張建華,王改紅,尹 帥

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054;2.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000;3.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710021;4.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

0 引 言

深層致密砂巖油儲層是世界范圍內(nèi)重要的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域[1],但由于其自身具有低孔、低滲、強(qiáng)非均質(zhì)性及各向異性的特征,難以制定有效的開發(fā)方案[2]。致密砂巖油儲層開發(fā)過程中,最為重要的研究內(nèi)容包括水平井軌跡優(yōu)化及水力壓裂方案的制定[3]。在實施這些關(guān)鍵技術(shù)過程中,現(xiàn)今地應(yīng)力是其中最為重要的基礎(chǔ)參數(shù)。結(jié)合實驗及測井等方法對現(xiàn)今地應(yīng)力進(jìn)行測井評價可以為致密砂巖油儲層高效開發(fā)提供支撐[4]。

儲層流體在地下的賦存及活動狀態(tài)受地層現(xiàn)今應(yīng)力及孔隙壓力的綜合影響[5]。現(xiàn)今應(yīng)力場的研究內(nèi)容包括現(xiàn)今地應(yīng)力大小及方向,主要方法有實驗測試法、測井解釋法及模擬法。測井及模擬方法結(jié)果依然需要實測地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行校正[5]。目前,只有差應(yīng)變實驗測試和水力壓裂法能準(zhǔn)確確定地層現(xiàn)今地應(yīng)力大小,其他方法如聲發(fā)射及成像測井所確定的地應(yīng)力可作為參考值;各向異性測試、古地磁、快橫波、擴(kuò)徑、FMI成像測井及天然地震P波追蹤等可用于判斷現(xiàn)今地應(yīng)力的方向[6]。實驗測試僅能確定地層中某些層段的地應(yīng)力,而測井評價方法成本較低,可建立單井縱向連續(xù)的地應(yīng)力剖面[7]。

塔中S9井區(qū)志留系致密砂巖油是該地區(qū)碎屑巖油藏重要的后備資源戰(zhàn)略基地,但目前研究程度尚淺。該儲層具有埋深大、致密(平均孔隙度小于10%,平均氣測滲透率小于1 mD)、常規(guī)壓裂改造效果較差、水平井分段壓裂后可穩(wěn)產(chǎn)但不高產(chǎn)的特點(diǎn)。因此,正確認(rèn)識目的層的巖石力學(xué)及地應(yīng)力性質(zhì),建立一套致密砂巖油儲層現(xiàn)今地應(yīng)力測井評價體系,對制定合理的致密砂巖油開發(fā)方案具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)(S9井區(qū))位于塔中北坡順托果勒區(qū)塊,地形具有東南高西北低的寬緩單斜特征[8-9]。該區(qū)志留系主要包括下志留統(tǒng)及中志留統(tǒng)。志留系柯坪塔格組自上而下可分為上段(包括上砂巖亞段S1k3-3、 中泥巖亞段S1k3-2和下砂巖亞段S1k3-1)、 中段S1k2和下段S1k1, 3個層段在S9井區(qū)分布較為穩(wěn)定,總體上由北向南地層逐漸上傾,沉積厚度逐漸變薄[8]。 志留系柯坪塔格組下段砂巖(S1k1)為主要的儲層段,發(fā)育長石巖屑砂巖及巖屑砂巖,也是本文重點(diǎn)研究的目的層段。

2 巖石力學(xué)參數(shù)測井計算

2.1 動靜態(tài)力學(xué)參數(shù)實驗

動態(tài)力學(xué)參數(shù)是指利用巖石波速, 經(jīng)計算獲取的巖石力學(xué)參數(shù), 其對應(yīng)的實驗為超聲波速實驗; 靜態(tài)力學(xué)參數(shù)是指直接通過實驗獲取的巖石力學(xué)參數(shù), 其對應(yīng)的實驗為三軸巖石力學(xué)實驗。 動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)實驗儀器采用MTS巖石物理測試系統(tǒng), 該儀器主要由三軸室、 超聲波換能器、 超聲波脈沖發(fā)射-接收控制盒、 溫控裝置及計算機(jī)構(gòu)成。 該儀器的軸向應(yīng)力載荷最大值為1 000 kN, 壓力傳感器的誤差<1%, 位移分辨率為0.000 1 mm。

