大北地區(qū)高陡構(gòu)造異常高壓地層地應(yīng)力測井計算方法

袁仕俊, 劉國良, 周陽, 夏宏泉, 王成龍

(1.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院, 新疆 庫爾勒 841000;2.西南石油大學(xué)石油工程測井大北實驗室, 四川 成都 610500)

0 引 言

庫車坳陷位于塔里木盆地北部,北與南天山斷裂褶皺帶以逆沖斷層相接,南為塔北隆起,東起庫爾楚,西至烏什,是一個以中、新生代沉積為主的前陸盆地。該坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動,其中喜山期運動對庫車坳陷的構(gòu)造變形影響最為強烈。在喜山期,南天山造山帶強烈抬升,產(chǎn)生區(qū)域性的由北向南的擠壓應(yīng)力場,導(dǎo)致坳陷內(nèi)發(fā)育了典型的沖斷-褶皺構(gòu)造。坳陷內(nèi)斷裂復(fù)雜,控制著構(gòu)造的發(fā)育與展布,坳陷中部自北向南劃分為“兩帶一凹”,即克拉蘇沖斷帶、拜城凹陷、秋里塔格沖斷帶?？死K沖斷帶是南天山南麓第1排沖斷構(gòu)造,該沖斷帶由北部單斜帶、克拉蘇構(gòu)造2個次級構(gòu)造單元組成?？死K構(gòu)造是緊鄰南天山南麓和拜城凹陷北緣的第2排背斜構(gòu)造帶,以古近系鹽下勘探目的層為主,構(gòu)造帶發(fā)育于新近紀晚期,屬逆沖構(gòu)造體系的主體。大北地區(qū)位于克拉蘇深部區(qū)帶西段,其構(gòu)造活動開始于燕山晚期,定型于喜山晚期,庫車組中晚期構(gòu)造活動最強烈。該區(qū)帶受北部的克拉蘇沖斷帶和南部的拜城凹陷控制,2個構(gòu)造之間發(fā)育多條次級逆沖斷裂,將DB構(gòu)造進一步復(fù)雜化,形成DB1斷塊、DB101斷塊、DB103斷塊、DB2斷塊、DB201-6斷塊、DB5斷塊和DB3、DB4斷塊等多個斷塊。

大北地區(qū)主要儲層以巴什基奇克組低孔隙度低滲透率砂巖為主,埋藏深,產(chǎn)層壓力在86～130 MPa、壓力系數(shù)在1.65～1.8 MPa/100 m,表現(xiàn)為明顯異常高壓;其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,且地層傾角較大,斷層、裂縫等發(fā)育[1],給工區(qū)油氣勘探開發(fā)帶來了較大困難。實測地應(yīng)力花費較大,又不能獲得連續(xù)的地應(yīng)力剖面。測井資料具有分辨率高、連續(xù)性好等優(yōu)點,可利用測井資料計算該地區(qū)的地應(yīng)力。樓一珊、鄭琦怡等[2-3]曾分別提出了基于測井資料并考慮地層傾角和構(gòu)造運動劇烈程度的地應(yīng)力計算模型,但是這2種模型過于復(fù)雜,參數(shù)較多,對構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的校正量過大,實用性不強。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出適合該工區(qū)高陡構(gòu)造異常高壓地層的地應(yīng)力計算方法。

1 高陡構(gòu)造異常高壓形成原因

異常壓力形成的原因可能是多種互相疊置的因素所致,如地質(zhì)、物理、地球化學(xué)和動力學(xué)的因素[4]。異常高壓給鉆井工程帶來了較多困難。通過總結(jié)前人的研究,發(fā)現(xiàn)大北地區(qū)白堊系砂泥巖地層出現(xiàn)異常高壓的原因有3點[5-6]。

(1) 古近系鹽巖蓋層發(fā)育及不均衡壓實作用是大北地區(qū)白堊系砂泥巖地層形成異常高壓的主要原因,即在地層埋藏和壓實過程中,孔隙中的過剩流體在機械力的作用下從沉積物中排出。在快速沉積過程中,巖石顆粒沒有足夠的時間去正常緊密排列,同時鹽巖蓋層壓實作用引起孔隙度和滲透率的降低,孔隙內(nèi)流體的排出受到限制,流體無法流出,使得孔隙壓力升高,從而產(chǎn)生異常高壓。

