渤海湾盆地渤中19⁃6气田变质岩潜山储层三维岩石力学参数求取及意义

Calculation of 3D Reservoir Rock Mechanical Parameters of Metamorphic Rock Reservoirs in the Bozhong 19⁃6 Gas Field of the Bohai Bay Basin and Their Significance

摘要

为明确渤海湾盆地渤中19⁃6气田变质岩潜山储层岩石力学参数特征，为该区后续地应力场及储层裂缝数值模拟提供可靠的基础数据，开展了三轴抗压试验、巴西劈裂试验以及三轴抗剪试验，并利用阵列声波曲线计算单井动态岩石力学参数，通过动态-静态校正，确定静态岩石力学参数单井分布特征；再利用叠前地震多属性检测方法反演三维非均质岩石力学参数，明确岩石力学参数空间分布特征. 在此基础上，结合物性测试、全岩矿物分析以及压汞试验资料，探讨岩石力学参数主控因素，并基于静态岩石力学参数构建裂缝发育指数和岩性相互关系的判别图版. 结果表明，渤海湾盆地渤中19⁃6气田变质岩潜山储层杨氏模量主要介于20~60 GPa，泊松比主要介于0.15~0.25，抗张强度主要介于5~15 MPa，内摩擦角主要介于30°~50°，岩石力学参数平面分布具有较强的非均质性，垂向分布主要与构造特征和风化作用强弱有关，并在一定程度上反映了储层物性特征. 储层物性、不同类型矿物含量以及孔隙半径是岩石力学参数的主要控制因素，变质岩潜山储层具有裂缝发育程度高、岩性复杂的特点，难以通过常规方法准确识别储层裂缝与岩性，而通过静态岩石力学参数构建的裂缝发育指数、岩性判别图版对变质岩潜山储层裂缝发育程度评价、复杂岩性划分具有较好的指导意义.

Abstract

Triaxial compaction test, Brazilian test, and triaxial shear test were conducted to characterize the rock mechanical parameters of buried⁃hill reservoirs in the metamorphic rocks of Bozhong 19⁃6 gas field in Bohai Bay Basin and to provide reliable basic data for subsequent numerical simulation of ground stress field and reservoir fractures in this region. Single⁃well dynamic rock mechanical parameters were computed using array acoustic curves, and the single⁃well distributions of static rock mechanical parameters were determined via dynamic⁃static calibration; Prestack seismic multiattribute detection was adopted to deterministically inverse 3D heterogeneous rock mechanical fields and clarify the spatial distribution of rock mechanical parameters. On this basis, physical property test, whole⁃rock mineral analysis and mercury intrusion testing data were used to analyze the main control factors on the rock mechanical parameters. Then the fracture development index and lithological identification charts were built using static rock mechanical parameters. It was found the metamorphic buried⁃hill reservoirs in Bozhong 19⁃6 gas field of Bohai Bay Basin had Young's modulus within 20 to 60 GPa, Poisson's ratio within 0.15 to 0.25, tensile strength within 5 to 15 MPa, and internal friction angle within 30° to 50°. The horizontal distributions of the rock mechanical parameters were highly heterogeneous, and their vertical distributions were mainly related to tectonic properties and the weathering effect, and reflected the physical properties of reservoirs to some extent. Reservoir physical properties, concentrations of different minerals, and pore radius were the main controlling factors of the rock mechanical parameters. The metamorphic buried⁃hill reservoirs were featured by well⁃developed fractures, and complex lithology, and the reservoir fractures and lithology cannot be accurately identified using routine methods. In comparison, the fracture development index, and lithological identification charts built on basis of static rock mechanical parameters are significant in guiding the evaluation of fracture development degree and complex lithologic division in metamorphic buried⁃hill reservoirs.

Graphical abstract

关键词

渤海湾盆地 / 渤中19⁃6气田 / 静态岩石力学参数 / 空间分布 / 主控因素 / 裂缝 / 石油地质.

