CN105986817A - 一种用于识别页岩地层工程甜点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于识别页岩地层工程甜点的方法。包括以下步骤：根据声波和密度测井资料，以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值；利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数；基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数；根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数，用于识别页岩地层中的工程甜点。通过对页岩地层工程甜点参数的分析，确定了页岩地层工程甜点主要参数为脆性指数、最大水平有效应力和孔隙结构指数，能够利用现有的测井资料准确识别页岩地层工程甜点。

Description

一种用于识别页岩地层工程甜点的方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体地说，涉及一种用于识别含气页岩地层工程甜点的方法。

背景技术

页岩地层中的甜点是指地层中具有较好的储层地质品质，并且比较容易进行压裂工程改造的部分。甜点对页岩地层开发非常重要，找到甜点有利于降低页岩勘探开发成本、提高含气页岩地层产能。

“甜点”一词最早相对于难开发储层而出现，是指常规油气层中某一小断块具有较好的储层质量，随后用在煤层气中。在煤层气中甜点是高潜力的产气区域，具有较好的天然裂缝和煤层厚度，地层压力较高。

近年来在页岩地层中“甜点”一词被广泛使用。Hashmy等从经济评价角度阐述了页岩地层甜点具有良好的流动特征和储层属性，主要集中在压裂工程改造的成本方面。Cipolla提供的页岩地层甜点包含了两部分：储层质量和完井质量。储层质量好对应于地层物性好、油气丰度高和有机质含量高，完井质量好对应于地层具有更高的脆性、更有利于压裂、工程改造成本低和压裂后具有更好的流动性质。

“甜点”一词自从提出后其意义不断发生演化，到目前多指非常规地层中储层品质较好、工程改造成本较低的区域。因此在前人的定义和描述的基础上，Cipolla用储层质量参数来说明页岩地层的可采气能力。具体来说，当孔隙度大于5％，渗透率大于0.005md，含水饱和度小于60％，粘土含量小于40％，有机质含量大于3％，渗透率与厚度乘积大于0.5md-ft的时候页岩地层的可采气能力较高。这些储层质量参数包含了地质甜点的内容，但是粘土含量和渗透率与地质甜点相关性较小，不能包含在地质甜点参数中。粘土含量和渗透率与工程甜点参数有关。工程甜点好，说明地层脆性较高、容易压裂、易形成有效网络裂缝，有利于页岩气开发。但是，尚未有合理的参数来描述和定义工程甜点。

因此，亟需一种能够利用现有的测井资料准确识别页岩地层工程甜点的方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于识别页岩地层工程甜点的方法，包括以下步骤：

根据声波和密度测井资料以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值；

利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数；

基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数；

根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数，用于识别页岩地层中的工程甜点。

根据本发明的一个实施例，所述根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数包括：

根据地质区域内的工程甜点参数的数据极值进行归一化处理，所述工程甜点参数包括最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数；

确定雷达图中归一化的工程甜点参数的坐标值，连接坐标值点形成表征工程甜点参数的三角形，并计算其面积；

计算雷达图中基准图形面积；

根据表征工程甜点参数的三角形的面积与基准图形面积的比值确定地质甜点系数。

根据本发明的一个实施例，所述表征工程甜点参数的三角形的面积根据下式计算：

$S=\underset{i,j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{x}_i{x}_j\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}},$

其中，x_i,x_j为归一化处理后的工程甜点参数的坐标值，α_ij为雷达图中表示地质甜点参数x_i,x_j的坐标轴之间的夹角。

根据本发明的一个实施例，所述雷达图中基准图形为连接表示工程甜点参数x_i,x_j的各坐标轴上的单位坐标值点形成的三角形。

根据本发明的一个实施例，所述根据声波和密度测井资料，以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值包括：

根据声波和密度测井资料，采用等效深度法确定页岩地层孔隙压力数值；

根据偶极子声波测井资料确定页岩地层泊松比；

由页岩地层孔隙压力数值和泊松比计算得到页岩地层最大水平有效应力数值。

根据本发明的一个实施例，所述利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数包括：

根据页岩地层的渗透率和孔隙度得到流动单元指数；

根据流动单元指数划分流动单元，建立流动单元内孔隙度与渗透率的关系模型；

通过数据拟合的方法确定页岩地层的孔隙结构指数。

根据本发明的一个实施例，所述基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数包括：

基于元素测井资料确定页岩地层中石英含量W_qtz和碳酸盐含量W_carb；

计算页岩地层脆性指数BRI＝(W_qtz+W_carb)/W_total，其中，W_total为总矿物含量。

根据本发明的一个实施例，所述页岩地层最大水平有效应力数值为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{He}}=(\frac{\mathrm{\υ}}{1-\mathrm{\υ}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}})(P_s-\mathrm{\α}{P}_p)$

