鄂爾多斯盆地F區(qū)力學(xué)特征及地應(yīng)力分析

俞忠寶， 莊 嚴(yán)， 何亞斌， 余海棠， 梁利喜， 王 全

(1.延長油田股份有限公司，延安 716000；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，西南石油大學(xué)，成都 610500)

鄂爾多斯盆地是中國華北地區(qū)的一個陸相大型含油氣盆地，F(xiàn)區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，是一平緩的單斜構(gòu)造，如圖1所示[1]。目前F區(qū)的主要目標(biāo)層在延長組。根據(jù)已鉆井的資料統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)開采過程中延長組上段的頁巖段出現(xiàn)了較為明顯的擴徑，部分層段甚至出現(xiàn)了垮塌現(xiàn)象。為了研究其井壁失穩(wěn)的機理，有必要對其地層的力學(xué)特征進(jìn)行深入的研究，并對其地應(yīng)力分布進(jìn)行分析，確定坍塌壓力和破裂壓力的范圍，為合理的規(guī)劃目標(biāo)層的鉆井液和該區(qū)的安全穩(wěn)定的鉆進(jìn)提供參考。

圖1 鄂爾多斯盆地F區(qū)構(gòu)造Fig.1 Tectonic map of area F in Ordos Basin

針對不同地層的力學(xué)特征及三壓力剖面的研究，國內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的研究。龔銘等[2]在黑樓門地區(qū)根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力理論構(gòu)建了地層的三壓力剖面，為識別地層壓力，保證鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性提供了參考。李凱等[3]對四川盆地須二段的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了動態(tài)和靜態(tài)的有效轉(zhuǎn)化，建立了其轉(zhuǎn)化模型，為深刻認(rèn)識地層特征，及地應(yīng)力和三壓力剖面的建立提供了有力的支撐。趙軍龍等[4]對鄂爾多斯盆地C區(qū)的巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并建立了該區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測模型，為構(gòu)建該區(qū)的三壓力剖面，進(jìn)而指導(dǎo)目標(biāo)層的安全鉆進(jìn)，提供支持。相關(guān)專家[5-10]的研究為建立巖石力學(xué)的參數(shù)模型提供了參考，但不同地區(qū)不同層位的巖石力學(xué)特征也不同，為了明確鄂爾多斯盆地F區(qū)的力學(xué)特征，將在該區(qū)取出的巖心進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮、巴西劈裂等試驗得到巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗張強度等，通過室內(nèi)聲波測試得到該區(qū)巖石的聲波時差，從而得到該區(qū)的動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比。通過動彈巖石力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的回歸分析，建立F區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)模型和地應(yīng)力，進(jìn)而計算出坍塌壓力和破裂壓力，確定安全密度窗口，為F區(qū)的安全鉆井提供依據(jù)。

本次實驗的巖心取自鄂爾多斯盆地F區(qū)的L井，該井為直井，井深1 765 m，完鉆層位為延長組長8段。實驗巖心取自L井的延長組，屬富有機質(zhì)硬脆性頁巖，具有低孔低滲、微裂縫發(fā)育等特征。通過建立L井的三壓力剖面，可以為同地區(qū)同類地層的鉆井提供參考。

1 巖石力學(xué)參數(shù)獲取

對從研究區(qū)塊取回的頁巖巖心，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將巖心加工成d×L為25 mm×50 mm柱塞狀的標(biāo)準(zhǔn)巖心，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)實驗。實驗巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。通過三軸抗壓強度實驗、巴西劈裂實驗等獲得靜態(tài)力學(xué)參數(shù)，通過聲波測試得到動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)。實驗操作符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括《巖心常規(guī)實驗分析方法》(SY/T 5336—1996)、《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)及《巖石聲波特性的實驗室測定》(SY/T 6351—1998)。實驗設(shè)備主要采用多頻率聲波測量儀(圖2[9])、TRC-100高溫高壓三軸流變儀(圖3[9])及50 kN實驗機(圖4[9])等。

表1 實驗巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 多頻率聲波測量儀[9]Fig.2 Sonic wave tester[9]

圖3 TRC-100高溫高壓三軸流變儀[9]Fig.3 TRC-100 high temperature and high pressure triaxial rheometer[9]