Key words

Bohai Bay basin / Bozhong 19⁃6 gas field / static rock mechanical parameters / spatial distributions / main control factors / fractures / petroleum geology

0 引言

储层岩石力学参数是衔接储层地质参数与地质力学参数的桥梁、是储层地应力场模拟、裂缝成因机制分析以及工程甜点评价的关键（Han et al.，1986；赵进雍等，2022），目前常用的岩石力学参数主要包括杨氏模量、泊松比、抗张强度、内摩擦角等参数. 由于岩石力学参数在储层地应力及储层裂缝数值模拟、压裂改造以及钻井设计中起到的重要作用，岩石力学参数的求取和应用技术成为了石油地质学家研究的重点（Bowers，1995），目前岩石力学参数的获取主要包括两种方法，一是力学试验测试法，包括单轴压缩试验和三轴压缩试验，二是地球物理测井资料解释法，利用阵列声波测井资料，结合相关的岩石力学参数解释模型，对相应的岩石力学参数进行计算（路保平和鲍洪志，2005；Chang et al.，2006；Hou et al.，2020）. 通过岩石单轴或三轴压缩试验得到的岩石力学参数称为静态岩石力学参数，而利用阵列声波测井资料计算得到的岩石力学参数称为动态岩石力学参数（周文等，2008；陈勉等，2011）. 单轴或三轴压缩试验由于更接近地下岩石赋存的真实环境，特别是较好的模拟了地下岩石的应力形成、赋存和作用机制（李夕兵和宫凤强，2021），因此在油气勘探开发中通常使用静态岩石力学参数，但力学试验测试难度大、花费高，且难以开展面上分析，而基于阵列声波测井资料得到的动态岩石力学参数具有较大的数据量，因此现有研究通常根据静态岩石力学参数去标定测井计算结果，建立数学模型，寻求动、静态岩石力学参数之间的关系，从而获得丰富的静态岩石力学参数（陈勉，2004；周宏伟等，2010；刘建华等，2020）.

渤中19⁃6气田是目前渤海湾盆地内已探明最大的天然气气田，天然气探明地质储量超千亿立方米，凝析油探明地质储量超亿立方米（施和生等，2019），是我国海上重要的油气生产基地. 渤中19⁃6气田太古界变质岩潜山储层受印支期、燕山期和喜马拉雅期多期次构造作用改造，多期次动力破碎作用使潜山内部发育大规模裂缝体系和动力破碎带，是变质岩优质储层形成的关键（吴智平等，2007；薛永安等，2016）. 对于渤中19⁃6气田，目前亟需明确变质岩潜山储层原位力学性质、古今应力场演化规律以及储层裂缝的分布规律，以指导后续的勘探开发工作. 但变质岩潜山储层具有埋藏深、岩性复杂以及强非均质性等特点（杜涛等，2023），岩石力学参数研究薄弱，给该区地应力及储层裂缝数值模拟提出了挑战. 针对这一现状，本文在不同类型岩石力学试验、测井资料计算以及叠前地震资料反演的基础上，对渤中19⁃6气田变质岩潜山储层岩石力学参数单井、空间分布特征进行了研究. 并结合物性测试、全岩矿物分析以及压汞试验资料明确了岩石力学参数的主控因素，探讨了岩石力学参数的地质意义，可为该区后续的油气勘探开发提供可靠的基础数据和理论依据.

1 研究区地质概况

渤中19⁃6气田位于渤海湾盆地渤中凹陷西南部，为渤中凹陷西南次洼和南次洼夹持的具有洼中隆特征的背斜构造带（龚再升，2004；倪金龙等，2006）（图1）. 渤中19⁃6气田钻遇地层从上至下依次为第四系，新近系馆陶组和明化镇组，古近系东营组、沙河街组、孔店组以及太古宇. 其中馆陶组、明化镇组、孔店组碎屑岩储层发育（Hao et al.，2009；王德英等，2022；李雄炎等，2023），太古界主要发育变质岩潜山裂缝性储层，纵向上按岩性和风化程度差异划分为砂砾岩带、强风化带、次风化带和内幕带，本次研究主要针对太古界变质岩潜山裂缝性储层.

