致密礫巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究

王英偉,王林生,覃建華,李曉山,高陽(yáng),王碩

(1.中國(guó)石油新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000;2.中國(guó)石油新疆油田公司,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

隨著油田地質(zhì)工程一體化勘探開(kāi)發(fā)思想的普及,對(duì)油田地下儲(chǔ)層巖石的評(píng)價(jià)工作已不僅僅局限于孔隙度、滲透率和飽和度等傳統(tǒng)地質(zhì)參數(shù),而更多地關(guān)注到巖石彈性模量、強(qiáng)度和地應(yīng)力等工程參數(shù)。儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)評(píng)價(jià)是油田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),也是井壁穩(wěn)定分析、井眼軌跡優(yōu)化、工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)與優(yōu)選等油田勘探開(kāi)發(fā)重要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵[1-4]。

巖石力學(xué)參數(shù)主要包括巖石強(qiáng)度參數(shù)和彈性模量參數(shù)[5-6]。從參數(shù)的獲取方式來(lái)說(shuō)主要包括靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法2種。靜態(tài)法是在實(shí)驗(yàn)室依據(jù)加載荷并測(cè)試加載過(guò)程中巖石應(yīng)力、應(yīng)變的變化來(lái)獲取巖石力學(xué)參數(shù),動(dòng)態(tài)法是依據(jù)彈性波在巖石中的傳播特性獲取巖石力學(xué)參數(shù)[7-8],通常認(rèn)為靜態(tài)法更可靠。動(dòng)態(tài)法的優(yōu)勢(shì)在于不損壞巖心且易與聲波測(cè)井資料相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)參數(shù)連續(xù)評(píng)價(jià)。獲取地應(yīng)力的方法主要有水力壓裂法、巖石聲發(fā)射(凱瑟爾效應(yīng))[9-10]。這2種方法都可獲取可靠的地應(yīng)力,但都只能提供單點(diǎn)或者某一小段井眼的地應(yīng)力,不適用于整個(gè)井段地應(yīng)力剖面的建立[11-18]。

在實(shí)際油田儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性評(píng)價(jià)中,通常是基于測(cè)井資料中的縱波速度、橫波速度和密度測(cè)井值,依據(jù)理論公式,計(jì)算目的層段巖石的力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力[19-20]。對(duì)巖石結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng)的致密礫巖儲(chǔ)層,理論方法或僅依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方法適用性有限[21-23]。本文將測(cè)井、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與水力壓裂資料相結(jié)合,形成了一種有效的致密礫巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)評(píng)價(jià)方法。

1 致密礫巖儲(chǔ)層巖石特征

1.1 致密礫巖儲(chǔ)層巖石特征

研究區(qū)致密礫巖儲(chǔ)層巖石的主要巖性為泥質(zhì)含量較低的砂質(zhì)細(xì)(小)礫巖和含礫中、粗砂巖。研究區(qū)巖石礦物種類(lèi)主要為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石和黏土礦物,各礦物含量相對(duì)穩(wěn)定,石英含量40%～50%、鉀長(zhǎng)石含量1%～4%、斜長(zhǎng)石15%～22%、方解石含量0～13%、黏土礦物含量30%～40%。可見(jiàn)研究區(qū)致密礫巖儲(chǔ)層巖石在巖石礦物成分上無(wú)明顯差異。

從薄片分析資料可見(jiàn),儲(chǔ)層巖石顆粒粒徑變化較大,大顆粒粒徑可達(dá)小顆粒粒徑數(shù)倍,儲(chǔ)層巖石表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。鏡下主要為礫狀結(jié)構(gòu)、砂礫狀結(jié)構(gòu)、含礫不等粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu),大顆粒形狀以圓狀、次圓狀為主,中小顆粒形狀以次棱角狀、棱角狀為主。膠結(jié)類(lèi)型以壓嵌型為主,分選性普遍較差。致密礫巖儲(chǔ)層巖石孔隙分布相對(duì)均勻,儲(chǔ)集空間以剩余粒間孔為主,粒內(nèi)溶孔次之。部分巖心因粒間膠結(jié)物填充和大顆粒的影響,巖心較致密、孔隙體積較小。

采用氣測(cè)法獲取研究區(qū)致密礫巖儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性參數(shù),其密度變化范圍為2.38～2.52 g/cm3,氣測(cè)孔隙度變化范圍為2%～12%,基礎(chǔ)物性參數(shù)變化相對(duì)較大,反映出致密礫巖儲(chǔ)層巖石物性較復(fù)雜。從巖心薄片觀察和巖心基本物性參數(shù)分析可知,研究區(qū)礫巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出明顯的致密特征,屬于致密礫巖儲(chǔ)層。

