基于灰色关联与层次分析的脆性指数预测方法——以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层为例.pdf
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1、 第 47 卷第 4 期物 探 与 化 探Vol.47,No.4 2023 年 8 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Aug.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1242刘庆,张镇,杨帅,等.基于灰色关联与层次分析的脆性指数预测方法 以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层为例J.物探与化探,2023,47(4):944-953.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1242Liu Q,Zhang Z,Yang S,et al.Method for brittleness index predictio
2、n based on grey correlation and analytic hierarchy process:A case study of the tight res-ervoirs in the Lucaogou Formation of the Jimusaer Sag,Junggar BasinJ.Geophysical and Geochemical Exploration,2023,47(4):944-953.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1242基于灰色关联与层次分析的脆性指数预测方法 以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层为例刘庆
3、1,张镇2,杨帅1,李枫凌1(1.中国石油 新疆油田分公司 油田技术服务分公司,新疆 克拉玛依 834000;2.中国石油 新疆油田分公司 克拉玛依红山油田有限责任公司,新疆 克拉玛依 834000)摘 要:吉木萨尔凹陷致密储层因储层物性差,需要水力压裂才能获得工业油流。开展对应的岩石力学特性研究及脆性评价可为水力压裂工艺提供参考依据。本文通过三轴力学试验获得吉木萨尔致密地层的力学特性。开展脆性指数的测井敏感性相关性分析,确定对岩石脆性潜在敏感的测井参数,依据灰色关联理论,确定敏感参数的初始序列并对筛选的参数归一化处理,继而将筛选出的敏感参数对脆性指数潜在敏感性进行量化关联分析,获得各参数对脆
4、性指数的关联度大小,确定各关联度的次序。在此基础上,基于层次分析法构造敏感参数的两两比较判断矩阵,确定权重向量,构建了脆性指数与敏感参数间的函数关系模型,从而建立了新的脆性指数预测模型,将测井模型与基于力学特性的脆性模型、室内测试的脆性指数进行比较。研究表明:吉木萨尔致密地层具有较强的脆性特征,基于全过程应力应变曲线表征的综合脆性指数符合实际岩石的脆性特征:灰色关联法确定的对脆性指数敏感的测井参数的关联度大小的顺序依次为自然伽马(GR)、电阻率(Rt)、密度()、中子(CNL)、声波时差(T);层次分析法构建的新预测模型中上述敏感参数的权重系数分别是 0.33、0.22、0.18、0.16、0
5、.11;将该法应用于吉木萨尔芦草沟组,预测的脆性指数与实验室测试的相对比,能够较真实地反映实际地层的脆性,吻合度高。试油结果表明,米采油指数与脆性指数呈正比,脆性指数高的层段,压裂后的产能高。因此,新方法为脆性指数预测提供了新的思路,为储层的压裂改造提供了参数指导。关键词:灰色关联;层次分析;脆性指数;致密储层;芦草沟组中图分类号:P631.4 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)04-0944-10收稿日期:2022-05-20;修回日期:2023-03-21基金项目:国家自然科学基金项目(51974332)第一作者:刘庆(1987-),男,新疆油田公司地质勘探专业工程师
6、,本科学历,主要研究方向为测井、地质勘探。Email:dxlq 通讯作者:张镇(1990-),男,新疆油田公司油气田开发(地质)专业工程师,工商管理硕士,地质勘探学士。Email:hs_zhz 0 引言为了满足国家经济的高速发展,对石油能源的需求逐年增加。而国内常规油气增产难度越来越大,已无法满足工业需求。致密油气资源潜力大,分布广泛,近年来已越来越受到高度重视1-3。致密油气储层因非均质性强、孔隙度与渗透率极低等特征,加大了开采的难度,致使其获得高效的产能面临巨大挑战。为了突破该瓶颈,水平井分段体积压裂进行储层改造应用越来越广泛。而岩石脆性是评价地层可压性进而制定有效的体积压裂方案的重要因素