渤中19⁃6气田太古界变质岩潜山裂缝性储层主要为花岗片麻岩和混合花岗岩，两类岩石组分均以长石、石英以及黑云母为主，在后期强烈构造作用改造下变质岩发生破碎或者糜棱岩化形成碎裂岩等多种构造变质岩；也发育侵入岩脉，多为辉绿岩和闪长玢岩，多以岩枝产状穿插于变质岩中，垂向上具有多层分布的特征（周心怀等，2005；宋国民等，2020；叶涛等，2021）. 岩心物性测试表明太古界变质岩潜山裂缝性储层孔隙度主要介于1%~10%，平均孔隙度5.22%，渗透率主要介于0.003~20.330 mD，平均渗透率0.370 mD（齐玉民，2022）. 镜下薄片观察分析认为（图2）， 储集空间主要由裂缝、孔隙双重介质组成，孔隙类型主要为碎裂颗粒粒间孔、溶蚀孔隙等（徐长贵等，2020）.

2 岩石力学参数单井分布特征

渤海湾盆地渤中19⁃6气田变质岩潜山储层发育，与其相关的常规岩石力学参数包括：弹性参数（杨氏模量、泊松比）和强度参数（抗张强度、内摩擦角）. 本次研究通过开展三轴抗压试验、巴西劈裂试验以及三轴抗剪试验，从而获取更加精确的静态岩石力学参数.

2.1　三轴抗压试验

利用阵列声波测井资料计算得到渤中19⁃6气田变质岩潜山储层的水平最大主应力梯度介于1.91~2.16 MPa/100 m，水平最小主应力梯度介于1.49~1.65 MPa/100 m，查明地下岩石原位应力环境，确定岩石力学试验方案，开展岩石物理模拟试验.

静态杨氏模量、泊松比通过岩样的三轴抗压试验获得，试验过程通过对岩样横向施加围压，逐渐增大轴向载荷，测量岩样破坏时的轴向、横向应变以及轴向载荷. 绘制应力-应变曲线，计算静态杨氏模量、泊松比，相关计算公式为：

E_{\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{\Delta }{\sigma }_{\mathrm{a}}}{\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{a}}},（1）

{\mu }_{\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{r}}}{\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{a}}},（2）

式中：E_{\mathrm{e}}为静态杨氏模量（GPa）；\mathrm{\Delta }{\sigma }_{\mathrm{a}}为轴向应力增量（MPa）；\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{a}}为轴向应变增量（mm）；{\mu }_{\mathrm{e}}为静态泊松比；\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{r}}为径向应变增量（mm）.

试验装置采用RTR⁃2000高压岩石三轴动态测试系统，系统设计指标最大可提供轴压2 000 kN，围压140 MPa. 采用LVDT位移传感器记录轴向应变和径向应变，轴向应变测试范围为0~5 mm，径向应变测试范围为0~4 mm，可容纳样品的尺寸为直径25~100 mm、高度50~200 mm的圆柱体岩样，测试条件的改变和数据采集可完全通过计算机控制进行.

本次研究中选取了8块花岗片麻岩岩石样品进行了三轴抗压试验，试验方案及试验结果如表1所示：

2.2　巴西劈裂试验与三轴抗剪试验

静态抗张强度通过岩样的巴西劈裂试验获得（Li et al.，2020），本次试验装置采用TAW⁃1000微机电液伺服控制岩石三轴应力试验机. 试验过程中沿着岩样直径方向施加集中载荷，根据弹性力学理论，沿着施加集中力的直径方向产生近似均匀分布的水平张应力，测量岩样破坏时的最大压力，即可计算岩样的抗张强度，相关计算公式为：

{\sigma }_{\mathrm{t}}=\frac{\mathrm{2}{p}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\pi D_{\mathrm{L}}}，（3）

式中：{\sigma }_{\mathrm{t}}为抗张强度（MPa）；p_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为岩石破裂时的最大载荷（N）；D_{\mathrm{L}}为岩样直径（mm）.

