基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法

摘要

本发明涉及基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法，该方法通过建立页岩气储层的岩石物理模型，预测含不同矿物组成成分时岩石的拉梅系数，进而计算得到反映岩石破裂所需最小应力的参数；在此基础上，通过表征不同矿物组分的拉梅系数，得到能够直观反映矿物组分最小闭合压力系数三者关系的解释图版，将测井实测数据或经叠前反演得到的地震弹性数据引入解释图版中，对页岩气储层的最小闭合压力进行定量评价，选择最小闭合压力系数数值小的位置作为适宜于工程压裂的优质页岩气储层。本发明不用求得构造系数、孔隙压力参数即可使用测井资料或者地震资料评价储层的最小闭合压力，并依据最小闭合压力选取优质页岩气储层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种页岩气储层最小闭合压力评价方法，特别涉及一种基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法。

背景技术

对于页岩气储层，由于压裂改造直接影响着气产量，对地下应力参数的预测及评价决定着压裂改造能否成功，这些参数具体指最大水平主应力，最小水平主应力，最小闭合压力，其中最小闭合压力尤其重要，它代表地层开裂所需要的最小的力。因此，通过测井及地震方法对储层应力进行评价，在页岩气储层的开发中至关重要。在测井中，可以通过一些应力评价模型，比如黄荣樽模型，对储层的地应力参数进行直接计算，进而对储层进行评价（闫萍等，2006；丁世村等，2010；张晋言和孙建孟，2012）。但是，要使用这些方法，必须已知一些地下储层的参数，比如求解应力方法中所必须的反映构造作用的构造项（或称为构造系数），以及孔隙压力，由于成本的限制或者技术限制，这些参数往往不可得或不能够精确求得，导致无法求取地应力参数。且由于地层本身的非均质性，使得这种方法只能进行单井评价，不能在地震资料中实现。

所述黄荣樽模型指黄荣樽1984年提出的计算应力模型，本处所使用的公式为张晋言和孙建孟在2012年发表于测井技术上的文章《利用测井资料评价泥页岩油气“五性”指标》，见参考文献1。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法，该方法不用求得构造系数、孔隙压力参数即可使用测井资料或者地震资料评价储层的最小闭合压力。

为解决上述技术问题，本发明通过建立页岩气储层的岩石物理模型，预测含不同矿物组分时岩石的第一拉梅系数λ、第二拉梅系数μ与密度ρ的乘积λρ和μρ，根据这两个弹性参数，经计算得到反映岩石破裂所需最小应力的参数——最小闭合压力系数λ/（λ+2μ）；在此基础上，通过表征不同矿物组分的λρ-μρ相交会，并将对应的最小闭合压力系数以可区分的方式投影到每一个结点上，得到反映矿物组分——弹性参数——最小闭合压力系数三者关系的解释图版，将测井实测数据或经叠前反演得到的地震弹性数据引入解释图版中，对页岩气储层的最小闭合压力进行定量评价，选择最小闭合压力系数数值较小的区域作为适宜于工程压裂的优质页岩气储层。

本方法包括如下步骤：

步骤1： 使用微分等效介质岩石物理模型考虑矿物，干酪根，孔隙之间的关系，所述矿物指石英、方解石、粘土三种；将不同的矿物等效为球体形状的颗粒，将干酪根等效为扁平状裂缝形态的颗粒，不同形状颗粒的弹性性质使用Berryman的三维等效孔隙方法计算，分别计算不同矿物体积比下的石英含方解石，石英含粘土，石英含干酪根，粘土含干酪根，方解石含干酪根时候的体积模量，剪切模量；按照矿物体积比，使用算术平均求得混合物的密度；两两之间的体积比率按照10%进行变化；根据弹性参数之间的关系，由体积模量、剪切模量和密度求得第一和第二拉梅系数与密度的乘积λρ和μρ；所述Berryman三维等效孔隙方法，指使用三维的球形，针形，硬币形，裂缝形孔隙公式计算岩石中不同形状的孔隙对岩石的弹性性质的影响，本处应用公式见Mavko等1999年的书The rock physics handbook: tools for seismic analysis in porous media，其中的122页，见参考文献4。

步骤2：由步骤1中所得的λρ和μρ，求得最小闭合压力系数λ/（λ+2μ）；

步骤3：根据步骤1与步骤2中所得的表示不同物质组分的各点的弹性参数，以λρ为横轴，μρ为纵轴，做交会图，以最小闭合压力系数为第三维，用颜色表示；得到λρ-μρ-最小闭合压力系数的解释图版；其中各点的纵、横轴及颜色分别代表按照一定规律变化的λρ，μρ，最小闭合压力系数三个参数的值，由步骤1可知，每一个点都代表不同的矿物组分；

步骤4：将实际的测井数据或者经过叠前反演得到的地震弹性数据，依据弹性参数之间的关系，计算得到λρ，μρ，最小闭合压力系数；将这些参数投影到步骤3得到的交会图版中，根据交会图版对最小闭合压力系数进行评价；适宜于储层改造的优质页岩气储层最小闭合压力数值较小,因此在图版上表现为较低数值的最小闭合压力系数。