7、。脆性指数在钻探工艺、煤层气开采、地下工程中也逐渐受到重视。在致密储层开采中,岩石的脆性指数反映了岩石破裂的难易程度,对于脆性并没有一个统一的定义。通常认为,脆性指数高的地层,内部的天然裂缝网络越发育,能够形成复杂的裂缝网络。目前获取脆性指数的方法总体分为两类,即室内测试与测井预测。室内测试法主要依据岩石力学试验,如单轴、4 期 刘庆等:基于灰色关联与层次分析的脆性指数预测方法 以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层为例三轴试验,静态弹性参数测试及矿物测试分析4-6。尽管室内测试可以获得精确的脆性指数,但测试流程繁琐、依赖钻孔取心、测试费用昂贵,并且无法获得连续的脆性指数剖面。相比之下,测井
8、预测方法的流程简单,花费的物力较少,获得的数据也能够真实接近岩石的脆性特征。测井预测法主要分为矿物组分法和弹性参数法。矿物组分法利用测井方法计算地层的石英、方解石等脆性矿物的含量,进而获得脆性指数。而弹性参数法则通过纵、横波时差转换和密度测井资料,获得杨氏模量和泊松比,然后得到脆性指数。矿物组分法受组分矿物计算的精度的影响,存在一定的局限性。弹性参数法则需要横波资料,然而油田现场并非所有井都有横波测井资料,因此该方法也难以全面推广。灰色关联法本质上是用有限数列解决无限空间问题,以获得系统内各因素的关联度,从而可知各因素对目标函数的重要程度,进而避免人为确定各因素指标权重的主观性7-9。近年来,
9、灰色关联法在致密砂岩油藏压后产量预测、油藏开发方案优选方面有研究,而在脆性指数预测方面研究较少。层次分析法(AHP)是一种把复杂问题中的各因素通过划分为相互联系的有序层次且支持多准则决策的方法,在可压裂性评价方面应用较多10-11,目前在脆性指数预测方面也逐步有少量应用。而将灰色关联理论与层次分析法结合预测脆性指数目前还没有相关研究。本文以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组地层为例,基于常规测井资料,首先将测井参数与脆性指数进行相关性分析,从定性的角度筛选出对脆性指数敏感的参数;紧接着通过灰色关联法确定敏感参数的初始序列,从定量的角度获得潜在敏感参数与脆性指数的关联度大小,获得对脆性指数敏感程度的
10、排序;进而基于层次分析法构造两两判断矩阵,确定权重向量,构建脆性指数与敏感测井参数的函数关系模型;最终建立新的脆性指数预测模型,以实现对脆性指数的连续预测。将上述方法应用于实际井中,将预测的结果与实验室测试结果对比,并借助水力压裂过程中的微震监测结果辅助分析,证实该方法可以精确地预测脆性指数,为致密储层水力压裂提供参数依据。1 研究区地质概况及储层特征吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东南方位,南、北方向分别以三台断裂、吉木萨尔断裂为界,西部方向以西地断裂为界,东部方向以奇台凸起为界,呈箕状凹陷(图 1),面积约为 1 278 km2。区内二叠系芦草沟组厚度大,平均厚度约为 300 m 左右,整体呈南
11、厚北薄、西厚东薄的趋势,分布较为广泛,分布面积为900 km2左右。芦草沟组地层自下而上共分为芦草沟组一段(P2l1)和二段(P2l2)两套致密型砂泥岩正旋回储盖组合,表现为源储一体、近源成藏、纵向上整体含油的特征12-13。芦草沟组地层平均孔隙度为 14.3%,平均渗透率为 0.1 mD(图 2),为典型的致密储层。图 1 吉木萨尔凹陷构造位置Fig.1 Structural location map of Jimusaer Sag图 2 芦草沟组地层物性分布Fig.2 Physical property distribution of Lucaogou Formation549物 探 与
12、化 探47 卷 2 现有脆性评价方法统计分析目前脆性指数评价方法可分为 5 大类,共有 22种方法(表 1),总体来讲,主要是通过实验室分析与测井预测两种途径获得14-17。BI1 BI16主要通过岩石力学实验获取,依据岩石压裂后的特征及压裂过程中的测量数据进行评价,尽管这种方式会比较准确,但对于产层较多、较薄的致密储层,对每个小层的岩心样品进行实验测量需要昂贵费用与较长周期,同时实验获得的结果不连续,这种方法存在较大局限。BI17BI18既可通过实验测试也可利用测井资料预测获得,BI19是通过测井资料预测获得,BI20BI22可通过 XRD 测试或者矿物含量测井获得。虽然测井预测方法存在一定