本次研究中选取了9块花岗片麻岩岩石样品进行了巴西劈裂试验，试验方案及试验结果如表2所示：

静态内摩擦角通过岩样的三轴抗剪试验获得，本次试验装置采用RTR⁃2000高压岩石三轴动态测试系统，通过多级三轴抗剪试验可以获取一个岩样的多个摩尔圆，并通过这些摩尔圆得到岩样的破坏包络线，通过破坏包络线的斜率即可推算岩样的粘滞力和内摩擦角（曹振中等，2023）.

本次研究中选取了4块花岗片麻岩岩石样品进行了三轴抗剪试验，试验方案及试验结果如表3所示：

2.3　岩石力学参数动静转换

岩石的动态力学参数是指岩石在各种动载荷或周期变化载荷作用下所表现出的力学性质参数，岩石在地下真实环境中，受到裂缝、孔洞以及层面等因素的影响，岩石动、静态力学参数具有较大差异. 目前利用阵列声波资料，通过纵、横波时差、密度以及泥质含量数据是计算动态岩石力学参数的主要方法，相关计算公式为（陆诗阔等，2015；贾利春等，2018）：

E_{\mathrm{d}}={\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\rho V_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{3}{V}_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{4}{V}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}}{V_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}-V_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}},（4）

{\mu }_{\mathrm{d}}=\frac{V_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}{V}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}(V_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}-V_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}})},（5）

S_{\mathrm{t}}=\mathrm{3.75}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{4}}-E_{\mathrm{d}}\left(\mathrm{1}-\mathrm{0.78}{V}_{\mathrm{s}\mathrm{h}}\right),（6）

\varphi =\frac{\mathrm{180}}{\pi }\cdot \frac{\pi }{\mathrm{12}}\left[\mathrm{2}\left(\mathrm{1}-\frac{{\mu }_{\mathrm{d}}}{\mathrm{1}-{\mu }_{\mathrm{d}}}\right)+\mathrm{1}\right],（7）

式中：E_{\mathrm{d}}为动态杨氏模量（GPa）；\rho为岩石密度（g/cm³）；V_{\mathrm{p}}为纵波速度（m/s）；V_{\mathrm{s}}为横波速度（m/s）；{\mu }_{\mathrm{d}}为动态泊松比（无量纲）；S_{\mathrm{t}}为抗张强度（MPa）；V_{\mathrm{s}\mathrm{h}}为泥质含量（%）；\varphi为内摩擦角.

按照以上计算模型，对渤中19⁃6气田变质岩潜山储层动态岩石力学参数进行了测井资料计算. 在此基础上，根据静态岩石力学参数结果对测井解释结果进行标定，将动态岩石力学参数与静态岩石力学参数进行交汇分析，建立二者之间的数值关系. 并对测井解释得到的动态岩石力学参数进行静态校正，交汇结果表明（图3），动静态岩石力学参数之间转换系数相关性较高，呈正相关的线性关系：

E_{\mathrm{s}}=E_{\mathrm{d}}\times \mathrm{1.619}\mathrm{9}-\mathrm{48.624}\mathrm{0},（8）

{\mu }_{\mathrm{s}}={\mu }_{\mathrm{d}}\times \mathrm{1.239}\mathrm{4}-\mathrm{0.089}\mathrm{3},（9）

S_{\mathrm{t}\mathrm{s}}=S_{\mathrm{t}\mathrm{d}}\times \mathrm{0.523}\mathrm{2}+\mathrm{1.590}\mathrm{6},（10）

式中：E_{\mathrm{s}}为静态杨氏模量（GPa）；E_{\mathrm{d}}为动态杨氏模量（GPa）；{\mu }_{\mathrm{s}}为静态泊松比（无量纲）；{\mu }_{\mathrm{d}}为动态泊松比（无量纲）；S_{\mathrm{t}\mathrm{s}}为动态抗张强度（MPa）；S_{\mathrm{t}\mathrm{d}}为静态抗张强度（MPa）.

