考慮裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測新模型

程遠方,時 賢,李 蕾,吳玲妍,梅 偉

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580；2.勝利油田鉆井公司,山東東營 257000； 3.中海油服有限責任公司,天津 300457)

考慮裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測新模型

程遠方1,時 賢1,李 蕾2,吳玲妍1,梅 偉3

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580；2.勝利油田鉆井公司,山東東營 257000； 3.中海油服有限責任公司,天津 300457)

利用深、淺側向電阻率差值定量計算裂縫孔隙度,以有效應力原理為理論基礎,結合碳酸鹽巖聲波試驗,研究多因素協(xié)同作用機制下的地層波速的總體響應特征,分析孔隙度一定條件下聲波波速與有效應力之間的關系,利用回歸分析法建立一套適合碳酸鹽巖地層的壓力預測新模型。結果表明:利用深、淺電阻率差值可以判斷地層裂縫的產狀,并定量計算裂縫孔隙度和裂縫張開度；在孔隙度一定的條件下,縱、橫波速隨有效應力的增大而增大；在有效應力一定的條件下,縱、橫波速隨孔隙度的增大而減??；建立的模型比傳統(tǒng)方法具有更好的可靠性和預測精度。

碳酸鹽巖；孔隙壓力；聲波時差；裂縫；有效應力

碳酸鹽巖中的油氣儲量約占油氣總儲量的38%[1],其儲集層主要為裂隙性碳酸鹽巖地層。在鉆探過程中,上部砂泥巖地層可能出現(xiàn)井眼垮塌現(xiàn)象；下部地層漏失嚴重,鉆井液密度稍高就出現(xiàn)井漏,而稍低就會出現(xiàn)井涌。碳酸鹽巖屬于化學沉積巖,成巖作用復雜,表現(xiàn)出明顯的非均質性和各向異性[2]。發(fā)育的裂縫系統(tǒng)作為碳酸鹽巖的有效儲集層,具有較強的自閉性,容易造成異常高壓。傳統(tǒng)壓力預測方法基于欠壓實理論[3],但由于碳酸鹽巖等化學沉積巖不像碎屑巖具有較為規(guī)律的壓實作用,傳統(tǒng)壓力預測方法并不能對碳酸鹽巖地層有良好的適應性。目前多采用回歸碳酸鹽巖地層有效應力與巖石力學參數(shù)的關系,再通過相關方法進行壓力預測[4-5]。裂隙作為影響聲波相應的主要因素,其作用卻常常被忽略,所以會出現(xiàn)預測壓力值偏差較大的現(xiàn)象。筆者在有效應力原理的基礎上,綜合地震、測井、鉆井資料,研究裂縫發(fā)育程度和孔隙壓力變化對聲波時差的響應,回歸縱橫波波速、裂縫孔隙度與有效應力的定量關系,提出一套考慮裂隙發(fā)育的適合碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測的新模型。

1 裂縫分布特征及識別方法

1.1 裂隙成因及發(fā)育規(guī)律

在研究碳酸鹽巖儲集層時,裂縫僅指沿延伸方向巖塊沒有發(fā)生明顯相對位移的裂縫,可以分為構造縫與非構造縫兩類:構造縫是固結巖石在區(qū)域構造力或局部構造應力作用下破裂而形成的裂縫；非構造縫是其形成與構造作用產生的應力無關的裂縫。另外還存在沉積-構造裂縫等過渡類型的裂縫。

碳酸鹽巖地層具有以下裂縫發(fā)育規(guī)律:在巖性相同的巖層中,薄層中的裂縫數(shù)量要比厚層中的多；薄層中的裂縫數(shù)量雖然多,但其張開度卻較低,延伸距離短,有效性差；厚層中的裂縫張開度高,延伸距離長,有效性好[2]。

1.2 裂隙識別方法

探測裂縫、孔隙及其分布規(guī)律的主要依據(jù)是裂縫、孔隙與基質具有不同的地質地球物理特性,在多數(shù)測井曲線上均有相應的顯示。裂縫在測井曲線上的響應取決于裂縫的產狀、密度、長度、填充物、地層流體類型及鉆井液侵入深度等因素。

