石玉江,么勃衛(wèi),夏宏泉

(1.長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710021；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川成都610500)

0 引 言

圖1 實驗巖心取樣方式(β角為取心角)

鄂爾多斯盆地延長組地層砂泥巖互層發(fā)育,非均質(zhì)性明顯[1-8]。砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖地層具有較強的各向異性特征,尤其是在垂向和水平向上巖石物理數(shù)值差異較大。其長6、長7、長8段致密油儲層具有明顯的聲速和力學(xué)各向異性,以往的研究多采用橫觀各向同性(TI)模型,未涉及TIV各向異性和3D巖石力學(xué)微觀理論模型方面研究,局限性較大。另外,對于斜井和水平井的聲學(xué)和巖石力學(xué)參數(shù)計算方法(模型)研究較少,且全域聲學(xué)參數(shù)測試和巖石力學(xué)評價尚未形成系統(tǒng)的處理流程。不同實驗條件下,不同方向取心巖樣巖石力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)計算缺乏有效的解釋模型,原有的基于各向同性的巖石力學(xué)評價方法存在明顯不適用性。因此,需要鉆取多尺度多方位多角度的巖心樣,開展系統(tǒng)的巖石各向異性聲學(xué)和工程力學(xué)參數(shù)實驗研究,這對TIV地層各向異性地應(yīng)力的計算具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗巖樣鉆取與制備

實驗樣品取自長慶油田數(shù)字巖心庫全直徑巖心,從13口直井和4口水平井的長6、長7、長8段鉆取不同角度圓柱巖樣(直徑2.5 cm、高度5 cm)和方巖樣(5 cm×5 cm×5 cm),包括沿井筒與井軸夾角(0°,45°,60°,90°)取樣、沿水平最大和水平最小地應(yīng)力方向及其夾角45°方向取樣(至少取3個樣)。多尺度多方位多角度鉆取實驗巖樣的方式如圖1所示(0°為水平樣,90°為垂直樣)。

2 實驗裝置及測量方法

采用SCMS-E高溫高壓巖心聲學(xué)測量儀[9],對端面磨平的試樣進(jìn)行常溫常壓和60 ℃不同圍壓(0.1、10、20、30、40 MPa)下動態(tài)聲學(xué)參數(shù)測量。該儀器進(jìn)行巖石聲速測試時的縱波和橫波發(fā)射頻率分別為fp=1 MHz、fs=600 kHz。儀器精度:長度測量誤差為±0.02 mm;直徑誤差為±0.02 mm;質(zhì)量稱重誤差為±0.000 1 g;縱波、橫波時差測量范圍為150～1 000 μs/m,縱波時差誤差為±2%、橫波時差誤差為±3%。

測量時,探頭與巖樣之間加耦合材料,在其一端用發(fā)射探頭向巖石發(fā)射脈沖信號,在另一端接收聲信號[10-15],所經(jīng)歷的時間即為巖石縱波和橫波的傳播時間(tp2-tp1-tp0,ts2-ts1-ts0)。并將實驗聲波數(shù)據(jù)按照測井頻率(fc,p=fc,s=20 kHz)進(jìn)行頻散校正。實驗巖樣縱橫波速度測量公式為

(1)

式中,L為巖樣的長度,cm;vp、vs分別為巖樣縱波、橫波速度,m/s;tp1、ts1分別為縱波、橫波信號到達(dá)探頭1的時間,μs;tp2、ts2分別為縱波、橫波信號到達(dá)探頭2的時間,μs;tp0、ts0分別為縱波、橫波在探頭1和探頭2中傳播的總時間,分別為7.06、13.36 μs;vp1、vs1分別為實驗儀器在原始頻率下測量的巖心縱橫波速度vp1=10L/(tp2-tp1-tp0)、vs1=10L/(ts2-ts1-ts0),km/s。則縱波時差、橫波時差的計算公式為

(2)

式中,Δtp為縱波時差,μs/ft(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δts為橫波時差,μs/ft。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 聲波時差實驗室測量值和測井值的關(guān)系

在常溫常壓和地層條件下分別進(jìn)行巖心縱波、橫波速度(時差)測量發(fā)現(xiàn),經(jīng)頻散校正后兩者的縱橫波時差都表現(xiàn)出較好的相關(guān)性(見圖2、圖3)。常溫常壓下巖心實驗縱波時差是測井縱波時差的1.04倍;模擬地層條件(60 ℃、40 MPa)下巖心實驗縱波時差是測井縱波時差的0.966倍,兩者差異小,表明聲學(xué)實驗結(jié)果可靠。

圖2 實驗與測井縱波時差關(guān)系(25 ℃、0.1 MPa)

圖3 實驗與測井縱波時差關(guān)系(60 ℃、30～40 MPa)

3.2 實驗因素對聲波速度的影響

(1)圍壓對縱波、橫波速度的影響。對垂直樣(90°)和水平樣(0°),研究圍壓與其縱橫波速度(vp、vs)的關(guān)系。隨著圍壓增大,巖樣內(nèi)部微裂隙逐漸閉合,聲波傳播路徑變短,導(dǎo)致波速增大。垂直樣、水平樣的縱橫波速度隨著圍壓的增大而增大(見圖4、圖5),在圍壓較低時縱橫波速度隨圍壓增加較快,在圍壓較高即巖樣受力接近地層條件時巖石壓實更加緊密,縱橫波速度隨圍壓增大變緩。