对于内摩擦角，由于三轴抗剪试验仅得到4个静态内摩擦角值，难以通过交汇分析得到准确的动态与静态之间的线性关系式. 已有研究表明，杨氏模量和泊松比与岩石的内摩擦角关系密切（Zoback，2007），因此基于试验数据分析，建立静态内摩擦角和静态杨氏模量之间的关系式（图3）：

{\varphi }_{\mathrm{s}}=\mathrm{0.442}\times E_{\mathrm{s}}+\mathrm{21.3},（11）

式中：{\varphi }_{\mathrm{s}}为静态内摩擦角.

动态岩石力学参数与静态岩石力学参数的校正关系确定后，即可将测井计算剖面校正为三轴静态参数剖面，得到关键井点处的连续静态岩石力学参数剖面. 以B19⁃6⁃12井为例（图4），从岩石弹性参数来看，渤中19⁃6气田变质岩潜山储层杨氏模量主要介于20~60 GPa，泊松比主要介于0.15~0.25，垂向上随着埋深的增加，杨氏模量呈逐渐增大的趋势，而泊松比则随着深度的增加逐渐减小；从岩石强度参数来看，研究区变质岩潜山储层抗张强度主要介于5~15 MPa，内摩擦角主要介于30°~50°，受压实等成岩作用的影响，岩石强度参数随埋深增加呈逐渐增大的趋势.

3 岩石力学参数空间分布特征

对于岩石力学参数三维分布特征，现有方法常以测井资料计算和三轴试验的岩石力学参数作为源数据输入，通过高斯插值随机模拟得到岩石力学参数的三维分布（曹正林等，2009）. 难以准确表征岩性复杂、储层物性非均质性强以及井点较少或无井点控制地区的三维非均质岩石力学场. 针对这一现状，本次研究采用地震多属性筛选-融合岩石力学参数反演技术，利用地震资料横向密集性的特点，采用地震多属性融合分析方法，优选岩石力学参数敏感属性，提取与岩石力学参数相关度大的属性，多属性统计融合预测岩石力学参数的平面分布. 并以静态岩石力学参数计算结果作为源数据输入，对反演出的岩石力学参数进行频率校正，得到精确的岩石力学参数三维分布特征.

本次研究以渤中19⁃6气田试验区（图1）为例，开展岩石力学参数三维分布特征研究. 首先利用渤中19⁃6气田试验区叠前地震资料，反演出瞬时、振幅、频谱、波形、曲率以及构造等8类26种地震属性. 利用粗糙集理论对岩石力学参数敏感性属性进行筛选统计，将静态岩石力学参数作为源数据输入，分析优选与岩石力学参数地质意义明显的地震属性，剔除岩石力学参数地质意义不明显的自相关地震属性，最终优选出相似性、方差、均方根振幅、瞬时振幅以及波阻抗5种岩石力学参数敏感性属性. 在此基础上，利用多元统计回归法对岩石力学参数敏感性属性进行信息融合，探索地震属性与岩石力学参数的对应关系，建立三维岩石力学参数预测模型，将井点地震属性标准化并代入理论模型，经最小二乘法估算，计算回归系数，并将回归系数代回理论模型，得到三维岩石力学参数预测模型. 最后将三维岩石力学参数预测模型推广至整个渤中19⁃6气田，明确了渤中19⁃6气田岩石力学参数空间分布特征. 对于预测结果的准确性和合理性从单井静态岩石力学参数剖面进行了校验分析（图5），结果显示三维岩石力学参数与单井静态岩石力学参数计算结果吻合度较高（误差±10%），具有较高的纵向分辨率.

从岩石力学参数的平面分布来看（图6），岩石力学参数平面非均质性较强，岩石力学参数高值区多呈条带状或片状分布. 受构造特征影响，构造高部位杨氏模量、抗张强度呈现低值，而泊松比表现为高值. 受高级序断裂附近裂缝发育影响，杨氏模量、抗张强度在高级序断裂端点、拐点部位出现局部斑点状高值区，而泊松比在高级序断裂拐点部位存在条带状低值区. 但相较构造因素，断层对岩石力学参数控制作用较小. 总体来看，杨氏模量、抗张强度的高值区分布相近，与泊松比高值区相反.

