鄂尔多斯盆地Z区长8超低渗透率储层地应力特征研究

2015-12-13赵军龙孙鹏蔡振东何小菊

测井技术 2015年1期

赵军龙，孙鹏，蔡振东，何小菊

（1．西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065；2．中国石油集团测井有限公司长庆事业部，陕西高陵710200）

0 引言

地应力的测试和计算方法虽多，但测试费用昂贵，获取数据有限，且不能得到连续的地应力剖面。鄂尔多斯盆地Z区是低孔隙度、低渗透率储层，且埋藏深、储层非均质性强，有的井几乎没有自然产能，必须借助压裂等手段进行储层改造才能获得具有工业价值的油气，而地应力数据分析对压裂、钻井等作业施工具有重要价值［1－6］。充分利用测井数据连续性好、纵向分辨率高、信息量大且成本低廉的特点，遵循地质约束测井、岩心刻度测井的原则开展基于测井信息的地应力预测研究十分必要。

1 基于测井信息的地应力预测方法

1．1 地层孔隙压力的测井估算方法

地层孔隙流体压力也称为地层孔隙压力，是指作用在岩石孔隙内流体上的压力，分为正常地层孔隙压力、异常高压、异常低压3种类型。估算方法有等效深度法、伊顿法、声波时差法等［7－12］（见表1）。

表1 地层孔隙压力的测井估算方法表

1．2 垂向应力的测井估算方法

瑞士地质学家Heim认为垂向应力σv是由上覆地层重量引起，指由覆盖在地层以上的岩石及其岩石孔隙中流体总重量造成的压力［13］。因σv随着地层密度及深度而变化，故σv可由密度测井求出。但是，实际地层密度随深度的变化关系难以用简单函数表示，因此用分段求和的方法计算σv，其计算公式为

式中，σv为上覆地层压力，MPa；ρ0为没有测井密度值深度段的地层平均密度值，g／cm3；ρ为地层密度，g／cm3；H0为密度测井的起始深度，m；H为计算点的深度，m。

1．3 水平应力的测井估算方法

地层水平应力包括最大水平应力和最小水平应力。利用测井资料计算地层水平主应力的方法主要是根据模型公式确定，而且都是在确定了地层垂向应力计算公式的基础上发展的。地应力计算模型是能反映地应力物理本质和实际规律的计算公式［7，14］，在选用模型时应该综合考虑模型的适用条件以及具体测井资料的实用性。

1．3．1 单轴应变模型

Walls J D等［15］根据虎克定律推导出了单轴应变的基本模型和特征（见表2），概括为数学表达式

式中，pp为地层孔隙压力，MPa；M、J、N为系数。表2中ν为泊松比。

1．3．2 黄氏模型

1983年黄荣樽等［16－17］在进行地层破裂压力预测方法研究中提出模型表达式为

从式（3）可以看出，水平地应力是由上覆地层压力和构造应力的共同作用产生的，β1、β2分别为最大、最小水平应力方向的构造应力系数，在同一区块内都是常数。

表2 单轴应变的基本模型及特征

1．3．3 葛氏模型

葛洪魁等［18］尝试提出了一种新的地应力经验关系式：在不考虑地层温度变化对应力的影响时，水力压裂裂缝为垂直裂缝（最小地应力在水平方向）时的经验关系式为

式中，E为弹性模量，MPa。

1．3．4 三轴应变模型法

三轴应变模型除了黄氏模型的特点外，还考虑了构造因素的影响，由广义虎克定律推导得到［16］

式中，εh、εH分别为最小、最大水平应变方向的应变。在同一区块内εh、εH为常数。该模型考虑了泊松比及弹性模量的影响。

2 研究区地应力剖面的建立及地应力平面分布特征

研究中采用的计算思路见图1。首先对该地区的资料进行整理，对声波时差进行标准化［19－20］；其次计算垂向应力、最小水平应力，在计算之前，利用横波时差和纵波时差之间的关系，根据测井资料计算出横波时差，确定出泊松比。选择适当的模型计算出Biot系数，利用等效深度法计算出地层孔隙压力，最终选择单轴应变模型中的Newberry模型计算最小水平应力；最后计算最大水平应力，利用测井资料中的双井径测井数据选择合适的计算模型。

