準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)研究

趙進(jìn)雍冀冬生吳 見(jiàn)龐志超吳 林

0 引言

巖石力學(xué)特征是地下儲(chǔ)層的固有屬性,是盆地構(gòu)造應(yīng)力模擬、鉆井設(shè)計(jì)、儲(chǔ)層壓裂改造的主要依據(jù),不但影響天然裂縫形成演化,同時(shí)控制人工裂縫的擴(kuò)展分布,是油氣勘探開(kāi)發(fā)中的重要參數(shù)之一(Han et al.,1986;Ward et al.,1994;Bowers,1995;李志明和張金珠,1997;黃思靜等,1999;周文等,2008;丁文龍等,2010;歸榕和萬(wàn)永平,2012;劉佳庚等,2020;吳林等,2022)。目前常用的巖石力學(xué)參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、脆性指數(shù)等,主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算兩種方法獲取(Ward et al.,1994;Bowers,1995;歸榕和萬(wàn)永平,2012)。

2019年,準(zhǔn)南前陸四棵樹(shù)凹陷高探1井在侏羅系—白堊系試油獲高產(chǎn),日產(chǎn)原油1213 m3、天然氣32.17×104m3,成為準(zhǔn)南勘探里程碑式發(fā)現(xiàn),證實(shí)侏羅系—白堊系具備形成大型油氣田的巨大潛力(杜金虎等,2019;何海清等,2019;靳軍等,2019;楊迪生等,2019;徐新紐等,2020;劉惠民等,2020)?？碧綄?shí)踐表明,準(zhǔn)南侏羅系—白堊系油氣富集高產(chǎn)可能與儲(chǔ)層裂縫密切相關(guān),急需重視儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征研究。然而,相關(guān)學(xué)者目前多關(guān)注構(gòu)造解析及構(gòu)造演化對(duì)儲(chǔ)層的影響(趙桂萍,2003;管樹(shù)巍等,2013;Han and Zhao,2018;高志勇等,2020;關(guān)旭同等,2020;梁則亮等,2020;朱明等,2020),往往忽略了儲(chǔ)層自身特征對(duì)構(gòu)造變形的影響,尤其缺乏儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征與裂縫響應(yīng)關(guān)系分析,影響研究區(qū)目的層整體評(píng)價(jià)(吳林等,2022)。文中系統(tǒng)分析四棵樹(shù)地區(qū)侏羅系—白堊系碎屑巖巖石力學(xué)參數(shù),明確巖石力學(xué)參數(shù)分布特征,探討巖石力學(xué)參數(shù)的地質(zhì)意義,為油氣勘探評(píng)價(jià)提供重要支撐。

1 地質(zhì)概況

四棵樹(shù)凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣西部(圖1a),南部為北天山構(gòu)造體系,西北部和北部為扎伊爾山構(gòu)造體系,控制凹陷中新生界沉積充填(管樹(shù)巍等,2013;Han and Zhao,2018;高志勇等,2020;梁則亮等,2020;朱明等,2020)。凹陷內(nèi)沉積地層向上依次為三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系、第四系,碎屑巖儲(chǔ)層總厚度大于5000 m(況軍和齊雪峰,2006;方世虎等,2007;雷德文等,2008;邵雨等,2011;孟元庫(kù)等,2012;肖立新等,2012;朱文等,2017)。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向深部推進(jìn),侏羅系與白堊系下部成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象,包括八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)、齊古組(J3q)、清水河組(K1q)、呼圖壁組(K1h)等。受新生代以來(lái)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響,凹陷內(nèi)地層明顯褶皺變形,形成艾卡構(gòu)造帶、高泉構(gòu)造帶(管樹(shù)巍等,2013;Han and Zhao,2018;朱明等,2020)。

