基于測井?dāng)?shù)據(jù)反演火成巖力學(xué)參數(shù)模型的建立及其工程應(yīng)用

楊 虎 薛曉軍 陳向輝 李秀彬 周鵬高

1.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū) 2.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院 3.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者針對沉積巖開展了大量的巖石力學(xué)特征研究，而對火成巖力學(xué)方面的研究則相對較少。劉之的等[1-2]對準(zhǔn)噶爾盆地六區(qū)石炭系火成巖開展了力學(xué)測試，將測試結(jié)果應(yīng)用于裂縫和巖性預(yù)測；馮立等[3]選取海拉爾盆地凝灰質(zhì)火成巖巖心，開展了礦物學(xué)和物理特性分析以及力學(xué)參數(shù)測試；張旭等[4]對大慶徐家圍子地區(qū)火成巖開展了力學(xué)參數(shù)測試，研究了火成巖的彈（塑）性損傷本構(gòu)關(guān)系。上述研究在火成巖巖性、裂縫識別、礦物成分與力學(xué)特性的關(guān)系方面做出了有益的探索。

針對準(zhǔn)噶爾盆地克拉美麗氣田火成巖，劉小紅等[5]分析了滴西18井區(qū)巖心和巖石薄片，研究了火成巖元素組成及空間分布特征；張兆輝等[6]在巖心和薄片的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了常規(guī)測井信息與巖石特性的對應(yīng)關(guān)系，制作了火成巖性識別圖版；楊志成等[7]分析火成巖種類、巖相和平面分布特點(diǎn)；曲江秀等[8]從儲(chǔ)集空間、儲(chǔ)層物性、孔隙結(jié)構(gòu)等方面開展火成巖儲(chǔ)層特征研究；代春萌等[9]基于物源、巖體和巖相的精細(xì)描述，應(yīng)用地震資料綜合預(yù)測與評價(jià)火成巖儲(chǔ)層?？傊?，對于克拉美麗氣田火成巖的研究以往主要集中在巖石物理性質(zhì)、巖性識別等方面，尚未涉及巖石力學(xué)特征方面的研究。雖然大慶油田曾經(jīng)開展過火成巖力學(xué)特征研究，但卻存在著較大的區(qū)域差異，其研究成果無法應(yīng)用于其他地區(qū)。為此，針對克拉美麗山前石炭系火成巖力學(xué)特征開展了系統(tǒng)研究并進(jìn)行工程應(yīng)用，以期指導(dǎo)該區(qū)火成巖氣藏鉆井參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 克拉美麗山前火成巖特征

準(zhǔn)噶爾盆地火成巖油氣資源豐富，盆地腹部的克拉美麗山前包括滴北凸起和滴南凸起，已探明天然氣儲(chǔ)量為1 000×108m3，是新疆準(zhǔn)噶爾盆地重點(diǎn)天然氣產(chǎn)區(qū)。已探明的克拉美麗氣田位于滴南凸起西端，包括滴西14、滴西17、滴西18和滴西10四個(gè)井區(qū)。地層序列自上而下有白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系梧桐溝組以及石炭系，缺失中下二疊統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng)及部分中統(tǒng)。石炭系巴山組火成巖為主要天然氣儲(chǔ)層[10]。

石炭系巴山組經(jīng)歷多期次構(gòu)造活動(dòng)。早石炭世（距今321～369 Ma）為火山噴發(fā)活動(dòng)的主要時(shí)期，噴發(fā)形式為中心式噴發(fā)和裂隙式噴發(fā)[11-13]。巴山組（C2b）自下而上發(fā)育C2b1、C2b2、C2b3三個(gè)噴發(fā)—沉積旋回，下部以火成巖為主，中部為火成巖與沉積巖混合，上部以沉積巖為主的多套組合[14]。不同區(qū)域火山巖巖相具有一定的差異性，滴西17和滴西14井區(qū)以中基性溢流相為主，滴西18井區(qū)以爆發(fā)相和火山沉積相為主，滴西10井區(qū)以中酸性溢流相為主[7]（圖1-a）。石炭系火成巖巖性多樣，主要包括以玄武巖、安山巖為主的中基性火山熔巖、以凝灰?guī)r、火山角礫巖為主的火山碎屑巖、以花崗斑巖、二長斑巖為主的次火山巖，以及碎屑沉積巖等（圖1-b～g）。主要井區(qū)的火成巖巖性占比差異較大（圖1-h ～ j）。