(2) 南天山構(gòu)造運動形成的強擠壓應(yīng)力作用。在強烈的擠壓應(yīng)力作用下,地層中的流體被嚴重擠壓,在得不到釋放的情況下,形成了異常高壓流體,地層孔隙壓力升高,地應(yīng)力也隨之升高。

(3) 烴源巖生成的天然氣向儲層充注對超壓形成起著輔助作用。

2 異常高壓地層孔隙壓力測井計算

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力理論,巖石骨架應(yīng)力升高,地應(yīng)力大小隨之改變。梁何生等[7]對此作了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫ι邥r地應(yīng)力增加,當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫档蜁r地應(yīng)力減小。

2.1 基于聲波時差曲線和伊頓法計算地層孔隙壓力

地層孔隙壓力計算方法主要有等效深度法、伊頓(Eaton)法和有效應(yīng)力法等。等效深度法是在不同深度具有相同巖石物理性質(zhì)的泥頁巖的骨架所受到的有效應(yīng)力相等,該方法適用于初期勘探的地區(qū),在尚未取得原始地層壓力實測資料之前用來計算地層孔隙壓力;等效深度法只考慮了泥巖的垂直應(yīng)力,沒有考慮地層巖性、地溫、沉降速度等因素的影響,當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)較大、異常壓力點與等效深度點相距較遠時,誤差較大。Eaton法是目前比較常用的一種預(yù)測地層孔隙壓力的經(jīng)驗關(guān)系法,其原理是觀察參數(shù)的實際值和正常趨勢值的比率與地層孔隙壓力的關(guān)系,是由上覆巖層壓力梯度的變化決定的。Eaton法綜合考慮了除壓實作用以外其他高壓形成機制作用,并總結(jié)和參考了鉆井實測壓力與各種測井信息之間的關(guān)系,其公式中的系數(shù)包含了壓力形成的機制、超壓保存的條件和砂泥巖之間的水動力學(xué)關(guān)系,是一種比較實用的方法。

針對工區(qū)多套地層壓力系統(tǒng),利用基于聲波時差測井曲線改進Eaton法計算工區(qū)地層孔隙壓力pp,與實測的孔隙壓力相比,改進的Eaton法計算結(jié)果較為準確,更適合工區(qū)實際地層異常高壓的情況。

考慮到工區(qū)目的層段為異常高壓地層,地層壓實程度大,聲波時差變化范圍比較小,單純調(diào)節(jié)壓實指數(shù)C容易使整個地層壓力剖面曲線變化起伏較大,不符合實際地層壓力縱向變化特征。為此,在計算工區(qū)碎屑巖剖面地層壓力時需對pp計算值進行附加校正,校正量為Δp(一般在0～0.5 g/cm3)[1],由此建立的Eaton法預(yù)測地層孔隙壓力的非線性方程為

(1)

式中,p0為上覆地層壓力,MPa;ρi為地層密度,g/cm3,工區(qū)缺省值取2.5 g/cm3;ΔDi為深度采樣間隔,m;pw為地層水靜液柱壓力,MPa;ρw為地層水密度,g/cm3,工區(qū)取ρw=1.05 g/cm3;Δt為實測聲波時差測井值,μs/ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtn為正常壓實趨勢線上的聲波時差值,μs/ft;C為壓實指數(shù),無因次,常取值為0.914,異常高壓時C可大于0.914;D為深度,m。

2.2 地層正常壓實趨勢線的構(gòu)建

正常壓實趨勢線的構(gòu)建是Eaton法計算地層孔隙壓力的關(guān)鍵。泥巖壓實實驗研究表明,在正常壓實條件下,泥巖孔隙度隨上覆壓力(或埋深)呈遞減規(guī)律[8],可采用正常壓實井段泥質(zhì)層的測井值回歸計算與經(jīng)驗調(diào)整相結(jié)合的方法建立。圖1為DB地區(qū)正常壓實泥巖層聲波時差隨埋深變化的趨勢線圖,其方程

ln Δt=4.5278-0.000082D

(R=0.867;N=1)

(2)