13、多解性,但因测井数据具有连续性强、分辨率高的特点,实际过程中可以将多解性减少到可接受的范围。因此,相比于室内试验,这类预测方法具有经济、实效与精度高的优势。表 1 现有脆性指数评价方法统计Table 1 Statistics of brittleness index evaluation method原理分类公式变量说明获取方法基干硬度或坚固性BI1=(Hm-H)/KH 为硬度,GPa;Hm为微观硬度,GPa;K 为体枳模量,GPaBI2=H/KICKIC为断裂韧性,MPam1/2BI3=HE/K2ICE 为静态杨氏模量,GPaBI4=qcq 为直径小于 0.6 mm 碎屑百分比,%;c为抗压
14、强度,MPaBI5=c/dc 为裂纹长度,m;d 为韦氏测试特定载荷下贯入尺寸,mBI6=tdec/tinctdec为平均载荷减少时间,s;tinc为平均载荷增加时间,sBI7=Fmax/PFmax为试件所受最大载荷,kN;P 为相应的贯入深度,mm硬度测试硬度和韧性测试陶质材料测试兽氏冲击实絵贯入实验基于强度比值BI8=c/tBI9=(c-t)/(c+t)BI10=ct/2BI11=(ct)0.5/2c为抗压强度,MPa;t为抗拉强度,MPa单轴抗压測试和巴西劈裂实验基于全应力应变特征BI12=(pr)/pBI13=r/tBI14=Wr/WtBI15=ux100%BI16=(p-r)/pBI
15、17=/4+/2BI18=sinp为剪切强度峰值,MPa;r为残余剪切强度,MPar为可恢复应变,无量纲;t为总应变,无量纲Wr为可恢更应变能,J;Wt为总应变能,Jux为不可恢复轴向应变,无量纲p为应变峰值,无量纲;r为残余应变,无量纲 为内摩擦角,rad应力应变测试应力应变测试或声波测井数据基于弹性力学参数BI19=(En+vn)/2En为归一化杨氏模量,无量纲;vn为归一化泊松比,无量纲密度与声波测井基于岩石矿物组分BI20=Wqtz/WotBI21=(Wqtz+Wdot)/WotBI22=(WQFM+WCar)WotWqtz为石英含量,%;Wot为矿物总量,%Wdot为白云岩含量,%W
16、QFM为硅酸盐岩含量,%;WCar为脆性碳酸盐岩含量,%实验室 XRD 测试或矿物含量测井3 致密储层脆性指数实验分析采用美国生产的 MTS 全伺服三轴岩石力学测试系统,对致密储层标准岩样开展岩石力学实验,标准圆柱岩样的尺寸为 50 mm25 mm。加载过程中,围压预定值设置为 40 MPa,当围压达到了预设值后,开展轴向加载至岩石破坏,加载速率为 0.001 mm/s,当岩石破坏后,轴向加载速率改变为 0.001 5 mm/s,加载过程中对应力、应变数据进行记录。本文采用基于三轴力学实验中的全过程应力应变曲线特征来表征岩石的脆性特征,该方法既能够反映峰前力学特性,也能够反映峰后对应的特征。该
17、方法中峰值应变值被用来表征脆性破坏的难易程度,而峰后曲线形态特征被用来表征脆性强弱,方法流程如图 3 所示。图 3 基于全过程应力应变的脆性指数计算方法Fig.3 Calculation method of brittleness index based on stress-strain in whole process 该方法将脆性指数分为两部分,即峰值应变指数 BIP、峰后形态指数 BIS,可用下式来表达:BIe=BIP+BIS,(1)式中,BIe为实验室方法获得的脆性指数。峰值应变指数 BIP求取方法如下:BP=P,(2)649 4 期 刘庆等:基于灰色关联与层次分析的脆性指数预测方法
18、以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层为例BIP=BP-NM-N,(3)式中:BP为峰值应变参变量;P为峰值应变量;M、N分别对应单轴压缩实验中的峰值应变极值,M=max BP(),N=min BP(),根据测试的岩样数量决定,吉木萨尔凹陷芦草沟组取值为 0.02、0.001 8。峰后形态指数 BIS由公式CPBP=PP-r()Pr-P()=P-rEPr-P(),(4)BIS=CPBP+kCPBP+,(5)计算获得。式中:P、r对应峰值强度与残余强度;P、r对应峰值及残余应变量;EP为峰值强度点对应的割线模量;CPBP对应峰后应力应变曲线形态参数;、k、为标准化系数,通常取值范围为 01,其
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