基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非常規(guī)油氣地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種基于脆延判定指數(shù) 的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 國(guó)內(nèi)外的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，泥頁(yè)巖的脆性特征關(guān)系到壓裂選層、勘探目標(biāo)優(yōu)選 乃至高效投產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等眾多重要方面。前人研究表明，隨著埋深(溫度和壓力)的增加，巖石本 身會(huì)發(fā)生從脆性破裂、延性變形向塑性流動(dòng)的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換特性在巖石力學(xué)、地震地質(zhì)學(xué) 等方面得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。泥頁(yè)巖作為地下的一種巖石，其脆性同樣是不穩(wěn)定的， 具有這種脆一延一塑性的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換特性。對(duì)于不同脆性礦物含量的泥頁(yè)巖，在成巖作用和 彈性力學(xué)等特征相同的情況下，往往隨埋深加大，地層壓力和溫度的升高，巖石本身的脆性 會(huì)降低，延性增強(qiáng)，并呈現(xiàn)不同脆一延一塑性質(zhì)的轉(zhuǎn)換特征。為了解泥頁(yè)巖這種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換特 性及其在平面上的展布特征，迫切需要研究建立一種泥頁(yè)巖脆性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在泥頁(yè)巖的脆性評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了大量的研究和論述，但大多 是基于室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，諸多參數(shù)在日常的勘探實(shí)踐中無(wú)法獲得，總結(jié)的脆性公式不具 有實(shí)用性。如《頁(yè)巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法及改進(jìn)》（李慶輝等，《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》，2012 年8月第31卷第8期）中，對(duì)這些方法進(jìn)行了詳細(xì)的匯總和概括。為克服脆性公式實(shí)用性 不強(qiáng)的缺陷，有國(guó)外學(xué)者嘗試采用彈性力學(xué)參數(shù)(泊松比、楊氏模量等)、脆性礦物組分(碳 酸鹽含量、石英、長(zhǎng)石含量）分別進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)，取得了較好的效果。如《A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: all shale plays are not clones of the Barnett shale》（Rickman R 等，SPE 115258,2008)。近年來(lái)，有國(guó)內(nèi) 學(xué)者綜合了彈性力學(xué)參數(shù)和脆性礦物組分進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)，也取得了較好的應(yīng)用效果。如《頁(yè) 巖氣儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性及脆性評(píng)價(jià)》（李慶輝等，《石油鉆探技術(shù)》，2012年7月第40卷第4 期)、《泥頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性及脆性評(píng)價(jià)》（刁海燕，《巖石學(xué)報(bào)》，2013年9月第29卷第 9期)。但上述脆性評(píng)價(jià)方法基于泥頁(yè)巖的內(nèi)在非均質(zhì)性參數(shù)，是一種靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，無(wú)法全 面、準(zhǔn)確的描述泥頁(yè)巖脆性在外在加載條件下的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。
[0004] 本發(fā)明充分考慮了泥頁(yè)巖在不同脆性礦物含量下脆延轉(zhuǎn)換深度的差異，在構(gòu)建脆 延判定指數(shù)的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)了泥頁(yè)巖在不同外在加載條件下的脆性特征，為泥頁(yè)巖的 脆性評(píng)價(jià)提供了一種新的思路和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用不同脆性礦物含量下脆延轉(zhuǎn) 換深度差異，定量評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖在不同外在加載條件下脆性特征的基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè) 巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)： 