致密油儲(chǔ)層巖石各向異性的動(dòng)態(tài)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

石玉江,么勃衛(wèi),夏宏泉

(1.長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710021；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)

0 引 言

圖1 實(shí)驗(yàn)巖心取樣方式(β角為取心角)

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組地層砂泥巖互層發(fā)育,非均質(zhì)性明顯[1-8]。砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖地層具有較強(qiáng)的各向異性特征,尤其是在垂向和水平向上巖石物理數(shù)值差異較大。其長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8段致密油儲(chǔ)層具有明顯的聲速和力學(xué)各向異性,以往的研究多采用橫觀各向同性(TI)模型,未涉及TIV各向異性和3D巖石力學(xué)微觀理論模型方面研究,局限性較大。另外,對(duì)于斜井和水平井的聲學(xué)和巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法(模型)研究較少,且全域聲學(xué)參數(shù)測(cè)試和巖石力學(xué)評(píng)價(jià)尚未形成系統(tǒng)的處理流程。不同實(shí)驗(yàn)條件下,不同方向取心巖樣巖石力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算缺乏有效的解釋模型,原有的基于各向同性的巖石力學(xué)評(píng)價(jià)方法存在明顯不適用性。因此,需要鉆取多尺度多方位多角度的巖心樣,開展系統(tǒng)的巖石各向異性聲學(xué)和工程力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究,這對(duì)TIV地層各向異性地應(yīng)力的計(jì)算具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)巖樣鉆取與制備

實(shí)驗(yàn)樣品取自長(zhǎng)慶油田數(shù)字巖心庫(kù)全直徑巖心,從13口直井和4口水平井的長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8段鉆取不同角度圓柱巖樣(直徑2.5 cm、高度5 cm)和方巖樣(5 cm×5 cm×5 cm),包括沿井筒與井軸夾角(0°,45°,60°,90°)取樣、沿水平最大和水平最小地應(yīng)力方向及其夾角45°方向取樣(至少取3個(gè)樣)。多尺度多方位多角度鉆取實(shí)驗(yàn)巖樣的方式如圖1所示(0°為水平樣,90°為垂直樣)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

采用SCMS-E高溫高壓巖心聲學(xué)測(cè)量?jī)x[9],對(duì)端面磨平的試樣進(jìn)行常溫常壓和60 ℃不同圍壓(0.1、10、20、30、40 MPa)下動(dòng)態(tài)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量。該儀器進(jìn)行巖石聲速測(cè)試時(shí)的縱波和橫波發(fā)射頻率分別為fp=1 MHz、fs=600 kHz。儀器精度:長(zhǎng)度測(cè)量誤差為±0.02 mm;直徑誤差為±0.02 mm;質(zhì)量稱重誤差為±0.000 1 g;縱波、橫波時(shí)差測(cè)量范圍為150～1 000 μs/m,縱波時(shí)差誤差為±2%、橫波時(shí)差誤差為±3%。

測(cè)量時(shí),探頭與巖樣之間加耦合材料,在其一端用發(fā)射探頭向巖石發(fā)射脈沖信號(hào),在另一端接收聲信號(hào)[10-15],所經(jīng)歷的時(shí)間即為巖石縱波和橫波的傳播時(shí)間(tp2-tp1-tp0,ts2-ts1-ts0)。并將實(shí)驗(yàn)聲波數(shù)據(jù)按照測(cè)井頻率(fc,p=fc,s=20 kHz)進(jìn)行頻散校正。實(shí)驗(yàn)巖樣縱橫波速度測(cè)量公式為

(1)