岩石力学参数剖面分布特征（剖面位置见图1）与潜山内部垂向结构密切相关（图7），受古地貌控制，潜山储层内部不同结构遭受风化淋滤作用时间和强度存在差异，进而影响了潜山储层内部不同结构的岩石力学性质. 具体表现为，杨氏模量、抗张强度在强风化带和次风化带中表现为低值，在内幕带中表现为高值，而泊松比在强风化带和次风化带中表现为高值，在内幕带中表现为低值. 从各气井产量来看，风化带属相对高产层段，因此岩石力学参数的分布特征在一定程度上反映了储层物性，杨氏模量、抗张强度低而泊松比高的储层物性相对更好，本质上反映了风化作用强弱对储层物性的影响.

4 岩石力学参数主控因素分析

渤中19⁃6气田变质岩潜山储层岩石力学参数受多方面因素影响，本次研究利用物性测试、全岩矿物分析以及压汞试验资料分析岩石力学参数主控因素. 结果表明，渤中19⁃6气田变质岩潜山储层岩石力学参数与储层物性、不同类型矿物含量以及孔隙半径存在密切关系.

4.1　储层物性

当岩石的孔隙度和渗透率处于合适的大小时，岩石的力学性质与微裂缝的延展能力才能达到最优组合，促进构造裂缝的发育（尹帅等，2022，2023）. 在明确静态岩石力学参数分布特征的基础上结合物性测试，分析储层物性对岩石力学性质的控制作用，结果表明：随着孔隙度的增加，岩石的杨氏模量、泊松比和抗张强度存在逐渐减小的趋势，而内摩擦角呈现逐渐增大的趋势（图8）. 岩石孔隙中赋存的各种流体具有较快的应力释放速度，当受轴向应力作用时，岩石孔隙沿主压应力方向闭合，当岩石孔隙较大时，赋存有大量流体，横向应变远远小于轴向应变，因此随着孔隙度的增加泊松比存在逐渐减小的趋势. 此外随着孔隙度的增大，孔隙形态差异较大，在不规则孔隙边界常出现应力集中，当受应力作用时，岩石承载面积相应下降，导致抗张强度降低.

基于岩心物性测试结果，对储层渗透率与静态岩石力学参数进行交汇分析，从图9可以看出，随着渗透率的增大，岩石的杨氏模量、泊松比和抗张强度呈现逐渐减小的趋势，而内摩擦角呈现逐渐增大的趋势. 当渗透率从0.05 mD增加到0.55 mD时，岩石的杨氏模量、泊松比和抗张强度显著减低，当渗透率大于0.55 mD时，岩石的杨氏模量、泊松比和抗张强度呈现低值，二者几乎无相关性，与内摩擦角变化规律相反. 整体而言当渗透率小于0.55 mD时，渗透率对岩石力学参数具有较强的控制作用.

4.2　不同类型矿物含量

不同类型矿物受轴向应力作用时，具有不同的轴向应变和应变量，反映在岩石力学性质上的差异. 通过全岩矿物分析结果，对渤中19⁃6气田变质岩潜山储层岩石主要组分与静态岩石力学参数关系进行统计分析（图10）. 结果表明，石英、斜长石等脆性矿物含量对杨氏模量、泊松比和抗张强度具有较强的控制作用，黑云母等塑性矿物含量对杨氏模量、泊松比和抗张强度的控制作用则较为有限，相对于斜长石，黑云母等塑性矿物含量对内摩擦角具有较大影响. 且杨氏模量、内摩擦角和抗张强度随着脆性矿物含量的增大呈现逐渐增大的趋势，随塑性矿物含量的增大呈逐渐降低的趋势，泊松比变化规律与杨氏模量、内摩擦角和抗张强度相反. 这是由于塑性矿物具有较高的塑性，当受到轴向应力作用时，具有较大的轴向应变. 此外塑性矿物在受到轴向应力作用时，对轴向应力具有较高的缓冲作用，在与挤压方向的垂向上产生塑性形变，当受挤压作用时，横向应变大于纵向应变，因此随着塑性矿物含量的增大，泊松比呈现逐渐增大的趋势.

