CN112304754B - 一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法，涉及岩石力学领域，包括以下步骤：首先选取不少于10块2.5*5cm岩心样品进行三轴应力‑应变实验，计算有效应力系数和实验室脆性指数(能量法)；利用常规测井资料计算横波时差，进而求取动态体积模量；再由常规测井资料计算黏土含量、有效应力系数以及异常地层孔隙压力，并对黏土含量进行校正；最后以实验室脆性指数为标准，运用多元统计回归算法建立页岩脆性测井解释模型；本发明提出的页岩脆性测井评价方法，综合考虑了岩石矿物组分、岩石力学性质以及地层压力等因素，可表征岩石脆性随埋深的变化，更符合岩石脆性破坏特征，有效性和实用性较强。

Description

一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法
技术领域
本发明涉及一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法，通过对研究区少量岩样开展三轴应力-应变实验求取实验室脆性指数，再与测井资料相结合，即可快速、有效获得同区块所有井单井连续脆性剖面，实现全区脆性空间分布评价，属于岩石力学领域。
背景技术
页岩可压裂性评价目前已然成为页岩油甜点评价和压裂施工设计的重要技术支撑。通常采用脆性指数表征页岩的可压裂性，目前可反映岩石可压裂性最直接、有效的室内岩石脆性评价手段是对岩石样本进行三轴压缩应力-应变实验。全应力-应变曲线的峰前和峰后阶段分别反映岩石抵抗非弹性变形和破坏后维持裂缝扩展，但峰后曲线变化复杂且残余强度测量成功率低。为了获取连续的岩石脆性评价剖面，在实验室岩心脆性评价基础上，还需开展页岩脆性测井评价，目前主要采用矿物组分和弹性参数两种方法。虽然两种方法具有较强的实用性，但其存在问题也不容忽略：①矿物组分法中脆性矿物的界定模糊，且未考虑成岩作用，即使矿物成分相同，地层压力、孔隙大小、孔隙结构不同，脆性指数也可能差异较大；②弹性参数法仅考虑了岩石破坏前弹性阶段的特征，未考虑地层温压条件，杨氏模量和泊松比的等权重问题也值得商榷。
发明内容
为解决背景技术中的问题，本发明提供一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法，通过对研究区少量岩样开展三轴应力-应变实验，建立脆性指数评价标准，再由测井资料，综合考虑岩石矿物组分、岩石力学性质以及地层压力等因素，建立了页岩脆性测井定量评价模型。
本发明采用的技术方案是：一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法包括以下步骤：
S1：选取不少于10块2.5*5cm岩心样品进行三轴应力-应变实验：
S1.1：有效应力系数α：保持轴向应力的变量δσvl是孔隙压力变量δp的3倍，由轴向应力σvl随体积应变εv的关系，可得体积压缩系数
Figure GDA0002831870910000011
通过常规三轴应力-应变实验所得出的轴向和径向应力应变曲线，可得静态杨氏模量Es和泊松比vs，进而得到颗粒压缩系数
Figure GDA0002831870910000012
最后由有效应力系数的定义求得有效应力系数
Figure GDA0002831870910000013
S1.2：实验室脆性指数BI：从能量转化角度，岩石在外界荷载作用下破裂，所需外力做功越少，破裂前积累的弹性能越多，岩石破裂越容易，改造体积越大，以此建立新的脆性指数BI：
Figure GDA0002831870910000021
其中，
Figure GDA0002831870910000022
为岩石破坏前积累的总弹性能，σB为峰值强度；
Figure GDA0002831870910000023
为塑性屈服阶段前积累的弹性能，σA为屈服强度；
Figure GDA0002831870910000024
为塑性屈服阶段外力做的功，Ds为静态屈服模量。
S2：利用常规测井资料计算横波时差DTS，进而求取动态体积模量Kd：
DTS＝179.7768-45.4568*DEN+1.0445*DTC
Figure GDA0002831870910000025
其中，DTS为横波时差，单位为μs/ft；DTC为纵波时差，单位为μs/ft；DEN为岩性密度，单位为g/cm3；横波时差拟合公式中的系数由交叉偶极子声波测井数据刻度得到；Kd为动态体积模量，单位为MPa。
S3：由常规测井资料计算黏土含量Vill、有效应力系数αc以及异常地层孔隙压力Pp，并对黏土含量进行校正Vill′：
Vill＝-5.732+0.553*CN+0.0588*DTC
Figure GDA0002831870910000026
