替换方程计算所得。