式中,L為巖樣的長(zhǎng)度,cm;vp、vs分別為巖樣縱波、橫波速度,m/s;tp1、ts1分別為縱波、橫波信號(hào)到達(dá)探頭1的時(shí)間,μs;tp2、ts2分別為縱波、橫波信號(hào)到達(dá)探頭2的時(shí)間,μs;tp0、ts0分別為縱波、橫波在探頭1和探頭2中傳播的總時(shí)間,分別為7.06、13.36 μs;vp1、vs1分別為實(shí)驗(yàn)儀器在原始頻率下測(cè)量的巖心縱橫波速度vp1=10L/(tp2-tp1-tp0)、vs1=10L/(ts2-ts1-ts0),km/s。則縱波時(shí)差、橫波時(shí)差的計(jì)算公式為

(2)

式中,Δtp為縱波時(shí)差,μs/ft(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δts為橫波時(shí)差,μs/ft。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 聲波時(shí)差實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和測(cè)井值的關(guān)系

在常溫常壓和地層條件下分別進(jìn)行巖心縱波、橫波速度(時(shí)差)測(cè)量發(fā)現(xiàn),經(jīng)頻散校正后兩者的縱橫波時(shí)差都表現(xiàn)出較好的相關(guān)性(見圖2、圖3)。常溫常壓下巖心實(shí)驗(yàn)縱波時(shí)差是測(cè)井縱波時(shí)差的1.04倍;模擬地層條件(60 ℃、40 MPa)下巖心實(shí)驗(yàn)縱波時(shí)差是測(cè)井縱波時(shí)差的0.966倍,兩者差異小,表明聲學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

圖2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)井縱波時(shí)差關(guān)系(25 ℃、0.1 MPa)

圖3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)井縱波時(shí)差關(guān)系(60 ℃、30～40 MPa)

3.2 實(shí)驗(yàn)因素對(duì)聲波速度的影響

(1)圍壓對(duì)縱波、橫波速度的影響。對(duì)垂直樣(90°)和水平樣(0°),研究圍壓與其縱橫波速度(vp、vs)的關(guān)系。隨著圍壓增大,巖樣內(nèi)部微裂隙逐漸閉合,聲波傳播路徑變短,導(dǎo)致波速增大。垂直樣、水平樣的縱橫波速度隨著圍壓的增大而增大(見圖4、圖5),在圍壓較低時(shí)縱橫波速度隨圍壓增加較快,在圍壓較高即巖樣受力接近地層條件時(shí)巖石壓實(shí)更加緊密,縱橫波速度隨圍壓增大變緩。

圖4 垂直樣的聲波速度與圍壓的關(guān)系

圖5 水平樣的聲波速度與圍壓的關(guān)系

(2)鉆樣取心角度(β)對(duì)縱波、橫波速度的影響。研究直井巖樣的取心角度(β)與其聲波速度的關(guān)系。從圖6和圖7可以看出,聲波在垂直樣中傳播時(shí)受TIV地層各向異性影響,傳播速度較小;聲波在具有水平橫觀各向同性的水平樣中沿基質(zhì)傳播,速度較大。當(dāng)溫度和圍壓不變時(shí),取心角度越大,巖樣的縱波、橫波速度變小,反映了巖石聲波速度存在明顯的各向異性。

圖6 vp與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖7 vs與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

3.3 實(shí)驗(yàn)因素對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響

(1)動(dòng)態(tài)泊松比、彈性模量與取心角度的關(guān)系。利用縱橫波時(shí)差和密度測(cè)量值計(jì)算得到巖心動(dòng)態(tài)泊松比和彈性模量等參數(shù),繪制泊松比、彈性模量與取心角度(β)的關(guān)系圖版(見圖8、圖9)?？梢钥闯?垂直樣的泊松比小于水平樣的泊松比(PRv

圖8 PR與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖9 E與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖10 4口井垂直樣泊松比與圍壓的關(guān)系

(3)

3.4 基于聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的各向異性剛度系數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)分析