目前,主要通過FMI成像測井資料預測裂縫發(fā)育地層,利用雙側向測井資料來研究裂縫的發(fā)育程度。成像測井使用解釋軟件可以定量計算出裂縫的密度、長度、平均寬度、視孔隙度等。雙側向測井由于主要受裂縫產狀和張開度的制約,可定量估算裂縫孔隙度和裂縫張開度等裂縫參數(shù)。在確定裂縫系統(tǒng)孔隙度時常采用線性計算模型,其基本原理在于不同的裂縫狀態(tài)對雙側向測井會有不同的響應特征。計算裂縫孔隙度前,首先需要對裂縫狀態(tài)進行判斷,再利用相關公式計算孔隙度[5-6]。

裂縫狀態(tài)判斷:

式中,RLLd、RLLs分別為深、淺側向電阻率。Y＜0,表示低角度縫,角度為[0°,50°]；0≤Y≤0.1,表示傾斜縫,角度為(50°,74°)；Y＞0.1,表示高角度縫,角度為[74°,90°]。

裂縫孔隙度解釋:

式中,CLLd、CLLs分別為深、淺側向電導率；Rmf、Cmf分別為鉆井液濾液電阻率、電導率；φfr為裂縫孔隙度； A1、A2、A3為根據(jù)裂縫傾角狀態(tài)而取的常數(shù)(表1)。

表1 裂縫孔隙度線性估算模型參數(shù)Table 1 Parameters of fracture porosity with linear estimation model

2 聲學特性試驗

2.1 試驗設備

試驗設備有:巖心鉆取機、雙面磨光機、QKY-1型氣體孔隙度測定儀、HK-4型滲透率自動測定儀、高能量HF-F型智能超聲PS波綜合測試儀、電子秤、游標卡尺等。選用的氣源為氮氣。

2.2 巖樣制備

試驗采用天然裂隙性露頭灰?guī)r,選取5塊裂隙發(fā)育不同的樣品塊,使用取心機分別按照平行層理和垂直層理取心后切割磨平,制成直徑約25.4 mm、長度不超過52 mm、平行度控制在±0.05 m內的巖樣。碳酸鹽巖非常致密,初始孔隙度很小,熱開裂法可以保留巖樣的原始物性,并在巖樣表面形成微裂縫,若與巖樣內部的原始裂隙相連通則可增大其孔隙度。為了能夠使試驗結果具有普適性,在采集的巖樣的基礎上,使用熱開裂法進行人工造縫,得到孔隙度為2.3%～11.3%的碳酸鹽巖巖樣,可以滿足試驗要求。

2.3 試驗方案

巖樣制成并編號完成后,用電子秤測量每塊巖心的質量,并用游標卡尺測量巖石長度和直徑,計算出巖石體積和密度。然后通過孔隙度測定儀獲取每個巖樣的孔隙度,為增強試驗結果的可信度,將實測孔隙度與通過擬合曲線法測得的孔隙度相對比以減小誤差。由于巖樣較為致密,滲透率很小,因此試驗中采用了氣測滲透率。部分巖樣的物性參數(shù)見表2。試驗在伺服三軸壓力試驗機上完成,巖心承受軸壓、圍壓及孔隙壓力,巖心在膠皮桶內密封,兩端加水頭用以打入孔隙壓力,并且在水頭兩端安裝聲波探頭。共選取孔隙度為3%～12%的21塊巖心進行聲波波速測定試驗,試驗方案如表3所示。

從表2中可知,本試驗中巖樣的密度較為接近,為2.6～2.7 g/cm3,因此在聲波試驗中可以忽略密度對聲波速度的影響。

表2 部分巖樣物理參數(shù)Table 2 Physical parameter of partial rock samples

表3 聲波試驗方案Table 3 Acoustic wave experiment scheme

根據(jù)測得的裂縫孔隙度進行分組得到兩批巖樣,保證巖樣在同一孔隙度下存在兩組值,以減少試驗失敗引起的誤差。在試驗過程中通過控制加載在巖樣上的軸壓、圍壓和孔隙壓力來模擬井下真實的地層狀態(tài)。