式中,Δt為泥巖層正常壓實趨勢線上的聲波時差值,μs/ft;D為泥巖層正常壓實趨勢線上的深度,m。

將實際地層深度值代入式(2)可求出正常壓實趨勢的聲波時差值,再由式(1)計算實際地層孔隙壓力pp。

圖1 大北地區(qū)泥頁巖地層正常壓實趨勢線圖

3 高陡構(gòu)造最大、最小水平主應(yīng)力的測井計算方法

地應(yīng)力垂直應(yīng)力由重力應(yīng)力構(gòu)成,水平應(yīng)力由構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成。對地應(yīng)力大小和方向的定量表征(地應(yīng)力的數(shù)值)包括最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力的大小和方向等。地應(yīng)力大小和方向的確定是計算地層坍塌壓力和破裂壓力及研究井壁力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

實測地應(yīng)力的成本較高,且獲得的數(shù)據(jù)有限,對未進行地應(yīng)力測試的地層可通過利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算得到較為準確的地應(yīng)力數(shù)值,并用實測數(shù)據(jù)檢驗與標(biāo)定計算結(jié)果,得到沿井深連續(xù)分布的分層地應(yīng)力剖面。以往計算白堊系砂泥巖地層地應(yīng)力時主要采用黃氏模型,有

(3)

該模型認為地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力和水平方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生,在同一斷塊內(nèi),應(yīng)力修正系數(shù)β1、β2為常數(shù)(即構(gòu)造應(yīng)力與垂向有效應(yīng)力成正比)。黃氏模型考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響,可以解釋在中國常見的三向應(yīng)力不等且最大水平應(yīng)力大于垂向應(yīng)力的現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn),地層傾角對地應(yīng)力的計算有較大影響。當(dāng)?shù)貙觾A角較小時影響較小,地層傾角較大時影響較大。主要原因是,對于大多數(shù)地層,地層是各向異性體或宏觀各向異性體,其各方向上的彈性參數(shù)是不相同的;當(dāng)?shù)貙泳哂幸欢▋A角時,這種差別更為嚴重,因此,對大傾角地層其地應(yīng)力計算不能忽略地層傾角的影響。

大北地區(qū)經(jīng)歷了多期復(fù)雜構(gòu)造運動,燕山、喜山運動的影響最為明顯,尤其是在喜山期,南天山造山帶強烈抬升,產(chǎn)生區(qū)域性的向南擠壓的應(yīng)力場,導(dǎo)致坳陷內(nèi)發(fā)育典型的沖斷-褶皺構(gòu)造,多數(shù)地層存在不同程度的地層傾斜。大北地區(qū)大多數(shù)井地層傾角大于30 °,例如DB××1井目的地層傾角高達60 °、DB××2井目的地層傾角在30 °～40 °、DB××3井和DB××4井目的地層傾角都為30 °。

圖2 DB高陡地層地應(yīng)力狀態(tài)示意圖

地層傾角的存在減少了上覆巖層壓力(減小了垂直應(yīng)力對地層壓實作用的影響),增大了巖層的各向異性,在地層傾角較大區(qū)域應(yīng)適當(dāng)校正地層傾角對地應(yīng)力的影響。圖2中,針對大北地區(qū)地層傾角較大、地層異常高壓、地應(yīng)力強的實際情況,基于應(yīng)力分布的幾何空間三角函數(shù)關(guān)系,以地應(yīng)力實驗和壓裂試采實測值為刻度基準,利用地層傾角測井和聲電成像測井解釋得到的地層傾角數(shù)據(jù),引入地層傾角DIP對地應(yīng)力的影響系數(shù)β3,建立適合大北地區(qū)高陡地層的地應(yīng)力計算模型,表示為

(4)

式中,SH、Sh分別為最大、最小水平主應(yīng)力,MPa;μ為泊松比,無量綱;pp、p0分別為地層孔隙壓力和上覆巖層壓力,MPa;β1、β2分別為最大和最小主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),無量綱,根據(jù)資料反演獲知β1=0.843,β2=0.431;β3為地層傾角對地應(yīng)力影響系數(shù),無量綱;DIP為地層傾角,由地層傾角測井資料或成像測井資料獲取,°;α為有效應(yīng)力系數(shù),無量綱,α=1-Cma/Cb,Cma、Cb分別為巖石骨架壓縮系數(shù)和地層壓縮系數(shù)。

通過地應(yīng)力實驗獲取某一深度點最大、最小水平地應(yīng)力值和上覆巖層壓力,利用巖石力學(xué)實驗獲得的同一深度點的泊松比與有效應(yīng)力系數(shù),并結(jié)合實測的孔隙壓力反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

