张建华,王改红,尹 帅

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，西安 710054;2.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000;3.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，西安 710021;4.西安石油大学 地球科学与工程学院,西安 710065)

0 引 言

深层致密砂岩油储层是世界范围内重要的油气勘探开发领域[1],但由于其自身具有低孔、低渗、强非均质性及各向异性的特征,难以制定有效的开发方案[2]。致密砂岩油储层开发过程中,最为重要的研究内容包括水平井轨迹优化及水力压裂方案的制定[3]。在实施这些关键技术过程中,现今地应力是其中最为重要的基础参数。结合实验及测井等方法对现今地应力进行测井评价可以为致密砂岩油储层高效开发提供支撑[4]。

储层流体在地下的赋存及活动状态受地层现今应力及孔隙压力的综合影响[5]。现今应力场的研究内容包括现今地应力大小及方向,主要方法有实验测试法、测井解释法及模拟法。测井及模拟方法结果依然需要实测地应力结果进行校正[5]。目前,只有差应变实验测试和水力压裂法能准确确定地层现今地应力大小,其他方法如声发射及成像测井所确定的地应力可作为参考值;各向异性测试、古地磁、快横波、扩径、FMI成像测井及天然地震P波追踪等可用于判断现今地应力的方向[6]。实验测试仅能确定地层中某些层段的地应力,而测井评价方法成本较低,可建立单井纵向连续的地应力剖面[7]。

塔中S9井区志留系致密砂岩油是该地区碎屑岩油藏重要的后备资源战略基地,但目前研究程度尚浅。该储层具有埋深大、致密(平均孔隙度小于10%,平均气测渗透率小于1 mD)、常规压裂改造效果较差、水平井分段压裂后可稳产但不高产的特点。因此,正确认识目的层的岩石力学及地应力性质,建立一套致密砂岩油储层现今地应力测井评价体系,对制定合理的致密砂岩油开发方案具有重要意义。

1 地质背景

研究区(S9井区)位于塔中北坡顺托果勒区块,地形具有东南高西北低的宽缓单斜特征[8-9]。该区志留系主要包括下志留统及中志留统。志留系柯坪塔格组自上而下可分为上段(包括上砂岩亚段S1k3-3、 中泥岩亚段S1k3-2和下砂岩亚段S1k3-1)、 中段S1k2和下段S1k1, 3个层段在S9井区分布较为稳定,总体上由北向南地层逐渐上倾,沉积厚度逐渐变薄[8]。 志留系柯坪塔格组下段砂岩(S1k1)为主要的储层段,发育长石岩屑砂岩及岩屑砂岩,也是本文重点研究的目的层段。

2 岩石力学参数测井计算

2.1 动静态力学参数实验

动态力学参数是指利用岩石波速, 经计算获取的岩石力学参数, 其对应的实验为超声波速实验; 静态力学参数是指直接通过实验获取的岩石力学参数, 其对应的实验为三轴岩石力学实验。 动静态岩石力学参数实验仪器采用MTS岩石物理测试系统, 该仪器主要由三轴室、 超声波换能器、 超声波脉冲发射-接收控制盒、 温控装置及计算机构成。 该仪器的轴向应力载荷最大值为1 000 kN, 压力传感器的误差<1%, 位移分辨率为0.000 1 mm。

实验测试的样品共计8组,均取自S1k1层位。样品组号分别为T1～T8,其中T1～T5每组4个样品,而T6～T8每组1个样品。

研究区志留纪地层压力系数约为1.3,设计模拟地层条件下的实验测试有效围压为65 MPa。样品加工后尺寸为25 mm×50 mm,同时饱和地层盐水。样品中有5组分4级围压加载,每组4个,4级有效围压分别为0、22、44及65 MPa;另有3组样品只进行地层围压(65 MPa)条件下力学测试。目的层温度梯度大致在2.2 ℃/100 m,单轴力学测试的温度为25 ℃,而地层围压(65 MPa)条件下的测试温度为125 ℃。力学测试可获得岩石抗压强度、杨氏模量和泊松比。

