張偉偉,黃勝,劉文華,趙永昌,代紅霞,鄧文傳,尹帥

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552;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

硬石膏巖地層的地質(zhì)特征及應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜[1-2],分布廣泛,鉆探無(wú)法避開。純硬石膏巖具有非常大的密度,約為2.9 g·cm-3。對(duì)于埋藏較深、厚度較大的硬石膏巖地層,地層整體處于較高的應(yīng)力環(huán)境下,且地層壓力梯度比正常壓實(shí)地層大[3-5]。

在這種復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下,鉆井液密度較難確定,鉆井過(guò)程中通常要選擇具有較高強(qiáng)度的套管。高強(qiáng)度套管雖然能有效防止套管的變形,但成本高昂。因此,對(duì)埋藏深厚、度大的硬石膏巖地層地應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)是必要的。

塔里木盆地西南部地區(qū)古近系發(fā)育厚層硬石膏巖,厚度分布在50～400 m范圍。在鉆遇該地層過(guò)程中,部分井出現(xiàn)套管變形引起的起下鉆遇卡現(xiàn)象。對(duì)研究區(qū)古近系厚層硬石膏巖地層現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià),可以為鉆探設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。本文通過(guò)設(shè)計(jì)三軸力學(xué)和聲學(xué)實(shí)驗(yàn),模擬地層高應(yīng)力環(huán)境,獲取硬石膏巖力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試及測(cè)井解釋,對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià),為油氣高效鉆探服務(wù)。

1 地質(zhì)背景

M地區(qū)地層從下到上主要包括奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系及第四系,中生代地層被剝蝕。古近系地層主要發(fā)育厚層硬石膏巖及鹽巖等蒸發(fā)巖類,兩者均形成于氣候干燥的環(huán)境下。研究區(qū)內(nèi)古近系硬石膏巖厚度主要分布在50～100 m,埋深通常大于3 500 m。硬石膏巖的礦物組分主要包括硬石膏及泥質(zhì),含量通常接近90%。當(dāng)巖樣成分以硬石膏為主時(shí),定義為硬石膏巖。當(dāng)巖樣中泥質(zhì)含量大于50%時(shí),定義為膏質(zhì)泥巖。研究區(qū)古近系膏巖中以硬石膏巖為主,其在全區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定,厚度大,成為下覆古生代油氣藏的良好區(qū)域蓋層。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 薄片鑒定

對(duì)M地區(qū)H1井古近系硬石膏巖心進(jìn)行薄片鑒定。利用偏光顯微鏡對(duì)巖石巖性、組分及顯微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,薄片長(zhǎng)寬尺寸為2 cm×2 cm。硬石膏巖中的主要礦物組分為硬石膏、泥質(zhì)、白云石及石英粉砂,同時(shí)還含有少量炭屑及氧化鐵。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),硬石膏(白色)具有層狀、纖維狀或零散態(tài)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)組分呈棕色。

2.2 力學(xué)測(cè)試

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器采用巖石物理測(cè)試系統(tǒng),利用該設(shè)備對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行同步測(cè)試。測(cè)試壓力的誤差小于1%,位移的分辨率為0.000 1 mm。根據(jù)上覆載荷設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試有效圍壓為50 MPa,實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度為85 ℃。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的參數(shù)為彈性模量和泊松比。

2.3 聲學(xué)測(cè)試

聲學(xué)測(cè)試儀器同樣為巖石物理測(cè)試系統(tǒng),聲學(xué)與力學(xué)測(cè)試同步進(jìn)行。巖樣的縱橫波波速的獲取頻率為1 MHz。而測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的頻率為20 kHz,與實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率具有較大差異,因此,進(jìn)行了頻散校正[6-7]。頻散校正過(guò)程中,采用頻譜法計(jì)算測(cè)試樣品的品質(zhì)因子(Q)。

選用鋁樣作為參考樣,因?yàn)殇X樣的Q值大約為150 000,而巖樣的Q≤1 000。對(duì)于Q為10～100的巖石,誤差不會(huì)超過(guò)0.1%,可忽略[6]。

在獲得品質(zhì)因子基礎(chǔ)上,利用頻散方程式(1)將實(shí)驗(yàn)高頻波速轉(zhuǎn)換為測(cè)井頻率(20 kHz)波速。

(1)

