渤海灣盆地渤南洼陷沙四段巖相的巖石力學(xué)性質(zhì)差異

李志鵬，卜麗俠

(1.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；2.中國石化 勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營 257015)

沉積巖的巖性、礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)都存在較大的差異，可以劃分為不同類型的巖相。其巖性、巖石結(jié)構(gòu)及成巖作用等的差異從本質(zhì)上會造成力學(xué)性質(zhì)的不同[1-5]，進(jìn)而影響地應(yīng)力場的分布[6-8]。而地應(yīng)力是控制低滲透油氣藏水力壓裂裂縫形態(tài)及井網(wǎng)部署的重要因素[9-12]。隨著國內(nèi)外低滲透油藏開發(fā)的不斷進(jìn)行，特別是致密油氣藏的大規(guī)模壓裂開發(fā)[13-16]，地應(yīng)力、巖石力學(xué)性質(zhì)的差異成為了低滲透油氣藏井網(wǎng)部署、調(diào)整及壓裂等研究的重要基礎(chǔ)。因此，明晰不同巖相的巖石力學(xué)性質(zhì)差異，是進(jìn)行地應(yīng)力場預(yù)測、壓裂施工設(shè)計(jì)等的關(guān)鍵。本文以渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏[17-18]為研究對象，根據(jù)取心井資料，研究了其巖相類型，利用不同巖相常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)分析資料，建立了靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)油藏圍壓條件的恢復(fù)圖版，分析了不同巖相間靜態(tài)力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的差異性，旨為渤南洼陷沙四段低滲透油藏的地應(yīng)力預(yù)測、鉆井、壓裂工藝設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 巖相類型劃分

渤南洼陷沙四段低滲透油藏主要為扇三角洲沉積，巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，同時發(fā)育砂礫巖、粗砂巖、中砂巖、泥質(zhì)砂巖及灰質(zhì)砂巖等。砂巖巖性復(fù)雜多樣，根據(jù)沉積特征、巖性及物性特征等，可將砂巖劃分為粗粒砂巖相、細(xì)砂巖相、粉砂巖相、泥質(zhì)砂巖相及碳酸鹽質(zhì)砂巖相5種巖相(表1)。自粗粒砂巖相—細(xì)砂巖相—粉砂巖相，沉積水動力條件不斷減弱，粒度變細(xì)，孔隙度降低，以上3種巖相泥質(zhì)含量較低，以鈣質(zhì)和泥質(zhì)膠結(jié)為主。泥質(zhì)砂巖相泥質(zhì)含量較高，大于30%，以泥質(zhì)膠結(jié)為主。碳酸鹽質(zhì)砂巖相碳酸鹽含量較高，大于25%，為鈣質(zhì)和白云質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較高；一般發(fā)育在砂體頂?shù)着c泥巖接觸的部位，為后期成巖作用形成的一類巖石，發(fā)育相對較少。該巖相巖石脆性大，取心過程中易于破碎。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)樣品的取樣，是在相同巖相、相近深度(深度差異小于200 m)鉆取4～5塊直徑為25 mm、長度大于50 mm的巖樣。通過巖樣巖石薄片觀察，巖石組分以石英、長石和巖屑為主，石英平均含量35%，長石平均含量32%，巖屑平均含量29%，為巖屑質(zhì)長石砂巖或長石質(zhì)巖屑砂巖(圖1)。利用美國GCTS公司的RTX高溫高壓巖石三軸儀進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。為了使實(shí)驗(yàn)條件更接近油藏條件，將巖樣飽和水[19]，再用密封薄膜將巖樣密封，保證實(shí)驗(yàn)過程中巖心中的流體不外溢。實(shí)驗(yàn)為室溫條件，三軸圍壓分別加載0.1，12，22，32 MPa，對相同巖相的樣品進(jìn)行分別實(shí)驗(yàn)，得到不同圍壓條件下巖樣的楊氏模量及泊松比(表2)。