基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法包括： 步驟1，根據(jù)典型泥頁(yè)巖井的巖石密度統(tǒng)計(jì)，計(jì)算理想埋深下的垂直應(yīng)力； 步驟2,以典型泥頁(yè)巖井中的實(shí)際強(qiáng)度曲線為基礎(chǔ)，明確最小主應(yīng)力和脆性礦物含量的 定量關(guān)系，獲得理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的最小主應(yīng)力； 步驟3,根據(jù)理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的強(qiáng)度曲線，結(jié)合Byerlee摩擦定律，確 定相應(yīng)的脆延轉(zhuǎn)換深度； 步驟4,構(gòu)建脆延判定指數(shù)，進(jìn)行泥頁(yè)巖的脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。
[0007] 上述的基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法優(yōu)化方案是： 在步驟1中，以典型泥頁(yè)巖井位為依據(jù)，以巖心、常規(guī)測(cè)井、應(yīng)力測(cè)試等資料為 基礎(chǔ)，進(jìn)行巖石密度的統(tǒng)計(jì)；基于單軸應(yīng)力-應(yīng)變模型，計(jì)算理想埋深下的垂直應(yīng)力 :? ：
式中，_為垂直應(yīng)力，MPa ;彡為統(tǒng)計(jì)的泥頁(yè)巖密度，g/cm3 ; g:為重力加速度，m/s2 ; h為理想埋藏深度，m。
[0008] 在步驟2中，在典型泥頁(yè)巖井中，作垂直應(yīng)力和最小主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)交會(huì)圖，得到實(shí) 際埋深條件下的強(qiáng)度曲線。
[0009] 以典型泥頁(yè)巖井中的實(shí)測(cè)或估算的應(yīng)力、礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，明確最小主應(yīng)力 和脆性礦物含量?jī)烧咧g的定量關(guān)系：
式中，_:為脆性礦物含量，％; %為最小主應(yīng)力，Mpa; #為常數(shù)；是以自為 自變量的定量公式，可以是線性、指數(shù)、冪函數(shù)等多種形式，視具體的擬合情況而定。
[0010] 在實(shí)際的垂直應(yīng)力和最小主應(yīng)力交會(huì)圖中，可大致擬合出三種脆性礦物含量下的 強(qiáng)度曲線。其中，左側(cè)的直線代表了脆性礦物含量下限時(shí)的強(qiáng)度曲線；右側(cè)的直線代表了脆 性礦物上限時(shí)的強(qiáng)度曲線；中間的直線代表了脆性礦物上下限之間的強(qiáng)度曲線。由于三條 強(qiáng)度曲線均代表了泥頁(yè)巖的應(yīng)力變化，因此三者的斜率相同，但截止值不同，具體的定量關(guān) 系式為：
式中，為實(shí)際埋深下的垂直應(yīng)力，Mpa; :?為不同脆性礦物含量下的最小主應(yīng)力， MPa ;k為常系數(shù)，不同脆性礦物含量時(shí)k值相同；￡：為常數(shù)，不同脆性礦物含量時(shí):S值不 同。
[0011] 在得到上述不同脆性礦物含量下的強(qiáng)度曲線后，將步驟1中計(jì)算的理想埋深下的 垂直應(yīng)力代入，即可獲得理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的最小主應(yīng)力。
[0012] 在步驟3中，據(jù)步驟1和步驟2可得理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的強(qiáng)度曲線， 結(jié)合Byerlee摩擦定律，兩者交點(diǎn)即為相應(yīng)的脆延轉(zhuǎn)換壓力，進(jìn)而得到相應(yīng)的脆延轉(zhuǎn)換深 度：
式中，翁:::為脆延轉(zhuǎn)換壓力，吧&; |?_為統(tǒng)計(jì)的泥頁(yè)巖密度，g/cm3;蠢::為重力加速度， m/s2 ;錢(qián):為脆延轉(zhuǎn)換深度，m。
[0013] 所謂的Byerlee摩擦定律是指，巖石沿某一滑動(dòng)面發(fā)生摩擦滑動(dòng)的條件是該面上 的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力滿足關(guān)系：
式中，(6:::為正應(yīng)力，MPa; m為剪切應(yīng)力，MPa。
[0014] 在步驟4中，構(gòu)建脆延判定指數(shù)丨:||，定義為脆延轉(zhuǎn)換深度與當(dāng)前構(gòu)造埋深的差 值，即：
式中，_為脆延判定指數(shù)，m 為脆延轉(zhuǎn)換深度，m ;丨Hs:::為當(dāng)前構(gòu)造埋深，m。
[0015] 若脆延判定指數(shù)_:1:_，表明此時(shí)泥頁(yè)巖尚處于脆性階段，_值越大，越有利于 壓裂；若脆延判定指數(shù)纖，表明此時(shí)泥頁(yè)巖已處于延性階段，不利于壓裂。
[0016] 結(jié)合單井或特定區(qū)域的脆性礦物含量、構(gòu)造埋深和應(yīng)力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算脆延判 定指數(shù)，進(jìn)行泥頁(yè)巖的脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。