其中，σ_He为最大水平有效应力，β_MAX为最大构造应力系数，υ是地层泊松比，α为比奥特系数，P_p为孔隙压力，P_s为上覆岩层压力。

根据本发明的一个实施例，所述孔隙压力为

P_p＝G₀H-(G₀-G_n)H_e，

其中，G₀为上覆岩层压力梯度，G_n为静水压力梯度，H为超压地层深度，He为等效深度。

根据本发明的一个实施例，所述流动单元指数为：

$\mathrm{FZI}=\frac{0.0314\sqrt{k/\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\φ}/(1-\mathrm{\φ})}$

其中，k为页岩地层的渗透率，φ为页岩地层对应的孔隙度，FZI为页岩地层的流动单元指数；

所述流动单元内孔隙度与渗透率数据的关系模型表示为：

k＝aφ^b，

其中，参数a、参数b为常数。

本发明的实施例利用脆性指数、最大水平有效应力和孔隙结构指数来定量表征页岩地层的工程甜点，能够利用现有的测井资料准确识别页岩地层工程甜点，对选择页岩储层压裂层段、预测压裂裂缝形态等非常重要，有利于提高页岩气开发效率。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为根据本发明实施例一的识别工程甜点的技术思路示意图；

图2为根据本发明实施例一的用于识别工程甜点的方法的步骤流程图；

图3为根据本发明实施例一的工程甜点系数的雷达图分析结果；

图4为根据本发明实施例二的工程甜点系数的雷达图分析结果。

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，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

页岩地层工程甜点是有利于低成本、高效率压裂施工的地质区域，如果工程甜点差则开采成本很高。目前工程开采过程中仅采用脆性指数来计算工程开发条件，由于考虑的参数单一，并不能全面准确地判断工程开发条件。因此，本发明实施例中的工程甜点参数包含有页岩地层脆性指数、地应力大小、孔隙压力、微裂缝网络及压裂后气体的流动性能。

页岩地层开采成功的关键要素是钻长井段水平井和大型压裂。钻水平井主要是为了提高特低孔、特低渗页岩地层的泄油面积，采用大型压裂时首先要计算页岩地层工程甜点参数，好的工程甜点具有容易压裂施工、压裂成本低的特点。页岩地层工程甜点研究对选择页岩储层压裂层段、预测压裂裂缝形态等非常重要，有利于提高页岩气开发效率、提高页岩气开采时间、提升页岩气采收率。

本发明通过对页岩地层工程甜点参数的分析，确定了页岩地层工程甜点主要参数为脆性指数、最大水平有效应力和孔隙结构指数。

页岩地层脆性指数是影响页岩地层压裂难易程度、成本高低的一个重要参数，也是压裂层位优选的依据，准确计算页岩地层脆性指数有利于降低压裂成本、提高压裂效率。

页岩地层有效应力也是一个重要的工程甜点参数，准确确定页岩地层有效应力有利于压裂层位优选，降低页岩地层勘探、开发成本，预测压裂裂缝延伸方向，甚至为页岩气井钻井和工程施工提供方案支持。

此外，孔隙结构指数也是必要的工程甜点参数之一。岩地层工程改造后还要求地层具有较高的渗流性质，是由页岩地层的孔隙结构来决定，孔隙结构越好，工程改造后渗流性质越好，同时微裂缝越发育，改造后越容易形成高产。

以下结合具体实施例对本发明的用于识别工程甜点的方法和识别结果进行说明。

实施例一

本实施例中识别页岩地层工程甜点的技术思路如图1所示，首先根据声波和密度测井方法计算出孔隙压力，利用偶极子声波测井计算泊松比大小，根据两者数值计算地层最大水平有效应力；利用孔隙度和渗透率实验数据可以计算地层孔隙结构指数；用脆性矿物含量用来计算地层脆性指数，用这三个参数确定页岩地层工程甜点系数。

图2是根据本实施例的用于识别页岩地层工程甜点的方法的步骤流程图。以下结合图2对本实施例提供的识别方法进行详细说明。

在步骤S201中，根据声波和密度测井资料，以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值。其中，可根据声波和密度测井资料，采用等效深度法确定页岩地层孔隙压力数值，并根据偶极子声波测井资料确定页岩地层泊松比数值。然后，由页岩地层孔隙压力数值和泊松比计算得到页岩地层最大水平有效应力数值。

具体而言，由页岩地层孔隙压力数值和泊松比计算得到页岩地层最大水平有效应力数值为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{He}}=(\frac{\mathrm{\υ}}{1-\mathrm{\υ}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}})(P_s-\mathrm{\α}{P}_p)---\left(1\right)$