式中,v1和v2為不同測(cè)試頻率條件下的聲波速度,相對(duì)應(yīng)測(cè)試頻率分別為f1和f2。

2.4 地應(yīng)力

2.4.1Kaiser聲發(fā)射只有差應(yīng)變測(cè)試和水力壓裂測(cè)試獲得的現(xiàn)今地應(yīng)力大小是可靠的。而聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果只能作為參考。聲發(fā)射是巖石在受壓過(guò)程中彈性波瞬間釋放的現(xiàn)象,對(duì)巖石歷史時(shí)期最大載荷具有記憶能力,稱為“Kaiser效應(yīng)”[8]。對(duì)取自M地區(qū)H1井古近系的2組硬石膏質(zhì)泥巖樣品進(jìn)行了聲發(fā)射測(cè)試,每組3個(gè)樣品,加載方向分別為水平方向(x方向)、垂直方向(y方向)及45°方向(xy方向)。通過(guò)分析加載應(yīng)力、時(shí)間及聲發(fā)射信號(hào)數(shù),發(fā)現(xiàn)各組測(cè)試樣品一般均出現(xiàn)4個(gè)Kaiser點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)3級(jí)平均應(yīng)力分量及平均破壞應(yīng)力。將3級(jí)平均應(yīng)力分量校正到地層有效圍壓(50MPa)條件下,可獲得樣品的3級(jí)主應(yīng)力值。分析認(rèn)為最小一級(jí)主應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果量級(jí)與古近系地層現(xiàn)今地應(yīng)力較為匹配,可作為現(xiàn)今地應(yīng)力的參考。

2.4.2差應(yīng)變測(cè)試

差應(yīng)變測(cè)試儀器為差應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),該測(cè)試可以準(zhǔn)確確定地層現(xiàn)今地應(yīng)力大小。對(duì)取自H1井古近系的2組硬石膏質(zhì)泥巖樣品進(jìn)行靜水加壓,此時(shí),巖石的應(yīng)變主要包括2部分:①應(yīng)變由微裂縫的閉合及巖石骨架的壓縮共同作用所引起,該曲線段斜率較大;②應(yīng)變由巖石骨架的壓縮單獨(dú)作用所引起,該曲線段斜率較小(見圖1)。2部分斜率間的差異反映了單獨(dú)由微裂縫閉合而引起的應(yīng)變[9]。通過(guò)不同應(yīng)變通道應(yīng)力加載分析,可最終獲得巖石各方向主應(yīng)力值。2組巖樣的差應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表1,垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力,其次為水平最大主應(yīng)力,最小主應(yīng)力為水平最小主應(yīng)力。σH為水平最大主應(yīng)力;

σh為水平最小主應(yīng)力;σv為垂向主應(yīng)力。

圖1 M1樣品軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線

表1 H1井差應(yīng)變法測(cè)試獲取的樣品主應(yīng)力

3 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井解釋

巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)井解釋主要根據(jù)聲學(xué)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖石的力學(xué)參數(shù),該方法能獲取單井力學(xué)參數(shù)的縱向連續(xù)取值,因此,相比實(shí)驗(yàn)測(cè)試有優(yōu)勢(shì)。但聲學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果屬于動(dòng)態(tài)值,而工程施工所需要的力學(xué)參數(shù)均為靜態(tài)值,需要進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換[10]。

3.1 橫波時(shí)差提取

橫波時(shí)差是巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)于同屬一套沉積地層且?guī)r性變化較小的巖石,縱波時(shí)差和橫波時(shí)差間具有非常好的相關(guān)性。因此,前人多采用縱波時(shí)差對(duì)橫波時(shí)差進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]。通常只有全波列測(cè)井才能獲得橫波時(shí)差信息,由于研究區(qū)古近系為非儲(chǔ)層,未進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)井。通過(guò)頻散校正技術(shù),將實(shí)驗(yàn)測(cè)試的高頻(1 MHz)波速轉(zhuǎn)換為測(cè)井頻率(20 kHz)波速。將已通過(guò)頻散校正的測(cè)試波速值轉(zhuǎn)換為聲波時(shí)差值,然后,對(duì)各測(cè)試樣品的縱橫波波速值進(jìn)行擬合(見圖2)。硬石膏巖樣品的縱橫波時(shí)差要比硬石膏質(zhì)泥巖樣品小一些,但2種巖性樣品的縱橫波時(shí)差間具有非常好的線性正相關(guān)關(guān)系。利用圖2中的擬合關(guān)系可以對(duì)古近系硬石膏巖目的層的橫波時(shí)差進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖2 測(cè)試巖樣頻散校正后的縱橫波時(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