表1 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏砂巖巖相類型劃分

Table 1 Lithofacies classification of sandstones in low permeability reservoirs of fourth member

of Shahejie Formation, Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

圖1 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段實(shí)驗(yàn)樣品典型薄片

3 巖相的巖石力學(xué)性質(zhì)差異性

3.1 靜態(tài)力學(xué)參數(shù)油藏圍壓條件矯正

根據(jù)渤南洼陷沙四段低滲透油藏埋藏深度(3 300～4 500 m)與水平應(yīng)力大小的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(式1)，渤南洼陷沙四段低滲透油藏圍壓(SH+Sh)/2要在68 MPa以上。

(1)

式中：SH為水平最大主應(yīng)力，MPa；Sh為水平最小主應(yīng)力，MPa；D為油藏的埋藏深度，m。

圍壓對巖石力學(xué)參數(shù)影響較大[20]，研究巖相力學(xué)參數(shù)差異性前，需對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行油藏圍壓條件下的矯正。利用本次實(shí)驗(yàn)的有限測試數(shù)據(jù)，嘗試建立了渤南洼陷低滲透油藏各巖相楊氏模量、泊松比與圍壓的關(guān)系圖，并擬合了楊氏模量與圍壓、泊松比與圍壓的關(guān)系式(表3)。根據(jù)目前的有限測試數(shù)據(jù)，各巖相楊氏模量、泊松比與圍壓呈指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好。

表2 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段樣品巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

表3 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏巖石力學(xué)參數(shù)與圍壓擬合關(guān)系式

注：E為楊氏模量，GPa；P為圍壓，MPa；λ為泊松比；R為相關(guān)系數(shù)。

圖2 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏巖石力學(xué)參數(shù)與圍壓關(guān)系

渤南洼陷沙四段低滲透油藏不同巖相間力學(xué)參數(shù)差異性較大(圖2)。相同圍壓條件下，隨著巖相粒度變細(xì)，楊氏模量下降，反映了巖石顆粒越細(xì)，顆粒與顆粒之間支撐作用相對越弱的特點(diǎn)，泥質(zhì)含量的增加會大幅降低巖石的楊氏模量(圖2a)。巖相對泊松比的影響較復(fù)雜，總體上隨著巖相粒度變細(xì)及泥質(zhì)含量的增加，泊松比增加，粗粒砂巖相不符合上述規(guī)律，較細(xì)砂巖相要稍高(圖2b)。同一巖相隨著圍壓增大，楊氏模量及泊松比都呈現(xiàn)指數(shù)增加，楊氏模量增加幅度較泊松比大，兩參數(shù)都存在拐點(diǎn)，巖相間拐點(diǎn)出現(xiàn)的早、晚受巖石本身抗壓實(shí)作用的影響，粒度越粗，抗壓實(shí)作用越強(qiáng)，拐點(diǎn)出現(xiàn)得越早(圖2)。

3.2 巖相靜態(tài)力學(xué)參數(shù)差異

根據(jù)式(1)和表3的擬合關(guān)系式，對渤南洼陷沙四段低滲透油藏不同巖相的楊氏模量及泊松比進(jìn)行了油藏圍壓條件的矯正。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)粗粒砂巖相、細(xì)砂巖相及粉砂巖相楊氏模量差異較小，泥巖相楊氏模量相對較低(圖3a)；粗粒砂巖相與細(xì)砂巖相泊松比相近，粗粒砂巖相較細(xì)砂巖相稍高，粉砂巖相泊松比較粗粒砂巖相高，較泥巖相低，泥巖相泊松比最高(圖3b)。相同巖相內(nèi)楊氏模量與泊松比差異并不大，可認(rèn)為基本為一個均質(zhì)的力學(xué)參數(shù)體。