巖石力學(xué)參數(shù)的獲取，離不開相關(guān)的力學(xué)實驗。其中最主要的就是三軸壓縮實驗。其主要步驟是：①裝載實驗巖心，加載壓頭；②以0.05 MPa的加載速度，同步加載圍壓及軸向壓力至預(yù)定的測試圍壓，然后保持圍壓在后續(xù)實驗中恒定；③加載采用一次連續(xù)加載法，以每秒0.5～1.0 MPa的加載速度施加軸向載荷，逐級測試軸向載荷及軸向變形，并實時監(jiān)測記錄應(yīng)力及應(yīng)變，直至試件破壞；④通過實驗得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計算彈性模量、泊松比、抗壓強度。

圖4 50 kN實驗機[9]Fig.4 50 kN experimental machine[9]

1.1 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)

靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)是指通過實驗得到的巖石力學(xué)參數(shù)。通過室內(nèi)三軸抗壓強度實驗，可以得到巖層的單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比，通過不同圍壓下的抗壓強度，繪制莫爾圓包絡(luò)線可以得到巖層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。通過巴西劈裂實驗可以得到巖石的抗張強度。三軸抗壓強度實驗的結(jié)果如圖5所示，抗張強度的實驗結(jié)果如圖6所示。

通過室內(nèi)實驗，得到了F區(qū)的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)。實驗結(jié)果表明F區(qū)的抗壓強度分布為33.70～198.50 MPa；泊松比分布為0.107 5～0.358 1，平均為0.254 1；彈性模量分布為9 755～28 954 MPa，平均為16 842 MPa；內(nèi)聚力為7.26～23.74 MPa，平均為15.94 MPa；內(nèi)摩擦角為28.4°～39.41°，平均為35.12°。

1.2 動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)

動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的獲取主要是通過縱波時差、橫波時差和巖石密度進(jìn)行計算得到。根據(jù)經(jīng)典

圖5 三軸實驗巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試驗前后照片F(xiàn)ig.5 Stress-strain curve of tri-axial test rock sample and the photos before and after test

圖6 巴西劈裂實驗載荷-位移曲線及試驗前后照片F(xiàn)ig.6 Load-displacement curve of Brazilian splitting test and the photos before and after test

彈性波波動理論，對均質(zhì)和近似均質(zhì)各向同性線彈性地層、動態(tài)彈性模量、動態(tài)泊松比的計算公式為

(1)

(2)

式中：Ed為動態(tài)彈性模量，MPa；ρb為巖石的密度，g/cm3;Δts為橫波時差，μs/m；Δtc為縱波時差，μs/m；a為系數(shù)；μd為動態(tài)泊松比。

通過式(1)和式(2)計算，得到F區(qū)的動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 F區(qū)頁巖的動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)

2 巖石力學(xué)參數(shù)模型構(gòu)建

巖石力學(xué)參數(shù)是鉆井工程設(shè)計和壓裂方案設(shè)計的重要依據(jù)。由于工程應(yīng)用中所需的巖石力學(xué)參數(shù)為靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)，因此，在室內(nèi)實驗研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)實現(xiàn)巖石靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測。動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，使得巖石力學(xué)的參數(shù)模型更加準(zhǔn)確，更具有參考價值[2,8]。同時動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)化也是依據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)構(gòu)建地應(yīng)力剖面和三壓力剖面的基礎(chǔ)。

對F區(qū)的動靜態(tài)彈性模量，動靜態(tài)泊松比和動靜態(tài)單軸抗壓強度進(jìn)行了回歸分析，并建立了相關(guān)的轉(zhuǎn)換模型，結(jié)果如圖7～圖9所示。同時，對F區(qū)的巖石抗張強度，采用了經(jīng)典抗張強度的預(yù)測模型進(jìn)行校正，通過實測抗張強度與計算抗張強度的回歸分析，建立了F區(qū)抗張強度校正模型，如圖10所示。

通過對各巖石力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)參數(shù)擬合，建立了各巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測模型，各參數(shù)預(yù)測模型的統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

圖7 靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量之間的轉(zhuǎn)換模型Fig.7 Conversion model between static and dynamic elastic modes

圖8 靜態(tài)泊松比和動態(tài)泊松比之間的轉(zhuǎn)換模型Fig.8 Conversion model between static Poisson’s ratio and dynamic Poisson’s ratio

圖9 單軸抗壓強度與動態(tài)彈性模量的轉(zhuǎn)換模型Fig.9 Conversion model of uniaxial compressive strength and dynamic elastic modulus

圖10 抗張強度的校正模型Fig.10 Correction model of tensile strength

表3 F區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測模型

從表3可以看出，鄂爾多斯盆地F區(qū)的靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比的計算模型均與對應(yīng)的動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)呈線性關(guān)系?？箟簭姸扰c彈性模量也呈線性關(guān)系?？箯垙姸葎t與聲波時差和密度的比值呈指數(shù)關(guān)系。內(nèi)摩擦角則與聲波時差具有相關(guān)性，內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角具有相關(guān)性。