2.4 試驗結果分析

在一定的圍壓、孔隙壓力下,改變軸壓,對21塊巖心的縱、橫波時差(波速)數(shù)據(jù)進行回歸分析,巖心的裂縫孔隙度為2%～12%。以試件3C-3結果為例進行分析。

孔隙度恒定條件下縱、橫波波速與有效應力的關系如圖1所示。

圖1 3C-3縱、橫波波速隨有效應力的變化Fig.1 Changes of vertical and shear wave velocity with effective stress for sample 3C-3

從圖1可以看出,在孔隙度不變的條件下,縱、橫波速都隨有效應力的增加而增大,二者呈明顯的正相關關系,特別是當有效應力增大到某一值時對橫波波速有使其突然增大的作用。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得到的有效應力σeff表達式為

式中,pp為地層孔隙壓力,MPa；pz為軸壓,MPa；pw為圍壓,MPa。

孔隙度不變條件下,縱、橫波波速與平均應力的關系如圖2所示?？梢钥闯?縱、橫波波速隨平均應力的增加而增大,呈明顯的正線性關系,在孔隙壓力對縱、橫波速的影響較小時,可以擬合出較好的直線方程。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得到的平均應力與加載的軸壓、圍壓的關系為

此處,平均應力不等價于上覆壓力,對孔隙應力沒有影響。

在有效應力25 MPa下,縱、橫波波速隨孔隙度的變化如圖3所示。

波速與有效應力的關系通過不同孔隙度來體現(xiàn),隨著孔隙度的增加,橫波和縱波波速都逐漸減小,呈明顯的負相關線性關系(圖3)。

圖2 3C-3縱、橫波波速隨平均應力的變化Fig.2 Changes of vertical and shear wave velocity with average effective stress for sample 3C-3

圖3 3C-3縱、橫波波速隨孔隙度的變化Fig.3 Changes of vertical and shear wave velocity with porosity for sample 3C-3

本試驗中考慮所有有效應力情況下,縱、橫波波速隨孔隙度變化的擬合直線方程分別為

考慮孔隙度和有效應力兩個自變量后擬合的多元直線方程為

以3C-3(孔隙度為11.35%)為代表建立適用于類似灰?guī)r巖性的碳酸鹽巖地層模型,而針對于其他巖性的碳酸鹽巖則需要重新利用上述方法進行試驗分析得到適合本地層的規(guī)律。

3 碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測新模型

針對四川盆地的地質特點建立地層孔隙壓力預測模型。對于上部壓實作用為成因的砂泥巖剖面使用Eaton法計算地層孔隙壓力[8],而對于下部海相碳酸鹽巖地層,使用聲波試驗得到相關關系式計算孔隙壓力。

試驗的理論基礎為Terzaghi考慮兩種力的綜合影響提出的有效應力定理[9],即

式中,pob為上覆巖層壓力,MPa；α為有效應力系數(shù)。巖石的有效應力與巖石力學參數(shù)泊松比μ、縱橫波速vp、vs以及縱橫波速比vp/vs等密切相關,而巖石力學參數(shù)又可以由聲波測井資料求取,這樣利用測井資料就可以間接地求得有效應力[10]。

根據(jù)碳酸鹽巖地層聲學特性室內試驗數(shù)據(jù)進行回歸得出新的碳酸鹽巖壓力預測模型,而預測中主要用到在不同孔隙度條件下縱波波速與有效應力的關系,

這樣,裂隙性碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測過程為:通過深淺側向電阻率測井根據(jù)式(1)～(3)求出碳酸鹽巖地層的裂隙孔隙度φfr。