对于声学参数的采集,在相应围压条件下,超声波脉冲发射后由接收控制盒自动完成。本文实验声学测试的频率为1 MHz,而测井分析的数据频率为20 kHz,因此要对测试的声学数据进行频散校正处理[10-11]。频散校正过程中,首先采用频谱法计算所测试样品的Q值(品质因子)。实验过程中选用铝样作为参考样,因为铝样的Q值大约为150 000,被认为是不发生声波衰减的标准介质[12]。

图1为铝样(参考样)及测试岩样的声波信号、 频谱及振幅谱比率关系。 在获得品质因子基础上,利用频散方程式(1)可将实验测试频率下波速值转换为测井频率(20 kHz)条件下的波速值[12]。实验样品的纵横波波速测试结果见表1。

(1)

式中:V1和V2为不同测试频率条件下波速值,相对应测试频率分别为f1和f2。

图1 测试铝样及砂岩样品的超声波信号、振幅谱及谱比率Fig.1 Acoustic signal,amplitude spectrum and spectrum ratio of the tested aluminum and sandstone samples

表1 样品的声学测试结果

2.2 横波时差提取与构建

横波时差是岩石力学参数测井计算的关键参数。但研究区仅有S901井和S902H井在目的层有全波列测井,因此需要进行横波时差提取。前人研究表明,对于同属一套沉积地层的同类岩性岩石,岩石的纵横波时差间具有非常好的相关性[13]。因此,利用纵波时差对横波时差进行预测可行。由于砂岩和泥岩在动静态岩石力学性质方面存在较大的差异,因此在进行横波时差提取与构建时,需要对岩性进行区分。区分方法为：首先采用自然伽玛(GR)方法对岩石泥质含量(Vsh)进行解释；然后结合岩心及薄片泥质含量观察结果,当该目的层中泥质含量大于40%时为泥岩,当泥质含量小于40%时为砂岩。

Vsh=100×(2G×IGR-1)/(2G-1) ,

(2)

IGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin) 。

(3)

式中:G为Hilchie指数, 无量纲, 其与地层年代相关, 新地层(如新近系、古近系)通常取3.7, 老地层通常取2.0;IGR为自然伽马指数,无量纲;GRmin和GRmax分别为纯砂岩和邻近泥岩层的自然伽马值,API。

通过区分岩性(砂岩和泥岩), 对志留系地层阵列声波测井分离的纵波时差(DTC)、 横波时差(DTS)进行拟合, 建立了目的层横波时差预测模型, 整体拟合效果较好(图2)。

图2 S9井区志留系碎屑岩地层纵横波时差拟合关系Fig.2 Fitting relationship between longitudinal and transverse wave offset time for the Silurian sandstones of well S9

2.3 杨氏模量及泊松比计算

杨氏模量和泊松比是地应力评价中应用最广泛的参数。 在系统提取目的层横波时差基础上, 分别采用式(4)和式(5)计算岩石的杨氏模量及泊松比。 岩石的动静态弹性参数间存在差异, 一般来说, 岩石动态弹性参数值要大于其静态值, 且静态力学特性参数更适合工程需要。 基于三轴地层围压条件下的测试数据, 建立了志留系致密砂岩动静态弹性参数转换关系(图3)。 该致密砂岩的动静态杨氏模量和动静态泊松比的转换关系分别为

(4)

(5)

(6)

(7)

Es=0.786Ed-10.15;

(8)

νs=0.811νd+0.123。

(9)

式中:Ed为动态杨氏模量, GPa;Es为静态杨氏模量, GPa;νd为动态泊松比;νs为静态泊松比; ΔtP为纵波时差, μs·ft-1;ΔtS为横波时差, μs·ft-1;ρb为岩石密度, g·cm-3。

图3 模拟地层条件下所测试致密砂岩岩样的动静态弹性参数转换关系Fig.3 Conversion relationship among dynamic-static elasticparamerers of the tested tight sandstone samples in the simulated formation conditions

