孫杰文, 尹帥, 崔明月, 吳志均

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院, 河北 廊坊 065007;2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710065)

0 引 言

煤系致密砂巖儲層具有強(qiáng)非均質(zhì)性及各項(xiàng)異性,其有效開發(fā)多采用水力壓裂改造及水平井開發(fā)方式[1]。現(xiàn)今地應(yīng)力屬性可以為壓裂設(shè)計(jì)及水平井井網(wǎng)優(yōu)化提供依據(jù)[2]。測井具有高分辨率特征,利用測井資料進(jìn)行現(xiàn)今地應(yīng)力評價(jià)是一種有效的方法。目前世界范圍內(nèi)主要的現(xiàn)今地應(yīng)力測井評價(jià)模型大體包括莫爾-庫倫準(zhǔn)則模型、單軸應(yīng)變模型及地層各項(xiàng)異性模型3類[3]。對于強(qiáng)非均質(zhì)性煤系地層而言,地層各項(xiàng)異性模型較為適用。鄂爾多斯盆地東北緣上古生界發(fā)育多套煤系致密砂巖氣儲層,含氣層系多。對于同一套氣層,儲層改造的效果差異大,致密砂巖儲層可改造性尚未開展相關(guān)研究[4]。因此,對該地區(qū)上古生界氣藏儲層進(jìn)行現(xiàn)今地應(yīng)力測井評價(jià),可以為制定合理的煤系致密砂巖氣儲層開發(fā)方案提供參考。本文以鄂爾多斯盆地東緣A區(qū)氣藏為例,建立了基于陣列聲波測井且適用于研究區(qū)上古生界煤系致密砂巖氣藏的現(xiàn)今地應(yīng)力測井評價(jià)方法。研究成果可以為盆地內(nèi)類似地區(qū)提供參考。

1 陣列聲波測井

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣A區(qū),其構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡和晉西撓摺帶上,地勢呈東高西低、北高南低[4]。該地區(qū)上古生界發(fā)育多套煤系致密砂巖氣儲層,含氣層系多,包括石千峰組5段、盒1段、盒2段、盒3段、盒4段、盒5段、盒6段、盒7段、盒8段、山西組及太原組。采用全波列陣列聲波測井儀器對上古生界目的層進(jìn)行了聲波測試,儀器包含聲波采集系統(tǒng)、聲波接收陣列、單級發(fā)射器及偶極子發(fā)射器。主要優(yōu)點(diǎn):①可以探測全波列信息,具有高信噪比,橫波波速測試結(jié)果質(zhì)量高;②克服了在軟泥巖或煤巖中其他測井無法獲取橫波波速的不足;③可以測得快橫波信息,從而可以對地層各向異性及含氣性進(jìn)行評價(jià)。

2 巖石力學(xué)參數(shù)評價(jià)

2.1 縱橫波時(shí)差關(guān)系

全波列陣列聲波測井可以獲取地層可靠的橫波時(shí)差信息,當(dāng)區(qū)分砂泥巖時(shí),不同地層的縱橫波時(shí)差之間具有非常好的正相關(guān)性。下石盒子地層縱橫波時(shí)差之間的關(guān)系見圖1。

圖1 下石盒子組地層縱橫波時(shí)差擬合關(guān)系*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖2 致密砂巖巖樣的動靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.2 動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器采用MTS巖石物理測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試的樣品共計(jì)15組,取自石千峰組、上石盒子組及太原組層位。

分別采用物理方程[見式(1)、式(2)]計(jì)算巖石的彈性模量及泊松比。巖石的動靜態(tài)彈性參數(shù)間存在差異,通常巖石動態(tài)彈性參數(shù)值要略大于其靜態(tài)值,靜態(tài)力學(xué)參數(shù)適用于工程及地質(zhì)評價(jià)[5]。最終建立研究區(qū)上古生界致密砂巖巖樣的動靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系(見圖2)。

(1)

(2)

式中,Ed為動態(tài)彈性模量,GPa;Δtp為縱波時(shí)差,μs/ft;Δts為橫波時(shí)差,μs/ft;ρb為巖石密度,g/cm3。

3 壓裂法地應(yīng)力評價(jià)

沉積盆地中,巖石受骨架應(yīng)力(σ)和地層壓力(pp)的共同影響,這兩者的合力即為有效應(yīng)力(σ′)。對于中等及強(qiáng)固結(jié)巖石,考慮到顆粒支撐巖石內(nèi)部存在較強(qiáng)的壓實(shí)及膠結(jié)作用[6],孔隙流體實(shí)際上未完全承擔(dān)全部地層壓力。因此,Biot提出了有效應(yīng)力理論[7]。研究區(qū)上古生界煤系致密砂巖具有強(qiáng)壓實(shí)特征,β(有效應(yīng)力系數(shù))值與孔隙度(φ)關(guān)系密切,可采用式(3)對β進(jìn)行定量表征[7]。研究區(qū)上古生界氣藏基本處于常壓狀態(tài),壓力系數(shù)為1。

β=1-(1-φ)3.8

(3)

小型水力壓裂測試可以準(zhǔn)確獲取所壓裂地層的現(xiàn)今地應(yīng)力。完整的壓裂過程中,壓裂曲線清晰地記錄了地層的壓力變化等信息[8]。水平最小主應(yīng)力(σh)即為裂縫閉合壓力(pc)。當(dāng)確定了pc之后,可以根據(jù)式(4)[9]求取地層水平方向最大主應(yīng)力(σH)

圖3 各主應(yīng)力分布與埋深的關(guān)系

(4)

式中,σH為水平方向最大主應(yīng)力,MPa;pc為裂縫閉合壓力,MPa;pf為破裂壓力,MPa;pp為地層壓力,MPa;T為巖石抗張強(qiáng)度,MPa。