上述模型不僅考慮了地層彈性和構(gòu)造運動對地應(yīng)力計算的影響,也考慮了地層傾角對地應(yīng)力計算的影響。地層傾角為0 °時,對地應(yīng)力的影響為0,上述計算地應(yīng)力模型即為黃氏模型,也就是說黃氏模型為該模型的特列。當(dāng)?shù)貙觾A角增大時,地層傾角DIP對地應(yīng)力的影響系數(shù)β3隨之變大,表明地層傾角對地應(yīng)力的影響變大。地應(yīng)力隨著地層傾角的變大而變小,即同一地層其他條件相同情況下,地層越高陡(地層傾角越大)地應(yīng)力越小。

4 應(yīng)用實例分析

基于上述方法模型,對大北地區(qū)3口井測井資料進行了處理。處理結(jié)果見表1。

表1 不同計算地應(yīng)力的方法處理結(jié)果與實測地應(yīng)力值對比

表1中,實測數(shù)據(jù)來源于地應(yīng)力實驗、水力壓裂及鄰井的鉆井壓漏實驗等。與實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),在構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、有效應(yīng)力系數(shù)和泊松比相同條件下,采用考慮地層傾角對地應(yīng)力影響的高陡構(gòu)造地應(yīng)力計算模型計算出的地應(yīng)力值與實測較為符合,最大水平主應(yīng)力誤差不超過2.44%、最小水平主應(yīng)力誤差不超過3.8%,平均相對誤差為3.12%,誤差較小,高陡構(gòu)造地應(yīng)力模型處理結(jié)果比黃氏模型計算結(jié)果準確度高,更為可靠。

DB××1井位于DB×圈閉東南翼(DBX圈閉是克拉蘇構(gòu)造帶上一個局部構(gòu)造,受南北2條邊界大斷層控制,為近北東向短軸背斜),井點海拔5 705 m(見圖3),井點位置在時間域地震剖面上構(gòu)造南北向、東西向均有回傾。

圖3 DB××1井在構(gòu)造中位置

圖4為DB××1井K1bs地層(7 230～7 390 m)地應(yīng)力的測井解釋剖面圖。圖4中第5道顯示了DB××1井地層傾角變化情況,可以看出,DB××1井在7 230～7 390 m段其地層傾角在50 °～65 °之間,實測地應(yīng)力點(7 235.72 m)處地層傾角為60 °,屬于典型的高陡地層。為此,在計算該井地應(yīng)力時應(yīng)該采用式(4)計算,這樣才能建立較為準確的連續(xù)地應(yīng)力剖面。圖4中,三向應(yīng)力狀態(tài)為SH>p0>Sh。通過Kaiser地應(yīng)力實驗獲得7 235.72 m最大地應(yīng)力為207.19 MPa、最小地應(yīng)力為145.27 MPa,預(yù)測最大地應(yīng)力為204.9 MPa、最小地應(yīng)力為141.2 MPa,與實測地應(yīng)力相比較誤差分別為1.12%和2.77%,誤差小、精度高,能夠滿足工程應(yīng)用的要求。

圖4 DB××1井K1bs地層(7 230～7 390 m段)地應(yīng)力測井解釋剖面

5 結(jié)論及建議

(1) 地層傾角的存在降低了上覆巖層壓力對地層的壓實作用,地應(yīng)力隨著地層傾角的變大而變小。大北構(gòu)造受北部的克拉蘇沖斷帶和南部的拜城凹陷控制,地層傾角大,大部分井的地層傾角高于30 °,測井預(yù)測地應(yīng)力時應(yīng)考慮地層傾角才能提高地應(yīng)力的計算精度。為此,建立了考慮地層傾角影響因素的地應(yīng)力測井計算模型。

(2) 大北地區(qū)E-K系地層存在明顯的異常高壓情況,計算地應(yīng)力時首先要求準地層孔隙壓力。計算大北地區(qū)的E-K系地層孔隙壓力時,需要考慮實際地層壓力縱向變化特征,并正確構(gòu)建地層正常壓實的聲波時差值變化的趨勢線。

(3) 本文模型計算出的地應(yīng)力值與地應(yīng)力實驗測量值比較接近,誤差較小,且優(yōu)于黃氏模型,可以滿足石油工程應(yīng)用要求。

(4) 大北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地層傾角較大,且裂縫和斷層發(fā)育,在考慮地層傾角對現(xiàn)今地應(yīng)力的影響同時,可考慮裂縫產(chǎn)狀與現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系及其對地應(yīng)力大小的影響。

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