艾卡構(gòu)造帶位于四棵樹(shù)凹陷北部,鄰近北側(cè)車(chē)排子凸起,石油地質(zhì)條件良好,已在中生界以淺實(shí)現(xiàn)油氣商業(yè)發(fā)現(xiàn),包括獨(dú)山子油田、艾卡油田、西湖油田等。高泉構(gòu)造帶位于四棵樹(shù)凹陷南部,目前已被三維地震勘探數(shù)據(jù)覆蓋,多口探井揭示侏羅系—白堊系是近期油氣勘探重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域(圖1b)。該地區(qū)成像測(cè)井資料顯示,斷裂附近井筒中砂巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育,裂縫發(fā)育段與油氣顯示段較為一致。

圖1 四棵樹(shù)凹陷侏羅系頂面構(gòu)造圖Fig.1 Plane structure of the superface of the Jurassic in the Sikeshu sag

2 侏羅系—白堊系巖石力學(xué)參數(shù)

準(zhǔn)南西段四棵樹(shù)地區(qū)發(fā)育巨厚碎屑巖儲(chǔ)層,與其相關(guān)的常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)主要包括楊氏模量E、剪切模量μ、脆性指數(shù)t和泊松比v等,其中楊氏模量和泊松比最為重要(李志明和張金珠,1997)。目前通常根據(jù)兩種方法獲取巖石力學(xué)參數(shù):一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣實(shí)測(cè)獲得靜態(tài)參數(shù),一種是利用地球物理測(cè)井資料計(jì)算獲得動(dòng)態(tài)參數(shù),二者存在一定差異(周宏偉等,2010;王珂等,2014)。通常需要將動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,獲取靜態(tài)參數(shù)、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層特征。

2.1 動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)

陣列聲波測(cè)井可以用于識(shí)別巖性、氣水層,準(zhǔn)確提取縱、橫波信息,分析楊氏模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù),估算儲(chǔ)層孔隙度,評(píng)價(jià)有效天然裂縫及壓裂效果(李志明和張金珠,1997)。此次利用陣列聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù),預(yù)測(cè)楊氏模量、泊松比(Dumitrescu, 2019),公式如下:

式中:Ed為動(dòng)態(tài)楊氏模量,GPa;Δts為橫波時(shí)差,μs/m;Δtc為縱波時(shí)差,μs/m;ρ為巖石密度,g/cm3;vd為動(dòng)態(tài)泊松比。

根據(jù)高泉地區(qū)鉆井資料情況,分析高102井侏羅系—白堊系砂巖的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù),結(jié)果表明(圖2),J2x、J2t的動(dòng)態(tài)楊氏模量主要分布于40～70 GPa,K1q、K1h的動(dòng)態(tài)楊氏模量主要分布于20～40 GPa,中侏羅統(tǒng)的動(dòng)態(tài)楊氏模量相對(duì)高于下白堊統(tǒng)(圖2a)。J2x、J2t的動(dòng)態(tài)泊松比主要分布于0.15～0.30,K1q、K1h的動(dòng)態(tài)泊松比主要分布于0.25～0.4,中侏羅統(tǒng)的動(dòng)態(tài)泊松比相對(duì)低于下白堊統(tǒng)(圖2b)?？傮w來(lái)看,下白堊統(tǒng)動(dòng)態(tài)楊氏模量較低、泊松比較高。

圖2 高泉地區(qū)高102井動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)分布直方圖Fig.2 Distribution histogram of dynamic rock mechanical parameters of the Well Gao 102 in the Gaoquan area

2.2 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)

靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)砂巖樣品的三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取。此次實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,巖石樣品在加載圍壓后,通過(guò)傳感器測(cè)量巖樣的軸向、橫向應(yīng)變及軸向載荷,直至巖樣產(chǎn)生破壞、停止加載,自動(dòng)采集與處理后得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以計(jì)算靜態(tài)楊氏模量、泊松比:

式中,Es為靜態(tài)楊氏模量,GPa;Δσa為軸向應(yīng)力增量,MPa;Δεa為軸向應(yīng)變?cè)隽?mm;vs為靜態(tài)泊松比;Δεa為軸向應(yīng)變?cè)隽?mm;Δεr為徑向應(yīng)變?cè)隽?mm。

