岩石物理学报告

前言对于非常规油气藏的开发，这里我主要以现今比较热门且拥有巨大潜力的页岩气开发为例，我们知道，中国主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿一30万亿立方米，与美国28.3万亿立方米大致相当，经济价值巨大。另一方面，生产周期长也是页岩气的显著特点。页岩气田开采寿命一般可达30〜50年，甚至更长。美国联邦地质调查局最新数据显示，美国沃思堡盆地Barnett页岩气田开采寿命可达80〜100年。开采寿命长，就意味着可开发利用的价值大，这也决定了它的发展潜力。中回厝左的城甜■瓷嚣普布卵页岩气开采技术，主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、页岩气开发重复压裂技术及最新的同步压裂技术，这些技术正不断提高着页岩气井的产量。正是这些先进技术的成功应用，促进了美国页岩气开发的快速发展。如果能引进这些先进技术，将为中国页岩气开发助一臂之力。国内外科学工作者也都十分关心页岩气的开采问题，我将从岩石脆性和异常地层压力这两个方面就相关文献做一个小结和心得。岩石脆性与页岩气页岩气藏属超致密储层，具有低孔、特低渗的成藏特征，开发需要大规模的水力压裂来提高产能。裂缝网络的展布特征直接受控于脆性矿物指数大小，其计算方法主要有两种，矿物岩石学法主要用于页岩气储层的定量评价，而岩石物理法是岩石整体力学的反映，一般在现场生产中，更能反映岩石的脆性。1.1脆性矿物指数对页岩气开发的意义页岩气属于一种“连续型”气藏，主要以吸附、游离或溶解状态赋存于暗色泥岩中,它既可以游离态方式存储于天然裂隙或岩石粒间孔隙，也可以吸附态方式存储于干酪根或砧土颗粒表面，或少量溶解于干酪根和沥青质1］。页岩气作为一种典型的“自生、自储”天然气聚集系统，具有分布广、厚度大、产气周期长等特点，但是也是一种典型的低孔（纳米级孔隙）、超低渗储层（渗透率小于1mD），勘探开采难度大，主要通过水力压裂技术，使天然开启的裂缝恢复活力，开启压裂裂缝，以提高生产效率。脆性指数作为水力压裂的核心评价参数，国内页岩气的勘探刚刚起步，没有统一的标准。对于岩石脆性指数的计算目前主要有岩石物理解释和岩石矿物学的方法。岩石物理解释方法主要是泊松比和杨氏模量的综合体现，这两个分量结合起来能够反映岩石在应力（泊松比）下破坏和一旦岩石破裂时维持一个裂缝张开（杨氏模量）的能力，因此有必要把脆性因素用一种结合了页岩力学性质的方式予以量化iRckman等利用岩石力学的方法计算脆性指数,即： 1H |，I"•:，:PR掀件=理^华一E.D.4：i引=\H BRIT其中:YMSC是综合测定的杨氏模量,MPa;PRC是综合测定的泊松比，林;YM_BRIT是均一化后的杨氏模量，无量纲;PR_BRIT是均一化后泊松比，无量纲；BI是脆性系数,。由于岩石物理法使用岩石力学参数泊松比、杨氏模量综合分析，是岩石整体力学的反映,因此，在现场实践中，大多数认为岩石物理法能反映岩石的脆性。2川南蚀区X井页吉脆性瑁放汁算统i十表立均伯1!■■：.'Iill壮土n均岩菖物孺法佑|买性担艇14行研沽均地1$11^.1£二|旧："135291112433.5-4741.53?-fill31133bX■)-;17：i31536□.19现1一4邕535根据北美页岩气水平井的压裂经验，相对较高的硅质或者碳酸盐矿物（大于40%）有利于形成裂缝网络，提高天然气渗流通道产气能力。因此脆性矿物指数的评价是页岩缝网压裂必须考虑的重要参数，一方面矿物的脆性特征是岩石内在属性的表现形式,另一方面，脆性特征也决定了页岩压裂设计中液体体系与支撑剂用量的选择。iRckman等根据北美页岩气多年的压裂实践经验总结出岩石脆性与压裂裂缝形态的关系，并建议在压裂设计中应充分考虑岩石的脆性特征来优选液体体系和支撑剂。虽然页岩气的勘探开发在国内刚刚起步，但是脆性指数大小直接影响压裂裂缝网络的展布特征，进而影响页岩气的产能。国内页岩气勘探开发起步不久，需要进一步的实验和生产实践来搞清页岩压裂缝网的延伸范围和控制机理。1.2页岩气地层岩石脆性指示因子叠前反演方法前已述及，杨氏模量和泊松比是表征页岩气储集体岩石脆性的重要指示因子，而叠前地震反演是从地震资料中获取岩石力学参数的有效途径。首先，在平面波入射等假设条件下推导了基于杨氏模量、泊松比和密度的纵波反射系数线性近似方程（YPD反射系数近似方程），该方程建立了地震纵波反射系数与杨氏模量反射系数、泊松比反射系数和密度反射系数的线性关系；其次，对该方程的精度和适用条件进行了分析；最后，建立了一种稳定获取杨氏模量和泊松比的叠前地震直接反演方法，并通过模型试算和实际资料试处理表明，基于新方程的反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取杨氏模量和泊松比参数，提供了一种高可靠性的页岩气地层岩石脆性地震识别方法。在平面波入射等假设条件下，建立基于杨氏模量、泊松比和密度的纵波反射系数线性近似方程为：