3.3 巖相應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系差異

從圖2看，渤南洼陷沙四段低滲透油藏各巖相在圍壓達(dá)22MPa后，巖石力學(xué)參數(shù)變化幅度明顯減小，選取圍壓35 MPa條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖4)，研究其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。粗粒砂巖相顆粒粗，顆粒間支撐作用強(qiáng)，在軸壓作用下，顆粒重排列塑性變形段基本不發(fā)育，線彈性變形段長，后期高軸壓作用下，微裂隙形成的塑性變形段短。細(xì)砂巖相與粉砂巖相的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系相似，在低軸壓作用下顆粒首先發(fā)生較短的重排列塑性變形段，線彈性段較長，高軸壓微裂隙形成的塑性變形段較短；與細(xì)砂巖相比，粉砂巖相兩端的塑性段要長，線彈性段要短。泥巖相的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與其他3類巖相差異較大，低軸壓下的顆粒重排列塑性變形段明顯變長，線彈性段發(fā)育短，高軸壓塑性變形段長。綜上，渤南洼陷低滲透油藏粗粒砂巖相、細(xì)砂巖相、粉砂巖相可以近似為線彈性材料；泥巖相為彈塑性材料，在地應(yīng)力模擬等應(yīng)用過程中，一定要引起重視，不應(yīng)將油藏條件下的泥巖相也近似為彈性材料。

圖4 渤海灣盆地渤南洼陷低滲透油藏

圖3 渤海灣盆地渤南洼陷低滲透油藏圍壓條件下巖石力學(xué)參數(shù)

綜合以上分析及渤南洼陷現(xiàn)場測試地應(yīng)力的實(shí)際結(jié)果，受地質(zhì)體復(fù)雜展布的影響，力學(xué)性質(zhì)差異是非常復(fù)雜的，應(yīng)該引起足夠的重視和警惕。目前大部分商業(yè)軟件，利用有限元、有限差分等數(shù)值模擬技術(shù)正演地應(yīng)力場的分布，受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及運(yùn)算方式等影響，地質(zhì)框架模型注重刻畫構(gòu)造形態(tài)，但對于不同力學(xué)性質(zhì)地質(zhì)體的展布形態(tài)刻畫不足，導(dǎo)致力學(xué)參數(shù)模型為了節(jié)省模擬時間大部分采用了層內(nèi)的均質(zhì)模型，造成模擬結(jié)果水平最大應(yīng)力方向基本與區(qū)域主應(yīng)力方向一致，應(yīng)力方向在整個油藏內(nèi)幾乎不發(fā)生較大的變化。油藏地應(yīng)力模擬應(yīng)首先利用巖心室內(nèi)測試，明晰不同地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)的差異性。地質(zhì)模型著重刻畫不同地質(zhì)體空間展布形態(tài)，對砂泥巖油氣藏，著重刻畫砂體的展布形態(tài)，對不同的地質(zhì)體選用不同的力學(xué)參數(shù)建立力學(xué)參數(shù)模型。有條件的情況下，甚至可以建立力學(xué)參數(shù)的三維非均質(zhì)模型，并對不同地質(zhì)體選擇合適的本構(gòu)定律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元或有限差分的地應(yīng)力場模擬，得到油氣藏非均質(zhì)的地應(yīng)力場，為油田的油藏工程設(shè)計(jì)、鉆井工程設(shè)計(jì)及壓裂設(shè)計(jì)等提供盡可能準(zhǔn)確的地應(yīng)力場。

4 結(jié)論

(1)渤南洼陷沙四段低滲透油藏砂泥巖可以劃分為粗粒砂巖相、細(xì)砂巖相、粉砂巖相、泥質(zhì)砂巖相、碳酸鹽質(zhì)砂巖相及泥巖相6種類型。

(2)初步建立了不同巖相楊氏模量及泊松比與圍壓的關(guān)系圖版，同一巖相，圍壓越大，楊氏模量及泊松比不斷增加。隨著巖相粒度的不斷變粗，楊氏模量增加，泊松比減小，但粗粒砂巖相的泊松比不遵循整體趨勢，較細(xì)粒砂巖相大，比粉砂巖相小。

(3)巖相粒度越粗，顆粒重新排列塑性變形段變短，高軸壓塑性變形段變短，線性彈性段增加。粗粒砂巖相、細(xì)砂巖相、粉砂巖相可以近似為線彈性材料，泥巖相為彈塑性材料。

致謝：本文在研究過程中得到了勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院低滲透油藏研究室同仁在資料等方面的大力支持，在此致以衷心感謝！