3.2 彈性模量及泊松比

巖石動(dòng)態(tài)彈性模量及動(dòng)態(tài)泊松比分別采用物理方程式(2)和物理方程式(3)進(jìn)行解釋

(2)

(3)

式中,Ed為動(dòng)態(tài)彈性模量,GPa;ρb為巖石密度,g/cm3;νd為動(dòng)態(tài)泊松比,Δtc為縱波時(shí)差,μs/m;Δts為橫波時(shí)差,μs/m。

圖3 地層圍壓條件下所測(cè)試巖樣的動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

測(cè)試巖樣的動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)間轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖3?？梢钥闯?硬石膏質(zhì)泥巖的彈性模量動(dòng)態(tài)值(Ed)和靜態(tài)值(Es)大體相等,而硬石膏巖的Es值要明顯高于Ed值[見圖3a]。同時(shí),硬石膏巖的Ed值要高于硬石膏質(zhì)泥巖的Ed值,表明硬石膏組分能提高膏巖的剛度。硬石膏質(zhì)泥巖和硬石膏巖的動(dòng)態(tài)泊松比值(νd)均大于靜態(tài)泊松比值(νs),且硬石膏巖的νs值略大于硬石膏質(zhì)泥巖的νs值[見圖3b],表明硬石膏巖不僅具有比硬石膏質(zhì)泥巖更高的強(qiáng)度,而且具有比硬石膏質(zhì)泥巖更高的韌度。圖3中測(cè)試膏巖樣品的動(dòng)靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系精度較高,而動(dòng)靜態(tài)泊松比轉(zhuǎn)換關(guān)系的精度相對(duì)低一些。

4 地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)

4.1 有效應(yīng)力系數(shù)(β)

圖4 H2井地層壓力特征

孔隙彈性是巖石等多孔介質(zhì)的一個(gè)非常重要的特性。巖石的有效應(yīng)力系數(shù)與巖石所受到的應(yīng)力及巖石孔隙壓力密切相關(guān),是權(quán)衡孔隙壓力對(duì)巖石有效應(yīng)力作用程度的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于未固結(jié)巖石或松散沉積物,地層巖石中的有效應(yīng)力(σ′)為巖石所承受的總應(yīng)力(σ)與孔隙壓力(pf)的差值,β=1;對(duì)于中等及強(qiáng)固結(jié)巖石,孔隙流體僅承載部分地層壓力,β<1,可用式(4)表征[12];對(duì)于致密沉積巖體,孔隙度低于1%的結(jié)晶巖體[13],β值可以利用巖石孔隙度(φ)通過(guò)式(5)表征[14]。

σ′=σ-βpf

(4)

β=1-(1-φ)3.8

(5)

4.2 地層壓力

(6)

(7)

4.3 地應(yīng)力測(cè)井解釋

目前,國(guó)內(nèi)外常用的地應(yīng)力解釋模型主要為單軸應(yīng)變模型及各向異性地層模型[15]。對(duì)于具有一定流變性的深層、高應(yīng)力環(huán)境下的硬石膏巖,應(yīng)選用各向異性地層模型[15]。各向異性地層模型較好地考慮了水平方向的構(gòu)造應(yīng)力。目前所使用的各向異性地層模型多數(shù)存在待定系數(shù)較多,運(yùn)算復(fù)雜的問(wèn)題,一定程度上降低了模型的實(shí)用性。通過(guò)對(duì)不同地應(yīng)力解釋模型進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),在Newberry模型中引入修正系數(shù)C*,可以較好地預(yù)測(cè)地層水平方向最小主應(yīng)力(σh)[見式(8)][16]。本文所獲得的C*值為-0.32。同時(shí),引入非平衡結(jié)構(gòu)因子(Ub),此時(shí)水平最大主應(yīng)力(σH)可以表示為式(9)[15]。該解釋方法不僅較好地考慮了地層水平方向主應(yīng)力的非均一性,而且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單。