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矶斩—3)火（仞一|'土潟决既-3)(241)2

矶斩—3)…?\-2kAct(\ 1 2AAn+2上引1「6 F s(?c0—3-4k(7\24 }p该方程建立了纵波反射系数与杨氏模量反射系数、泊松比反射系数及密度反射系数的线性关系。可称之为YPD近似方程。其中，AE/E、Ac/。为杨氏模量和泊松比反射系数。以该方程为基础，在贝叶斯反演框架下，假设待反演杨氏模量、泊松比及密度反射系数服从柯西分布，该分布假设可以最大限度提高反演分辨率，假设似然函数服从高斯分布，同时在反演目标函数中加入初始模型约束，并通过初始模型建立各道去相关矩阵，消除待反演参数见的互相关性，建立了一种YPD-AVA叠前地震反演方法，实现岩石模量与泊松比叠前直接反演。杨氏模量和泊松比能够较好的表征岩石的脆性，评价页岩储层的造缝能力，页岩气“甜点”具有高杨氏模量和低泊松比特征，利用叠前地震反演获取杨氏模量和泊松比参数成为利用叠前地震资料进行页岩气甜点识别的重要手段。在平面纵波入射条件下，由Aki-Richard近似出发，推导得到基于杨氏模量、泊松和密度的Zoeppritz近似公式（YPD近似方程），奠定了叠前反演获取杨氏模量和泊松比的理论基础。在YPD近似方程基础上建立了一种稳定反演杨氏模量和泊松比的方法，模型测试表明，该方法在信噪比比较低的情况下仍能得到合理的反演结果，实际资料试处理验证了该方法在实际生产中的可行性，提供了一种从地震数据中直接提取杨氏模量和泊松比的叠前地震反演方法。气压裂与页岩气开发给我们的启示虽然页岩具有高采气速度是近年来才出现的现象，但是页岩知识，包括特殊的完井、压裂和页岩井的操作实际上已经发展了30余年，页岩气生产可追溯至近190年。在页岩气开发的最近10年中，主要通过技术的发展和配套以适应页岩气开发，页岩气的工程可采储量从约2%增至50%。配套技术，包括多级压裂水平井、低粘度滑溜水压裂液以及同步压裂，已经发展到在一个特定的油藏局部区域，通过打开天然裂缝，使裂缝系统的储层接触面积增至920X104m2。这些技术已经使几年前完全没被利用的巨大天然气储量的开发成为可能。当前和下一代技术，混合压裂、裂缝复杂性、裂缝流动稳定性和压裂液重复利用的方法，保证了更多的能源供应。本文根据公开发表的350多篇关于页岩完井、压裂和操作的文献，将地球科学和工程技术信息联系在一起，突出页岩的选择性起裂和微裂缝系统的稳定性两个信息，确定奋斗新领域，以期达到页岩开发新水平。美国页岩气的生产开始于1920s，并已随着页岩气技术的发展得到成长。仅在过去的几年中，技术上已取得了大量页岩气资源广泛开发的可能。页岩气的发展已使增加的天然气原始地质储量（GIP）采收率从最初的2%（Barnett，1998）增至50%（Barnett，2008）。绝大多数现代页岩气井的天然气原始地质储量的预计最终采收率（EUR）被认为在15%-35%范围（这取决于页岩、完井技术和操作）。EUR的增加主要是由于水平井中页岩特有技术的配套和压裂技术，而页岩EUR要取决于井的预计寿命。虽然许多经营者用50年作为预计寿命，但是最初几年净现值（NPV）很低。这个问题也存在于致密气的开发中，井生产上的连续改进使井的经济生命周期超过了50年。一个悬而未决、非常重要的挑战是维持这些老井生产和在预期生命晚期低产气量下低液化的能力。页岩井的递减曲线表现出早期急剧下降，生产中易于接触裂缝中的游离气和流体。在长期的生产报表中，早期的下降可能是双曲线的，随后过渡到相对稳定的生产，可能是指数形式的，许多公司和储量审计员报告的指数大于2n。小的地层孔隙和无支撑剂的天然裂缝是致密砂岩气藏气体生产的主要渗流通道。但在最近关于页岩中渗流通道的研究已经确定在干酪根和有机碳物质中的交叉空隙可能是基质组分游离气储存和流体运动的主要通道。页岩中的吸附气在储层压力降低时开始产出气体。假设在人工裂缝和最小天然裂缝闭合后有足够的生产工艺应用于维持和最大化流体采收率，由于超过40年的页岩气井产量均很低，因此，当前除开发技术之外，经济性则是讨论页岩气采收率必须考虑的因素之一。