4.3　孔隙半径

前人研究认为，随着孔隙半径的增大，岩石力学参数具有逐渐减小的趋势，且呈单一的线性关系（李静等，2019）. 但对渤中19⁃6气田变质岩潜山储层孔隙半径与静态岩石力学参数交汇分析认为，孔隙半径与静态岩石力学参数并非呈单一的线性负相关关系（图11）. 当孔隙半径小于0.1 µm时，孔隙半径与泊松比和内摩擦角呈负相关关系，当孔隙半径大于0.1 µm时，孔隙半径和泊松比与内摩擦角呈正相关关系，而杨氏模量和抗张强度与孔隙半径则呈现单一的线性负相关关系.

岩石微观孔隙结构是影响岩石宏观力学特征和破裂特性的重要因素，受孔隙半径与孔隙形状因子共同控制（彭小东等，2023；王峻峰等，2023）. 如图2所示渤中19⁃6气田变质岩潜山储层样品中具有较多的不规则溶蚀孔隙，数量较多的不规则溶蚀孔隙对岩石微观孔隙结构几何形状和复杂程度产生影响，基于铸体薄片孔隙图像分析，采用分形盒维数定量分析溶蚀孔隙发育程度对孔隙结构复杂程度的影响（程志林等，2018），利用面积等大的正方体完全覆盖孔隙结构，统计正方体数量，则分形盒维数D可表示为：

D=-\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}N(\delta )}{\mathrm{l}\mathrm{g}\delta },（12）

式中：\delta为正方体的边长；N(\delta )为边长为\delta的正方体覆盖孔洞和裂隙的数量.

分形盒维数D计算结果表明（表4），溶蚀孔隙发育样品的分形盒维数D均大于2.6，表明溶蚀孔隙发育样品较溶蚀孔隙欠发育样品孔隙结构几何形态和分布复杂. 研究区数量较多的不规则溶蚀孔隙由于受端部束缚作用，造成了应力集中，变形不均匀，改变了岩石的宏观力学特性和破裂特性，是导致研究区岩石力学参数与孔隙半径呈现较为复杂的关系的重要因素.

5 岩石力学参数的意义

5.1　岩石力学参数与储层裂缝

渤中19⁃6气田变质岩潜山储层构造裂缝发育，构造裂缝发育程度对油气的运聚具有重要意义. 构造裂缝的发育程度受多方面因素控制，但主要反映在岩石力学性质的差异. 基于静态岩石力学参数数据，优选岩石破裂Rickman脆性指数模型（Rickman et al.，2008；孙建孟等，2015），以期通过岩石力学性质差异，评价储层裂缝发育情况，岩石破裂Rickman脆性指数模型表达式如下：

E_n=\left(E-E_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\right)/\left(E_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-E_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\right),（13）

{\mu }_n=({\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\mu )/\left({\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\right),（14）

R_n=\left(E_n+{\mu }_n\right)/\mathrm{2},（15）

式中：E_n为杨氏模量指数（无量纲）；E、E_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}、E_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}分别为目的层位静态杨氏模量测量值、最小值、最大值（GPa）；{\mu }_n为泊松比指数（无量纲）；{\mu }_{}、{\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}、{\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}分别为目的层位静态泊松比测量值、最小值、最大值（无量纲）；R_n为裂缝发育指数（无量纲）.

