新疆油田獲中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利金獎(jiǎng)破解巖石密碼

文／姜晶華

●金獎(jiǎng)背后，是無數(shù)次的研究討論。

是遵循北美頁(yè)巖油氣通行的技術(shù)方法，在挫敗面前止步不前，還是始終不渝，創(chuàng)立一種適合我國(guó)陸相頁(yè)巖油巖石脆性指數(shù)表征方法，用以指導(dǎo)同類油氣藏的勘探開發(fā)？

大約10年前，新疆油田勘探開發(fā)研究院的科研團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定地選擇了后者。歷經(jīng)千回百轉(zhuǎn)，今年7月14日，一項(xiàng)名為“一種巖石脆性的測(cè)井方法及裝置”榮獲中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利金獎(jiǎng)。

這項(xiàng)成果的核心是：以巖石學(xué)、巖石力學(xué)、巖石物理學(xué)參數(shù)聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)了巖石脆性指數(shù)與巖石物理參數(shù)之間內(nèi)在的變化規(guī)律，發(fā)明了具有膠結(jié)物類型、含量及應(yīng)力環(huán)境校正的巖石脆性指數(shù)表征方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，突破了我國(guó)陸相地層測(cè)井脆性高精度連續(xù)表征技術(shù)瓶頸。

待解的技術(shù)瓶頸

巖石脆性指數(shù)表征方法，是一把打開碎屑巖可壓性評(píng)價(jià)的“鑰匙”，讓石油人能提前預(yù)測(cè)哪些儲(chǔ)層壓裂后產(chǎn)量會(huì)更高，為這類儲(chǔ)層的高效勘探和開發(fā)提供“密碼”。

但是，“巖石脆性表征現(xiàn)有的技術(shù)方法都具有一定應(yīng)用環(huán)境和使用條件，沒有一種技術(shù)方法可以適用所有的地質(zhì)條件。”對(duì)于這一點(diǎn)，“一種巖石脆性的測(cè)井方法及裝置”發(fā)明專利的第一完成人孫中春深有體會(huì)。

十年前，新疆油田向吉木薩爾頁(yè)巖油邁出勘探步伐，并接連獲得新發(fā)現(xiàn)。然而，由于儲(chǔ)層品質(zhì)不高，必須通過壓裂來實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)。隨之，作為壓裂設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，巖石脆性指數(shù)高精度連續(xù)測(cè)井表征成為急需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

起初，這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)算不上難題。當(dāng)時(shí)，油氣現(xiàn)場(chǎng)通行的測(cè)井連續(xù)脆性表征方法是在北美頁(yè)巖油氣勘探實(shí)踐基礎(chǔ)上形成的。主要有兩類：一類是動(dòng)態(tài)參數(shù)法，另一類是脆性礦物含量法。

不料，使用此類方法后，吉木薩爾頁(yè)巖油甜點(diǎn)脆性表征出現(xiàn)了令人遺憾的結(jié)果。

“以吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油甜點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的脆性分類為例，動(dòng)態(tài)參數(shù)法脆性分類的準(zhǔn)確率不足60%，礦物含量法的脆性分類準(zhǔn)確率不足40%。”孫中春介紹說。

2011年，在查閱了大量文獻(xiàn)和進(jìn)行了反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，孫中春領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)找到了制約北美頁(yè)巖油氣測(cè)井連續(xù)脆性表征方法的核心原因——這兩類方法存在明顯的技術(shù)不足。一是沒有考慮碎屑巖儲(chǔ)層的膠結(jié)方式、膠結(jié)物類型和含量的影響；二是沒有考慮環(huán)境應(yīng)力變化對(duì)巖石脆性的影響。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油甜點(diǎn)膠結(jié)的類型及含量變化較大，既有黏土膠結(jié)又有碳酸鹽巖膠結(jié)，且甜點(diǎn)埋深的變化較大。應(yīng)用現(xiàn)有的兩類方法，造成了碳酸鹽巖膠結(jié)甜點(diǎn)計(jì)算的脆性指數(shù)明顯偏小，黏土膠結(jié)物含量較高的甜點(diǎn)計(jì)算的脆性指數(shù)明顯偏高。同一巖性的甜點(diǎn)小層，出現(xiàn)了隨埋深增大脆性指數(shù)顯著增大的違背巖石力學(xué)基本特征的不合理的現(xiàn)象。

“從吉木薩爾頁(yè)巖油擴(kuò)展到更廣的范圍來看，由于我國(guó)低滲透、致密及頁(yè)巖油儲(chǔ)層多發(fā)育于陸相地層，這兩類方法的技術(shù)缺陷在陸相地層應(yīng)用問題較為突出。陸相地層巖石脆性測(cè)井高精度的連續(xù)表征成為技術(shù)瓶頸，急需突破。”孫中春說。

