鄂尔多斯盆地东部本溪组煤系致密砂岩储层脆性评价_李新虎.pdf

地测技术与工程第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0210引言储量丰富的致密砂岩气是目前国内非常规天然气勘探开发中最为可靠的目标，业已成为天然气增产的重要支撑。由于致密砂岩储层具有低孔低渗的特点，压裂改造也就成为了获得具有经济价值的产量的必行之举。目前学界普遍认为脆性作为重要的指标，对于寻找具备良好压裂效果的储层具有重要意义。国内外许多学者都对如何确切衡量储层脆性大小进行了许多探讨，目前有较多应用的思路主要是这2种：（1）从岩石学角度出发，即利用脆性矿物在总体矿物中所占的比例来表征脆性。之后沿着这一方向对于具体矿物是否属于脆性矿物和不同矿物对于脆性的贡献大小等问题，学者们进行了进一步研究，徐蕾对长石族矿物的脆性进行了比较，发现骨架外阳离子的大小和架状骨干内Al3+代替Si4+占位是否是有序会影响晶体的对称性与轴长，即阳离子越鄂尔多斯盆地东部本溪组煤系致密砂岩储层脆性评价*李新虎1，2，3，马天录1，郭杰1，程光艺1（1.西安科技大学 地质与环境学院，西安710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安710054；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安710021）摘要：致密砂岩储层的特性决定了脆性评价工作在其勘探开发过程中的重要性。研究区块内的脆性矿物为石英、碳酸盐矿物和黄铁矿，但不同矿物组分对于脆性贡献存在差异。为了更准确地衡量脆性，利用全岩矿物和黏土矿物X衍射实验、三轴岩石力学实验和特殊测井资料，提出一种基于改进灰色关联理论的新型评价方法。新方法能够将矿物组分对于脆性的贡献量化，结果显示石英为0.807、黄铁矿为0.758、碳酸盐矿物为0.496、黏土矿物为-0.896。通过对3种方法计算结果的比较，研究发现新方法既与原方法具有较好一致性，又弥补了原有2种方法在部分情况下计算存在较大差异的问题，这显示了其一定的优越性。利用该方法可以得到连续性的脆性剖面，对于现场射孔压裂施工具有一定的指导意义。关键词：本溪组；致密砂岩；脆性指数；灰色关联中图分类号：P618.13;TE311文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 111 06Brittleness Evaluation of Tight Sandstone Reservoirs in BenxiFormation Coal Measures in Eastern Ordos BasinLI Xinhu1，2，3，MA Tianlu1，GUO Jie1，CHENG Guangyi1（1.College of Geology and Environment,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.ShaanxiProvincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation,Xian 710054,China;3.Key Laboratory ofCoal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xian 710021,China）Abstract:The characteristics of tight sandstone reservoirs determine the importance of brittlenessevaluation work in their exploration and development process.The brittle minerals in the study blockare quartz,carbonate minerals and pyrite,but there are differences in the contribution of differentmineral fractions to the brittleness.In order to measure the brittleness more accurately,proposes a newevaluation method based on improved gray correlation theory using whole-rock mineral and claymineral X-ray diffraction experiments,triaxial rock mechanics experiments and special logging data.The new method can quantify the contribution of mineral components to brittleness,and the resultsshow 0.807 for quartz,0.758 for pyrite,0.496 for carbonate minerals,and-0.896 for clay minerals.Bycomparing the calculation results of the three methods,it is found that the new method is in goodagreement with the original method,and also compensates for the large difference in calculationbetween the original two methods in some cases.This shows its certain superiority.The method can beused to obtain a continuous brittle which is a guideline for the construction of field injection fracturing.Key words:Benxi formation;tight sandstone;brittleness index;gray correlation*国家自然科学基金-青年基金项目（41502137）111大，越能撑开整个架状结构，对称性越高，而有序程度越低，晶体对称性越差，轴长也越长；程敬华研究了不同成岩相对于脆性的影响，发现结晶程度越高的成岩相，抗压强度越大，孔隙度越大的成岩相，弹性模量越小，泊松比越小；赖富强则依据岩石物理参数赋予了矿物组分不同的脆性因子。