页岩气中比较常见的压裂方法有含支撑剂和不含支撑剂的泡沫压裂、CO2和N2（无支撑剂）、凝胶、粘弹性凝胶、滑溜水压裂、活性压裂和各种混合压裂。在大多数情况下，第一个月过后需要支撑剂来维持生产（高渗透储层除外）。压裂液中的CO2或致密相（携砂）已经应用于Devonian页岩。在Devonian页岩的特定地区，CO2凝胶压裂液的产量比N2压裂液的高2倍，比泡沫压裂液的约高5倍。尽管天然气和泡沫压裂液似乎是页岩的理想压裂液，但是使用它们压裂的井的产量比使用滑溜水压裂的低。一方面是因为不易携带大量的支撑剂;另一方面是与需要进入并扩大页岩天然裂缝系统以及像滑溜水压裂液一样尽可能多地接触地层有关。泡沫通过其粘度的增加和贾敏效应的气泡变形阻碍了流体流动，具有天然的滤失控制。N2和CO2气体压裂可以进入页岩结构，但缺乏在气相中携带大量支撑剂的能力。稠化烃气体压裂使用丙烷或丁烷对于水敏感的页岩可能是一项突破性技术。HKXTOi（m）1000100滑溜水压裂iA\\10.12泡泳探裂CUM1217MMCFIDL!HKXTOi（m）1000100滑溜水压裂iA\\10.12泡泳探裂CUM1217MMCFIDL!1981toss1989I妈3时间/年完成的第一口井2(X)1图为滑溜水压裂、泡沫压裂和凝胶重复压裂的结果。产量增加部分是因为滑溜水可能破坏了旁路，但重复压裂需要解决的问题是裂缝和裂隙闭合的问题。一口井重复压裂后的产量提高了3倍，并且成直线维持了18年。图6（Cipolla，2009）为Barnett页岩滑溜水压裂和交联凝胶压裂的储层改造体积（SRV）对比。数据（Warpinski，2005）表明，滑溜水压裂的微地震可覆盖140acre。如果微地震事件相连，那么裂缝网络则将数百万平方英尺的储层面积连接到裂缝系统中。储层改造体积（SRV）从交联凝胶压裂的4.3X108ft3增加到滑溜水压裂的14X108ft3，证明滑溜水压裂

.OX) si{V=4V)xi(rft3的产气量大致上是父联凝胶压裂的两倍。Fisher(2002)提供的许多事例也证明了SRV.OX) si{V=4V)xi(rft3-500 -500D500 1000 15(X} 2000 250(1东距爪2500”4)00-1500100(，A-5<K)-(a)交联凝胶压裂2500”4)00-1500100(，A-5<K)-1000-100(} -5()0 0 500I0CM115002IXX)25<Ml东距(h)滑溜水压裂，更复压裂图6Barnett水平井交联凝胶压裂、

滑溜水压裂、重复压裂对比(注:岩石应力的传送可能会造成一些孤立的微地震点不能连接到裂缱,微地建方法中没有记录拉伸断裂,但它可以通过倾斜悦跟踪」

Fisher(2004)提供了复合压裂水力连接的实际形态，预测了Barnett极其复杂的裂缝，且在压裂时暂时抑制了周围6口井的生产(图7)。在压裂地区的微地震事件集合一般是复合压裂一个很好的标志，但这通常需额外的信息源来确认，如示踪回流、生产测井以及实际产气量和产水量。(见裂缝类型-颂2--1500-KMK)-500 0SOO100() 15002000 ¥5)西一东巾(h)压裂处理图7裂缝类型与Barnett地区直井中压裂处理实例性:压裂井周S的5口井暂时被压裂抑制/也些井在压裂之后产量通常比压裂之前高『)页岩气储层研究新进展随着页岩储层研究的不断深入，取得了一系列重要进展和认识，主要体现在对页岩储层孔隙空间类型、储层物性控制因素以及页岩气预测与评价几方面。主要的认识有：①页岩储层中的纳米孔隙及微裂缝是重要的储集空间;②矿物组成是影响储层储集性能及产能的重要因素，黏土矿物含量是影响页岩气吸附性及孔隙大小的主要因素，而脆性矿物可以有效改善储层物性并提高压裂的成功率;③有机质含量和热成熟度是影响页岩储层有机质纳米孔隙发育的关键因素；④基于页岩岩性精细划分，可以根据页岩储层岩性及岩相层段预测有利层段;⑤提出了利用层序地层学的方法对页岩储层进行研究的理念。这些成果和认识推动了页岩气储层研究的步伐，但仍存在许多科学难题尚未解决。如：页岩储层主要储集空间类型的贡献、连通性、差异性及变化规律；孔隙在成岩演化过程中的特征及形成时期、与页岩气生成的时间匹配关系；孔隙的保存机制；孔隙中游离气与吸附气量的相对含量及与孔隙度和渗透率的相互关系;孔隙度和渗透率测试方法的差异对物性评价的影响等，都是亟待解决的科研难题。参考文献：吴斌、肖世洪.脆性矿物指数计算方法及对页岩气开发的意义1003一5168（2014）10一0056—02（重庆能源集团页岩气公