實驗測試的樣品共計8組,均取自S1k1層位。樣品組號分別為T1～T8,其中T1～T5每組4個樣品,而T6～T8每組1個樣品。

研究區(qū)志留紀(jì)地層壓力系數(shù)約為1.3,設(shè)計模擬地層條件下的實驗測試有效圍壓為65 MPa。樣品加工后尺寸為25 mm×50 mm,同時飽和地層鹽水。樣品中有5組分4級圍壓加載,每組4個,4級有效圍壓分別為0、22、44及65 MPa;另有3組樣品只進(jìn)行地層圍壓(65 MPa)條件下力學(xué)測試。目的層溫度梯度大致在2.2 ℃/100 m,單軸力學(xué)測試的溫度為25 ℃,而地層圍壓(65 MPa)條件下的測試溫度為125 ℃。力學(xué)測試可獲得巖石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比。

對于聲學(xué)參數(shù)的采集,在相應(yīng)圍壓條件下,超聲波脈沖發(fā)射后由接收控制盒自動完成。本文實驗聲學(xué)測試的頻率為1 MHz,而測井分析的數(shù)據(jù)頻率為20 kHz,因此要對測試的聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散校正處理[10-11]。頻散校正過程中,首先采用頻譜法計算所測試樣品的Q值(品質(zhì)因子)。實驗過程中選用鋁樣作為參考樣,因為鋁樣的Q值大約為150 000,被認(rèn)為是不發(fā)生聲波衰減的標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)[12]。

圖1為鋁樣(參考樣)及測試巖樣的聲波信號、 頻譜及振幅譜比率關(guān)系。 在獲得品質(zhì)因子基礎(chǔ)上,利用頻散方程式(1)可將實驗測試頻率下波速值轉(zhuǎn)換為測井頻率(20 kHz)條件下的波速值[12]。實驗樣品的縱橫波波速測試結(jié)果見表1。

(1)

式中:V1和V2為不同測試頻率條件下波速值,相對應(yīng)測試頻率分別為f1和f2。

圖1 測試鋁樣及砂巖樣品的超聲波信號、振幅譜及譜比率Fig.1 Acoustic signal,amplitude spectrum and spectrum ratio of the tested aluminum and sandstone samples

表1 樣品的聲學(xué)測試結(jié)果

2.2 橫波時差提取與構(gòu)建

橫波時差是巖石力學(xué)參數(shù)測井計算的關(guān)鍵參數(shù)。但研究區(qū)僅有S901井和S902H井在目的層有全波列測井,因此需要進(jìn)行橫波時差提取。前人研究表明,對于同屬一套沉積地層的同類巖性巖石,巖石的縱橫波時差間具有非常好的相關(guān)性[13]。因此,利用縱波時差對橫波時差進(jìn)行預(yù)測可行。由于砂巖和泥巖在動靜態(tài)巖石力學(xué)性質(zhì)方面存在較大的差異,因此在進(jìn)行橫波時差提取與構(gòu)建時,需要對巖性進(jìn)行區(qū)分。區(qū)分方法為：首先采用自然伽瑪(GR)方法對巖石泥質(zhì)含量(Vsh)進(jìn)行解釋；然后結(jié)合巖心及薄片泥質(zhì)含量觀察結(jié)果,當(dāng)該目的層中泥質(zhì)含量大于40%時為泥巖,當(dāng)泥質(zhì)含量小于40%時為砂巖。

Vsh=100×(2G×IGR-1)/(2G-1) ,

(2)

IGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin) 。

(3)

式中:G為Hilchie指數(shù), 無量綱, 其與地層年代相關(guān), 新地層(如新近系、古近系)通常取3.7, 老地層通常取2.0;IGR為自然伽馬指數(shù),無量綱;GRmin和GRmax分別為純砂巖和鄰近泥巖層的自然伽馬值,API。

通過區(qū)分巖性(砂巖和泥巖), 對志留系地層陣列聲波測井分離的縱波時差(DTC)、 橫波時差(DTS)進(jìn)行擬合, 建立了目的層橫波時差預(yù)測模型, 整體擬合效果較好(圖2)。

圖2 S9井區(qū)志留系碎屑巖地層縱橫波時差擬合關(guān)系Fig.2 Fitting relationship between longitudinal and transverse wave offset time for the Silurian sandstones of well S9

2.3 楊氏模量及泊松比計算

楊氏模量和泊松比是地應(yīng)力評價中應(yīng)用最廣泛的參數(shù)。 在系統(tǒng)提取目的層橫波時差基礎(chǔ)上, 分別采用式(4)和式(5)計算巖石的楊氏模量及泊松比。 巖石的動靜態(tài)彈性參數(shù)間存在差異, 一般來說, 巖石動態(tài)彈性參數(shù)值要大于其靜態(tài)值, 且靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)更適合工程需要。 基于三軸地層圍壓條件下的測試數(shù)據(jù), 建立了志留系致密砂巖動靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系(圖3)。 該致密砂巖的動靜態(tài)楊氏模量和動靜態(tài)泊松比的轉(zhuǎn)換關(guān)系分別為

(4)

(5)

(6)