图1 研究区地应力剖面建立的技术流程图

2．1 垂直应力估算

通过对比垂向应力的计算模型，选择了Heim法

2．2 最小水平应力估算

在最小水平应力的计算中，因为该地区的特殊性，即低孔隙度低渗透率的微裂缝地层，选择了单轴应变模型中的Newberry模型

式中：ν是指泊松比，无量纲；α为有效应力系数，无量纲。

（1）泊松比ν计算。该区测井资料中没有横波时差资料，只有纵波时差。利用纵波时差Δtp和密度的倒数1／ρ求横波时差，根据泊松比ν与横纵波时差之间的关系［式（8）］进而可以估算出泊松比ν。

（2）Biot系数α计算。根据Gassmann－Biot理论，其表达式可写为［21］

式中，ΔVf为孔隙体积变化；ΔV为总体积变化；Kdry为干岩石的体积模量；K0为矿物的总体积模量。

还有一个定义式可以计算Biot系数［22］

式中，Cma为岩石骨架压缩系数；Cb为岩石体积压缩系数。

（3）地层孔隙压力计算。在实际应用中，因研究区的条件限制，取该区长8储层的地层水密度为1．01g／cm3。在对地层孔隙压力的计算中，通过绘制该地区的正常压实趋势图（见图2），利用等效深度法确定出地层的孔隙压力。

图2 研究区H56井泥岩层正常压实趋势线

图2为由测井数据绘制的H56井泥岩层正常压实趋势图。从图2中可以明显看出异常高压点所处的位置，其方程为

将地层声波时差Δt代入式（11）可求出等效深度He，再由式（12）求出实际的地层孔隙压力pp

2．3 最大水平应力估算

对于研究区的最大水平应力的计算，主要应用以下2种方法，并对计算结果作了比较。

（1）方法1：基于声波测井资料，利用以下公式［23］

式中，A、B为地质构造应力系数，为区域常数；G为地层孔隙压力贡献系数［23］。

（2）方法2：利用双井径测井资料，依据式（16）计算［24－27］

式中，E、Ema分别为岩石及岩石骨架的弹性模量；a为系数，取值1～3；Dmax、Dmin分别为椭圆井眼长轴的最大值和短轴的最小值。最终选择方法2确定最大水平应力。通过对研究区的测井数据进行研究，对双井径资料进行整理，估算出Dmax、Dmin，进而计算出最大水平应力。

2．4 典型井地应力剖面分析

在上述定量计算基础上建立了该研究区的地应力剖面（部分实例见图3）。从地应力的剖面中可以看出，各项地应力值都是随着深度的增加呈现逐渐变大的趋势，但是随着深度增加，各项应力增加幅度也在发生变化。研究区垂向应力的变化范围是56．4～58．4MPa，最小水平应力的变化范围是38．7～43．5MPa，最大水平应力的变化范围是45．2～50．3 MPa。即，垂向主应力为最大主应力，σv＞σH＞σh。

2．5 研究区地应力平面特征

研究区处于鄂尔多斯盆地一级构造单元陕北斜坡的东南部，该斜坡为一平缓的近南北向展布、由东向西倾斜的大型单斜，倾角小于1°，平均坡降一般为7～10m／km，局部发育因差异压实作用形成的鼻状构造隆起。盆地区域上现今应力场的分布是以北东东—南西西方向水平挤压和北北西—南南东方向水平拉张为特征，主要为北东向。盆地Z区长8储层主要分为3个小层：长811、长821、长831，埋深主要在2450～2510m，地层厚度40～60m。构造中普遍发育中、小规模断层，断层主要为北东向，少数为南北走向。Z区井块长8储层最大主应力方位为北东45°左右。研究区主要是湖泊和河湖三角洲沉积，以灰色、深灰色中细粒长石石英砂岩、长石岩屑砂岩及深灰色、暗色泥岩互层为主，地层孔隙压力梯度在1．65～1．7MPa／100m，研究区构造长约25．4km，宽约18．5km，面积约为469．9km2。