圖1 克拉美麗山前石炭系火成巖巖相和主要巖性分布圖

研究表明[15-16]，石炭系火成巖孔隙結(jié)構(gòu)以裂縫—孔隙型為主，占比為50.01%，裂縫以構(gòu)造縫為主。石炭系火成巖孔隙度為0.2%～30.8%，屬中低孔、低滲裂縫性氣藏。鉆井實(shí)踐表明，與沉積巖相比，石炭系火成巖巖性致密堅(jiān)硬，可鉆性差。由于石炭系裂縫發(fā)育，鉆井過程中井漏和井壁失穩(wěn)問題突出[17]。因此，開展火成巖力學(xué)特征分析，建立地層孔隙、破裂、漏失和坍塌壓力剖面，分析火成巖儲(chǔ)層鉆直井和水平井時(shí)井下復(fù)雜的力學(xué)機(jī)理。

2 火成巖力學(xué)測試

實(shí)驗(yàn)采用MTS巖石物理力學(xué)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)、超聲波測試、孔隙度和滲透率測試3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其軸向壓力、圍壓以及流體注入壓力最大值分別為1 000 kN、140 MPa和70 MPa，軸向壓力和圍壓的加載速率小于20 N/s，軸向位移傳感器量程為－50～50 mm，位移分辨精度為0.000 1 mm。系統(tǒng)可同時(shí)測試力學(xué)（軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、位移、軸壓、流體注壓、圍壓）、聲學(xué)（縱波和橫波速度、初至?xí)r間）和溫度等物理量，可獲取的巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦系數(shù)（或內(nèi)摩擦角）、內(nèi)聚力、楊氏模量和泊松比等。

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)巖樣源于克拉美麗山前8口井的石炭系火成巖，深度范圍為3 002.01～4 002.25 m，鉆取的標(biāo)準(zhǔn)巖樣涵蓋了石炭系火成巖全部巖性。經(jīng)過分選、切割、磨平等加工程序，剔除瑕疵樣品，獲得標(biāo)準(zhǔn)巖樣80塊（直徑為25 mm、長度約50 mm圓柱體）。其中，15塊標(biāo)準(zhǔn)巖樣用于巴西劈裂法抗張強(qiáng)度測試，23塊標(biāo)準(zhǔn)巖樣用于單軸抗壓強(qiáng)度測試（表1），42塊標(biāo)準(zhǔn)巖樣用于三軸強(qiáng)度測試，圍壓分別為2 MPa、15 MPa、30 MPa（表2）。標(biāo)準(zhǔn)巖樣的加工及力學(xué)測試過程符合《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，典型巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

表1 石炭系部分火成巖巖樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

表2 石炭系部分火成巖巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 DX171井部分火成巖巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變測試曲線圖

3 火成巖力學(xué)參數(shù)測井模型

室內(nèi)巖樣力學(xué)測試只能測得某一深度點(diǎn)上的巖石力學(xué)特征，無法獲取連續(xù)剖面，且測試過程復(fù)雜、耗資大。油氣田測井資料豐富，容易獲取。因此，將測試數(shù)據(jù)與巖樣來源井的原位測井參數(shù)對應(yīng)，應(yīng)用多元回歸方法，建立火成巖力學(xué)參數(shù)的測井解釋模型。