3 地应力测井评价

3.1 有效应力系数α确定

沉积盆地中,岩石受骨架应力(σ)和地层孔隙流体压力(Pp)的共同影响, 这两者的合力即为有效应力(σ′)。 对于中等及强固结岩石, 考虑到颗粒支撑岩石内部存在较强的压实及胶结作用[14], 孔隙流体实际上未完全承担全部地层压力。 因此, Biot提出了有效应力理论[15]:

σ′=σ-αPp。

(10)

对于研究区目的层强固结致密砂岩,α值与孔隙度φ关系密切, 可采用式(11)对岩石Biot系数进行定量表征, 该式适用于深埋藏致密砂岩储层[16]。

α=1-(1-φ)3.8。

(11)

3.2 地层孔隙压力确定

本文根据压力恢复、静压测试和等效泥浆密度及声波时差法获得了研究区各单井志留纪地层孔隙压力。该区志留系柯平塔格组地层压力系数分布在1.27～1.36,各单井间相差不大,地层略微超压。

3.3 地应力测井解释

目前,国内外现今地应力解释模型主要包括莫尔-库仑破坏模式、单轴应变模式及各向异性地层模式。莫尔-库仑破坏模式虽然具有一定的物理基础,但其假设地层最大原地剪应力是由地层的抗剪强度决定的,因此不具备普遍的意义,该模式比较适合松软的泥页岩地层。单轴应变模式假设沉积地层只发生垂向应变,水平方向应力完全由垂向应力诱导而产生,因此,水平方向各个主应力均相等。该类模式通常只适用于弱构造运动地层,如盆地腹部地层[21]。各向异性地层模式较好地考虑了水平方向地应力的非均一性，不足之处是待定系数较多,且计算过程较为繁琐。

为了简化计算过程与提高预测精度，通过不同计算模型对比,发现引入修正系数C*至Newberry模型中,可以较好地预测地层水平方向最小主应力σh。 未引入C*时，σh预测结果偏大, 通过将各系数实测值引入方程(12)求取C*, 本文所确定的C*值为-0.257。 引入修正系数C*后的σh表达式见式(12)[16]。 对于水平最大主应力σH, 考虑到地层应力的各向异性, 引入非平衡结构因子Ub,σH的表达式见式(13)[17], 本文的Ub值为1.212。 修正系数C*的依据为水平最大主应力和水平最小主应力具有较好的正相关性。将该方法应用于深层海相致密砂岩储层是一次有意义的探索。

(12)

σH=σh×Ub,

(13)

式中：Ub可以利用双井径资料获取,或利用地应力实测值进行反推,即

(14)

式中:Dmax为井径最大值, cm;Dmin为井径最小值, cm;E为岩石杨氏模量, GPa;Ema为岩石骨架杨氏模量, GPa;k为刻度系数。

垂直主应力由上覆地层的重力梯度决定,可通过密度测井曲线进行积分获得

(15)

式中：H为地层埋深;ρ(H)为埋深H处的地层岩石密度。另外,该式不具体,一般利用密度测井曲线计算覆压时,从井口到目的段,可能没有密度测井数据或找不到连续的密度测井数据,此时应根据该地区浅层地层及岩性实际情况,将其密度取平均值。对于研究区浅层,为第四系松散沉积物,岩石平均密度为2.3 g/cm3。

研究区志留系取心岩样地应力测试结果与解释结果的对比见表2。从解释结果来看,差应变测试数据的解释结果最好,σH的平均相对误差为4.94%,σh的平均相对误差为4.27%。1组压裂法测试结果的σH的平均相对误差较小(为5.93%),σh的平均相对误差较大(为21.19%)。 该组压裂测试数据的σh值(69.72 MPa)明显低于其他各组,σh值与裂缝闭合压力相等[7],该值较低,表明地层中可能发育一些微裂缝,进而造成σh值偏低。对于2组声发射测试结果,其中一组的σH解释结果相对误差偏高,而另一组的σh解释结果的相对误差偏高。声发射所测试的现今地应力仅作为参考,而压裂法和差应变法测试结果最为准确,为地层现今地应力大小的主要判据。