在建立地应力剖面的基础上，通过统计研究区各井的目的层地应力值绘制了目的层地应力平面等值线图（见图4、图5、图6）。

图3 研究区Z209井的地应力剖面

图4 目的层最小水平应力平面等值线图

图5 目的层最大水平应力平面等值线图

图6 目的层垂向应力平面等值线图

图4说明研究区目的层最小水平应力平面特征呈北北东—南南西向，在 Z491－49A、Z56、Z209、Z507－48A井围成的北北东—南南西向范围内，目的层最小水平应力较高，达到41～42MPa左右，该区域西北及东南井区内目的层最小水平应力降低。图5说明研究区目的层最大水平应力平面特征呈西西北—东东南向，与最小水平应力近于正交。在Z507－53、Z507－48A、Z493－43以南区域，目的层最大水平应力较高，约为57MPa以上，其中Z496－50至Z487－43连线以南区域目的层最大水平应力达到59MPa。图6说明研究区目的层垂向应力分布呈东南—西北向，其中在 Z496－50、Z507－48A、Z209、Z493－43井围成的区域内，目的层垂向应力最高，约为60～62MPa左右，研究区西南部最高，为62MPa。

以上揭示的研究区地应力平面等值线特征说明，研究区开发井的井排方向设计应尽可能与最大水平应力方向一致，即选择西西北—东东南方向为井排方向。另外，由于目的层垂向应力平面分布呈现非均匀性特征，注水压力设计上也应参考实际的地应力。

3 结论

（1）地层孔隙压力估算方法主要包括等效深度法、伊顿法、声波时差法等。垂向应力测井估算方法主要是瑞士地质学家Heim提出的方法，可以用分段求和的方法利用密度测井数据预测；地层水平应力包括最大水平应力和最小水平应力，基于测井资料计算地层水平应力的方法主要是根据有关解释模型来完成，这些模型主要包括单轴应变模型（又分为5种模型）、黄氏模型、葛氏模型和三轴应变模型等，这些模型都是在确定地层垂向应力计算公式的基础上发展，选用模型时应综合考虑模型的适用条件以及具体资料的实用性。

（2）基于研究区测井资料实际（仅有密度测井和声波时差测井资料），先计算垂向应力、横波时差，确定泊松比和Biot系数，利用等效深度法计算孔隙压力，利用Newberry模型计算最小水平应力和最大水平应力，最终建立了研究区典型的地应力剖面，并就地应力平面特征开展了分析。

（3）研究区地应力平面等值线特征说明，研究区开发井的井排方向设计应尽可能与最大水平应力方向一致，选择西西北—东东南方向为井排方向（包括注水井排方向）。另外，由于目的层垂向应力平面分布呈现非均匀性特征，注水压力设计上也应参考实际的地应力。

［1］陈家庚，高龙生．原地应力岩层原地强度及中国大陆之应力场［J］．地震学报，1989，16（2）：142－152．

［2］陈彭年，陈宏德，高莉青．世界地应力实测资料汇编［M］．北京：地震出版社，1990：21－30．

［3］谢富仁，陈策群，张景发．中国现代构造应力场基本特征与分区［M］．北京：地质出版社，2003：20－48．

［4］李方全，刘光勋．我国现今地应力状态及有关问题［J］．地震学报，1990（3）：156－171．

［5］许风光，陈明，高伟义．利用测井资料分析计算东海平湖油气田地应力［J］．断块油气田，2012，19（3）：401－403．

［6］金衍，陈勉，郭凯俊，等．复杂泥页岩地层地应力的确定方法研究［J］．岩石力学与工程学报，2006，25（11）：2287－2289．

［7］谭廷栋．地层异常流体压力的估计［M］．北京：石油工业出版社，1978：35－40．

［8］张博全．压实在油气勘探中的应用［M］．北京：中国地质大学出版社，1992：70－72．

［9］钟文俊，夏宏泉．潼南构造异常高压层的测井识别研究［J］．国外测井技术，2010：189－195．

［10］刘绍轩，罗新华，徐松辽．储层孔隙压力计算方法研究与应用［J］．大庆石油地质与开发，2003，22（3）：47－49．