圖5 H3井古近系硬石膏巖層段地應(yīng)力測(cè)井解釋成果圖

(8)

σH=σh×Ub(18)

式中,Ub通過(guò)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值反推獲得式(18)[15],Ub值分布在1～1.4之間。

(9)

式中,k為刻度系數(shù),取-1.38;Dmax和Dmin分別為測(cè)試點(diǎn)井眼直徑的最大值及最小值,in;E和Ema分別為巖石彈性模量及巖石骨架的彈性模量,GPa。

垂向應(yīng)力由上覆地層密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)積分方法獲得式(10)

(10)

式中,ρ(z)為埋深z點(diǎn)處的地層巖石密度,對(duì)于上覆沒有測(cè)井資料的第四系松散地層,取巖石平均密度2.2 g/cm3。

將古近系取心硬石膏質(zhì)泥巖地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與解釋結(jié)果對(duì)比表明,4組樣品的地應(yīng)力解釋結(jié)果均與實(shí)測(cè)結(jié)果間具有較好的相符性。整體地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為5.6%,絕對(duì)誤差為3.16 MPa。

對(duì)于各組測(cè)試而言,僅第4組聲發(fā)射測(cè)試中σH的解釋結(jié)果誤差較大,相對(duì)誤差為15.46%,絕對(duì)誤差為8.3 MPa。整體來(lái)看,2組差應(yīng)變測(cè)試樣品的地應(yīng)力解釋結(jié)果最好,σH的平均相對(duì)誤差為2.375%,平均絕對(duì)誤差為1.47 MPa;σh的平均相對(duì)誤差為4.765%,平均絕對(duì)誤差為2.255 MPa。差應(yīng)變測(cè)試也是確定現(xiàn)今地應(yīng)力最為準(zhǔn)確、有效的方法。利用聲發(fā)射測(cè)試獲得的地應(yīng)力僅供參考。

利用上述方法可建立單井地應(yīng)力測(cè)井解釋剖面。以H3井為例(見圖5),該井古近系發(fā)育厚層硬石膏巖層(A、C及E段)及薄硬石膏質(zhì)泥巖(B及D段)夾層。硬石膏巖具有高密度、低GR及低聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)特征;硬石膏質(zhì)泥巖具有低密度、高GR及高聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)特征。

從圖5可以看出,硬石膏巖地層具有比硬石膏質(zhì)泥巖地層更高的泊松比值及彈性模量值,與前述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。同時(shí),硬石膏巖地層的3個(gè)方向主應(yīng)力大小滿足σh<σH<σv,與前述地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也一致。硬石膏巖地層的地應(yīng)力高于硬石膏質(zhì)泥巖地層。對(duì)于存在薄泥質(zhì)夾層的井段,地應(yīng)力變化幅度較大;泥質(zhì)含量越高,地應(yīng)力的降低幅度較大。部分硬石膏巖層段的σH值較大(如3 488～3 494 m井段),表現(xiàn)為σH值與σv值極為接近。古近系膏巖層,特別是硬石膏巖層整體具有高地應(yīng)力特征,地應(yīng)力垂向變化特征復(fù)雜,鉆井設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)三軸力學(xué)和聲學(xué)同步測(cè)試實(shí)驗(yàn),模擬地層高應(yīng)力環(huán)境,獲取了硬石膏巖力學(xué)參數(shù)。硬石膏巖具有比硬石膏質(zhì)泥巖更高的密度、彈性模量及泊松比。

(2)利用頻散校正技術(shù)將實(shí)驗(yàn)測(cè)試的樣品高頻(1 MHz)波速值轉(zhuǎn)換為測(cè)井頻率(20 kHz)波速值,轉(zhuǎn)換后的波速值可用于巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力的測(cè)井評(píng)價(jià)。建立的古近系膏巖的橫波時(shí)差及動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換模型,可用于膏鹽巖剖面的巖石力學(xué)參數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算。

(3)利用改進(jìn)的Newberry模型和引入非平衡結(jié)構(gòu)因子(Ub),實(shí)現(xiàn)了目的層水平方向最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力的測(cè)井預(yù)測(cè)。整體地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為5.6%,絕對(duì)誤差為3.16 MPa。