枯竭型儲氣庫巖石力學(xué)分析研究

陳振龍

摘要：地應(yīng)力在儲氣庫建庫中扮演重要角色，對于多期交替注采條件下，高速注采極易導(dǎo)致目的層及圈閉圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，致使庫區(qū)斷層被激活滑動、導(dǎo)致儲氣庫泄露事故等風(fēng)險。充分利用庫區(qū)測井、地震、巖心分析化驗(yàn)及生產(chǎn)測試資料，開展儲氣庫巖石力學(xué)分析研究，獲取庫區(qū)相關(guān)力學(xué)參數(shù)，為庫區(qū)內(nèi)風(fēng)險斷層動態(tài)密封性分析和蓋層密封性評價提供重要基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：儲氣庫;巖石力學(xué);地層孔隙壓力;地應(yīng)力

1、前言

地下儲氣庫作為調(diào)節(jié)天然氣供需平衡和戰(zhàn)略儲備的一種技術(shù)手段，在工業(yè)、生活用氣峰谷調(diào)配方面發(fā)揮巨大作用。S氣田區(qū)域構(gòu)造位于松遼盆地南部中央坳陷區(qū)華字井階地南部，屬于枯竭型砂巖氣藏，由于地質(zhì)條件適中，地理?xiàng)l件優(yōu)越，適合改建為儲氣庫，建成后可以發(fā)揮為市場發(fā)揮季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣的作用。

在多期交替注采條件下，高速注采極易導(dǎo)致儲氣庫目的層及圈閉圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，因此，開展巖石力學(xué)分析研究，可有效指導(dǎo)儲氣庫安全生產(chǎn)運(yùn)行開發(fā)方案的制定，對保障安全運(yùn)行意義重大。

2、巖石力學(xué)模型

結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，對地應(yīng)力模型的6個要素分別采用以下分析方法：地應(yīng)力方向通過成像測井、陣列聲波測井資料分析得到;上覆地層壓力通過對密度測井曲線積分求取;孔隙壓力根據(jù)DST實(shí)際測量確定，同時結(jié)合對地震數(shù)據(jù)和電測資料的精細(xì)處理和分析進(jìn)行預(yù)測;巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)測井曲線選取不同的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算，并用室內(nèi)巖心力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn);最小水平主應(yīng)力綜合測井曲線計算方法以及小型壓裂測試數(shù)據(jù)等;對于最大水平主應(yīng)力大小，通過各向同性孔彈模型計算，同時根據(jù)井筒破損和裂縫情況，對最大水平主應(yīng)力進(jìn)行反演模擬。

2.1、地應(yīng)力方向

地應(yīng)力方位確定主要通過成像測井識別井壁破壞、陣列聲波識別快橫波方位兩種方法獲得[1]。

通過新井成像資料可以清晰地看到兩口井存在井壁崩落現(xiàn)象，井壁崩落平均方位為北偏東15度，由于井壁崩落方位與最小水平主應(yīng)力方向一致，垂直于最大水平主應(yīng)力方向，因此確定現(xiàn)今地應(yīng)力方向?yàn)?05度，近東西向。

在裂縫地層及水平應(yīng)力不平衡的地層，地層橫波會分裂為快橫波和慢橫波，二者偏振方向互相垂直，其中快橫波偏振方向與地層高角度裂縫的走向及最大水平主應(yīng)力方向一致，裂縫不發(fā)育，所以快橫波方向指示的各向異性方向即可代表現(xiàn)今地應(yīng)力方向。通過分析已有兩口新井快橫波方位信息，判斷口井各向異性方向?yàn)?05度方向，即現(xiàn)今地應(yīng)力方向?yàn)闁|偏南105度方向，與成像測井識別地應(yīng)力方向一致。

綜合成像測井、陣列聲波測井等分析結(jié)果，判斷雙坨子區(qū)塊地應(yīng)力方向基本為105度方向，符合區(qū)域地質(zhì)特征。

2.2、上覆巖層壓力

密度測井和聲波測井可以直觀地反映地層壓實(shí)規(guī)律，可以獲得巖石體積密度值。如果有密度測井資料，平均體積密度可以計算出來。否則，可從聲波測井曲線上計算巖石體積密度，但是必須經(jīng)過壓實(shí)修正。利用密度數(shù)據(jù)，上覆巖層壓力計算采用了體積密度積分的方法，在表層采用密度或偽密度的外延趨勢線進(jìn)行計算，在有密度測井或聲波測井?dāng)?shù)據(jù)井段，可以依據(jù)井眼形態(tài)選用密度測井?dāng)?shù)據(jù)，或者選用聲波提取偽密度計算上覆巖層壓力[2]。