利用上述方法建立了单井地应力测井解释剖面,如图4所示。 可以看出, 对于所研究的志留纪地层,随着埋深的增加,各主应力均有逐渐增加的趋势。 三向主应力间满足σh<σH<σv, 与前述地应力测试结果一致。

表2 取心岩样的地应力测试结果与解释结果对比

图4 S901井志留纪地层地应力测井解释成果图Fig.4 Insitu stress logging interpretation results for the Silurian strata of Well S901

3.4 地应力方向分析

3.4.1 古地磁分析 利用古地磁仪(磁力仪和退磁仪)对目的层致密砂岩样品进行了古地磁分析(表3)。用Fisher统计法确定剩磁方向并判断地应力方向[16]。研究区3口井岩样的古地磁分析测试结果表明,目的层的水平最大主应力方向主要位于NE 26°～NE 33°。

表3 目的层测试岩样的古地磁定向结果

3.4.2 测井分析 本文采用扩径及快横波方位分析方法对目的层现今地应力方向进行分析,这两种方法的解释结果较为可靠。对于扩径分析,主要基于成像测井或地层倾角测井资料。对椭圆井眼形态进行分析,长轴方向代表水平最小主应力方向,短轴方向则代表水平最大主应力方向[17]。

研究区S9井柯坪塔格组地层倾角测井分析结果表明,部分井段具有扩径现象。如图5所示,5 360～5 366 m井段为2—4极板扩径,1—3极板方位为202.5°,该井段水平最大主应力方向为22.5°；5 480～5 486 m井段为1—3极板扩径,其方位为127.5°,该井段水平最大主应力方向为37.5°；5 616～5 624 m井段为2—4极板扩径,1—3极板方位为217.5°,该井段水平最大主应力方向为37.5°。

图5 研究区S9井柯坪塔格组地层扩径统计Fig.5 Borehole enlargement statistics for the Kepingtager Formation of Well S9

横波分离可以判断现今地应力方向[17], 对于碎屑岩地层, 地应力的平面非均一性对横波的传播具有显著影响, 分离后的横波通常在水平最大主应力方向具有最快的传播速度。 通过对S901井及S902H井目的层偶极声波数据进行横波分离, 得到快、 慢横波速度及方位(图6)。 S901井水平最大主应力方向为NE-SW向, 平均为53.1°, 结合前述古地磁测试结果, 该井水平最大主应力方向主要分布在NE 33°～53.1°。 S902H井水平最大主应力方向也为NE-SW向, 大体分布在32°～66°。

图6 利用横波分离获得的单井目的层的水平最大主应力方向Fig.6 Direction of the maximum horizontal stress of target layer for single well obtained by shear wave separation

通过对比各单井古地磁及测井地应力方向解释结果,可以看出研究区志留纪地层水平最大主应力方向分布比较稳定,大体为NE向。现今地应力方向的确定可以为致密砂岩油储层水平井钻井轨迹优化、压裂设计及井网布置提供参考。

4 结 论

(1)本文通过岩石力学、声学及现今地应力实验测试,对深部海相致密油储层岩石力学性质及现今地应力特征有了一定程度了解。利用谱比法对实验高频声学测试结果进行了频散校正。在区分砂岩和泥岩岩性条件下,建立了横波时差预测模型。在动静态岩石力学参数测试基础上,建立了杨氏模量和泊松比的测井解释模型,各模型均具有较高的解释精度。

(2)在准确获取有效应力系数α和地层压力的基础上建立了深部海相致密油储层现今地应力测井计算模型。与实测结果对比表明,该模型可靠合理。利用古地磁、扩径及快横波方位资料对目的层地应力方向进行分析,最终确定其水平最大主应力方向为NE向。