巖石抗拉強(qiáng)度是計(jì)算地層破裂壓力以及壓裂施工所需要的重要基礎(chǔ)參數(shù)。巴西劈裂測試表明（圖3），克拉美麗山前火成巖抗張強(qiáng)度為7.3～15.8 MPa，平均值為11.4 MPa?？箯垙?qiáng)度與縱波時(shí)差的統(tǒng)計(jì)關(guān)系見圖3-a。巖石單軸測試表明，克拉美麗山前火成巖單軸抗壓強(qiáng)度為75.7～195.4 MPa，平均值為134.7 MPa。單軸抗壓強(qiáng)度與巖石密度、縱波時(shí)差的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖3-b所示。

巖石的抗剪強(qiáng)度一般用內(nèi)摩擦系數(shù)（或內(nèi)摩擦角）和內(nèi)聚力表示[19]。內(nèi)摩擦系數(shù)反映巖石剪切破壞時(shí)相對滑動(dòng)面的摩擦力大小，內(nèi)聚力則在宏觀上表現(xiàn)了沒有正應(yīng)力作用時(shí)剪切面上的抗剪強(qiáng)度。巖石抵抗剪切破壞的能力與內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力呈正比。施加3個(gè)不同的圍壓，測得對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度，對3組“圍壓—抗壓強(qiáng)度”數(shù)據(jù)進(jìn)行莫爾—庫倫圓分析，可得到內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，火成巖摩擦系數(shù)最小值為0.74，最大值為0.96，平均值為0.84?；鸪蓭r內(nèi)摩擦系數(shù)與聲波時(shí)差的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖3-c所示。確定內(nèi)摩擦系數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度后，可根據(jù)理論公式計(jì)算出內(nèi)聚力[20]。

在石油工程中，楊氏模量和泊松比是常用的彈性參數(shù)。彈性參數(shù)有動(dòng)態(tài)值和靜態(tài)值之分[21]。利用縱、橫波速度（或時(shí)差）和密度測井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)理論公式計(jì)算出動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)[22]。靜態(tài)彈性參數(shù)是由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取。對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析（圖3-d和圖3-f），得到動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)的轉(zhuǎn)換模型[21]（表3）。

圖3 巖石力學(xué)測試數(shù)據(jù)與測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸圖

4 巖石力學(xué)模型工程應(yīng)用

鉆井工程中，巖石力學(xué)參數(shù)主要用來定量計(jì)算地應(yīng)力、地層坍塌、漏失和破裂壓力，進(jìn)而開展地層壓力和井壁穩(wěn)定分析，為預(yù)防鉆井井筒復(fù)雜情況及鉆井液密度設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

地層坍塌壓力計(jì)算模型[23]為：

式中σH表示最大水平主應(yīng)力、σh表示最小水平主應(yīng)力，MPa；C表示巖石內(nèi)聚力，MPa；表示巖石內(nèi)摩擦角，(°)；α表示有效應(yīng)力系數(shù)，0＜α≤1，無因次；pP表示地層孔隙壓力，MPa；ρW表示地層水密度，g/cm3；g表示重力加速度，取0.009 8 m/s2；D表示地層深度，m；γm表示地層坍塌壓力系數(shù)，無因次。

地層漏失壓力計(jì)算模型[24]為：

式中qf表示漏失速率，L/s；u表示鉆井液塑性黏度，mPa·s；K表示地層滲透率，D；h表示漏失層厚度，m；rw、rf分別表示井眼半徑、鉆井液侵入地層的侵入半徑，m；τ0表示鉆井液屈服值，Pa表示地層孔隙度；γL表示地層漏失壓力系數(shù)，無因次。

地層破裂壓力計(jì)算模型[17]為：

式中σt表示巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；γB表示地層破裂壓力系數(shù)，無因次。

