利用測(cè)井資料合成井壁破壞圖像分析地應(yīng)力新方法

王浩, 王才志, 劉英明, 王秀琴

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083; 2.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

地應(yīng)力是油氣勘探開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)重要參數(shù),廣泛應(yīng)用于油藏、鉆井、開(kāi)發(fā)等各個(gè)方面,隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入和勘探目標(biāo)的日益復(fù)雜,對(duì)地應(yīng)力分析提出了更高的要求[1]。地應(yīng)力與儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況、鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定、注水開(kāi)發(fā)中的井網(wǎng)設(shè)計(jì)與調(diào)整、產(chǎn)層出砂預(yù)測(cè)、射孔壓裂規(guī)模及參數(shù)選取等密切相關(guān)[2-5],準(zhǔn)確進(jìn)行地應(yīng)力分析對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。地應(yīng)力測(cè)量方法主要有水力壓裂法[6-8]、聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法等[9-10]。2種方法雖然獲取的地應(yīng)力數(shù)值比較準(zhǔn)確,但無(wú)法獲得連續(xù)的地應(yīng)力剖面,且測(cè)試時(shí)間長(zhǎng),成本高。測(cè)井資料因其測(cè)量深度大、測(cè)量深度連續(xù)、成本低等特點(diǎn),常用其進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算,得到反映地應(yīng)力隨深度變化的連續(xù)剖面。

1 地應(yīng)力的測(cè)井計(jì)算方法

利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力,利用密度測(cè)井曲線計(jì)算上覆地層壓力,根據(jù)地層條件合理選擇模型計(jì)算地層水平應(yīng)力。

1.1 上覆地層壓力計(jì)算

密度測(cè)井曲線計(jì)算上覆地層壓力[11]

(1)

式中,σv為上覆地層壓力;H為目的層深度;g為重力加速度。

實(shí)際計(jì)算中,一般利用插值方法構(gòu)建測(cè)量井段以上的密度曲線。

1.2 水平應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)研究地區(qū)的實(shí)際情況,采用組合彈簧模型計(jì)算地層的水平應(yīng)力。該模型假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體,并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,地層和地層之間不發(fā)生相對(duì)位移,所有地層2個(gè)水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。由廣義虎克定律得[11]

(2)

式中,σH為最大水平應(yīng)力,MPa;σh為最小水平應(yīng)力,MPa;σv為上覆地層壓力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;α為Biot系數(shù);E為巖石靜態(tài)彈性模量,GPa;ν為巖石靜態(tài)泊松比;εH為最大水平應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);εh為最小水平應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

1.3 水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)

利用上述模型計(jì)算地層水平應(yīng)力,上覆地層壓力、地層孔隙壓力、Biot系數(shù)、巖石彈性模量與泊松比等均可由測(cè)井資料計(jì)算得到。水平方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)往往利用實(shí)際地應(yīng)力測(cè)試資料結(jié)合式(2)反算得到,利用該系數(shù)和式(2)即可獲得沿深度變化的地應(yīng)力剖面。

2 合成井壁破壞圖像確定構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)

實(shí)際中,很多情況沒(méi)有完整的地應(yīng)力測(cè)試資料,水平方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)確定比較困難。本文通過(guò)調(diào)整構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算地應(yīng)力,利用地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果結(jié)合井壁破壞模式合成井壁破壞圖像,結(jié)合電成像測(cè)井資料也能反映井壁破壞情況的特點(diǎn),將二者進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)二者反映的井壁破壞情況相符時(shí),此時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)可作為該區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

2.1 井壁破壞模式

實(shí)際鉆井過(guò)程中,鉆井液替代了原來(lái)井眼處的巖石,3個(gè)大小不等的主應(yīng)力支撐的巖石被三向應(yīng)力相同的流體替代,導(dǎo)致應(yīng)力集中,井壁地層內(nèi)應(yīng)力變化可使井周巖石變形,并可能引起井壁失穩(wěn)[12]。

井壁不穩(wěn)定分為2種情況:①巖層剪切破壞引起的井壁剝落或垮塌;②井壁巖層發(fā)生張性破裂,造成泥漿漏失。

由莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,有[13]

(3)

令

(4)

式中,σ3為最小主應(yīng)力,MPa;φ為巖石內(nèi)摩擦角,弧度;C0為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,MPa。

當(dāng)Δ1<0時(shí),地層發(fā)生剪切破壞。

由最大拉應(yīng)力理論,有[13]

σ3+St=0

(5)