2.3、地層孔隙壓力

本研究以測井資料為基礎(chǔ)，采用高精度的地層壓力預(yù)測和檢測方法—欠壓實(shí)理論，進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測計算。在巖性和地層水變化不大的地層剖面中，正常壓實(shí)地層的特點(diǎn)是，隨著地層深度的增加，上覆巖層荷載增加，泥頁巖的壓實(shí)程度增大，導(dǎo)致地層孔隙度不斷減小，巖石密度增加，泥頁巖的壓實(shí)程度直接反應(yīng)孔隙壓力的變化。

在目前的測井系列中，有多種測井方法都能較好的反應(yīng)地層孔隙壓力。本次研究應(yīng)用了泥巖欠壓實(shí)理論分析了四塊雙坨子區(qū)塊23口井的聲波資料，應(yīng)用伊頓公式計算了這些井的地層孔隙壓力。

應(yīng)用伊頓法對研究區(qū)孔隙壓力進(jìn)行了分析，用實(shí)測點(diǎn)標(biāo)定孔隙壓力值。通過分析，TK1-2井泉三段目的儲層段的孔隙應(yīng)力為12.4-13MPa， 對應(yīng)地層壓力系數(shù)為 0.96-1.01g/cm3;泉一段目的儲層段的孔隙應(yīng)力為18.3-19.5MPa， 對應(yīng)地層壓力系數(shù)為 0.93-0.98 g/cm3;TS1井泉三段目的儲層段的孔隙應(yīng)力為11 -12MPa， 對應(yīng)地層壓力系數(shù)為0.93-0.98g/cm3;泉一段目的儲層段的孔隙應(yīng)力為19.5-20.5MPa， 對應(yīng)地層壓力系數(shù)為0.93-0.97 g/cm3，與地層壓力實(shí)測點(diǎn)匹配較好，說明計算的孔隙壓力是可靠的。

2.4、巖石力學(xué)參數(shù)

巖石力參數(shù)包括巖石的彈性模量和巖石強(qiáng)度，是地應(yīng)力計算和井眼穩(wěn)定性分析以及壓裂模擬的基礎(chǔ)。

測井曲線計算得到的是巖石的動態(tài)彈性模量，與其靜態(tài)彈性模量存在差異，需要實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析數(shù)據(jù)對彈性模量進(jìn)行動靜態(tài)轉(zhuǎn)換，根據(jù)巖心數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)動靜態(tài)楊氏模量轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.7，動靜態(tài)泊松比轉(zhuǎn)換系數(shù)為1。

2.5水平地應(yīng)力

通過小型壓裂實(shí)驗(yàn)得到了兩口新井的閉合壓力數(shù)據(jù)，其中泉一段目的層段閉合壓力范圍為31.2-35.9MPa，泉三段目的層段閉合壓力范圍為21.8-22Mpa。

利用該閉合壓力數(shù)據(jù)可以進(jìn)行最小水平主應(yīng)力的標(biāo)定，通過測試點(diǎn)標(biāo)定反求出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)值，兩口井構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)一樣，說明該參數(shù)合理可靠。

4? 結(jié)論

通過對研究區(qū)開展巖石力學(xué)精細(xì)研究，得到以下結(jié)論：

（1）區(qū)塊地應(yīng)力方位主要通過成像測井識別井壁和橫波各向異性的方法驗(yàn)證確定，地應(yīng)力方向?yàn)镋105o方向，為近東西向。

（2）泉三段上覆應(yīng)力為27-33MPa，泉一段上覆應(yīng)力為47-53MPa。

（3）泉三段孔隙壓力為11.4-13.3MPa，對應(yīng)孔隙壓力系數(shù)為0.93-1.08 g/cm3;泉一段孔隙壓力為18.2-21.0MPa;對應(yīng)孔隙壓力系數(shù)為0.92-1.02 g/cm3。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李志明，張金珠，地應(yīng)力與油氣勘探開發(fā)[M].石油工業(yè)出版社，1997：23-40，145-167.

[2] 藏艷彬，王瑞和，李新芝等，基于密度測井資料計算上覆巖層壓力的不確定性分析. 中國石油大學(xué)學(xué)報，2010，34（6）.

（吉林油田松原采氣廠，吉林 松原 138000）