DX172井是克拉美麗氣田滴西17井區(qū)的評價(jià)井。應(yīng)用測井資料，根據(jù)表3中的巖力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型，反演出該井石炭系巖石力學(xué)參數(shù)剖面；再根據(jù)工區(qū)已完鉆井的水力壓裂數(shù)據(jù)得到地層破裂壓力、裂縫延伸壓力，進(jìn)而反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)和地層水平主應(yīng)力[25]，對密度測井曲線積分得到垂向地應(yīng)力。獲取地應(yīng)力、孔隙壓力和巖石力學(xué)參數(shù)之后，利用式（1）～（3），求取地層坍塌壓力、漏失壓力和破裂壓力剖面（圖4）。

表3 克拉美麗山前火成巖力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型匯總表

4.1 火成巖裂縫井漏機(jī)理

DX172井石炭系的鉆揭井深為3 480～3 840 m，巖性為玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r及火山角礫巖。由圖4可知，火成巖破裂壓力遠(yuǎn)大于孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力，孔隙壓力大于坍塌壓力，漏失壓力略大于孔隙壓力。石炭系上部3 485～3 610 m井段地層漏失壓力與孔隙壓力非常接近，鉆井液安全密度窗口極窄，該井采用密度為1.38 g/cm3的鉆井液鉆至井深為3 751.29 m和3 795.30 m時(shí)發(fā)生嚴(yán)重井漏。因此，鉆井液靜液壓力大于石炭系上部地層漏失壓力是導(dǎo)致井漏的原因。

DX172井的井漏也可通過該井巖心觀察得到佐證。該井石炭系全尺寸巖心中安山巖和玄武巖局部見直劈天然微裂縫，縫長介于1.5～2.19 cm，縫寬介于0.5～1.0 mm，縫面較平整，充填物為方解石。同時(shí)，DX1816井的微電阻率成像（FMI）顯示該井火成巖裂縫較發(fā)育，裂縫密度3～10條/10 cm（圖5）。在力學(xué)強(qiáng)度測試中，與無微裂縫巖心相比，微裂縫發(fā)育巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度均較低，并且筆者建立的巖石力學(xué)模型中的地層聲波和密度測井均有很好的響應(yīng)。

DX172井巖心分析表明，石炭系上部（玄武巖和安山巖為主）裂縫處于開啟的自然漏失狀態(tài)，但多數(shù)被泥質(zhì)充填，地層漏失壓力略高于地層孔隙壓力（兩者當(dāng)量密度相差0.15～0.20 g/cm3）。由于裂縫堵塞物易突破，井漏時(shí)的鉆井液漏速及漏失量較大。另外，石炭系中下部（以凝灰?guī)r、角礫巖和花崗巖為主）裂縫處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，井漏時(shí)鉆井液必須克服裂縫的重張壓力。由于此段地層多為直劈縫和斜交縫，裂縫重張壓力約等于最小水平主應(yīng)力，即此段地層漏失壓力約等于最小水平主應(yīng)力（圖4），其漏失壓力與孔隙壓力的安全密度差值介于0.30～0.40 g/cm3。

因此，針對克拉美麗山前石炭系火成巖裂縫發(fā)育情況，建議石炭系上部鉆井時(shí)，采用隨鉆屏蔽堵漏鉆井液，強(qiáng)化裂縫封堵，提高井壁承壓能力，或采用密度范圍1.15～1.25 g/cm3的鉆井液實(shí)現(xiàn)欠平衡壓力鉆井[26]。石炭系中下部鉆井時(shí)，建議采用近平衡精細(xì)控壓鉆井。

4.2 火成巖井壁失穩(wěn)機(jī)理

克拉美麗山前石炭系井壁穩(wěn)定程度與火成巖的巖性及微裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)。以DX172井為例，以玄武巖和安山巖為主的上部地層，巖石抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和彈性模量較高，表現(xiàn)出較低的坍塌壓力。而對于凝灰?guī)r和角礫巖為主的中下部地層，巖石抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和彈性模量偏低，且變化幅度大，局部地層的穩(wěn)定性較弱。同時(shí)，中下部地層多發(fā)育直劈縫或斜交縫，縫隙中膠結(jié)物充填少，井壁裂縫易發(fā)生列賓捷爾效應(yīng)。鉆井液易吸附于巖石，使巖石表面能降低，并產(chǎn)生楔裂作用，減小巖石的內(nèi)摩擦角，結(jié)果導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低。