(7)

Es=0.786Ed-10.15;

(8)

νs=0.811νd+0.123。

(9)

式中:Ed為動態(tài)楊氏模量, GPa;Es為靜態(tài)楊氏模量, GPa;νd為動態(tài)泊松比;νs為靜態(tài)泊松比; ΔtP為縱波時差, μs·ft-1;ΔtS為橫波時差, μs·ft-1;ρb為巖石密度, g·cm-3。

圖3 模擬地層條件下所測試致密砂巖巖樣的動靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 Conversion relationship among dynamic-static elasticparamerers of the tested tight sandstone samples in the simulated formation conditions

3 地應(yīng)力測井評價

3.1 有效應(yīng)力系數(shù)α確定

沉積盆地中,巖石受骨架應(yīng)力(σ)和地層孔隙流體壓力(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)的壓實及膠結(jié)作用[14], 孔隙流體實際上未完全承擔(dān)全部地層壓力。 因此, Biot提出了有效應(yīng)力理論[15]:

σ′=σ-αPp。

(10)

對于研究區(qū)目的層強(qiáng)固結(jié)致密砂巖,α值與孔隙度φ關(guān)系密切, 可采用式(11)對巖石Biot系數(shù)進(jìn)行定量表征, 該式適用于深埋藏致密砂巖儲層[16]。

α=1-(1-φ)3.8。

(11)

3.2 地層孔隙壓力確定

本文根據(jù)壓力恢復(fù)、靜壓測試和等效泥漿密度及聲波時差法獲得了研究區(qū)各單井志留紀(jì)地層孔隙壓力。該區(qū)志留系柯平塔格組地層壓力系數(shù)分布在1.27～1.36,各單井間相差不大,地層略微超壓。

3.3 地應(yīng)力測井解釋

目前,國內(nèi)外現(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。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,因此不具備普遍的意義,該模式比較適合松軟的泥頁巖地層。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[21]。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，不足之處是待定系數(shù)較多,且計算過程較為繁瑣。

為了簡化計算過程與提高預(yù)測精度，通過不同計算模型對比,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σh。 未引入C*時，σh預(yù)測結(jié)果偏大, 通過將各系數(shù)實測值引入方程(12)求取C*, 本文所確定的C*值為-0.257。 引入修正系數(shù)C*后的σh表達(dá)式見式(12)[16]。 對于水平最大主應(yīng)力σH, 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(13)[17], 本文的Ub值為1.212。 修正系數(shù)C*的依據(jù)為水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力具有較好的正相關(guān)性。將該方法應(yīng)用于深層海相致密砂巖儲層是一次有意義的探索。

(12)

σH=σh×Ub,

(13)

式中：Ub可以利用雙井徑資料獲取,或利用地應(yīng)力實測值進(jìn)行反推,即

(14)

式中:Dmax為井徑最大值, cm;Dmin為井徑最小值, cm;E為巖石楊氏模量, GPa;Ema為巖石骨架楊氏模量, 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

(15)

式中：H為地層埋深;ρ(H)為埋深H處的地層巖石密度。另外,該式不具體,一般利用密度測井曲線計算覆壓時,從井口到目的段,可能沒有密度測井?dāng)?shù)據(jù)或找不到連續(xù)的密度測井?dāng)?shù)據(jù),此時應(yīng)根據(jù)該地區(qū)淺層地層及巖性實際情況,將其密度取平均值。對于研究區(qū)淺層,為第四系松散沉積物,巖石平均密度為2.3 g/cm3。

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)果的對比見表2。從解釋結(jié)果來看,差應(yīng)變測試數(shù)據(jù)的解釋結(jié)果最好,σH的平均相對誤差為4.94%,σh的平均相對誤差為4.27%。1組壓裂法測試結(jié)果的σH的平均相對誤差較小(為5.93%),σh的平均相對誤差較大(為21.19%)。 該組壓裂測試數(shù)據(jù)的σh值(69.72 MPa)明顯低于其他各組,σh值與裂縫閉合壓力相等[7],該值較低,表明地層中可能發(fā)育一些微裂縫,進(jìn)而造成σh值偏低。對于2組聲發(fā)射測試結(jié)果,其中一組的σH解釋結(jié)果相對誤差偏高,而另一組的σh解釋結(jié)果的相對誤差偏高。聲發(fā)射所測試的現(xiàn)今地應(yīng)力僅作為參考,而壓裂法和差應(yīng)變法測試結(jié)果最為準(zhǔn)確,為地層現(xiàn)今地應(yīng)力大小的主要判據(jù)。