1.2 與其他致密油區(qū)塊差異性分析

美國(guó)Bakken組和Eagle Ford組、中國(guó)延長(zhǎng)7段、松遼白堊系等層組都發(fā)育有典型的致密油儲(chǔ)層,這些儲(chǔ)層普遍以砂巖、泥灰?guī)r和粉細(xì)砂巖為主,物性普遍較差,多在15%以下,但表現(xiàn)出高含油特性,埋深相對(duì)較淺,普遍在3 300 m以上(見(jiàn)表1)?，敽枷軲D2井區(qū)致密礫巖儲(chǔ)層與前述致密油儲(chǔ)層相比,物性和含油性類(lèi)似,埋深略深于前述儲(chǔ)層,多在3 500 m以下。此外,研究區(qū)致密礫巖儲(chǔ)層巖石中含有大量礫石且粒徑差異較大,導(dǎo)致巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)受礫石含量、性質(zhì)和分布等因素的影響,常規(guī)致密油儲(chǔ)層中的巖石力學(xué)和地應(yīng)力計(jì)算模型或經(jīng)驗(yàn)公式不適用于該研究區(qū)。

表1 國(guó)內(nèi)外典型致密油儲(chǔ)層特征

2 巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

測(cè)井巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)的理論依據(jù)來(lái)源于彈性波動(dòng)理論,巖石彈性波速度與巖石的動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)相關(guān),可由巖石波速獲取其動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)。泊松比vd和動(dòng)態(tài)彈性模量Ed分別為

(1)

(2)

式中,ρ為體積密度,g/cm3;Δts為縱波時(shí)差,μs/m;Δtp為橫波時(shí)差,μs/m;d為動(dòng)態(tài)參數(shù);Ed為動(dòng)態(tài)彈性模量,GPa。

巖石彈性參數(shù)計(jì)算主要是彈性模量和泊松比,其余參數(shù)可以基于這2個(gè)參數(shù)計(jì)算出來(lái)?？紤]到部分井沒(méi)有橫波時(shí)差測(cè)井資料,在實(shí)際評(píng)價(jià)之前需建立縱波速度與橫波速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見(jiàn)圖1)。彈性波的傳播特征與巖石的動(dòng)力學(xué)特性有關(guān),根據(jù)縱、橫波速度與巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的理論關(guān)系,應(yīng)用縱、橫波時(shí)差及密度曲線計(jì)算巖石力學(xué)彈性參數(shù)。用聲波測(cè)井資料計(jì)算的彈性模量是動(dòng)態(tài)的,與巖石的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)之間有一定的差距,需要用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)將動(dòng)態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成靜態(tài)參數(shù)[23](見(jiàn)圖2)。

圖1 致密礫巖縱波速度和橫波速度交會(huì)圖

圖2 致密礫巖泊松比、彈性模量動(dòng)靜態(tài)參數(shù)交會(huì)圖

2.2 巖石強(qiáng)度參數(shù)

巖石強(qiáng)度參數(shù)指單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)等。單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在單向受壓至破壞時(shí),單位面積上所能承受的荷載,簡(jiǎn)稱(chēng)抗壓強(qiáng)度[24-25]。巖石的抗壓強(qiáng)度可以通過(guò)單軸或三軸壓縮試驗(yàn)得到,也可以根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算得到

σc=Ed[0.008Vsh+0.0045(1-Vsh)]

(3)

C0=3.326×10-6σcKd

(4)

式中,σc為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;C0為內(nèi)聚力(巖石固有抗切強(qiáng)度)[26];Vsh為泥質(zhì)含量,小數(shù);Kd為動(dòng)態(tài)體積模量,GPa。通過(guò)式(3)和式(4)計(jì)算的參數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖3。其中UCS為三軸壓縮試驗(yàn)分析得到的單軸抗壓強(qiáng)度,圖3第2、第3道靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比是基于動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比,采用圖2所示實(shí)驗(yàn)關(guān)系轉(zhuǎn)換得到。巖石抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力依據(jù)式(3)和式(4)得到,與巖心巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果可信。