對(duì)水平井長(zhǎng)7段X、Y、Z這3個(gè)方向的柱塞樣和方巖心樣,進(jìn)行動(dòng)態(tài)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量,并計(jì)算各向異性剛度系數(shù)(C)及其彈性模量與泊松比[16](見表2)。由結(jié)果可以看出,長(zhǎng)7段地層屬于TIV介質(zhì),采用剛度系數(shù)計(jì)算的Eh、Ev、PRh值明顯高于直接采用各方向縱橫波速度計(jì)算得到Eh、Ev、PR值,表明具有垂直對(duì)稱軸的各向異性巖石力學(xué)模型能較好地描述長(zhǎng)7段儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性能。

表2中,Den為巖心密度;vph為橫向縱波速度;vpz為垂向縱波速度;vsh為橫向橫波速度;C11為水平向縱波剛度;C44為垂向橫波剛度;C66為水平向橫波剛度[17-18];Evc、Ehc表示用剛度計(jì)算的垂向和水平向的彈性模量;PRvc、PRhc表示用剛度計(jì)算的垂向和水平向的泊松比。

表1 巖心實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)泊松比為負(fù)值的數(shù)據(jù)匯總(直井巖心鉆取的垂直樣)

3.5 巖樣聲學(xué)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例分析

統(tǒng)計(jì)巖樣聲學(xué)計(jì)算的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù),將2口井泊松比與取心角度的關(guān)系匯總(見表3)。可以看出, 直井巖樣隨β角增大,由正值而減少為負(fù)值;水平井巖樣泊松比變化也具有同樣的變化規(guī)律。

表2 水平井巖樣各向異性剛度系數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

表3 直井和水平井不同取心角度巖心動(dòng)態(tài)泊松比的比較

圖11 寧148井1 630～1 790 m長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8段各向異性巖石力學(xué)地應(yīng)力計(jì)算剖面

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可用性,結(jié)合密度測(cè)井值和提取的垂向、水平向的縱橫波時(shí)差測(cè)井值等數(shù)據(jù),采用描述地層各向異性的剛度系數(shù)C11、C33、C44和C66等(即壓縮模量和剪切模量)來計(jì)算垂向和水平向的彈性模量和泊松比及地應(yīng)力[16-17]。圖11為寧148井1 630～1 790 m長(zhǎng)6～長(zhǎng)8段各向異性巖石力學(xué)與地應(yīng)力計(jì)算剖面。從圖11中第6、7、8道和最后1道油氣解釋結(jié)論可以看出,各層段的各向異性巖石力學(xué)參數(shù)(垂向和水平向泊松比、彈性模量)差異明顯,從第9道、第10道地應(yīng)力剖面可以看出,用各向異性巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算的水平最大、最小地應(yīng)力與實(shí)測(cè)的水平地應(yīng)力一致性好,平均相對(duì)誤差<6.26%,說明各向異性巖石力學(xué)計(jì)算模型較傳統(tǒng)的各向同性模型計(jì)算精度高,更符合實(shí)際井區(qū)的巖石力學(xué)特征。

4 結(jié) 論

(1)延長(zhǎng)組致密油儲(chǔ)層(長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8段)存在明顯的聲速和巖石力學(xué)各向異性,圍壓和取心角度對(duì)其聲波速度測(cè)量值影響明顯。隨著圍壓增大,縱波橫波速度(vp、vs)都增大,且垂直樣增大較快;隨著取心角度(β)增大,縱波和橫波速度都減小。

(2)綜合分析常溫常壓和60 ℃變圍壓(10、20、30、40 MPa)條件下多角度、多尺度巖樣的動(dòng)態(tài)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量與巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果,直井中平行井軸取樣(垂直樣),其泊松比和彈性模量小于垂直井軸取樣(水平樣)的泊松比和彈性模量,即(PRh>PRv)、(Eh>Ev);隨著取心角度(β)增大,泊松比和彈性模量減小。

(4)采用各向異性的縱橫波速度得到縱向和橫向剛度系數(shù)C計(jì)算的巖石力學(xué)參數(shù)較常規(guī)各向同性方法應(yīng)用效果好,更適用于TIV地層各向異性地應(yīng)力的計(jì)算。