曲折的探索實(shí)踐

“低滲透、致密油、頁(yè)巖油氣需要壓裂才能有效開發(fā)。巖石的脆性指數(shù)是儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)潛能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，巖石脆性指數(shù)連續(xù)測(cè)井表征是壓裂設(shè)計(jì)的核心技術(shù)……找到巖石物理參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性是實(shí)現(xiàn)巖石脆性指數(shù)測(cè)井連續(xù)高精度表征的技術(shù)關(guān)鍵……”這段話在孫中春和科研團(tuán)隊(duì)的討論中出現(xiàn)了無數(shù)次。

為了找到這種“內(nèi)在關(guān)聯(lián)性”，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種巖石力學(xué)和巖石物理學(xué)參數(shù)聯(lián)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方案。

從2011年到2014年，由克拉瑪依的實(shí)驗(yàn)室到內(nèi)地高校的實(shí)驗(yàn)室，再由國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室到國(guó)外的實(shí)驗(yàn)室，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷著“坐過山車式”的心路歷程。多次的實(shí)驗(yàn)失敗，沒有磨滅研究人員的信心。總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)效果不理想的原因：一是模擬的應(yīng)力環(huán)境不夠理想，二是聯(lián)測(cè)的技術(shù)方法不夠理想。

莫道浮云終蔽日，嚴(yán)冬過盡綻春蕾。研究人員按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)流程，參加實(shí)驗(yàn)過程并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)質(zhì)控。最終，實(shí)驗(yàn)順利完成并達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示：巖石的脆性隨黏土膠結(jié)物含量的增加呈冪指數(shù)降低；隨碳酸鹽巖膠結(jié)物含量的增加，巖石的脆性指數(shù)呈冪指數(shù)增大；隨圍壓的增加，巖石的脆性指數(shù)呈冪指數(shù)降低。

以上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為指導(dǎo)，一種具有膠結(jié)類型、含量和應(yīng)力環(huán)境校正的測(cè)井表征模型誕生了。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該模型脆性指數(shù)巖石脆性分類的符合率達(dá)到96%以上，完全能夠滿足生產(chǎn)需求。困擾多年的技術(shù)瓶頸終于被突破了。

隨后，“一種巖石脆性的測(cè)井方法及裝置”實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的成果轉(zhuǎn)化，為碎屑巖壓裂選層，壓裂工藝設(shè)計(jì)及分段、分簇提供了重要的技術(shù)利器。

通用的巖石密碼

“一種巖石脆性的測(cè)井方法及裝置”獲得中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利金獎(jiǎng)后，有朋友問孫中春：“老孫，你們的專利名稱里有‘裝置’，是啥裝置？”

●深入的野外考察奠定研究基礎(chǔ)。

其實(shí)，這個(gè)“裝置”并非有形實(shí)物，而是一種無形的邏輯框架、工作流程。換句話說，這種巖石脆性的測(cè)井方法及邏輯框架是一種通用的碎屑巖巖石脆性表征的“密碼”，適應(yīng)于所有的碎屑巖地層。

據(jù)悉，此項(xiàng)專利已在中石油的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，為我國(guó)非常規(guī)油氣的壓裂開采提供了全新的技術(shù)手段。

中國(guó)工程院院士翟光明和趙曉哲認(rèn)為：參評(píng)專利“建立了全新的脆性指數(shù)表征模型，巧妙地避開了彈性參數(shù)動(dòng)、靜態(tài)轉(zhuǎn)換的技術(shù)難題，創(chuàng)造性地建立了巖石結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境校正項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了巖石結(jié)構(gòu)及應(yīng)力環(huán)境變化引起的脆性指數(shù)變化的有效表征”，“填補(bǔ)了測(cè)井脆性表征巖石結(jié)構(gòu)、應(yīng)力環(huán)境校正的技術(shù)空白”。

中國(guó)工程院院士邱中建、中國(guó)科學(xué)院院士戴金星、中國(guó)工程院院士李根生、中國(guó)科學(xué)院院士鄒才能及多位教授組成的專家組鑒定認(rèn)為：這項(xiàng)發(fā)明專利“發(fā)明了具有應(yīng)力環(huán)境校正和巖石結(jié)構(gòu)校正的脆性表征方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜巖性和應(yīng)力條件下的巖石脆性表征，為頁(yè)巖油氣、儲(chǔ)層改造、壓裂分段、分簇提供了關(guān)鍵的工程參數(shù)”。