2.3 孔隙壓力

圖3 M2井巖石強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

孔隙壓力在巖石力學(xué)建模中占據(jù)非常重要的地位。上覆應(yīng)力通過(guò)對(duì)地層密度進(jìn)行積分計(jì)算得到[23]?？紫秹毫εc地應(yīng)力大小是相互關(guān)聯(lián)的,當(dāng)深部存在異常高壓地層時(shí),3個(gè)主應(yīng)力之間的差值會(huì)變小。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為正斷層和走滑斷層機(jī)制時(shí),最小水平主應(yīng)力隨孔隙壓力的增加而增加。在走滑斷層和逆斷層機(jī)制下,由于高壓,最大水平主應(yīng)力的上限急劇減小。因此,不論是在正斷層、走滑斷層還是逆斷層機(jī)制中,當(dāng)孔隙壓力接近上覆應(yīng)力時(shí),2個(gè)水平應(yīng)力也一定會(huì)接近上覆地層壓力[24]。計(jì)算出可靠的孔隙壓力對(duì)于地應(yīng)力大小計(jì)算至關(guān)重要。伊頓法是目前比較常用的一種預(yù)測(cè)地層壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法,其原理是觀察參數(shù)的實(shí)際值和正常壓實(shí)趨勢(shì)值的比率與地層孔隙壓力的關(guān)系是由上覆壓力梯度的變化決定的。該方法綜合考慮了除壓實(shí)作用以外其他高壓形成機(jī)制作用,并總結(jié)和參考了鉆井實(shí)測(cè)壓力與各種測(cè)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(jī)制、超壓保存的條件和砂泥巖之間的水動(dòng)力學(xué)關(guān)系。其壓力估算的基本形式為

pp=p0-(p0-pw)(Δtn/Δt)c

(5)

式中,pp為孔隙壓力,MPa;p0為上覆地層壓力,MPa;pw為地層水靜液柱壓力,MPa;Δt為觀察點(diǎn)聲波時(shí)差測(cè)井值,μs/ft[注]非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtn為正常壓實(shí)趨勢(shì)上的聲波時(shí)差值,μs/ft;c為壓實(shí)指數(shù)。實(shí)際計(jì)算中通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立擬合規(guī)律來(lái)獲取壓實(shí)指數(shù)c等參數(shù)。

MD2區(qū)塊中深部地層存在異常高壓(地層壓力系數(shù)1.58～1.66),異常高壓的主要成因是快速沉積欠壓實(shí)作用,導(dǎo)致生烴增壓作用貢獻(xiàn)小[27],所以采取適用于欠壓實(shí)機(jī)理的伊頓方法進(jìn)行MD2區(qū)塊區(qū)域地層的孔隙壓力預(yù)測(cè)。通過(guò)伊頓公式,按相同的伊頓指數(shù),調(diào)整各井聲波時(shí)差的正常壓實(shí)趨勢(shì)線(工區(qū)有統(tǒng)一的趨勢(shì)線),多口井的趨勢(shì)線與聲波時(shí)差的相對(duì)關(guān)系保持一致,得到了多井的儲(chǔ)層段地層孔隙壓力剖面。用試油獲得的地層壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,驗(yàn)證了孔隙壓力剖面合理可靠。

通過(guò)試油測(cè)試得到了12口井的地層壓力數(shù)據(jù),與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4),平均相對(duì)誤差僅為3.51%。由此可見(jiàn),伊頓方法建立的地層孔隙壓力模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度較高,并且各井伊頓指數(shù)與趨勢(shì)線保持一致,能夠滿(mǎn)足后續(xù)三維孔隙壓力建模需求以及工程要求。

圖4 孔隙壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2.4 地應(yīng)力

給定深度處的最小水平主應(yīng)力可以通過(guò)擴(kuò)展的漏失試驗(yàn)、小型壓裂或利用MDT、RFT工具直接測(cè)量得到,也可以通過(guò)差應(yīng)變地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)獲得[28]。但差應(yīng)變測(cè)試只能通過(guò)巖心重復(fù)加載過(guò)程中的應(yīng)變變化和彈性力學(xué)原理初步反映地應(yīng)力大小,其結(jié)果的精確性受巖心保存狀態(tài)等因素影響。通過(guò)測(cè)井資料可以計(jì)算出連續(xù)的地應(yīng)力剖面數(shù)據(jù),但是需要其中一種直接的方法進(jìn)行標(biāo)定,并結(jié)合成像測(cè)井等數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,多種方法綜合分析地應(yīng)力大小,有助于提高分析精度。最大、最小水平主應(yīng)力可表示為

(6)

(7)

(8)