目前，克拉美麗山前石炭系氣藏多采用水平井開發(fā)，區(qū)域主地應(yīng)力中的垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力方位為北東—南西方向（圖4）。由于主地應(yīng)力差異明顯，水平井井眼軌跡在不同井斜和方位條件下，地層坍塌和漏失壓力有所差異。為此，開展石炭系儲(chǔ)層坍塌壓力和漏失壓力在不同軌跡下的變化規(guī)律研究（圖6），有助于水平井定向井眼的安全鉆進(jìn)。

圖4 DX172井石炭系巖石力學(xué)與地層壓力剖面

圖5 DX1816井的微電阻率成像（FMI）測井表征的裂縫圖

圖6 石炭系火成巖儲(chǔ)層壓力云圖

通常，石炭系天然裂縫面垂直于最小水平主應(yīng)力方向，水平井眼沿最小水平主應(yīng)力方向可有效提高裂縫鉆遇率。由圖6-a可知，水平井眼方位為北東—南西方向時(shí)，隨著井斜角增大，儲(chǔ)層坍塌壓力增大，當(dāng)井斜角為90°（水平井段）時(shí)，坍塌壓力達(dá)到最大值（壓力系數(shù)約為1.12）。由圖6-b可知，水平井眼方位為北東—南西方向時(shí)，隨著井斜角由0°增大到90°，儲(chǔ)層漏失壓力系數(shù)由1.55減至1.38。因此，克拉美麗山前石炭系采用水平井方式開發(fā)，水平井眼鉆井時(shí)鉆井液安全密度窗口非常窄。若采用欠平衡壓力鉆水平井眼時(shí)，設(shè)計(jì)鉆井液密度范圍介于1.12～1.25 g/cm3；若采用近平衡精細(xì)控壓鉆水平井眼時(shí)，設(shè)計(jì)鉆井液密度范圍介于1.27～1.34 g/cm3。

5 結(jié)論

1）國內(nèi)外學(xué)者建立的沉積巖力學(xué)參數(shù)測井模型不適用于火成巖。基于克拉美麗山前多口井火成巖不同巖性的巖心力學(xué)測試數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)巖心彈性參數(shù)動(dòng)態(tài)值與靜態(tài)值的轉(zhuǎn)換，擬合出火成巖力學(xué)參數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)反演模型，并繪制典型井的巖石力學(xué)參數(shù)和地層壓力剖面。該模型的建立方法具有很好的推廣價(jià)值。

2）根據(jù)地層壓力相關(guān)模型，繪制出克拉美麗山前石炭系坍塌、漏失和破裂壓力的連續(xù)剖面。分析認(rèn)為，石炭系火成巖鉆井液安全密度窗口窄，裂縫閉合形態(tài)及填充情況決定了井漏的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于不同巖性的力學(xué)強(qiáng)度差異，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)取決于火成巖的巖性及裂縫發(fā)育程度。

3）目前，克拉美麗山前石炭系氣藏多采用水平井開發(fā)，由于石炭系主地應(yīng)力的差異明顯，水平井眼方位沿最小水平主應(yīng)力雖然可有效提高裂縫鉆遇率，但是定向井段的鉆井風(fēng)險(xiǎn)更大，鉆井液安全密度窗口更窄。通過石炭系坍塌壓力和漏失壓力在不同井眼軌跡的變化規(guī)律分析，可實(shí)現(xiàn)井筒安全的定量預(yù)測，指導(dǎo)鉆井參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。