将渤中19⁃6气田变质岩潜山储层裂缝发育指数R_n与成像测井裂缝解释成果进行对比，研究结果表明（图12），杨氏模量越大、泊松比越小、裂缝发育指数R_n越大，岩石越容易形成复杂裂缝. 当裂缝发育指数R_n介于0.1~0.4时，裂缝密度小于0.5条/m，裂缝相对不发育；当裂缝发育指数R_n介于0.4~0.7时，裂缝密度介于0.5~1.0条/m，裂缝较发育；当裂缝发育指数R_n介于0.7~0.9时，裂缝密度大于1.0条/m，裂缝发育. 即裂缝发育指数R_n越大，裂缝越发育，二者具有较高的吻合率，因此基于静态岩石力学参数构建的裂缝发育指数R_n对储层裂缝发育程度具有较好的指示作用，拥有重要的油气指示意义.

5.2　岩石力学参数与岩性

渤中19⁃6气田变质岩潜山储层具有岩性复杂、非均质性强等特点，主要发育花岗片麻岩、混合花岗岩、闪长玢岩、辉绿岩以及碎裂岩五种岩性，给常规测井和成像测井识别变质岩储层岩性带来了巨大挑战. 而岩石力学参数在不同岩性段具有不同的响应特征，因此绘制杨氏模量和泊松比交汇图版（图13），以期寻求变质岩潜山储层岩性识别和测井评价方法，为不同区块变质岩潜山储层岩性测井识别奠定基础. 从图13可以看出，渤中19⁃6气田变质岩潜山储层不同岩性岩石力学参数存在明显差异. 从内部来看，碎裂岩杨氏模量较高（55~65 GPa），泊松比较小（0.20~0.25），而混合花岗岩杨氏模量较小（35~40 GPa），泊松比较高（0.22~0.28），花岗片麻岩、闪长玢岩、辉绿岩岩石力学参数大小分布介于碎裂岩和混合花岗岩之间，但仍可以准确划分不同岩性区，花岗片麻岩杨氏模量介于45~50 GPa，泊松比介于0.20~0.25；闪长玢岩杨氏模量介于50~55 GPa，泊松比介于0.20~0.25；辉绿岩杨氏模量介于45~50 GPa，泊松比介于0.25~0.30. 基于静态岩石力学参数的不同岩性识别结果对变质岩潜山储层复杂岩性划分具有重要的指导意义.

6 结论

（1）不同类型岩石力学试验确定的静态岩石力学参数与利用测井资料计算出的动态岩石力学参数之间具有线性关系，渤中19⁃6气田变质岩潜山储层杨氏模量主要介于20~60 GPa，泊松比主要介于0.15~0.25，抗张强度主要介于5~15 MPa，内摩擦角主要介于30°~50°，垂向上杨氏模量、抗张强度和内摩擦角与埋深呈弱正相关性，泊松比与埋深呈弱负相关性.

（2）利用地震多属性筛选-融合岩石力学参数反演技术，反演复杂岩性区三维非均质岩石力学场，基于渤中19⁃6气田试验区三维岩石力学参数反演结果表明，岩石力学参数的空间分布特征主要与构造特征和潜山内部结构有关，并在一定程度上反映了储层物性特征，杨氏模量、抗张强度低而泊松比高的储层物性相对更好.

（3）随着储层孔隙度和渗透率的增加，杨氏模量、泊松比和抗张强度逐渐增加而泊松比逐渐下降，脆性矿物对杨氏模量、泊松比和抗张强度具有较强的控制作用，而内摩擦角受粘土矿物控制作用较为明显，且随着石英等脆性矿物含量增加，杨氏模量、泊松比和抗张强度逐渐增加而泊松比逐渐下降，不规则溶蚀孔隙影响了岩石微观孔隙结构，是岩石力学参数与孔隙半径呈现复杂关系的主要原因.

（4）裂缝发育指数计算结果表明，杨氏模量越大、泊松比越小、裂缝发育指数越大，越容易形成裂缝. 当裂缝发育指数R_n介于0.7~0.9时，裂缝密度大于1.0条/m，油气显示好，基于静态岩石力学参数预测储层裂缝具有较好的油气指示意义. 岩石力学参数在不同岩性段具有不同的响应特征，基于静态岩石力学参数的岩性判别图版对变质岩潜山储层复杂岩性划分具有重要的指导意义.

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基金资助

湖北省自然科学基金创新群体项目(2021CFA031)