Pp＝σv-g*(ρb-ρw)*Dpthn
σv＝g*ρb*Dptha
Figure GDA0002831870910000027
其中，Vill为黏土含量，单位为％；黏土含量回归公式中的系数由岩心XRD分析结果刻度得到；CN为补偿中子孔隙度，单位为m3/m3；αc为测井计算有效应力系数，无量纲；Pp为异常地层孔隙压力，σv为上覆地层压力，单位均为MPa；g为重力加速度，单位为m/s2；ρb为平均地层密度，ρw为平均流体密度，单位均为g/cm3；Dptha为异常地层孔隙压力深度，Dpthn为正常地层孔隙压力深度，单位均为m。
S4：以实验室脆性指数为标准，刻度常规测井资料，运用多元统计回归算法建立页岩脆性测井解释模型：
BI＝1.1146-0.0244Kd-1.0605Vill′+0.619Kd*Vill′
上述方案中正常地层孔隙压力深度Dpthn需要由等效深度法求得，即假设异常地层孔隙压力深度Dptha上的岩石颗粒间压应力与正常地层孔隙压力深度Dpthn上的岩石颗粒间压应力相同，而在正常压力趋势线上深度Dpthn处的声波时差与异常压力深度Dptha处的声波时差相等。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在实验室脆性评价时，从能量角度研究岩石的变形破坏，突破了传统应力应变分析局限，各参数物理意义更明确；三轴压缩应力-应变曲线的峰后曲线变化复杂，直线简化将造成有效信息丢失，且残余强度测量成功率低，由全应力-应变曲线定义脆性指数不利于后期开展地球物理表征；因此，本发明只由峰前曲线，考虑岩石破裂的难易程度和维持裂缝扩展存储的能量多少，建立实验室脆性指数，既能表征岩石的可压裂性，又可与测井资料结合，开展单井连续脆性剖面和空间分布评价。
(2)本发明在测井脆性评价时，综合考虑了岩石矿物组分、岩石力学性质以及地层压力等因素，可表征脆性随埋深的变化、对比深层和浅层脆性差异；评价结果与传统的矿物组分法和弹性参数法相比，更符合页岩脆性破坏特征，有效性和实用性较强。
附图说明
图1是本发明技术方案流程框图。
图2是某一页岩样品三轴应力-应变曲线。
具体实施方式：
结合具体实施例对本发明进一步描述如下：
页岩脆性测井评价方法，本方案包括以下步骤：
S1：选取13块2.5*5cm岩心样品进行三轴应力-应变实验(评价结果见表1)：
表1三轴压缩应力-应变实验计算结果
Figure GDA0002831870910000031
Figure GDA0002831870910000041
S1.1：有效应力系数α：保持轴向应力的变量δσvl是孔隙压力变量δp的3倍，由轴向应力σvl随体积应变εv的关系，可得体积压缩系数
Figure GDA0002831870910000042
通过常规三轴应力-应变实验所得出的轴向和径向应力应变曲线，可得静态杨氏模量Es和泊松比vs，进而得到颗粒压缩系数
Figure GDA0002831870910000043
最后由有效应力系数的定义求得有效应力系数
Figure GDA0002831870910000044
S1.2：实验室脆性指数BI：从能量转化角度，岩石在外界荷载作用下破裂(见图2)，所需外力做功越少，破裂前积累的弹性能越多，岩石破裂越容易，改造体积越大，以此计算新的脆性指数BI：
Figure GDA0002831870910000045
其中，
Figure GDA0002831870910000046
为岩石破坏前积累的总弹性能，σB为峰值强度；
Figure GDA0002831870910000047
为塑性屈服阶段前积累的弹性能，σA为屈服强度；
Figure GDA0002831870910000048
为塑性屈服阶段外力做的功，Ds为静态屈服模量。
S2：利用常规测井资料计算横波时差DTS，进而求取动态体积模量Kd(评价结果见表2)：
DTS＝179.7768-45.4568*DEN+1.0445*DTC
Figure GDA0002831870910000049
其中，DTS为横波时差，单位为μs/ft；DTC为纵波时差，单位为μs/ft；DEN为岩性密度，单位为g/cm3；横波时差拟合公式中的系数由交叉偶极子声波测井数据刻度得到；Kd为动态体积模量，单位为MPa。
表2横波时差及动态体积模量测井计算结果
Figure GDA0002831870910000051
S3：由常规测井资料计算黏土含量Vill、有效应力系数αc以及异常地层孔隙压力Pp，并对黏土含量进行校正Vill′(评价结果见表3)：
Vill＝-5.732+0.553*CN+0.0588*DTC
Figure GDA0002831870910000052
Pp＝σv-g*(ρb-ρw)*Dpthn
σv＝g*ρb*Dptha
Figure GDA0002831870910000053
