渤南洼陷低孔隙度低滲透率地層巖石力學(xué)參數(shù)測井計算方法

翟勇

（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營257096）

0 引 言

在油氣開采過程中，通過綜合應(yīng)用巖石強(qiáng)度參數(shù)和巖石強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則可以優(yōu)化射孔參數(shù)，制定合理的生產(chǎn)壓差及生產(chǎn)制度，估算水力壓裂所需的壓力。在鉆井過程中，可以開展井壁穩(wěn)定性分析，獲得地層的坍塌壓力、破裂壓力，一方面為安全鉆井提供必需的安全泥漿密度，保證井壁穩(wěn)定；另一方面為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，提高鉆井效益［1］。

目前，獲取巖石力學(xué)參數(shù)的方法主要有巖心力學(xué)實驗以及利用測井資料計算。巖石力學(xué)實驗是確定巖石力學(xué)參數(shù)最基本、最直接的方法，但巖心實驗數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)離散，不能反映井剖面地層巖石強(qiáng)度的變化趨勢。利用測井資料預(yù)測巖石的強(qiáng)度參數(shù)可以得到連續(xù)的地層巖石強(qiáng)度剖面，但測井資料與地層巖石的強(qiáng)度，如抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等參數(shù)之間并沒有直接的、確定不變的數(shù)學(xué)關(guān)系，這就給利用測井資料預(yù)測巖石的強(qiáng)度帶來了極大困難。因此，對油氣工業(yè)，巖石強(qiáng)度的實驗研究與測井連續(xù)計算相結(jié)合，是獲得對巖石強(qiáng)度剖面全面認(rèn)識的必然途徑［2－4］。

1 巖石力學(xué)參數(shù)實驗分析

1.1 巖樣的制備及基礎(chǔ)物性測試

選取有代表性的巖心，利用鉆床、切片機(jī)等設(shè)備加工成端面平整的直徑2.5cm、長4.0cm左右的巖心柱塞。對巖樣逐一進(jìn)行編號后測量長度和直徑，經(jīng)過烘干后進(jìn)行重量、孔隙度、聲波速度等基礎(chǔ)參數(shù)的測量。

1.2 巖心三軸抗壓實驗研究方法

三軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在三軸壓力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于巖石破壞時的最大壓應(yīng)力。由于地下的巖體和井壁圍巖均處于三向應(yīng)力狀態(tài)，所以對巖石力學(xué)狀態(tài)的測試不能靠簡單的單軸壓縮試驗方法，必須在一定的圍壓作用下進(jìn)行實驗測定。在常規(guī)三軸抗壓實驗過程中，巖樣放入高壓室中，先四周加壓至所需的壓力，然后逐漸增加垂向壓力，并記錄巖樣的軸向壓縮應(yīng)變，據(jù)此可繪制應(yīng)力－應(yīng)變曲線（見圖1）。

三軸抗壓強(qiáng)度實驗儀器采用美國GCTS公司生產(chǎn)的巖心三軸試驗機(jī)RTR－1000。依據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 50266－99）》在模擬地層凈圍壓的條件下對各巖心進(jìn)行了三軸抗壓測試，根據(jù)各巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以獲取巖石的彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度等參數(shù)；根據(jù)不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度，通過繪制莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線即可確定巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

圖1 巖心SL2－12三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（圍壓46MPa）

1.3 巖石抗張強(qiáng)度測量的實驗方法

巖石的抗張強(qiáng)度又叫抗拉強(qiáng)度，是指巖石在單軸拉力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于破壞時的最大拉應(yīng)力。實驗采用劈裂法測定巖石抗張強(qiáng)度，沿著圓柱體直徑方向施加集中載荷，巖樣會沿著受力的直徑方向裂開。巖石抗張強(qiáng)度的計算公式為

式中，pmax為巖石破壞時的最大壓力，MPa；D為巖石試件的直徑，m；L為巖石試件的長度，m。

2 巖石力學(xué)參數(shù)測井預(yù)測模型

巖石的彈性模量和泊松比不僅可以通過巖石物理實驗方法得到，也可以利用彈性波的傳播關(guān)系，由測量的彈性波速度和體積密度計算得到，由此得到結(jié)果稱為動態(tài)彈性參數(shù)。動態(tài)彈性參數(shù)較為連續(xù)，可以較好地反映地層剖面的機(jī)械特性變化，但現(xiàn)有的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系都是基于靜態(tài)彈性參數(shù)建立的，因此，在實驗研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)全井剖面巖石靜態(tài)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測是本文研究的重點。