3 地應(yīng)力反演

水平地層主應(yīng)力是計算地層破裂壓力和坍塌壓力的重要參數(shù)，為確定鉆井液的安全密度窗口以及水力壓裂施工等提供了重要的參考[10-11]。同時，地應(yīng)力對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的研究意義。隨著非常規(guī)油氣開發(fā)難度的增大，地層條件也隨之更加復(fù)雜，地應(yīng)力的大小及方向在油氣開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

根據(jù)現(xiàn)場資料，對地應(yīng)力進(jìn)行反演，可以預(yù)測其他井段的地應(yīng)力，為下一步鉆井工程設(shè)計和壓裂設(shè)計提供參考。工區(qū)地應(yīng)力的反演是通過已施工的井段的水力壓裂的施工曲線得到該地層在某深度下的破裂壓力和閉合壓力。通過破裂壓力的計算方法，得到該地層的最大水平主應(yīng)力。從而反演出最大構(gòu)造系數(shù)和最小構(gòu)造系數(shù)，對該井段的其他深度進(jìn)行地應(yīng)力反演。

該地層在1 668～1 674 m處的地應(yīng)力計算結(jié)果如表4所示。通過最大構(gòu)造系數(shù)和最小構(gòu)造系數(shù)，反演出鄂爾多斯盆地F區(qū)的地應(yīng)力分布，結(jié)果如圖11所示。

表4 目標(biāo)層的地應(yīng)力大小

圖11 F區(qū)的地應(yīng)力分布Fig.11 Distribution of crustal stress in F block

通過F區(qū)的地應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，該地層的地應(yīng)力符合σv>σH>σh，屬于正斷型地層。主應(yīng)力的分布對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計和水力壓裂設(shè)計具有重要的參考價值。從井壁穩(wěn)定的角度考慮，井眼軌跡沿最小水平主應(yīng)力方向時，井壁最為穩(wěn)定，沿最大水平主應(yīng)力時，最不穩(wěn)定。在水力壓裂設(shè)計時，應(yīng)保證能打開儲層，因此施工時的油壓要達(dá)到地層的破裂壓力。

4 三壓力剖面的建立與應(yīng)用

地層的坍塌壓力和破裂壓力是認(rèn)識井壁失穩(wěn)機理，確定鉆井液安全密度窗口，優(yōu)化鉆井液設(shè)計的重要參數(shù)基礎(chǔ)。建立F區(qū)的三壓力剖面，對優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆井液密度，防止地層坍塌和破裂等具有重要的參考價值。

根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)和巖石力學(xué)參數(shù)模型的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建了F區(qū)地層的地應(yīng)力剖面和三壓力剖面，結(jié)果如圖12所示。

圖12 三壓力剖面Fig.12 Three pressure profile

通過構(gòu)建的三壓力剖面可以看出，目標(biāo)井段的井壁相對穩(wěn)定，只在個別層段出現(xiàn)了較為明顯的擴徑。從圖中可以看出，在1 584 m左右，該層段的擴徑率明顯增大，從巖性分析看出，該段屬于泥頁巖段，從最后的三壓力剖面來看，該段屬于坍塌區(qū)，鉆井液的安全密度窗口明顯變窄，而且現(xiàn)場鉆井液的密度低于地層的坍塌壓力，導(dǎo)致地層出現(xiàn)了明顯的坍塌。這與井徑曲線相對應(yīng)，說明該剖面具有可信度，很好地反映了地層的真實情況，為后期該地層的鉆井工程設(shè)計和開發(fā)設(shè)計提供了依據(jù)。同時這也說明在該層段應(yīng)采用封堵性較強的鉆井液，避免鉆井液與泥頁巖發(fā)生水化作用，從而造成井壁垮塌。還可以通過三壓力剖面確定在某一井段的安全密度窗口，從而也為鉆井液的密度設(shè)計和性能設(shè)計提供了重要依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)聲波測試和密度測試，計算得到了該地層的動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比。

(2)通過室內(nèi)三軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到了該地層的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗張強度等靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)。

(3)通過回歸分析建立了動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)和靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換的模型，并且具有較高的相關(guān)度。

(4)基于測井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型和通過水力壓裂資料反演的地應(yīng)力，建立該地層的三壓力剖面，通過與現(xiàn)場資料對比分析，發(fā)現(xiàn)該剖面符合現(xiàn)場實際，對工區(qū)具有重要的指導(dǎo)意義。