步骤1中不同矿物的混合方法，是将不同矿物作为有一定形状的颗粒按照微分的方式进行计算，其中干酪根等效为扁平状裂缝形态的颗粒进行计算。

步骤3中交会图图版λρ为横轴，μρ为纵轴，指示储层的弹性参数，使用最小闭合压力系数为色标指示最小闭合压力大小，每个点代表一定组分的矿物混合物。

本发明的基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法与现有技术相比具有以下有益效果。

本技术方案不用求得构造系数、孔隙压力参数即可使用测井资料或者地震资料定量评价储层的最小闭合压力，可以避免测井直接计算地应力参数所面对的参数不准确所导致的计算结果不准确；依靠岩石物理正演图版的制作，定量矿物——弹性参数——最小闭合压力系数之间的关系，通过最小闭合压力系数判断储层最小闭合压力的大小，可以依据此图版对测井资料、地震资料进行评价，得到优质页岩气储层的分布，其操作方式简单，评价效果准确。

附图说明

图1是基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法流程图。

图2是λρ-μρ-最小闭合压力系数解释图版。

图3是在同一深度，各向同性假设条件下得到的最小闭合压力系数图版与最小闭合压力图版的对比图。

图4是λρ-μρ-最小闭合压力系数解释图版在复杂岩性储层实际数据中的解释图。

图5是λρ-μρ-最小闭合压力系数解释图版在泥页岩储层实际数据中的解释图。

图6是根据图5图版所示规律在测井资料上得到的泥页岩井优质气层评价结果剖面图。

图7是根据图5图版所示规律在地震资料上得到的泥页岩储层优质气层评价结果过井剖面图。

 

具体实施方式

本发明提供了一种基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法。如图1所示，该方法通过建立页岩气储层的岩石物理模型预测含不同矿物组分的岩石的弹性参数，经计算得到最小闭合压力系数，在此基础上，通过表征不同矿物组分的λρ-μρ弹性参数相交会，并将对应的最小闭合压力系数以可区分的方式投影到每一个结点上，得到反映矿物组分——弹性参数——最小闭合压力系数三者关系的解释图版，将测井实测数据或经叠前反演得到的地震资料引入解释图版中，对页岩气储层的最小闭合压力进行定量评价，选择最小闭合压力系数数值较小的区域作为适宜于工程压裂的优质页岩气储层。为了更好的说明本方法，使用中国南方某页岩气储层井资料及地震资料对实施方式及效果进行具体说明。 

具体步骤如下：

步骤1： 使用微分等效介质岩石物理模型考虑矿物，干酪根，孔隙之间的关系，所述矿物包括石英，方解石，粘土三种；将不同的矿物等效为球体颗粒，将干酪根等效为扁平状裂缝形态颗粒，不同形状颗粒的弹性性质使用Berryman的三维等效孔隙计算，其关系式为： 

                                                 (1)

                                                  (2)

式中， 

K*、μ*分别代表所求的混合岩石的体积模量和剪切模量； 

K₁、μ₁分别代表第二相矿物的体积模量和剪切模量；

K*（0）、μ*（0）代表第一相矿物的体积模量和剪切模量，所述第一相指作为背景的矿物相； 

y代表加入物所占的百分比；

P^（*2）代表不同矿物颗粒形状的体积模量影响因子；

Q^（*2）代表不同矿物颗粒形状的剪切模量影响因子。

这里分别以粘土，方解石，石英，干酪根两两配对进行弹性参数求取，其中的两者体积按照10%的比率进行递变，求得不同矿物混合时的岩石的体积模量和剪切模量。

根据算术平均求得矿物两两组合时的密度，关系式为：

                                                                    (3)

式中，

ρ为矿物组合后的密度；

ρ₁，ρ₂分别为组合的两种矿物；

V₁为第一相矿物所占的百分比；

1- V₁为第二相矿物的百分比；

V₁按10%的比率变化；

在式中使用的各矿物的弹性模量和密度如表1所示：

表1 各矿物的弹性模量以及密度

矿物类型体积模量（GPa）剪切模量（GPa）密度(g/cm³)石英37442.65方解石76.8322.71粘土2192.55干酪根2.92.71.3

根据弹性参数之间的关系，由体积模量、剪切模量和密度求得λρ和μρ；

Berryman(1995) 的三维等效孔隙指用三维的球形、针形、硬币形、扁平状裂缝形四种形状来表征岩石中的复杂孔隙形态对弹性性质的影响；其中，球形、针形为刚性孔隙，当波穿过含刚性孔隙的岩石时形变较小，波速降低程度较小；硬币形、扁平状裂缝形孔隙为柔性孔隙，当波穿过含柔性孔隙的岩石时，其形变较大，波速降低程度较大，不同形状的公式见参考文献4。