基于測井資料預(yù)測巖石抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的相關(guān)研究早已見諸國內(nèi)外文獻(xiàn)［1－4］，也形成了許多經(jīng)驗公式，只是不同地區(qū)所建公式有所不同。對于不同地區(qū)不同巖性，需選擇和建立合理的計算模型。為此，針對渤南洼陷義173井等4口井沙四段儲層巖心開展了巖石物理實驗，對力學(xué)測試結(jié)果與縱、橫波時差和巖石體積密度進(jìn)行統(tǒng)計及相關(guān)性分析（見圖2至圖7）。

圖2 靜態(tài)彈性模量與縱波時差／密度的關(guān)系

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，研究工區(qū)內(nèi)低孔隙度低滲透率砂巖的靜態(tài)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、抗張強(qiáng)度與縱波時差（Δtc）和體積密度（ρ）比值間均具有較好的相關(guān)性，而內(nèi)摩擦角與縱波時差具有較好相關(guān)性。經(jīng)回歸后建立各巖石力學(xué)參數(shù)的測井計算模型。

靜態(tài)彈性模量計算模型

三軸抗壓強(qiáng)度計算模型

圖7 抗張強(qiáng)度與縱波時差／密度的關(guān)系

內(nèi)聚力計算模型

內(nèi)摩擦角計算模型

抗張強(qiáng)度計算模型

泊松比計算模型

3 工程應(yīng)用分析

巖石的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度是確定井眼穩(wěn)定性的3個關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)建立的模型對研究工區(qū)內(nèi)義290等井沙河街組地層剖面的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計算分析，進(jìn)而結(jié)合地層應(yīng)力、地層孔隙壓力分析利用基于Mohr－Coulomb準(zhǔn)則及最大拉應(yīng)力理論計算各井剖面的坍塌壓力梯度、破裂壓力梯度［5－8］。將計算結(jié)果與實際鉆井及測試資料進(jìn)行對比，以驗證模型的可靠性。

渤南洼陷沙四段儲層普遍存在異常高壓，以義290井為例，該井沙四段壓力系數(shù)可達(dá)到1.35以上，實際鉆井液密度為1.65g／cm3（見圖8），可以看出，計算得到的坍塌壓力梯度與實際鉆井液密度大小的對比與井眼失穩(wěn)狀況具有較好的對應(yīng)關(guān)系，實際使用鉆井液密度介于安全范圍內(nèi)的井段井徑規(guī)則，而當(dāng)實際使用鉆井液密度低于坍塌壓力梯度時，井徑明顯擴(kuò)徑。

針對破裂壓力，選取了研究工區(qū)內(nèi)有壓裂資料的4口井對實測破裂壓力梯度與測井計算的進(jìn)行了對比（見表1），平均誤差在2.42%左右，最大為4.66%，而模型建立前的平均誤差在12.75%左右，最大為21.76%，從而驗證了本文所構(gòu)建的巖石力學(xué)參數(shù)計算模型對研究工區(qū)地層具有較好的適應(yīng)性，使計算精度得到很大提高。

表1 實測與測井計算破裂壓力梯度對比表

圖8 義290井井眼穩(wěn)定性評價成果圖

4 結(jié) 論

（1）針對巖心進(jìn)行了三軸彈性及強(qiáng)度參數(shù)測試，得到靜態(tài)彈性模量、抗張及抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、泊松比等參數(shù)。

（2）統(tǒng)計分析表明，靜態(tài)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、抗張強(qiáng)度與縱波時差和體積密度比值間具有較好的相關(guān)性，而內(nèi)摩擦角、泊松比與縱波時差具有較好相關(guān)性，由此回歸了新的測井計算模型。

（3）實際工程應(yīng)用表明，本文所構(gòu)建的巖石力學(xué)參數(shù)計算模型在渤南洼陷地層具有較好的適應(yīng)性，井眼穩(wěn)定性參數(shù)計算精度得以提高。為今后工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)，對提高井身質(zhì)量、有效保護(hù)油氣層、降低鉆探成本有著重要意義。

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