式中,Sh,min為最小水平主應(yīng)力,MPa;SH,max為最大水平主應(yīng)力,MPa;α為Biot系數(shù);v為靜態(tài)泊松比;E為靜態(tài)彈性模量,MPa;εx、εy分別為最小、最大構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);Sv為垂向主應(yīng)力,MPa;H0為測(cè)井起始點(diǎn)深度,m;ρ0(h)為未測(cè)井段深度為h點(diǎn)的密度;ρ(h)為深度為h點(diǎn)的測(cè)井密度;g為重力加速度,m/s2。采用前述公式實(shí)現(xiàn)測(cè)井地應(yīng)力計(jì)算時(shí),關(guān)鍵問(wèn)題之一在于如何對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

方法1為利用實(shí)驗(yàn)室差應(yīng)變巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),來(lái)標(biāo)定最大、最小水平主應(yīng)力值;方法2為通過(guò)壓裂分析得到的閉合應(yīng)力,來(lái)標(biāo)定最小水平主應(yīng)力值。

方法1計(jì)算所得最大最小水平主應(yīng)力值(見(jiàn)圖5第3道),根據(jù)該實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)式(6)～式(8)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定,可調(diào)整得到相應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)(見(jiàn)表2)。

圖5 利用測(cè)井資料計(jì)算得到M217井地應(yīng)力剖面

表2 差應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)

方法2利用研究區(qū)內(nèi)9口井壓裂施工數(shù)據(jù)得到的閉合壓力來(lái)標(biāo)定最小水平主應(yīng)力值,對(duì)于最大水平主應(yīng)力,則通過(guò)井眼穩(wěn)定性分析,調(diào)整最大水平主應(yīng)力,使計(jì)算得到的井眼破壞與井徑觀察基本一致,調(diào)整得到相應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)(見(jiàn)表3)。由圖5第3道可見(jiàn),對(duì)地應(yīng)力計(jì)算巖心標(biāo)定方法的效果相對(duì)較差,與實(shí)際地層閉合應(yīng)力不相符,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因?yàn)橹旅艿[巖地層巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖心分析與測(cè)井分析可能存在尺寸效應(yīng)的影響。因此,方法2將測(cè)井資料直接與壓裂施工數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng),更適用于致密礫巖地層。

表3 方法2對(duì)應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)

從地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)目的層的斷層機(jī)制為正斷層,與研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)基本一致。將計(jì)算得到的最小水平主應(yīng)力與部分井壓裂施工分析的閉合壓力進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖6),平均相對(duì)誤差率僅為1.38%,說(shuō)明利用此模型能獲取可信的最小水平主應(yīng)力。

圖6 計(jì)算最小水平主應(yīng)力與閉合壓力對(duì)比圖

綜上所述,該區(qū)塊巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)獲得的最大、最小水平主應(yīng)力在實(shí)際應(yīng)用中存在一定局限性,可能與巖心的儲(chǔ)存條件和地層條件有差異等原因相關(guān),如果采用此巖心試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力的標(biāo)定,存在一定不可靠風(fēng)險(xiǎn),可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差,甚至不符合區(qū)域地質(zhì)背景。而壓裂數(shù)據(jù)里獲得的閉合壓力相對(duì)更可靠,因此,有實(shí)測(cè)壓裂數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)優(yōu)先選取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行成果數(shù)據(jù)的標(biāo)定,保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。通過(guò)多種標(biāo)定方法對(duì)比,最終獲得了適用于研究區(qū)的可靠的最大、最小水平主應(yīng)力計(jì)算模型。

3 結(jié) 論

(1)基于測(cè)井、實(shí)驗(yàn)、壓裂施工資料形成了一套適用于致密砂礫儲(chǔ)層的巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力計(jì)算模型,并通過(guò)實(shí)際井應(yīng)用驗(yàn)證了模型的有效性。

(2)致密礫巖儲(chǔ)層巖石孔隙度普遍較低,多小于10%,其動(dòng)態(tài)彈性模量在15～40 GPa、動(dòng)態(tài)泊松比在0.1～0.4。利用伊頓公式,通過(guò)多井聲波時(shí)差趨勢(shì)線對(duì)比以及部分井測(cè)試地層壓力的標(biāo)定,可獲取可靠的致密礫巖儲(chǔ)層巖石孔隙壓力。

(3)受礫巖強(qiáng)非均質(zhì)性的影響,依據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的常規(guī)地應(yīng)力計(jì)算方法不適用于礫巖儲(chǔ)層。通過(guò)將原有地應(yīng)力計(jì)算模型與差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)、壓裂分析相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了地應(yīng)力大小定量標(biāo)定,在此基礎(chǔ)形成了可靠的地應(yīng)力計(jì)算模型,較巖心標(biāo)定方法更準(zhǔn)確。