步骤2：根据步骤1所得弹性参数，求得最小闭合压力系数，

最小闭合压力系数计算公式为：

MCPC=λρ/（λρ+2μρ）=λ/（λ+2μ）                                (4)

其中，

MCPC为最小闭合压力系数英文简写；

λ为第一拉梅系数；

μ为第二拉梅系数；

ρ为密度；

步骤3：根据步骤1与步骤2所计算的弹性参数，以λρ为横轴，μρ为纵轴，做交会图，以最小闭合压力系数为第三维，用颜色表示数值大小；得到λρ-μρ-最小闭合压力系数解释图版，其中的各点代表按照一定规律变化的不同矿物组分的λρ，μρ，最小闭合压力系数三个参数的值。如图2所示，图中最小闭合压力高值代表高应力区，表示差储层；最小闭合压力低值代表低应力区，表示优质储层；

为了说明最小闭合压力系数可以作为储层最小闭合压力的评价参数，此处求取了示例井具体情况下的最小闭合压力，并作λρ-μρ-最小闭合压力解释图版，与最小闭合压力系数的图版进行对比说明；最小闭合压力计算公式为

                                                         (5)

其中，

σxx表示最小闭合压力；

Pp表示静水压力，也称孔隙压力；

σzz表示上覆地层压力；

图3为在同一深度，各向同性假设条件下得到的最小闭合压力系数图版与最小闭合压力图版两者对比图，两图中分别以最小闭合压力、最小闭合压力系数为第三维，使用颜色表示数值大小，高值代表高应力区，低值代表低应力区；对比图表示，在同一深度、各向同性的假设下，最小闭合压力系数代表的大小关系与最小闭合压力一致，证明最小闭合压力系数可以较为精确的对储层最小闭合压力进行评价。最小闭合压力的计算及图3只是为了说明使用最小闭合压力系数可以表示最小闭合压力的大小，不属于本发明的组成部分。

 

步骤4：将实际的测井数据或者经过叠前反演计算得到的地震弹性数据纵、横波阻抗，经计算得到λρ，μρ，公式为

λρ=PI²-2*SI²                                                                       (6)

μρ=SI²                                                                                (7)

式中，

PI为纵波阻抗；

SI为横波阻抗。

根据公式（4）计算最小闭合压力系数。

将这些参数引入解释图版中，对储层的最小闭合压力进行评价，如图4所示，是将一口实测的复杂岩性储层数据引入解释图版中所得结果，图中，砂岩，泥质砂岩，砂质泥岩，泥页岩沿石英——黏土趋势线规律性变化，最小闭合压力系数也规律性变化；当砂岩、泥岩含气后，表现为λρ降低，μρ在一定程度上升高，最小闭合压力系数降低，含气泥岩比含气砂岩μρ低。图中使用黑色短线勾出了含气砂岩与含气页岩的分布区域。而图5为针对页岩气储层的交会图版应用，在图中，含气泥页岩的最小闭合压力系数小，不含气泥页岩的最小闭合压力系数大，在量版中明显的分为两部分，可以很容易的区分出优质含气页岩储层。

 

图6为图5中数据在示例井剖面上的反映，图中指出了钻井过程中气测评价的页岩气层，以及经图5所示解释图版评价的优质页岩气层位置，解释图版所得结果与气测结果一致性较好。图中从左往右，每一图道依次为：岩性，钻井气测评价页岩气层，深度，岩性曲线，电阻率曲线，λρ和 μρ, 最小闭合压力系数，最小与最大水平主应力，破裂压力。每一道旁边的柱状颜色都表示根据图4解释得到的优质页岩气储层在井剖面上的位置，这些经解释所得气层与在钻井过程中的气测气层位置对应较好，证明了这种方法在测井评价中是准确的。

 

将叠前反演所得到的纵、横波阻抗，按照公式（6）、（7）计算得到λρ和 μρ，再通过公式（4）得到最小闭合压力系数，引入图2所示图版中，并按照图5所示含气页岩规律划分优质储层区域，得到地震数据储层评价结果，如图7所示，为过A、B两口页岩气井的剖面，A井为直井，B井为一口水平井，地震剖面上的黑色区域为经图版预测的低最小闭合压力系数数值区域，即低最小闭合压力数值区域，也就是优质页岩气储层位置，这与A井中的低最小闭合压力位置一致，与B井中水平井压裂出气位置一致。证明了这种方法在地震数据中应用的有效性。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

 

参考文献

1. 张晋言, 孙建孟.利用测井资料评价泥页岩油气“五性”指标.测井技术,2012,36(2): 146-153.

2.闫萍, 孙建孟, 苏远大.利用测井资料计算新疆迪那气田地应力:新疆石油地质, 2006, 27(5): 610-614.

3.丁世村. 偶极横波资料在低孔低渗储层改造中的应用.工程地球物理学报, 2010,7(6): 704-709.

4.Mavko, G., T. Mukerji., and J. Dvorkin. The rock physics handbook: tools for seismic analysis in porous media. Cambridge University press. 1999.