（2）基于岩石力学进行评价，Rickman最先提出利用杨氏模量和泊松比来计算脆性指数；李庆辉等人更进一步，基于全面考虑岩石破坏过程的思路，从应力-应变曲线峰值前后的形态特征入手来分析岩石的脆性。然而上述这些方法大多是将泥页岩储层作为研究对象，对于同属于非常规天然气资源的致密砂岩储层的适用性还需要进一步验证。正当鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气开发进入方兴未艾之时，对于这一层位尤其是本溪组的储层脆性研究却并不太多。因此本文基于全岩X衍射实验、岩石力学实验和测井资料，针对研究区致密砂岩储层提出一种新的脆性评价模型，以期为之后的勘探开发提供参考。1区域地质及砂岩样品分析研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡这一构造单元东部，在其上古生界发育多套海陆过渡相含煤层系，具有良好的勘探潜力。其中，本溪组发育滨岸-浅海陆棚沉积，碎屑岩和碳酸盐混合发育；8#煤层分布在本溪组顶部，厚度大、分布连续，这一煤层也是本溪组致密砂岩气储层的主要烃源岩。研究区本溪组的砂岩类型主要为岩屑石英砂岩、石英砂岩和岩屑砂岩。研究区储层孔隙度最大值9.49%，最小值0.22%，平均5.9%；渗透率最大值0.910-3m2，最小值0.00410-3m2，平均值0.710-3m2，属于典型的低孔低渗致密储层。选取研究区本溪组的13个样品进行三轴岩石力学实验。样品的抗压强度最大值316.7 MPa，最小值21.6 MPa，平均值91 MPa。杨氏模量最大值38.410 GPa，最小值19.725 GPa，平均值29.456 GPa。泊松比最大值0.230，最小值0.005，平均值0.141。对同样的13个砂岩样品进行全岩矿物和黏土矿物X衍射分析，结果显示，研究区本溪组砂岩矿物组分主要为石英、黏土矿物、碳酸盐矿物（主要包括方解石、白云石及铁白云石）及非常少量的长石，这与区域砂岩类型背景具有一致性，如图1所示。其中石英含量54%80%，平均68.6%；黏土矿物含量2.5%45%，平均20.2%；碳酸盐矿物占比0.5%10.5%，平均7.2%；黄铁矿含量0.5%8%，平均3.7%。长石占比非常少，仅在3个样品中出现，含量分别为3%、1%、0.5%。黏土矿物的主要成分为伊利石和高岭石，含有少量的绿泥石和伊/蒙混层，如图2所示。图2砂岩样品矿物组成2脆性评价方法2.1基于岩石力学参数的脆性评价方法从物理意义上来说，泊松比代表着岩石抵抗破裂的能力，泊松比越小，岩石越易破裂，反之则越难；杨氏模量代表的是岩石的刚性也即岩石抵抗形变的能力，杨氏模量越大，岩石破裂后的支撑能力越强，反之越弱。因此可以认为当杨氏模量越大、泊松比越低，岩石的脆性就越强，利于开发的复杂缝网也就越容易形成。根据Rickman等人在2008年的思路，目前学界将基于杨氏模量和泊松比计算脆性指数的方法称为泊-杨法，具体来说就是依据2类参数在区间内的最值对其进行归一化处理，之后将两者进行平均得到的数值即为脆性指数。基于岩石力学参数计算得到脆性指数BIr=EBI+BI2（1）其中，均一化后的杨氏模量EBI=E-EminEmax-Emin100%（2）均一化后的泊松比BI=-minmax-min100%（3）（a）W74，2 416.91 m，石英（b）W35，2 441.63 m，长石（c）W109，2 384.23 m，黄铁矿（d）W138，2 816.58 m，伊利石图1砂岩组分特征第42卷第03期鄂尔多斯盆地东部本溪组煤系致密砂岩储层脆性评价李新虎，等Vol.42 No.03石英长石碳酸酸矿物贫铁矿黏土矿物9080706050403020100矿物含量/%12345678910111213样品序号长石112式中Emin杨氏模量最小值；Emax杨氏模量最大值；min泊松比最小值；max泊松比最大值；E杨氏模量，GPa；泊松比，常数。获取岩石力学参数的方法主要有2种：一种是依据实验室测定，另一种则是利用偶极声波测井资料进行换算。前者能够直接有效得到岩石力学参数，其局限性在于无法依据有限的现场取心进行大量的测试；后者则能够较为便捷地获取连续性数据，这种优势也使得第2种方法得到了广泛的应用。同时需要注意的是由于地应力形成、赋存和作用机理更接近岩石静态测试环境，测井换算得到的动态弹性参数需要转换为静态弹性参数之后才可以进行下一步应用。动态杨氏模量Ed=t2S3t2S-4t2Pt2S-t2P13.4（4）动态泊松比d=12t2S-2t2Pt2S-t2P（5）式中tP纵波时差，s/ft；tS横波时差，s/ft；介质密度，g/cm3。2.2基于矿物组分的脆性评价方法研究发现，岩石中石英、方解石等脆性矿物的含量对岩石的脆性指数有重要影响，一般而言除了利用弹性参数计算地层脆性指数之外，也可以利用脆性矿物含量占总矿物含量比例来评价岩石的脆性指数。为了确定何种矿物属于脆性矿物，本文根据X衍射分析结果，选取石英，黏土矿物、碳酸盐矿物和黄铁矿与杨氏模量和泊松比进行相关性分析，如图3所示，可以发现杨氏模量与石英、碳酸盐矿物和黄铁矿体积分数呈正比，与黏土矿物的体积分数呈反比；而泊松比与黏土矿物体积分数呈正比，与石英、碳酸