其中，σ_He为最大水平有效应力，β_MAX为最大构造应力系数，υ是地层泊松比，α为比奥特(Biot)系数，P_p为孔隙压力，P_s为上覆岩层压力。

需要说明的是，可根据水力压裂或室内声波实验结果确定最大构造应力系数β_MAX。在实验中分别确定水平x、y方向构造系数β₁、β₂，然后比较β₁和β₂的数值大小。选择其中比较大的数值作为最大构造应力系数β_MAX。

在表达式(2)中，不同深度段的目的层地层孔隙压力P_p可由下式计算：

P_p＝G₀H-(G₀-G_n)H_e (2)

其中，G₀为上覆岩层压力梯度，G_n为静水压力梯度，H为超压地层深度，He为等效深度。

本步骤中，准确计算页岩地层最大水平有效应力有利于优选压裂层位，降低页岩地层勘探、开发成本，预测压裂裂缝延伸方向，甚至为页岩气井钻井和工程施工提供方案支持。

在步骤S202中，利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数。

由于页岩地层工程改造后，还要求地层具有较高的渗流性质，这由页岩地层的孔隙结构性质来决定。孔隙结构好，工程改造后渗流性质好，改造后容易形成高产。

具体来说，根据页岩地层的渗透率和孔隙度得到流动单元指数：

$\mathrm{FZI}=\frac{0.0314\sqrt{k/\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\φ}/(1-\mathrm{\φ})}---\left(3\right)$

其中，k为页岩地层的渗透率，φ为页岩地层对应的孔隙度，FZI为页岩地层的流动单元指数。

由流动单元指数划分流动单元，建立流动单元内孔隙度与渗透率的关系模型。可以根据所述流动单元指数累计频率图中的斜率相同的点对应的目标地层划分为一个流动单元，在各个流动单元内，孔隙度与渗透率的关系模型表示为：

k＝aφ^b (4)

其中，参数a、参数b为常数。b为孔隙结构指数，可通过数据拟合的方法确定页岩地层的孔隙结构指数b。

在步骤S203中，基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数。

首先，基于元素测井资料确定页岩地层中石英含量W_qtz和碳酸盐含量W_carb，然后计算页岩地层脆性指数BRI＝(W_qtz+W_carb)/W_total，其中，BRT为页岩地层脆性指数,无量纲，W_qtz为石英含量，％，W_carb为页碳酸盐含量，％，W_total为总矿物含量，％。

页岩地层脆性指数是影响页岩地层压裂难易程度、成本高低的一个重要参数，也是压裂层位优选的依据，准确计算页岩地层脆性指数有利于降低压裂成本、提高压裂效率。

在步骤S204中，根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数，用于识别页岩地层中的工程甜点。

在上述步骤中，确定了影响页岩地层工程甜点的主要参数为脆性指数、水平方向最大有效应力和孔隙结构指数，对于特定的某一地质区块，这三个参数具有一定的区间和极值。应用测井资料计算出这三个参数，用极值数据进行归一化，制作工程甜点参数雷达图，可进行工程甜点定量识别。

本步骤中，首先根据地质区域内的工程地质甜点参数的数据极值进行归一化处理，所述工程甜点参数包括最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数。

接下来，确定雷达图中归一化的地质甜点参数的坐标值。在图3所示的示例中，D、E和F点的坐标值分别表示归一化之后的最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数的数值。

连接三个坐标值点形成表征工程甜点参数的三角形(如图3中三角形DEF所示)，并计算其面积。根据下式计算三角形的面积：

$S=\underset{i,j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{x}_i{x}_j\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

其中，x_i,x_j为归一化处理后的工程甜点参数，包括最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，α_ij为雷达图表示工程甜点参数x_i,x_j的坐标轴之间的夹角。在本实施例中，工程甜点参数为3个，夹角为120⁰。i表示雷达图中第i条坐标轴，j表示雷达图中第j条坐标轴。在本实施例中，i和j取值为1至3之间的整数。

然后，计算雷达图中基准图形面积。其中，所述雷达图中基准图形为连接表示地质甜点参数x_i x_j的各坐标轴上的单位坐标值点形成的三角形，如图3中三角形ABC所示。本实施例中的地质甜点参数为3个，雷达图中基准图形的面积为：

根据表征工程甜点参数的三角形的面积与基准图形面积的比值确定工程甜点系数。即计算工程甜点系数

$x_E=\sqrt{\frac{S}{S_0}}=\sqrt{\frac{\underset{i,j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{x}_i{x}_j\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}}{S_0}}---\left(6\right)$

最后，将工程甜点系数与预设的工程甜点阈值比较，来判断当前地质区域甜点优劣程度。优选地，将工程甜点阈值设定为0.5。则X_E大于0.5说明工程甜点为优，小于0.5说明工程甜点为劣。X_E数值越大，则工程甜点越好。

