岩石脆性预测及参数综合计算方法

页岩的脆性对工程压裂裂缝的发育模式有非常重要的影响。页岩的脆性越高，越容易产生裂缝。决定页岩脆性的是它的力学性质，通常用杨氏模量E和泊松比作为评价页岩脆性的标准。杨氏模量和泊松比是岩石在外界应力作用下的反映，杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，岩石越不容易发生形变。泊松比的大小标志了材料的横向变形系数，泊松比越大，说明岩石在压力作用下越容易膨胀。不同的杨氏模量和泊松比的组合表示岩石具有不同的脆性，杨氏模量越大，泊松比越低，页岩的脆性越高。这就为利用弹性参数反演方法来预测页岩脆性提供了理论依据。

目前多采用弹性模量和泊松比计算页岩脆性，认为弹性模量和泊松比可以较好地反映页岩在应力作用和微裂缝形成时的破坏能力。页岩产生裂缝后，泊松比可以反映应力的变化，弹性模量反映维持裂缝扩展的能力。

一般而言，低泊松比、高弹性模量的页岩其脆性更好。如图2—14所示，采用Barnett页岩的数据可描述上述理论，箭头表示脆性逐渐增强的方向，并将北美Haynesville页岩，Eagle Ford页岩和中国南方部分地区的页岩测试结果进行了投影。结果显示，南方黑色页岩的脆性属于中等程度，造缝能力一般，且露头试样的脆性特征好于井下岩心。

图2—14　脆性与弹性模量、泊松比的关系(www.xing528.com)

在脆性分析的基础上，建议采用弹性模量、泊松比和矿物组成特征共三项指标作为参数综合计算脆性指数。因为页岩脆性的表现与所含矿物类型相关性非常明显，脆性矿物含量高的页岩其造缝能力和脆性更好。此外，矿物组成作为岩性识别标准，提高了计算结果的细分性和可靠性。实际计算过程中，采用静态弹性模量、静态泊松比和脆性矿物质量分数作为基础参量，针对不同地区特征参数归一化后，计算综合脆性指数。单井综合脆性参数的计算流程如下：

（1）利用常规测井数据计算动态弹性模量和动态泊松比，依据动、静态弹性参数转化方程计算静态弹性模量和静态泊松比。

（2）采用元素俘获谱测井（ECS）或放射性能谱测井数据，分析脆性矿物占矿物总质量的百分比，用岩心分析数据校正，得到脆性矿物的质量分数。

（3）对静态弹性模量、静态泊松比和脆性矿物质量分数分别针对地区特征进行归一化处理，得到无量纲参数B1、B2 和B3，并求它们的算术平均值，得到综合脆性指数IB。

（4）计算单井脆性参数剖面，从而预测一定深度范围内目的层的脆性程度。该方法在力学特性评价的基础上，增加了矿物组成这一因素，对具有相近弹性参数的岩石进行了区分。实际应用时，可依据压裂设计的裂缝半长、缝高和产能需求计算临界裂缝宽度，获得临界脆性指数，并结合测井资料解释结果、录井显示和岩心含气量测试结果，综合优选压裂层段。