[0017] 上述方案更進(jìn)一步的優(yōu)化方案是： 在步驟4中，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)單井或特定區(qū)域外地區(qū)的脆延判定指數(shù)，可將變異函數(shù)為工 具，在滿足估計(jì)方差最小的條件下，計(jì)算未知區(qū)域的最佳線性無(wú)偏估值：
式中，:iil為待評(píng)價(jià)地區(qū)η處的脆延判定指數(shù)估值；_|為第:i 口井或特定區(qū)域處的 脆延判定指數(shù)；::?為與if嗜·關(guān)的加權(quán)系數(shù)，可通過(guò)求解下列克里金方程組求得：
式中
?:為研究區(qū)域內(nèi)各資料點(diǎn)間的協(xié)方差；
為待估計(jì)點(diǎn)與各資料點(diǎn) 相互間的協(xié)方差；.::,?為拉格朗日常數(shù)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明中的基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，充分考慮了泥頁(yè)巖在不同 脆性礦物含量下脆延轉(zhuǎn)換深度的差異，通過(guò)構(gòu)建脆延判定指數(shù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖在不同外在 加載條件下的脆性特征，為泥頁(yè)巖油藏的壓裂選層和勘探目標(biāo)優(yōu)選提供重要參考依據(jù)。
[0019]
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法的一具體實(shí)施例 的流程圖； 圖2是典型泥頁(yè)巖井中的巖石密度統(tǒng)計(jì)圖； 圖3是典型泥頁(yè)巖井中的脆性礦物含量與最小主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)交會(huì)圖； 圖4是不同脆性礦物含量(上限、下限、上下限）下的強(qiáng)度曲線圖； 圖5是不同脆性礦物含量下強(qiáng)度曲線與Byerlee摩擦定律聯(lián)合確定脆延轉(zhuǎn)換深度的交 會(huì)圖； 圖6是基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下文特舉出兩個(gè)較好實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0022] 實(shí)施例1 如圖1所示，圖1為本發(fā)明的基于脆延判定指數(shù)的泥頁(yè)巖脆性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法的流程圖。
[0023] 在步驟101中，以典型泥頁(yè)巖井位為依據(jù)，以巖心、常規(guī)測(cè)井、應(yīng)力測(cè)試等資料為 基礎(chǔ)，進(jìn)行巖石密度的統(tǒng)計(jì)；基于單軸應(yīng)力-應(yīng)變模型，計(jì)算理想埋深下的垂直應(yīng)力朽：
式中，錢(qián)為垂直應(yīng)力，MPa ; 為統(tǒng)計(jì)的泥頁(yè)巖密度，g/cm3 ; :f.為重力加速度，m/s2 ; 1V為理想埋藏深度，m。流程進(jìn)入到步驟102。
[0024] 在步驟102中，在典型泥頁(yè)巖井中，作垂直應(yīng)力和最小主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)交會(huì)圖，得到 實(shí)際埋深條件下的強(qiáng)度曲線。
[0025] 以典型泥頁(yè)巖井中的實(shí)測(cè)或估算的應(yīng)力、礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，明確最小主應(yīng)力 和脆性礦物含量?jī)烧咧g的定量關(guān)系：
式中，為脆性礦物含量，為最小主應(yīng)力，Mpa ;賽為常數(shù)；：__|是以傷 為自變量的定量公式，可以是線性、指數(shù)、冪函數(shù)等多種形式，視具體的擬合情況而定。
[0026] 在實(shí)際的垂直應(yīng)力和最小主應(yīng)力交會(huì)圖中，可大致擬合出三種脆性礦物含量下的 強(qiáng)度曲線。其中，左側(cè)的直線代表了脆性礦物含量下限時(shí)的強(qiáng)度曲線；右側(cè)的直線代表了脆 性礦物上限時(shí)的強(qiáng)度曲線；中間的直線代表了脆性礦物上下限之間的強(qiáng)度曲線。由于三條 強(qiáng)度曲線均代表了泥頁(yè)巖的應(yīng)力變化，因此三者的斜率相同，但截止值不同，具體的定量關(guān) 系式為：
式中，@為實(shí)際埋深下的垂直應(yīng)力，Mpa; ^為不同脆性礦物含量下的最小主應(yīng)力， MPa ;k為常系數(shù)，不同脆性礦物含量時(shí)k值相同；_為常數(shù)，不同脆性礦物含量時(shí)#值 不同。
[0027] 在得到上述不同脆性礦物含量下的強(qiáng)度曲線后，將步驟1中計(jì)算的理想埋深下的 垂直應(yīng)力:代入，即可獲得理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的最小主應(yīng)力。流程進(jìn)入到步 驟 103。
[0028] 在步驟103中，據(jù)步驟101和步驟102可得理想埋深時(shí)不同脆性礦物含量下的強(qiáng) 度曲線，結(jié)合Byerlee摩擦定律，兩者交點(diǎn)即為相應(yīng)的脆延轉(zhuǎn)換壓力，進(jìn)而得到相應(yīng)的脆延 轉(zhuǎn)換深度：
式中，I為脆延轉(zhuǎn)換壓力，MPa;聲:為統(tǒng)計(jì)的泥頁(yè)巖密度，g/