ADS法在深層致密砂巖儲(chǔ)層地應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用

鄭蓮慧 單鈺銘 蔣曉紅 尹帥

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

ADS法在深層致密砂巖儲(chǔ)層地應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用

鄭蓮慧1，2單鈺銘1蔣曉紅2尹帥1

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

采用ADS法對(duì)塔里木某地區(qū)深層致密砂巖儲(chǔ)層的地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算研究。首先在區(qū)分砂、泥巖前提下提取縱橫波時(shí)差轉(zhuǎn)換關(guān)系，然后采用聲發(fā)射（AE）和壓裂（HPF）資料標(biāo)定水平主應(yīng)力求得水平骨架非平衡因子μg，μg有隨著深度增加而減小的趨勢(shì)，最終獲得水平最大和最小主應(yīng)力計(jì)算模型及志留系致密砂巖儲(chǔ)層三大主應(yīng)力連續(xù)剖面，地應(yīng)力滿足σv＞σH＞σh的關(guān)系，為正常應(yīng)力系統(tǒng)。最后對(duì)地應(yīng)力、破裂壓力、地層壓力和坍塌壓力對(duì)合理鉆井液密度窗的影響和計(jì)算方法進(jìn)行了分析，建立了三壓力剖面，確定了鉆井液安全密度窗。實(shí)際采用1.34～1.4g／cm3鉆井液密度可確保井下正常，與計(jì)算的安全窗范圍相一致。

深層 致密砂巖 地應(yīng)力大小 ADS法 鉆井液密度窗

0 引言

隨著油氣資源的不斷消耗，油氣增長率逐漸減慢而人類的需求卻在逐年遞增，因此常規(guī)油氣儲(chǔ)層逐漸轉(zhuǎn)向深層致密儲(chǔ)層及非常規(guī)方向成為時(shí)代的潮流［1］，但這將大大增加勘探、開發(fā)難度，增加相關(guān)費(fèi)用［2］，同時(shí)也對(duì)勘探及開發(fā)各個(gè)階段的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)工藝提出更高的要求。深層致密砂巖儲(chǔ)層是國內(nèi)未來勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一，地應(yīng)力大小的研究對(duì)正常及高速鉆進(jìn)、節(jié)約成本及維持正常開采效率等方面具有重要意義。目前對(duì)于地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)井解釋的模型主要包括：①莫爾—庫倫破壞模型；②單軸應(yīng)變模型；③地層各向異性模型。其中莫爾—庫倫破壞模型假設(shè)地層處于剪切破壞的臨界態(tài)時(shí)，地層的抗剪強(qiáng)度決定了最大原位剪應(yīng)力，這些假設(shè)往往與實(shí)際不符；單軸應(yīng)變模型的主要缺陷是認(rèn)為水平主應(yīng)力完全由垂向應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生，因而兩個(gè)水平方向主應(yīng)力完全相等，這一觀點(diǎn)顯然與實(shí)際不符。且該模型忽視了構(gòu)造應(yīng)力，因而僅在構(gòu)造活動(dòng)較弱的地區(qū)具有一定適用性；地層各向異性模型主要包括黃氏模型（1983）、組合彈簧模型（1988）、葛氏模型（1996）、斯倫貝謝模型、多孔彈性水平應(yīng)變模型及雙軸應(yīng)變模型（2002）、ADS法（2009）等，這些模型均較好地考慮到了構(gòu)造應(yīng)力及有效應(yīng)力，對(duì)水平方向兩個(gè)主應(yīng)力分別進(jìn)行有效表征，考慮到課題中實(shí)際掌握的資料情況，筆者以深層志留系致密砂巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，采用ADS法［3］對(duì)地應(yīng)力大小進(jìn)行計(jì)算和分析，從而為深層致密砂巖儲(chǔ)層地應(yīng)力的更深層研究提供一些參考。

1 深層致密砂巖儲(chǔ)層特征

本次研究砂體為塔里木某地區(qū)志留系深層致密砂巖儲(chǔ)層，其埋深大致分布在5100～5600m（TVD），為低孔（主要分布在4%～8%）特低滲（主要分布在0.1～1mD）儲(chǔ)層，巖石主要成分為石英（平均62%）、長石（平均9%）及巖屑（平均29%），巖石具細(xì)—中粒砂狀結(jié)構(gòu)（圖1），粒徑以0.1～0.2mm為主，少量分布在0.05～0.1mm及0.2～0.5mm，分選性中等—偏好，磨圓為次棱角—次圓狀。碎屑組分主要為單晶石英及大量長石、巖屑，長石以鉀長石為主，并含有少量的斜長石，見弱蝕變，巖屑主要為硅質(zhì)巖屑，含有部分變石英巖屑、火山巖屑、片巖屑、碳酸鹽巖屑、云母碎屑等，偶見千枚巖屑。填隙物組分主要有方解石，呈粒狀膠結(jié)分布于