利用上述方法建立了單井地應(yīng)力測井解釋剖面,如圖4所示。 可以看出, 對于所研究的志留紀(jì)地層,隨著埋深的增加,各主應(yīng)力均有逐漸增加的趨勢。 三向主應(yīng)力間滿足σh<σH<σv, 與前述地應(yīng)力測試結(jié)果一致。

表2 取心巖樣的地應(yīng)力測試結(jié)果與解釋結(jié)果對比

圖4 S901井志留紀(jì)地層地應(yīng)力測井解釋成果圖Fig.4 Insitu stress logging interpretation results for the Silurian strata of Well S901

3.4 地應(yīng)力方向分析

3.4.1 古地磁分析 利用古地磁儀(磁力儀和退磁儀)對目的層致密砂巖樣品進(jìn)行了古地磁分析(表3)。用Fisher統(tǒng)計法確定剩磁方向并判斷地應(yīng)力方向[16]。研究區(qū)3口井巖樣的古地磁分析測試結(jié)果表明,目的層的水平最大主應(yīng)力方向主要位于NE 26°～NE 33°。

表3 目的層測試巖樣的古地磁定向結(jié)果

3.4.2 測井分析 本文采用擴(kuò)徑及快橫波方位分析方法對目的層現(xiàn)今地應(yīng)力方向進(jìn)行分析,這兩種方法的解釋結(jié)果較為可靠。對于擴(kuò)徑分析,主要基于成像測井或地層傾角測井資料。對橢圓井眼形態(tài)進(jìn)行分析,長軸方向代表水平最小主應(yīng)力方向,短軸方向則代表水平最大主應(yīng)力方向[17]。

研究區(qū)S9井柯坪塔格組地層傾角測井分析結(jié)果表明,部分井段具有擴(kuò)徑現(xiàn)象。如圖5所示,5 360～5 366 m井段為2—4極板擴(kuò)徑,1—3極板方位為202.5°,該井段水平最大主應(yīng)力方向為22.5°；5 480～5 486 m井段為1—3極板擴(kuò)徑,其方位為127.5°,該井段水平最大主應(yīng)力方向為37.5°；5 616～5 624 m井段為2—4極板擴(kuò)徑,1—3極板方位為217.5°,該井段水平最大主應(yīng)力方向為37.5°。

圖5 研究區(qū)S9井柯坪塔格組地層擴(kuò)徑統(tǒng)計Fig.5 Borehole enlargement statistics for the Kepingtager Formation of Well S9

橫波分離可以判斷現(xiàn)今地應(yīng)力方向[17], 對于碎屑巖地層, 地應(yīng)力的平面非均一性對橫波的傳播具有顯著影響, 分離后的橫波通常在水平最大主應(yīng)力方向具有最快的傳播速度。 通過對S901井及S902H井目的層偶極聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行橫波分離, 得到快、 慢橫波速度及方位(圖6)。 S901井水平最大主應(yīng)力方向為NE-SW向, 平均為53.1°, 結(jié)合前述古地磁測試結(jié)果, 該井水平最大主應(yīng)力方向主要分布在NE 33°～53.1°。 S902H井水平最大主應(yīng)力方向也為NE-SW向, 大體分布在32°～66°。

圖6 利用橫波分離獲得的單井目的層的水平最大主應(yīng)力方向Fig.6 Direction of the maximum horizontal stress of target layer for single well obtained by shear wave separation

通過對比各單井古地磁及測井地應(yīng)力方向解釋結(jié)果,可以看出研究區(qū)志留紀(jì)地層水平最大主應(yīng)力方向分布比較穩(wěn)定,大體為NE向?，F(xiàn)今地應(yīng)力方向的確定可以為致密砂巖油儲層水平井鉆井軌跡優(yōu)化、壓裂設(shè)計及井網(wǎng)布置提供參考。

4 結(jié) 論

(1)本文通過巖石力學(xué)、聲學(xué)及現(xiàn)今地應(yīng)力實驗測試,對深部海相致密油儲層巖石力學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)今地應(yīng)力特征有了一定程度了解。利用譜比法對實驗高頻聲學(xué)測試結(jié)果進(jìn)行了頻散校正。在區(qū)分砂巖和泥巖巖性條件下,建立了橫波時差預(yù)測模型。在動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)測試基礎(chǔ)上,建立了楊氏模量和泊松比的測井解釋模型,各模型均具有較高的解釋精度。

(2)在準(zhǔn)確獲取有效應(yīng)力系數(shù)α和地層壓力的基礎(chǔ)上建立了深部海相致密油儲層現(xiàn)今地應(yīng)力測井計算模型。與實測結(jié)果對比表明,該模型可靠合理。利用古地磁、擴(kuò)徑及快橫波方位資料對目的層地應(yīng)力方向進(jìn)行分析,最終確定其水平最大主應(yīng)力方向為NE向。