Δ2=σ3+St

(6)

式中,σ3為最小主應(yīng)力,MPa,St為巖石抗拉強(qiáng)度,MPa。

當(dāng)Δ2<0時(shí),巖石發(fā)生拉張破壞。

按照莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力理論,根據(jù)不同主應(yīng)力間的大小關(guān)系,據(jù)Tom Bratton,Bernt S Aadnoy等[14-15]分析,地層共有6種剪切破壞模式和3種拉張破壞模式(見(jiàn)表1)。

2.2 單深度點(diǎn)井壁破壞情況分析

根據(jù)實(shí)際鉆井泥漿密度,對(duì)井周應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)結(jié)合井壁破壞模式判斷實(shí)際井周對(duì)應(yīng)的破壞模式,再由Δ1和Δ2值大小確定井周破壞程度。圖1為以單深度點(diǎn)為例,井壁破壞情況分析結(jié)果。圖1中深度為3 000 m,井斜角0°,井斜方位角0°,最大水平主應(yīng)力方位0°,孔隙壓力40 MPa,上覆地層應(yīng)力65 MPa,最大水平主應(yīng)力55 MPa,最小水平主應(yīng)力50 MPa,內(nèi)摩擦角30°,Biot系數(shù)1.0,泊松比0.25,單軸抗壓強(qiáng)度30 MPa,抗張強(qiáng)度3 MPa。

圖1反映井壁破壞模式和破壞程度與井周方位角(井壁上一點(diǎn)徑向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角)的關(guān)系。由資料得知,該深度點(diǎn)安全鉆井泥漿密度介于1.52～2.14 g/cm3。圖1(a)至(f)分別對(duì)應(yīng)實(shí)際鉆井泥漿密度為1.05、1.2、1.6、2.0、2.1、2.3 g/cm3時(shí)某深度上井壁的破壞情況。圖1(a)和(b)的泥漿密度較低,圖1(a)發(fā)生Ⅰ型剪切破壞和Ⅸ型拉張破壞,且在與最大水平主應(yīng)力垂直方位上,剪切破壞最嚴(yán)重,此時(shí)井壁拉張破壞程度在井周各個(gè)方向上相同。圖1(b)發(fā)生Ⅰ型剪切破壞不發(fā)生拉張破壞,在與最大水平主應(yīng)力垂直方位上,剪切破壞最嚴(yán)重,且破壞程度較圖1(a)輕。圖1(c)和(d)既不發(fā)生剪切破壞也不發(fā)生拉張破壞。圖1(e)和(f)的泥漿密度較高,圖1(e)發(fā)生Ⅶ型拉張破壞,破壞方位與最大主應(yīng)力方位平行。圖1(f)發(fā)生Ⅱ型剪切破壞和Ⅶ型拉張破壞,拉張破壞程度較圖1(e)嚴(yán)重,且在與最大水平主應(yīng)力平行方位上,剪切破壞程度最嚴(yán)重。

表1 井壁破壞模式類型

圖1 井壁破壞模式和程度與井周方位角的關(guān)系

圖1反映的情況與安全鉆井泥漿密度窗口反映情況相符,即當(dāng)實(shí)際鉆井泥漿密度低于安全鉆井泥漿密度窗口下限時(shí),井壁發(fā)生剪切破壞,當(dāng)實(shí)際鉆井泥漿密度高于安全鉆井泥漿密度窗口上限時(shí),井壁發(fā)生拉張破壞。泥漿密度過(guò)高時(shí),也可能發(fā)生剪切破壞,且剪切破壞程度可能在與最大水平應(yīng)力平行的方位上最嚴(yán)重。

2.3 目的層段井壁破壞圖像合成

在單深度點(diǎn)井壁破壞情況分析的基礎(chǔ)之上,通過(guò)對(duì)目的層段進(jìn)行分析,將各深度上井周各點(diǎn)的破壞模式和破壞程度以不同的色度和灰度表示,得到該層段的井壁破壞圖像(見(jiàn)圖2)。該層段地層最大主應(yīng)力方位100°,圖2中第3道和第5道實(shí)際鉆井泥漿密度為2.2 g/cm3時(shí)目的層段單深度點(diǎn)分析結(jié)果;第4道和第6道為利用單深度點(diǎn)分析結(jié)果合成的井壁剪切破壞圖像和拉張破壞圖像。圖2中不同顏色代表不同的井壁破壞類型,顏色深淺代表井壁的破壞程度,顏色出現(xiàn)的方位代表井壁破壞發(fā)生的方位。從圖2可以看到,當(dāng)實(shí)際鉆井泥漿密度較大時(shí),該井井壁發(fā)生Ⅴ型剪切破壞和Ⅶ型拉張破壞,剪切破壞和拉張破壞程度均在與最大水平主應(yīng)力平行方位上達(dá)到最大,此時(shí)切向應(yīng)力為最小主應(yīng)力,拉張破壞為泥漿密度較大在井壁上產(chǎn)生的垂直壓裂縫。