此次對(duì)四棵樹(shù)凹陷巖芯樣品進(jìn)行了三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),樣品來(lái)自高101、高102、高泉5、獨(dú)山1井,共計(jì)28件,其中侏羅系樣品23件、白堊系樣品5件,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系致密砂巖儲(chǔ)層動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of dynamic and static rock mechanics of the Jurassic-Cretaceous tight sandstone reservoir in the Sikeshu sag

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系砂巖靜態(tài)楊氏模量主要分布于12～30 GPa,泊松比分布于0.19～0.24。

2.3 巖石力學(xué)參數(shù)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換

由于測(cè)井和實(shí)驗(yàn)手段中非均質(zhì)性?xún)?chǔ)層的聲波響應(yīng)不同,造成巖石力學(xué)動(dòng)態(tài)參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)有一定的差異。同時(shí),基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)量較大,而基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)較為真實(shí)準(zhǔn)確,因此考慮將二者進(jìn)行交匯分析,建立數(shù)學(xué)模型,以得到更為準(zhǔn)確、豐富的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)。

結(jié)果表明(圖3),動(dòng)、靜態(tài)楊氏模量之間呈正相關(guān)的線性關(guān)系,Es=0.4346×Ed+0.446,擬合系數(shù)大于0.7,其中Es為靜態(tài)楊氏模量,Ed為動(dòng)態(tài)楊氏模量(圖3a)。動(dòng)、靜態(tài)泊松比之間也呈正相關(guān)的線性關(guān)系,vs=0.1986×vd+0.1646,擬合系數(shù)大于0.7,其中vs為靜態(tài)泊松比,vd為動(dòng)態(tài)泊松比(圖3b)?？傮w來(lái)看,與庫(kù)車(chē)及川西等地區(qū)深層砂巖儲(chǔ)層相比(王珂等,2014),研究區(qū)動(dòng)、靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)相關(guān)性較高,說(shuō)明此次數(shù)學(xué)模型可以為該區(qū)侏羅系—白堊系巖石力學(xué)三維預(yù)測(cè)提供直接依據(jù)。

圖3 四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系巖石力學(xué)參數(shù)交匯圖Fig.3 Crossplot of the Jurassic-Cretaceous rock mechanical parameters for the Sikeshu sag

3 巖石力學(xué)參數(shù)分布特征

結(jié)合單井巖石力學(xué)剖面與三維地震數(shù)據(jù)體,利用公式(1)(2)和前述動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系模型,可進(jìn)行靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)反演(劉建華等,2020)。此次高泉地區(qū)反演結(jié)果表明,靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)與巖性關(guān)系密切。清水河組中上部以細(xì)粒沉積為主,發(fā)育泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,楊氏模量較低,約30～40 GPa,泊松比較高,約0.25～0.35(圖4a)。清水河組底部、頭屯河組、西山窯組主體發(fā)育粗碎屑沉積,包括泥質(zhì)粉砂巖、中粗砂巖、礫巖、含礫粗砂巖,楊氏模量較高,約30～50 GPa,泊松比較低,約0.2～0.3(圖4b)。砂礫巖的楊氏模量比泥巖的高約10～20 GPa,砂礫巖的泊松比比泥巖低約0.05～0.1,當(dāng)砂礫巖與泥巖互層時(shí),楊氏模量和泊松比也發(fā)生交互變化,響應(yīng)關(guān)系較好。

圖4 高泉地區(qū)不同巖性靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)反演評(píng)價(jià)Fig.4 Evaluation of static rock mechanical parameters of different lithologies

從連井剖面結(jié)果中看出(圖5),白堊系清水河組下部與侏羅系頭屯河組、西山窯組、八道灣組楊氏模量較高、泊松比較低,白堊系清水河組上部、侏羅系三工河組楊氏模量較高、泊松比較低,這種巖石力學(xué)參數(shù)垂向變化規(guī)律在全區(qū)均可看到,指示儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有垂向分層性。

圖5 高泉地區(qū)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)反演剖面Fig.5 Inversion profile of the static rock mechanical parameters for the Gaoquan area