由聲波測井數(shù)據(jù)得到縱波波速vp,由密度測井得到上覆巖層壓力pob,則碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測模型為

由于目前大多數(shù)井的測井數(shù)據(jù)中缺失橫波波速資料,因此試驗中可以研究橫波速度對孔隙壓力的影響情況,但在建立數(shù)學模型時選擇更為廣泛應用的縱波資料。

4 現(xiàn)場應用

對四川盆地飛仙關組已鉆的4口井7個深度點的地層壓力進行預測,結果見表4。

表4 計算與實測地層壓力對比Table 4 Comparison of calculated and measured pressure

從表4可以看出,用該法預測的地層孔隙壓力與實測值較吻合。這說明該方法預測的地層孔隙壓力能夠滿足鉆井及采油工程的需要,可為合理選用鉆井液密度和保持井壁穩(wěn)定提供可靠的壓力依據(jù)。

圖4為利用本文方法預測的飛1井地層壓力。該井為直井,地表為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組,底部為二疊系的龍?zhí)督M,主要鉆井目的是為了解長興組生物礁巖隆和飛仙關組的儲層分布及其含油氣性,預測井段為2.0～3.8 km,其中在2.6～2.8 km和3.6～3.7 km兩段出現(xiàn)異常高壓,預測孔隙壓力當量鉆井液密度為1.5 g/cm3,最大值達到2 g/cm3,該法預測的這一井段地層孔隙壓力值較穩(wěn)定,突變幅度小,預測精度高,能滿足實際鉆井工程的需要。

圖4 飛1井孔隙壓力預測結果Fig.4 Prediction pore pressure of well Fei 1

5 結 論

(1)深、淺雙側向測井既能深穿透裂縫層,又能作定量解釋,雖然氣水飽和度對其有一定的影響,但深、淺電阻率值主要受裂縫產狀和張開度的制約。利用深、淺電阻率差值可以判斷地層裂縫的產狀,并定量計算裂縫孔隙度和裂縫張開度,可以作為地層裂縫發(fā)育程度的參數(shù)。

(2)在孔隙度一定的條件下,縱、橫波速度隨有效應力的增大而增大；在有效應力一定的條件下,縱、橫波速度隨孔隙度的增大而減小。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸得到的不同孔隙度條件下縱、橫波速與有效應力之間的線性關系式,可以將裂縫孔隙度、縱橫波速與有效應力定量地聯(lián)系起來,建立一套適用于海相碳酸鹽巖地層的壓力預測模型。

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(編輯 李志芬)

A novel pore pressure prediction model of carbonate formation with fracture development

CHENG Yuan-fang1,SHI Xian1,LI Lei2,WU Ling-yan1,MEI Wei3
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.Drilling Technology Company of Shengli Oilfield,Dongying 257000,China；
3.China Offshore Services Company Limited,Tianjin 300457,China)

The fracture porosity was calculated by the difference of deep and shallow lateral resistivity quantitatively.Based on the effective stress theory,the integration of sonic velocity experiments was presented to imply the different responses to complex mechanisms of generating pore pressure.In addition,the correlation between sonic velocity and the effective stress was analyzed and a new pore pressure prediction model for carbonate formation was established by regression analysis method.The results show that the attitude of formation fractures can be justified by the difference of deep and shallow lateral resistivity.Moreover,the fracture porosity and fracture opening width can be also calculated quantitatively.When the porosity is an constant,both shear and compressional wave travel time increase with the rise of the effective stress.Otherwise,when the effective stress is an constant,both shear and compressional wave travel time decrease with the rise of porosity.The reliability and better accuracy are also testified compared with conventional methods.

carbonate；pore pressure；sonic transit time；fractures；effective stress

TE 21

A

1673-5005(2013)03-0083-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.014

2012-06-20

教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(RT1086)；十一五國家科技支撐計劃(2008BAB37B01)

程遠方(1964-),男,教授,博士,博士生導師,從事壓力預測和巖石力學理論研究。E-mail:yfcheng@upc.edu.cn。