容易理解，可根据当前地质区域的实际情况分别设定不同的工程甜点阈值，已达到准确的判定结果。并不以此示例限制本发明。

综上所述，本实施例确定了页岩地层工程甜点主要参数为脆性指数、最大水平有效应力和孔隙结构指数，利用雷达图分析方法确定工程甜点系数，可定量识别页岩地层中的工程甜点。

实施例二

本实施例利用中国西南部区块页岩地层某井的测井资料为例，示例性说明页岩地层工程甜点的识别结果。

该区块优质页岩岩性主要以黄灰色页岩、粉砂质页岩夹薄层透镜状灰岩为主，该井页岩地层工程甜点参数脆性指数平均为70％，最大水平有效应力平均为40MPa，页岩地层孔隙结构指数平均为4。

该地区工程甜点参数极值和区间如下：脆性指数最大为80％，最大水平有效应力区间为30-45MPa，最大孔隙结构指数为6。工程甜点参数归一化后绘制雷达图的方法可以识别出该井工程甜点好坏。

其中，归一化之后的脆性指数为BRI＝0.7/0.8＝0.875，归一化之后的最大水平有效应力为：

$\mathrm{\σ}=\frac{40-30}{45-30}=0.667,$

归一化之后的孔隙结构系数为b＝4/6＝0.667。

根据图4可得到工程甜点系数为0.76，说明该井工程甜点较好，适合压裂改造，改造后易形成网络裂缝。

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 (10)

1.一种用于识别页岩地层工程甜点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据声波和密度测井资料以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值；

利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数；

基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数；

根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数，用于识别页岩地层中的工程甜点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据页岩地层最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数，利用雷达图分析法确定页岩地层工程甜点系数包括：

根据地质区域内的工程甜点参数的数据极值进行归一化处理，所述工程甜点参数包括最大水平有效应力数值、孔隙结构指数和脆性指数；

确定雷达图中归一化的工程甜点参数的坐标值，连接坐标值点形成表征工程甜点参数的三角形，并计算其面积；

计算雷达图中基准图形面积；

根据表征工程甜点参数的三角形的面积与基准图形面积的比值确定地质甜点系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表征工程甜点参数的三角形的面积根据下式计算：

$S=\underset{i,j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{x}_i{x}_j\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}},$

其中，x_i,x_j为归一化处理后的工程甜点参数的坐标值，α_ij为雷达图中表示地质甜点参数x_i,x_j的坐标轴之间的夹角。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述雷达图中基准图形为连接表示工程甜点参数x_i,x_j的各坐标轴上的单位坐标值点形成的三角形。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据声波和密度测井资料，以及偶极子声波测井资料确定页岩地层最大水平有效应力数值包括：

根据声波和密度测井资料，采用等效深度法确定页岩地层孔隙压力数值；

根据偶极子声波测井资料确定页岩地层泊松比；

由页岩地层孔隙压力数值和泊松比计算得到页岩地层最大水平有效应力数值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用成像测井资料和物性参数得到页岩地层孔隙结构指数包括：

根据页岩地层的渗透率和孔隙度得到流动单元指数；

根据流动单元指数划分流动单元，建立流动单元内孔隙度与渗透率的关系模型；

通过数据拟合的方法确定页岩地层的孔隙结构指数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于元素测井资料确定页岩地层中脆性矿物含量，用于确定页岩地层脆性指数包括：

基于元素测井资料确定页岩地层中石英含量W_qtz和碳酸盐含量W_carb；

计算页岩地层脆性指数BRI＝(W_qtz+W_carb)/W_total，其中，W_total为总矿物含量。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述页岩地层最大水平有效应力数值为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{He}}=(\frac{\mathrm{\υ}}{1-\mathrm{\υ}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}})(P_s-\mathrm{\α}{P}_p)$

其中，σ_He为最大水平有效应力，β_MAX为最大构造应力系数，υ是地层泊松比，α为比奥特系数，P_p为孔隙压力，P_s为上覆岩层压力。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述孔隙压力为

P_p＝G₀H-(G₀-G_n)H_e，

其中，G₀为上覆岩层压力梯度，G_n为静水压力梯度，H为超压地层深度，He为等效深度。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述流动单元指数为：

$\mathrm{FZI}=\frac{0.0314\sqrt{k/\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\φ}/(1-\mathrm{\φ})},$

其中，k为页岩地层的渗透率，φ为页岩地层对应的孔隙度，FZI为页岩地层的流动单元指数；

所述流动单元内孔隙度与渗透率数据的关系模型表示为：

k＝aφ^b，

其中，参数a、参数b为常数。