4 巖石力學(xué)參數(shù)意義

4.1 巖石力學(xué)參數(shù)與抗壓強(qiáng)度

四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系砂巖靜態(tài)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明(表2,圖6),靜態(tài)楊氏模量與巖石抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系,楊氏模量越大,抗壓強(qiáng)度越大。靜態(tài)泊松比與巖石抗壓強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)關(guān)系,泊松比越小,抗壓強(qiáng)度越大。

表2 四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系致密砂巖儲(chǔ)層靜態(tài)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of static rock mechanics of the Jurassic-Cretaceous tight sandstone reservoir in the Sikeshu sag

圖6 四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系巖石力學(xué)參數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between rock mechanical parameters and compressive strength of the Jurassic-Cretaceous rocks in the Sikeshu sag

4.2 巖石力學(xué)參數(shù)與儲(chǔ)層裂縫

基于靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)儲(chǔ)層反演數(shù)據(jù),選取常用巖石破裂Rickman脆性指數(shù)模型,評(píng)價(jià)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況(Rickman et al., 2008;孫建孟等,2015),數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下:

式中,Fn、En、Vn為裂縫發(fā)育指數(shù)、楊氏模量指數(shù)、泊松比指數(shù),取值范圍0～1之間,無(wú)量綱;Emax、Emin、E分別為目的層靜態(tài)楊氏模量的最大值、最小值、測(cè)點(diǎn)值,GPa;Vmax、Vmin、V分別為目的層靜態(tài)泊松比的最大值、最小值、測(cè)點(diǎn)值,無(wú)量綱。一般認(rèn)為,當(dāng)Fn＜0.4,裂縫不發(fā)育,0.4≤Fn＜0.7,裂縫較發(fā)育,Fn≥0.7,裂縫發(fā)育。

研究結(jié)果表明(圖7),四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系靜態(tài)楊氏模量越大、泊松比越小,裂縫發(fā)育指數(shù)越大,越容易形成裂縫。清水河組中上部、三工河組裂縫發(fā)育指數(shù)約0.1～0.4,裂縫相對(duì)不發(fā)育;清水河組下部、西山窯組裂縫發(fā)育指數(shù)約0.4～0.7,裂縫較發(fā)育;頭屯河組裂縫發(fā)育指數(shù)約0.7～0.9,裂縫發(fā)育。將裂縫預(yù)測(cè)指數(shù)與成像測(cè)井解釋的裂縫數(shù)量進(jìn)行對(duì)比,即裂縫指數(shù)越大,裂縫數(shù)量越多,二者較為吻合,證實(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果較為合理。該區(qū)高探1井在清水河組下部、頭屯河組油氣顯示好,指示裂縫可能具有重要貢獻(xiàn)。因此,基于靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫具有重要的油氣勘探意義。

圖7 高泉地區(qū)侏羅系—白堊系巖石力學(xué)參數(shù)與裂縫響應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Relationship between rock mechanical parameters and fracture response of the Jurassic-Cretaceous rocks in the Gaoquan area

5 結(jié)論

(1)四棵樹(shù)凹陷侏羅系—白堊系儲(chǔ)層動(dòng)、靜態(tài)楊氏模量和泊松比均呈正相關(guān)線性關(guān)系,巖石力學(xué)參數(shù)受巖性變化控制,白堊系清水河組下部與侏羅系頭屯河組、西山窯組、八道灣組楊氏模量較高、泊松比較低,白堊系清水河組上部、侏羅系三工河組楊氏模量較低、泊松比較高。隨著楊氏模量增加、泊松比降低,巖石抗壓強(qiáng)度增加。

(2)基于高泉地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果表明,楊氏模量越大、泊松比越小,裂縫發(fā)育指數(shù)越高,越容易形成裂縫。白堊系清水河組上部、侏羅系三工河組裂縫發(fā)育指數(shù)小于0.4,裂縫不發(fā)育、油氣顯示差;白堊系清水河組下部、侏羅系西山窯組與頭屯河組裂縫發(fā)育指數(shù)大于0.4,裂縫發(fā)育、油氣顯示好。因此基于巖石力學(xué)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫對(duì)油氣勘探具有重要指導(dǎo)意義,在準(zhǔn)南前陸深層油氣勘探中應(yīng)予以重視。