利用上述方法計(jì)算獲得了研究區(qū)上古生界致密砂巖氣藏儲層的現(xiàn)今地應(yīng)力。隨著埋深的增加,3個(gè)方向主應(yīng)力均有逐漸增加的趨勢,整體來看,地應(yīng)力狀態(tài)基本滿足σh<σH<σv。部分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)出σh<σv<σH的應(yīng)力狀態(tài),表明局部地層應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,具有較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力值(見圖3)。隨著埋深的增加,水平差應(yīng)力(σH-σh)也具有逐漸增加的趨勢。

4 現(xiàn)今地應(yīng)力測井評價(jià)

4.1 測井解釋方案

現(xiàn)今地應(yīng)力解釋模型主要包括莫爾-庫侖破壞模式、單軸應(yīng)變模式及各向異性地層模式[10]。莫爾-庫侖破壞模式雖然具有一定的物理基礎(chǔ),但其假設(shè)地層最大原地剪應(yīng)力是由地層的抗剪強(qiáng)度決定的,該模式比較適合松軟的泥頁巖地層,不具備普遍的意義。單軸應(yīng)變模式假設(shè)沉積地層只發(fā)生垂向應(yīng)變,水平方向應(yīng)力完全由垂向應(yīng)力誘導(dǎo)而產(chǎn)生,因此,水平方向各個(gè)主應(yīng)力均相等。該類模式通常只適用于弱構(gòu)造運(yùn)動地層,如盆地腹部地層[11]。各向異性地層模式較好地考慮了水平方向地應(yīng)力的非均一性。主要不足為待定系數(shù)較多,計(jì)算過程繁瑣。

為簡化計(jì)算過程,同時(shí)提高預(yù)測精度。通過不同計(jì)算模型對比,發(fā)現(xiàn)引入修正系數(shù)C*至Newberry模型中,可以較好地預(yù)測地層水平方向最小主應(yīng)力[見式(5)][12]。對于水平最大主應(yīng)力,考慮到地層應(yīng)力的各向異性,引入非平衡結(jié)構(gòu)因子(Ub),σH的表達(dá)式見式(6)[13]。

(5)

σH=σh×Ub

(6)

Ub可以利用雙井徑資料獲取

(7)

式中,Dmax為井眼直徑最大值,cm;Dmin為井眼直徑最小值,cm;E為巖石彈性模量,GPa;Ema為巖石骨架彈性模量,GPa;k為刻度系數(shù)。

垂直主應(yīng)力由上覆地層的重力梯度決定,可通過密度測井曲線進(jìn)行積分獲得

(8)

式中,H為地層埋深;ρ(z)為埋深z處的地層巖石密度。

圖5 A-2井地應(yīng)力測井解釋成果圖

4.2 測井評價(jià)結(jié)果

研究區(qū)志留系取心巖樣地應(yīng)力測試結(jié)果與解釋結(jié)果間對比見圖4。預(yù)測結(jié)果的符合度較高,從預(yù)測誤差上看,σH的絕對誤差分布在0.75～10.49 MPa,平均絕對誤差為5.91 MPa;σh的絕對誤差分布在0.42～6.82 MPa,平均絕對誤差為3.13 MPa。整體來看,該測井解釋方案的精度較高,能夠滿足工程需要。

圖4 現(xiàn)今地應(yīng)力測井解釋結(jié)果與實(shí)測值對比圖

利用上述方法建立了單井地應(yīng)力測井解釋剖面(見圖5)。可以看出,隨著埋深的增加,各主應(yīng)力均有逐漸增加的趨勢。3個(gè)方向主應(yīng)力間滿足σh<σH<σv,與前述地應(yīng)力測試結(jié)果基本一致。部分層段呈現(xiàn)出較高的σH值,表現(xiàn)為其值與σv值較為接近,代表局部地層具有較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境[11]。

同時(shí),本文基于陣列聲波測井對目的層進(jìn)行了快橫波分析,確定了現(xiàn)今地應(yīng)力方向。在σH方向,巖石的壓實(shí)程度最高,橫波的傳播速度最快[13]。從分析結(jié)果看,該套上古生界地層所受的應(yīng)力擠壓方向基本一致,為NW向,表明其受同一套應(yīng)力系統(tǒng)的影響。但對于煤系地層而言,不同層系(又稱“地質(zhì)力學(xué)層”)的巖石力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造特征等方面因素均具有較強(qiáng)的差異,因而地應(yīng)力在縱向上表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性。

研究建立了一套基于全波列陣列聲波測井的現(xiàn)今地應(yīng)力測井解釋方法,該方法適用于鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤系致密砂巖氣藏。解釋結(jié)果可以為該地區(qū)致密砂巖氣藏儲層高效開發(fā)提供參考和依據(jù)(見圖6)。

圖6 A-10井陣列聲波各向異性分析成果圖

5 結(jié) 論

(1) 獲得研究區(qū)目地層的動靜態(tài)力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系,利用壓裂法計(jì)算了地層地應(yīng)力,其狀態(tài)滿足σh<σH<σv,局部地質(zhì)力學(xué)層呈現(xiàn)出較高的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境。

(2) 引入修正系數(shù)C*至Newberry模型中,實(shí)現(xiàn)了對煤系致密砂巖儲層水平方向最小主應(yīng)力的預(yù)測。同時(shí),考慮到地應(yīng)力的各向異性,引入非平衡結(jié)構(gòu)因子Ub,對儲層水平最大主應(yīng)力進(jìn)行了測井評價(jià)。

(3) 快橫波方位分析結(jié)果表明,研究區(qū)上古生界氣藏的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W向。

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