粒間孔內(nèi)，另可見有少量硅質(zhì)，呈石英加大邊（圖1-B）。碎屑邊緣均勻分布有鐵泥質(zhì)膜，巖石受中等壓實(shí)，碎屑呈點(diǎn)—線接觸，膠結(jié)類型為接觸—孔隙式膠結(jié)，孔隙度中60%為保留原生粒間孔，剩余40%為蝕變次生孔隙。

圖1 研究區(qū)致密砂巖顯微圖片圖

2 縱橫波時(shí)差關(guān)系

對(duì)研究區(qū)致密砂巖采用ADS法進(jìn)行評(píng)價(jià)。ADS法計(jì)算中動(dòng)泊松比為必須量［3-4］，動(dòng)泊松比ν計(jì)算公式為［5］：，（式中：ΔTS和ΔTC分別為橫波時(shí)差和縱波時(shí)差，μs·ft-1），根據(jù)油田聲波測(cè)井巖性解釋結(jié)果提取砂、泥巖縱橫波時(shí)差。本區(qū)目的層泥巖的自然伽馬值較高，一般大于90API，縱波時(shí)差值反映在測(cè)井曲線上略大于上下砂巖層，密度一般小于2.4g／cm3。利用測(cè)井資料分別提取的砂、泥巖縱橫波時(shí)差間關(guān)系如圖2所示，進(jìn)而可以求得各井20kHz測(cè)井頻率下ΔTC值對(duì)應(yīng)的橫波時(shí)差值，最終便可獲得各井區(qū)分砂、泥巖條件下整個(gè)志留系連續(xù)動(dòng)泊松比測(cè)井解釋剖面。

圖2 縱橫波時(shí)差關(guān)系圖

3 水平主應(yīng)力標(biāo)定

只有微型壓裂和差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)?zāi)艽_定水平主應(yīng)力的大小［3］13，聲發(fā)射［6］可以為水平主應(yīng)力大小的確定提供一些參考，因此本次研究對(duì)微壓裂資料進(jìn)行分析的前提下同時(shí)對(duì)部分巖樣進(jìn)行了聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1，由于實(shí)驗(yàn)中聲發(fā)射為無側(cè)壓（圍壓）測(cè)試結(jié)果，所以要進(jìn)行圍壓校正，根據(jù)研究區(qū)壓力梯度及大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出的計(jì)算公式：σ1＝σ0＋1.1029σ3＋1.2293，（式中：σ1為校正后應(yīng)力值，MPa；σ0為無側(cè)壓應(yīng)力值，MPa；σ3為圍壓值，MPa），校正后的三級(jí)水平主應(yīng)力值如表1所示，經(jīng)過分析第三級(jí)能反映現(xiàn)今水平主應(yīng)力大小。

表1 水平主應(yīng)力標(biāo)定表

4 地應(yīng)力大小測(cè)井解釋

4.1 水平主應(yīng)力及垂向主應(yīng)力

式中，σH、σh分別為水平方向最大和最小主應(yīng)力，MPa；σv為垂向主應(yīng)力，MPa；μg為骨架非平衡因子，無量綱；ν為動(dòng)泊松比，無因次；Pp為地層壓力，MPa；α為Biot系數(shù)。

ADS法公式為式（1）［3］11，μg為未知量，可以通過前面標(biāo)定的水平主應(yīng)力（表1）及基本參數(shù)（表2）進(jìn)行反算，基本參數(shù)中涉及的參數(shù)有Biot系數(shù)（α）、動(dòng)泊松比（ν）、地層壓力（Pp）、水平方向最大主應(yīng)力（σH）及垂向主應(yīng)力（σv），其中地層壓力可以根據(jù)研究區(qū)壓力系數(shù)［7］計(jì)算，垂向主應(yīng)力通過公式（2）密度積分進(jìn)行計(jì)算，最終反算結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的μg有隨著深度的增加而逐漸減小的趨勢(shì)，在標(biāo)定μg之后（定值）就可以利用ADS法（1式）計(jì)算各井水平最大和最小主應(yīng)力連續(xù)剖面。