其中，Vill为黏土含量，单位为％；黏土含量回归公式中的系数由岩心XRD分析结果刻度得到；CN为补偿中子孔隙度，单位为m3/m3；αc为测井计算有效应力系数，无量纲；Pp为异常地层孔隙压力，σv为上覆地层压力，单位均为MPa；g＝9.8为重力加速度，单位为m/s2；ρb＝2.45g/cm3为平均地层密度，ρw＝0.92g/cm3为平均流体密度；Dptha为异常地层孔隙压力深度，Dpthn为正常地层孔隙压力深度，单位均为m。
表3黏土含量、有效应力系数及异常地层孔隙应力测井计算结果
Figure GDA0002831870910000061
S4：以实验室脆性指数为标准，刻度常规测井资料，由页岩脆性测井预测模型计算脆性指数：
BI＝1.1146-0.0244Kd-1.0605Vill′+0.619Kd*Vill′
表4给出了13块岩样的脆性评价结果，由本发明计算的测井脆性指数与岩心分析计算结果吻合较好，绝对误差在4％以内，验证了方法的有效性，解释精度满足测井解释评价需求。
表4脆性指数测井评价结果
Figure GDA0002831870910000062
Figure GDA0002831870910000071

Claims (2)

1.一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：选取不少于10块2.5*5cm岩心样品进行三轴应力-应变实验：
S1.1：有效应力系数α：保持轴向应力的变量δσvl是孔隙压力变量δp的3倍，由轴向应力σvl随体积应变εv的关系，可得体积压缩系数
Figure FDA0002831870900000011
通过常规三轴应力-应变实验所得出的轴向和径向应力应变曲线，可得静态杨氏模量Es和泊松比vs，进而得到颗粒压缩系数
Figure FDA0002831870900000012
最后由有效应力系数的定义求得有效应力系数
Figure FDA0002831870900000013
S1.2：实验室脆性指数BI：从能量转化角度，岩石在外界荷载作用下破裂，所需外力做功越少，破裂前积累的弹性能越多，岩石破裂越容易，改造体积越大，以此建立新的脆性指数BI：
Figure FDA0002831870900000014
其中，
Figure FDA0002831870900000015
为岩石破坏前积累的总弹性能，σB为峰值强度；
Figure FDA0002831870900000016
为塑性屈服阶段前积累的弹性能，σA为屈服强度；
Figure FDA0002831870900000017
为塑性屈服阶段外力做的功，Ds为静态屈服模量；
S2：利用常规测井资料计算横波时差DTS，进而求取动态体积模量Kd：
DTS＝179.7768-45.4568*DEN+1.0445*DTC
Figure FDA0002831870900000018
其中，DTS为横波时差，单位为μs/ft；DTC为纵波时差，单位为μs/ft；DEN为岩性密度，单位为g/cm3；横波时差拟合公式中的系数由交叉偶极子声波测井数据刻度得到；Kd为动态体积模量，单位为MPa；
S3：由常规测井资料计算黏土含量Vill、有效应力系数αc以及异常地层孔隙压力Pp，并对黏土含量进行校正Vill′：
Vill＝-5.732+0.553*CN+0.0588*DTC
Figure FDA0002831870900000019
Pp＝σv-g*(ρb-ρw)*Dpthn
σv＝g*ρb*Dptha
Figure FDA0002831870900000021
其中，Vill为黏土含量，单位为％；黏土含量回归公式中的系数由岩心XRD分析结果刻度得到；CN为补偿中子孔隙度，单位为m3/m3；αc为测井计算有效应力系数，无量纲；Pp为异常地层孔隙压力，σv为上覆地层压力，单位均为MPa；g为重力加速度，单位为m/s2；ρb为平均地层密度，ρw为平均流体密度，单位均为g/cm3；Dptha为异常地层孔隙压力深度，Dpthn为正常地层孔隙压力深度，单位均为m；
S4：以实验室脆性指数为标准，刻度常规测井资料，运用多元统计回归算法建立页岩脆性测井解释模型：
BI＝1.1146-0.0244Kd-1.0605Vill′+0.619Kd*Vill′。
2.根据权利要求1所述的一种考虑成岩作用和压力变化的页岩脆性测井评价方法，其特征在于：S3中正常地层孔隙压力深度Dpthn需要由等效深度法求得，即假设异常地层孔隙压力深度Dptha上的岩石颗粒间压应力与正常地层孔隙压力深度Dpthn上的岩石颗粒间压应力相同，而在正常压力趋势线上深度Dpthn处的声波时差与异常压力深度Dptha处的声波时差相等。
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