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2.4 水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)確定

將地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果合成的井壁破壞圖像與電成像測(cè)井資料進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)二者反映井壁破壞情況相符時(shí),即可確定目標(biāo)區(qū)塊的水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

圖3中第2道為計(jì)算的水平應(yīng)力大小,第4道和第5道分別為井壁破壞圖像和該井電成像測(cè)井資料。圖3中可以發(fā)現(xiàn),井壁破壞圖像反映該深度段井壁發(fā)生Ⅶ型拉張破壞,即實(shí)際泥漿密度過(guò)大在井壁上產(chǎn)生垂直壓裂縫,電成像測(cè)井資料上也可見(jiàn)鉆井產(chǎn)生的泥漿誘導(dǎo)縫,且誘導(dǎo)縫的延伸長(zhǎng)度等與井壁破壞圖像反映的情況相符,則此時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)可作為該地區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。實(shí)際計(jì)算中,當(dāng)二者反映的情況不相符時(shí),則需要調(diào)整水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)重新進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算,直到由地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果合成的井壁破壞圖像與電成像測(cè)井資料反映的情況相符,從而確定實(shí)際區(qū)塊的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

圖2 井壁破壞圖像合成

圖3 井壁破壞圖像和電成像資料對(duì)比匹配

3 應(yīng)用實(shí)例

利用本文討論的地應(yīng)力分析方法對(duì)研究區(qū)域多口井進(jìn)行了處理。圖4為M5井處理解釋結(jié)果,其中,計(jì)算所需的巖石強(qiáng)度、巖石彈性等參數(shù)均由測(cè)井資料得出。

圖4中第2道為水平方向最大、最小構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)分別為0.25和0.1時(shí)計(jì)算的地應(yīng)力,第4道為此時(shí)的地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果合成的井壁破壞圖像;第3道為水平方向最大、最小構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為0.35和0.15時(shí)計(jì)算的地應(yīng)力;第5道為此時(shí)的地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果合成的井壁破壞圖像。該深度段的實(shí)際鉆井泥漿密度為2.32 g/cm3。由第5道發(fā)現(xiàn),當(dāng)最大、最小水平方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為0.35和0.15時(shí),由于實(shí)際鉆井泥漿密度較大,由該水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算的地應(yīng)力合成的井壁破壞圖像反映井壁產(chǎn)生Ⅶ型破壞,即在井壁產(chǎn)生垂直壓裂縫,但第5道的井壁破壞圖像反映的裂縫延伸長(zhǎng)度與電成像資料反映的情況明顯不符,因此,需要對(duì)地應(yīng)力重新進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)不斷調(diào)整水平方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)大小,當(dāng)水平方向最大、最小構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)分別為0.25和0.1時(shí),由該水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算的地應(yīng)力合成的井壁破壞圖像同樣反映井壁產(chǎn)生Ⅶ型破壞,即井壁產(chǎn)生垂直壓裂縫,且第4道的井壁破壞圖像反映的裂縫類型和裂縫延伸長(zhǎng)度均與電成像測(cè)井資料反映的情況相符,則0.25和0.1可作為該區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),第2道的地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可作為該井的地應(yīng)力剖面。

圖4 M5井綜合分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 利用測(cè)井資料測(cè)量深度大、測(cè)量深度連續(xù)、成本低等特點(diǎn),可以快速、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算。

(2) 提出了一種分析地應(yīng)力的新方法,利用地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度等參數(shù)合成井壁破壞圖像,結(jié)合電成像資料也能反映井壁破壞情況的特點(diǎn),將二者進(jìn)行對(duì)比,確定水平方向構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),再由該構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)得到地應(yīng)力剖面,為地應(yīng)力分析提供了一種新的思路。

(3) 當(dāng)?shù)貞?yīng)力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確時(shí),利用本文方法合成井壁破壞圖像進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析能直觀反映井壁破壞模式和破壞程度,給鉆井及其后續(xù)工作提供有效指導(dǎo)。

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