袁仕俊, 劉國(guó)良, 周陽(yáng), 夏宏泉, 王成龍

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院, 新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井大北實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500)

0 引 言

庫(kù)車(chē)坳陷位于塔里木盆地北部,北與南天山斷裂褶皺帶以逆沖斷層相接,南為塔北隆起,東起庫(kù)爾楚,西至烏什,是一個(gè)以中、新生代沉積為主的前陸盆地。該坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),其中喜山期運(yùn)動(dòng)對(duì)庫(kù)車(chē)坳陷的構(gòu)造變形影響最為強(qiáng)烈。在喜山期,南天山造山帶強(qiáng)烈抬升,產(chǎn)生區(qū)域性的由北向南的擠壓應(yīng)力場(chǎng),導(dǎo)致坳陷內(nèi)發(fā)育了典型的沖斷-褶皺構(gòu)造。坳陷內(nèi)斷裂復(fù)雜,控制著構(gòu)造的發(fā)育與展布,坳陷中部自北向南劃分為“兩帶一凹”,即克拉蘇沖斷帶、拜城凹陷、秋里塔格沖斷帶?？死K沖斷帶是南天山南麓第1排沖斷構(gòu)造,該沖斷帶由北部單斜帶、克拉蘇構(gòu)造2個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元組成。克拉蘇構(gòu)造是緊鄰南天山南麓和拜城凹陷北緣的第2排背斜構(gòu)造帶,以古近系鹽下勘探目的層為主,構(gòu)造帶發(fā)育于新近紀(jì)晚期,屬逆沖構(gòu)造體系的主體。大北地區(qū)位于克拉蘇深部區(qū)帶西段,其構(gòu)造活動(dòng)開(kāi)始于燕山晚期,定型于喜山晚期,庫(kù)車(chē)組中晚期構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈。該區(qū)帶受北部的克拉蘇沖斷帶和南部的拜城凹陷控制,2個(gè)構(gòu)造之間發(fā)育多條次級(jí)逆沖斷裂,將DB構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化,形成DB1斷塊、DB101斷塊、DB103斷塊、DB2斷塊、DB201-6斷塊、DB5斷塊和DB3、DB4斷塊等多個(gè)斷塊。

大北地區(qū)主要儲(chǔ)層以巴什基奇克組低孔隙度低滲透率砂巖為主,埋藏深,產(chǎn)層壓力在86～130 MPa、壓力系數(shù)在1.65～1.8 MPa/100 m,表現(xiàn)為明顯異常高壓;其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,且地層傾角較大,斷層、裂縫等發(fā)育[1],給工區(qū)油氣勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了較大困難。實(shí)測(cè)地應(yīng)力花費(fèi)較大,又不能獲得連續(xù)的地應(yīng)力剖面。測(cè)井資料具有分辨率高、連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn),可利用測(cè)井資料計(jì)算該地區(qū)的地應(yīng)力。樓一珊、鄭琦怡等[2-3]曾分別提出了基于測(cè)井資料并考慮地層傾角和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈程度的地應(yīng)力計(jì)算模型,但是這2種模型過(guò)于復(fù)雜,參數(shù)較多,對(duì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的校正量過(guò)大,實(shí)用性不強(qiáng)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出適合該工區(qū)高陡構(gòu)造異常高壓地層的地應(yīng)力計(jì)算方法。

1 高陡構(gòu)造異常高壓形成原因

異常壓力形成的原因可能是多種互相疊置的因素所致,如地質(zhì)、物理、地球化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的因素[4]。異常高壓給鉆井工程帶來(lái)了較多困難。通過(guò)總結(jié)前人的研究,發(fā)現(xiàn)大北地區(qū)白堊系砂泥巖地層出現(xiàn)異常高壓的原因有3點(diǎn)[5-6]。

(1) 古近系鹽巖蓋層發(fā)育及不均衡壓實(shí)作用是大北地區(qū)白堊系砂泥巖地層形成異常高壓的主要原因,即在地層埋藏和壓實(shí)過(guò)程中,孔隙中的過(guò)剩流體在機(jī)械力的作用下從沉積物中排出。在快速沉積過(guò)程中,巖石顆粒沒(méi)有足夠的時(shí)間去正常緊密排列,同時(shí)鹽巖蓋層壓實(shí)作用引起孔隙度和滲透率的降低,孔隙內(nèi)流體的排出受到限制,流體無(wú)法流出,使得孔隙壓力升高,從而產(chǎn)生異常高壓。

(2) 南天山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用。在強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力作用下,地層中的流體被嚴(yán)重?cái)D壓,在得不到釋放的情況下,形成了異常高壓流體,地層孔隙壓力升高,地應(yīng)力也隨之升高。

(3) 烴源巖生成的天然氣向儲(chǔ)層充注對(duì)超壓形成起著輔助作用。

2 異常高壓地層孔隙壓力測(cè)井計(jì)算

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力理論,巖石骨架應(yīng)力升高,地應(yīng)力大小隨之改變。梁何生等[7]對(duì)此作了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫ι邥r(shí)地應(yīng)力增加,當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫档蜁r(shí)地應(yīng)力減小。

