赵进雍冀冬生吴 见庞志超吴 林

0 引言

岩石力学特征是地下储层的固有属性,是盆地构造应力模拟、钻井设计、储层压裂改造的主要依据,不但影响天然裂缝形成演化,同时控制人工裂缝的扩展分布,是油气勘探开发中的重要参数之一(Han et al.,1986;Ward et al.,1994;Bowers,1995;李志明和张金珠,1997;黄思静等,1999;周文等,2008;丁文龙等,2010;归榕和万永平,2012;刘佳庚等,2020;吴林等,2022)。目前常用的岩石力学参数主要包括弹性模量、泊松比、抗压强度、脆性指数等,主要通过实验测试或是测井数据计算两种方法获取(Ward et al.,1994;Bowers,1995;归榕和万永平,2012)。

2019年,准南前陆四棵树凹陷高探1井在侏罗系—白垩系试油获高产,日产原油1213 m3、天然气32.17×104m3,成为准南勘探里程碑式发现,证实侏罗系—白垩系具备形成大型油气田的巨大潜力(杜金虎等,2019;何海清等,2019;靳军等,2019;杨迪生等,2019;徐新纽等,2020;刘惠民等,2020)。勘探实践表明,准南侏罗系—白垩系油气富集高产可能与储层裂缝密切相关,急需重视储层岩石力学特征研究。然而,相关学者目前多关注构造解析及构造演化对储层的影响(赵桂萍,2003;管树巍等,2013;Han and Zhao,2018;高志勇等,2020;关旭同等,2020;梁则亮等,2020;朱明等,2020),往往忽略了储层自身特征对构造变形的影响,尤其缺乏储层岩石力学特征与裂缝响应关系分析,影响研究区目的层整体评价(吴林等,2022)。文中系统分析四棵树地区侏罗系—白垩系碎屑岩岩石力学参数,明确岩石力学参数分布特征,探讨岩石力学参数的地质意义,为油气勘探评价提供重要支撑。

1 地质概况

四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘西部(图1a),南部为北天山构造体系,西北部和北部为扎伊尔山构造体系,控制凹陷中新生界沉积充填(管树巍等,2013;Han and Zhao,2018;高志勇等,2020;梁则亮等,2020;朱明等,2020)。凹陷内沉积地层向上依次为三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系,碎屑岩储层总厚度大于5000 m(况军和齐雪峰,2006;方世虎等,2007;雷德文等,2008;邵雨等,2011;孟元库等,2012;肖立新等,2012;朱文等,2017)。随着油气勘探开发向深部推进,侏罗系与白垩系下部成为重点关注对象,包括八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)、齐古组(J3q)、清水河组(K1q)、呼图壁组(K1h)等。受新生代以来喜马拉雅运动影响,凹陷内地层明显褶皱变形,形成艾卡构造带、高泉构造带(管树巍等,2013;Han and Zhao,2018;朱明等,2020)。

艾卡构造带位于四棵树凹陷北部,邻近北侧车排子凸起,石油地质条件良好,已在中生界以浅实现油气商业发现,包括独山子油田、艾卡油田、西湖油田等。高泉构造带位于四棵树凹陷南部,目前已被三维地震勘探数据覆盖,多口探井揭示侏罗系—白垩系是近期油气勘探重点关注区域(图1b)。该地区成像测井资料显示,断裂附近井筒中砂岩储层裂缝发育,裂缝发育段与油气显示段较为一致。

图1 四棵树凹陷侏罗系顶面构造图Fig.1 Plane structure of the superface of the Jurassic in the Sikeshu sag

2 侏罗系—白垩系岩石力学参数

准南西段四棵树地区发育巨厚碎屑岩储层,与其相关的常规岩石力学参数主要包括杨氏模量E、剪切模量μ、脆性指数t和泊松比v等,其中杨氏模量和泊松比最为重要(李志明和张金珠,1997)。目前通常根据两种方法获取岩石力学参数:一种通过实验室岩样实测获得静态参数,一种是利用地球物理测井资料计算获得动态参数,二者存在一定差异(周宏伟等,2010;王珂等,2014)。通常需要将动态参数进行转换,获取静态参数、评价储层特征。

2.1 动态岩石力学参数

阵列声波测井可以用于识别岩性、气水层,准确提取纵、横波信息,分析杨氏模量、泊松比等岩石力学参数,估算储层孔隙度,评价有效天然裂缝及压裂效果(李志明和张金珠,1997)。此次利用阵列声波测井数据计算动态岩石力学参数,预测杨氏模量、泊松比(Dumitrescu, 2019),公式如下:

式中:Ed为动态杨氏模量,GPa;Δts为横波时差,μs/m;Δtc为纵波时差,μs/m;ρ为岩石密度,g/cm3;vd为动态泊松比。

根据高泉地区钻井资料情况,分析高102井侏罗系—白垩系砂岩的动态岩石力学参数,结果表明(图2),J2x、J2t的动态杨氏模量主要分布于40～70 GPa,K1q、K1h的动态杨氏模量主要分布于20～40 GPa,中侏罗统的动态杨氏模量相对高于下白垩统(图2a)。J2x、J2t的动态泊松比主要分布于0.15～0.30,K1q、K1h的动态泊松比主要分布于0.25～0.4,中侏罗统的动态泊松比相对低于下白垩统(图2b)。总体来看,下白垩统动态杨氏模量较低、泊松比较高。

图2 高泉地区高102井动态岩石力学参数分布直方图Fig.2 Distribution histogram of dynamic rock mechanical parameters of the Well Gao 102 in the Gaoquan area

2.2 静态岩石力学参数

静态岩石力学参数主要通过砂岩样品的三轴岩石力学实验获取。此次实验在中国石油大学(北京)岩石力学实验室完成,岩石样品在加载围压后,通过传感器测量岩样的轴向、横向应变及轴向载荷,直至岩样产生破坏、停止加载,自动采集与处理后得到应力-应变曲线,可以计算静态杨氏模量、泊松比:

式中,Es为静态杨氏模量,GPa;Δσa为轴向应力增量,MPa;Δεa为轴向应变增量,mm;vs为静态泊松比;Δεa为轴向应变增量,mm;Δεr为径向应变增量,mm。

此次对四棵树凹陷岩芯样品进行了三轴岩石力学实验,样品来自高101、高102、高泉5、独山1井,共计28件,其中侏罗系样品23件、白垩系样品5件,实验结果见表1。

表1 四棵树凹陷侏罗系—白垩系致密砂岩储层动静态岩石力学数据Table 1 Experimental data of dynamic and static rock mechanics of the Jurassic-Cretaceous tight sandstone reservoir in the Sikeshu sag

岩石力学实验结果表明,四棵树凹陷侏罗系—白垩系砂岩静态杨氏模量主要分布于12～30 GPa,泊松比分布于0.19～0.24。

2.3 岩石力学参数动静转换

由于测井和实验手段中非均质性储层的声波响应不同,造成岩石力学动态参数与静态参数有一定的差异。同时,基于测井数据计算的动态岩石力学参数数据量较大,而基于实验数据获取的静态岩石力学参数较为真实准确,因此考虑将二者进行交汇分析,建立数学模型,以得到更为准确、丰富的静态岩石力学参数。

结果表明(图3),动、静态杨氏模量之间呈正相关的线性关系,Es=0.4346×Ed+0.446,拟合系数大于0.7,其中Es为静态杨氏模量,Ed为动态杨氏模量(图3a)。动、静态泊松比之间也呈正相关的线性关系,vs=0.1986×vd+0.1646,拟合系数大于0.7,其中vs为静态泊松比,vd为动态泊松比(图3b)。总体来看,与库车及川西等地区深层砂岩储层相比(王珂等,2014),研究区动、静态岩石力学参数转换系数相关性较高,说明此次数学模型可以为该区侏罗系—白垩系岩石力学三维预测提供直接依据。

图3 四棵树凹陷侏罗系—白垩系岩石力学参数交汇图Fig.3 Crossplot of the Jurassic-Cretaceous rock mechanical parameters for the Sikeshu sag

3 岩石力学参数分布特征

结合单井岩石力学剖面与三维地震数据体,利用公式(1)(2)和前述动静态转换关系模型,可进行静态岩石力学参数反演(刘建华等,2020)。此次高泉地区反演结果表明,静态岩石力学参数与岩性关系密切。清水河组中上部以细粒沉积为主,发育泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,杨氏模量较低,约30～40 GPa,泊松比较高,约0.25～0.35(图4a)。清水河组底部、头屯河组、西山窑组主体发育粗碎屑沉积,包括泥质粉砂岩、中粗砂岩、砾岩、含砾粗砂岩,杨氏模量较高,约30～50 GPa,泊松比较低,约0.2～0.3(图4b)。砂砾岩的杨氏模量比泥岩的高约10～20 GPa,砂砾岩的泊松比比泥岩低约0.05～0.1,当砂砾岩与泥岩互层时,杨氏模量和泊松比也发生交互变化,响应关系较好。