圖4 垂直樣的聲波速度與圍壓的關(guān)系

圖5 水平樣的聲波速度與圍壓的關(guān)系

(2)鉆樣取心角度(β)對縱波、橫波速度的影響。研究直井巖樣的取心角度(β)與其聲波速度的關(guān)系。從圖6和圖7可以看出,聲波在垂直樣中傳播時受TIV地層各向異性影響,傳播速度較小;聲波在具有水平橫觀各向同性的水平樣中沿基質(zhì)傳播,速度較大。當(dāng)溫度和圍壓不變時,取心角度越大,巖樣的縱波、橫波速度變小,反映了巖石聲波速度存在明顯的各向異性。

圖6 vp與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖7 vs與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

3.3 實驗因素對巖石力學(xué)參數(shù)的影響

(1)動態(tài)泊松比、彈性模量與取心角度的關(guān)系。利用縱橫波時差和密度測量值計算得到巖心動態(tài)泊松比和彈性模量等參數(shù),繪制泊松比、彈性模量與取心角度(β)的關(guān)系圖版(見圖8、圖9)?？梢钥闯?垂直樣的泊松比小于水平樣的泊松比(PRv

圖8 PR與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖9 E與β角的關(guān)系(60 ℃、40 MPa)

圖10 4口井垂直樣泊松比與圍壓的關(guān)系

(3)

3.4 基于聲學(xué)參數(shù)測量的各向異性剛度系數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)分析

對水平井長7段X、Y、Z這3個方向的柱塞樣和方巖心樣,進(jìn)行動態(tài)聲學(xué)參數(shù)測量,并計算各向異性剛度系數(shù)(C)及其彈性模量與泊松比[16](見表2)。由結(jié)果可以看出,長7段地層屬于TIV介質(zhì),采用剛度系數(shù)計算的Eh、Ev、PRh值明顯高于直接采用各方向縱橫波速度計算得到Eh、Ev、PR值,表明具有垂直對稱軸的各向異性巖石力學(xué)模型能較好地描述長7段儲層的巖石力學(xué)性能。

表2中,Den為巖心密度;vph為橫向縱波速度;vpz為垂向縱波速度;vsh為橫向橫波速度;C11為水平向縱波剛度;C44為垂向橫波剛度;C66為水平向橫波剛度[17-18];Evc、Ehc表示用剛度計算的垂向和水平向的彈性模量;PRvc、PRhc表示用剛度計算的垂向和水平向的泊松比。

表1 巖心實驗動態(tài)泊松比為負(fù)值的數(shù)據(jù)匯總(直井巖心鉆取的垂直樣)

3.5 巖樣聲學(xué)測試結(jié)果統(tǒng)計與應(yīng)用實例分析

統(tǒng)計巖樣聲學(xué)計算的動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù),將2口井泊松比與取心角度的關(guān)系匯總(見表3)?？梢钥闯? 直井巖樣隨β角增大,由正值而減少為負(fù)值;水平井巖樣泊松比變化也具有同樣的變化規(guī)律。

表2 水平井巖樣各向異性剛度系數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)的計算

表3 直井和水平井不同取心角度巖心動態(tài)泊松比的比較

圖11 寧148井1 630～1 790 m長6、長7、長8段各向異性巖石力學(xué)地應(yīng)力計算剖面

為了驗證實驗結(jié)果的可靠性和可用性,結(jié)合密度測井值和提取的垂向、水平向的縱橫波時差測井值等數(shù)據(jù),采用描述地層各向異性的剛度系數(shù)C11、C33、C44和C66等(即壓縮模量和剪切模量)來計算垂向和水平向的彈性模量和泊松比及地應(yīng)力[16-17]。圖11為寧148井1 630～1 790 m長6～長8段各向異性巖石力學(xué)與地應(yīng)力計算剖面。從圖11中第6、7、8道和最后1道油氣解釋結(jié)論可以看出,各層段的各向異性巖石力學(xué)參數(shù)(垂向和水平向泊松比、彈性模量)差異明顯,從第9道、第10道地應(yīng)力剖面可以看出,用各向異性巖石力學(xué)參數(shù)計算的水平最大、最小地應(yīng)力與實測的水平地應(yīng)力一致性好,平均相對誤差<6.26%,說明各向異性巖石力學(xué)計算模型較傳統(tǒng)的各向同性模型計算精度高,更符合實際井區(qū)的巖石力學(xué)特征。

4 結(jié) 論

(1)延長組致密油儲層(長6、長7、長8段)存在明顯的聲速和巖石力學(xué)各向異性,圍壓和取心角度對其聲波速度測量值影響明顯。隨著圍壓增大,縱波橫波速度(vp、vs)都增大,且垂直樣增大較快;隨著取心角度(β)增大,縱波和橫波速度都減小。

(2)綜合分析常溫常壓和60 ℃變圍壓(10、20、30、40 MPa)條件下多角度、多尺度巖樣的動態(tài)聲學(xué)參數(shù)測量與巖石力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果,直井中平行井軸取樣(垂直樣),其泊松比和彈性模量小于垂直井軸取樣(水平樣)的泊松比和彈性模量,即(PRh>PRv)、(Eh>Ev);隨著取心角度(β)增大,泊松比和彈性模量減小。

(4)采用各向異性的縱橫波速度得到縱向和橫向剛度系數(shù)C計算的巖石力學(xué)參數(shù)較常規(guī)各向同性方法應(yīng)用效果好,更適用于TIV地層各向異性地應(yīng)力的計算。