式中，G為上覆巖層壓力梯度，g／cm3；ρw為海水密度，g／cm3；hw為海水深度，m；ρo為上部無密度測(cè)井地層段平均密度，g／cm3；ho為上部無密度測(cè)井地層段平均深度，m；ρbi為測(cè)井曲線對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)的密度，g／cm3；Δh為深度間隔，m；Sv為上覆巖層壓力，MPa；g為常數(shù)，g＝9.8m／s2；H為深度，m；Pb（h）為埋深h時(shí)對(duì)應(yīng)的地層孔隙壓力，MPa。

表2 反算μg基本參數(shù)值表

圖3 μg反算結(jié)果圖

4.2 地應(yīng)力剖面

依據(jù)以上計(jì)算方法對(duì)單井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得單井地應(yīng)力測(cè)井解釋剖面（圖4），從該剖面可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)志留系地層地應(yīng)力大小基本滿足σv＞σH＞σh的關(guān)系，為正常應(yīng)力系統(tǒng)。

圖4 地應(yīng)力測(cè)井解釋剖面圖

對(duì)于鉆井液密度窗的選擇一般需要坍塌壓力和破裂壓力［8-10］，根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則［3］10，坍塌壓力可以根據(jù)下式（式3）確定：

式中，Pc為坍塌壓力，MPa；η為井壁巖石非線性應(yīng)力修正系數(shù)，η＝0.9～0.95；C為內(nèi)聚力，MPa；θ為內(nèi)摩擦角，°。

對(duì)于破裂壓力可以根據(jù)壓裂準(zhǔn)則由以下公式（式4）進(jìn)行標(biāo)定：

式中，Pf為破裂壓力，MPa；St為抗張強(qiáng)度，MPa。

合理的鉆井液密度一般高于地層壓力和坍塌壓力折合成的密度當(dāng)量，但小于最小水平主應(yīng)力和破裂壓力折合成的密度當(dāng)量，折合方法見式（5）：

式中，ρx為鉆井液安全窗密度，g／cm3；Px為孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力及水平最小主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)式（5）確定了鉆井液的合理密度窗，見圖5。從圖5可以看出，泥巖段坍塌壓力往往大于孔隙壓力，此時(shí)安全窗較窄；砂巖段坍塌壓力小于孔隙壓力，此時(shí)安全窗較寬。實(shí)際目的層采用1.34～1.4g／cm3鉆井液密度即可確保井下正常，這與計(jì)算的安全窗范圍相一致。該研究結(jié)果可以為該地區(qū)志留系深層致密砂巖儲(chǔ)層的高效鉆進(jìn)和正確施工提供依據(jù)。

圖5 三壓力測(cè)井解釋剖面圖

5 結(jié)束語

筆者采用ADS法對(duì)志留系深層致密砂巖儲(chǔ)層的地應(yīng)力大小進(jìn)行計(jì)算研究。首先在區(qū)分砂、泥巖前提下提取縱橫波時(shí)差轉(zhuǎn)換關(guān)系，然后采用AE和HPF資料標(biāo)定水平主應(yīng)力條件下求得μg，μg有隨著深度增加而減小的趨勢(shì)，最終獲得水平最大和最小主應(yīng)力計(jì)算模型及志留系致密砂巖儲(chǔ)層三大主應(yīng)力連續(xù)剖面，地應(yīng)力基本滿足σv＞σH＞σh的關(guān)系，為正常應(yīng)力系統(tǒng)。最后對(duì)地應(yīng)力、破裂壓力、地層壓力和坍塌壓力對(duì)合理鉆井液密度窗的影響和計(jì)算方法進(jìn)行了分析，建立了三壓力剖面，并與目的層實(shí)際鉆井液密度選擇及井況進(jìn)行了對(duì)比，表明實(shí)際鉆井液密度選擇與所計(jì)算的安全窗范圍相一致。研究結(jié)論可以為更好地指導(dǎo)深層致密砂巖儲(chǔ)層的施工方案制定、高效鉆進(jìn)及合理開發(fā)等方面提供依據(jù)。

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（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2014）04-0021-04

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.006

修訂回稿日期：2014－07－15

鄭蓮慧（1988－），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)、地應(yīng)力評(píng)價(jià)及井壁穩(wěn)定性研究。. E-mail：543872747@qq.com。