图4 高泉地区不同岩性静态岩石力学参数反演评价Fig.4 Evaluation of static rock mechanical parameters of different lithologies

从连井剖面结果中看出(图5),白垩系清水河组下部与侏罗系头屯河组、西山窑组、八道湾组杨氏模量较高、泊松比较低,白垩系清水河组上部、侏罗系三工河组杨氏模量较高、泊松比较低,这种岩石力学参数垂向变化规律在全区均可看到,指示储层应力-应变关系具有垂向分层性。

图5 高泉地区静态岩石力学参数反演剖面Fig.5 Inversion profile of the static rock mechanical parameters for the Gaoquan area

4 岩石力学参数意义

4.1 岩石力学参数与抗压强度

四棵树凹陷侏罗系—白垩系砂岩静态岩石力学测试结果表明(表2,图6),静态杨氏模量与岩石抗压强度成正相关关系,杨氏模量越大,抗压强度越大。静态泊松比与岩石抗压强度成负相关关系,泊松比越小,抗压强度越大。

表2 四棵树凹陷侏罗系—白垩系致密砂岩储层静态岩石力学实验数据Table 2 Experimental data of static rock mechanics of the Jurassic-Cretaceous tight sandstone reservoir in the Sikeshu sag

图6 四棵树凹陷侏罗系—白垩系岩石力学参数与抗压强度关系图Fig.6 Relationship between rock mechanical parameters and compressive strength of the Jurassic-Cretaceous rocks in the Sikeshu sag

4.2 岩石力学参数与储层裂缝

基于静态岩石力学参数储层反演数据,选取常用岩石破裂Rickman脆性指数模型,评价储层裂缝发育情况(Rickman et al., 2008;孙建孟等,2015),数学模型表达式如下:

式中,Fn、En、Vn为裂缝发育指数、杨氏模量指数、泊松比指数,取值范围0～1之间,无量纲;Emax、Emin、E分别为目的层静态杨氏模量的最大值、最小值、测点值,GPa;Vmax、Vmin、V分别为目的层静态泊松比的最大值、最小值、测点值,无量纲。一般认为,当Fn＜0.4,裂缝不发育,0.4≤Fn＜0.7,裂缝较发育,Fn≥0.7,裂缝发育。

研究结果表明(图7),四棵树凹陷侏罗系—白垩系静态杨氏模量越大、泊松比越小,裂缝发育指数越大,越容易形成裂缝。清水河组中上部、三工河组裂缝发育指数约0.1～0.4,裂缝相对不发育;清水河组下部、西山窑组裂缝发育指数约0.4～0.7,裂缝较发育;头屯河组裂缝发育指数约0.7～0.9,裂缝发育。将裂缝预测指数与成像测井解释的裂缝数量进行对比,即裂缝指数越大,裂缝数量越多,二者较为吻合,证实预测结果较为合理。该区高探1井在清水河组下部、头屯河组油气显示好,指示裂缝可能具有重要贡献。因此,基于静态岩石力学参数预测储层裂缝具有重要的油气勘探意义。

图7 高泉地区侏罗系—白垩系岩石力学参数与裂缝响应关系图Fig.7 Relationship between rock mechanical parameters and fracture response of the Jurassic-Cretaceous rocks in the Gaoquan area

5 结论

(1)四棵树凹陷侏罗系—白垩系储层动、静态杨氏模量和泊松比均呈正相关线性关系,岩石力学参数受岩性变化控制,白垩系清水河组下部与侏罗系头屯河组、西山窑组、八道湾组杨氏模量较高、泊松比较低,白垩系清水河组上部、侏罗系三工河组杨氏模量较低、泊松比较高。随着杨氏模量增加、泊松比降低,岩石抗压强度增加。

(2)基于高泉地区岩石力学参数反演结果表明,杨氏模量越大、泊松比越小,裂缝发育指数越高,越容易形成裂缝。白垩系清水河组上部、侏罗系三工河组裂缝发育指数小于0.4,裂缝不发育、油气显示差;白垩系清水河组下部、侏罗系西山窑组与头屯河组裂缝发育指数大于0.4,裂缝发育、油气显示好。因此基于岩石力学预测储层裂缝对油气勘探具有重要指导意义,在准南前陆深层油气勘探中应予以重视。