2.1 基于聲波時(shí)差曲線和伊頓法計(jì)算地層孔隙壓力

地層孔隙壓力計(jì)算方法主要有等效深度法、伊頓(Eaton)法和有效應(yīng)力法等。等效深度法是在不同深度具有相同巖石物理性質(zhì)的泥頁(yè)巖的骨架所受到的有效應(yīng)力相等,該方法適用于初期勘探的地區(qū),在尚未取得原始地層壓力實(shí)測(cè)資料之前用來(lái)計(jì)算地層孔隙壓力;等效深度法只考慮了泥巖的垂直應(yīng)力,沒(méi)有考慮地層巖性、地溫、沉降速度等因素的影響,當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)較大、異常壓力點(diǎn)與等效深度點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí),誤差較大。Eaton法是目前比較常用的一種預(yù)測(cè)地層孔隙壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法,其原理是觀察參數(shù)的實(shí)際值和正常趨勢(shì)值的比率與地層孔隙壓力的關(guān)系,是由上覆巖層壓力梯度的變化決定的。Eaton法綜合考慮了除壓實(shí)作用以外其他高壓形成機(jī)制作用,并總結(jié)和參考了鉆井實(shí)測(cè)壓力與各種測(cè)井信息之間的關(guān)系,其公式中的系數(shù)包含了壓力形成的機(jī)制、超壓保存的條件和砂泥巖之間的水動(dòng)力學(xué)關(guān)系,是一種比較實(shí)用的方法。

針對(duì)工區(qū)多套地層壓力系統(tǒng),利用基于聲波時(shí)差測(cè)井曲線改進(jìn)Eaton法計(jì)算工區(qū)地層孔隙壓力pp,與實(shí)測(cè)的孔隙壓力相比,改進(jìn)的Eaton法計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,更適合工區(qū)實(shí)際地層異常高壓的情況。

考慮到工區(qū)目的層段為異常高壓地層,地層壓實(shí)程度大,聲波時(shí)差變化范圍比較小,單純調(diào)節(jié)壓實(shí)指數(shù)C容易使整個(gè)地層壓力剖面曲線變化起伏較大,不符合實(shí)際地層壓力縱向變化特征。為此,在計(jì)算工區(qū)碎屑巖剖面地層壓力時(shí)需對(duì)pp計(jì)算值進(jìn)行附加校正,校正量為Δp(一般在0～0.5 g/cm3)[1],由此建立的Eaton法預(yù)測(cè)地層孔隙壓力的非線性方程為

(1)

式中,p0為上覆地層壓力,MPa;ρi為地層密度,g/cm3,工區(qū)缺省值取2.5 g/cm3;ΔDi為深度采樣間隔,m;pw為地層水靜液柱壓力,MPa;ρw為地層水密度,g/cm3,工區(qū)取ρw=1.05 g/cm3;Δt為實(shí)測(cè)聲波時(shí)差測(cè)井值,μs/ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtn為正常壓實(shí)趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差值,μs/ft;C為壓實(shí)指數(shù),無(wú)因次,常取值為0.914,異常高壓時(shí)C可大于0.914;D為深度,m。

2.2 地層正常壓實(shí)趨勢(shì)線的構(gòu)建

正常壓實(shí)趨勢(shì)線的構(gòu)建是Eaton法計(jì)算地層孔隙壓力的關(guān)鍵。泥巖壓實(shí)實(shí)驗(yàn)研究表明,在正常壓實(shí)條件下,泥巖孔隙度隨上覆壓力(或埋深)呈遞減規(guī)律[8],可采用正常壓實(shí)井段泥質(zhì)層的測(cè)井值回歸計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)調(diào)整相結(jié)合的方法建立。圖1為DB地區(qū)正常壓實(shí)泥巖層聲波時(shí)差隨埋深變化的趨勢(shì)線圖,其方程

ln Δt=4.5278-0.000082D

(R=0.867;N=1)

(2)

式中,Δt為泥巖層正常壓實(shí)趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差值,μs/ft;D為泥巖層正常壓實(shí)趨勢(shì)線上的深度,m。

將實(shí)際地層深度值代入式(2)可求出正常壓實(shí)趨勢(shì)的聲波時(shí)差值,再由式(1)計(jì)算實(shí)際地層孔隙壓力pp。

圖1 大北地區(qū)泥頁(yè)巖地層正常壓實(shí)趨勢(shì)線圖

3 高陡構(gòu)造最大、最小水平主應(yīng)力的測(cè)井計(jì)算方法

地應(yīng)力垂直應(yīng)力由重力應(yīng)力構(gòu)成,水平應(yīng)力由構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成。對(duì)地應(yīng)力大小和方向的定量表征(地應(yīng)力的數(shù)值)包括最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力的大小和方向等。地應(yīng)力大小和方向的確定是計(jì)算地層坍塌壓力和破裂壓力及研究井壁力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

實(shí)測(cè)地應(yīng)力的成本較高,且獲得的數(shù)據(jù)有限,對(duì)未進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試的地層可通過(guò)利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)值,并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與標(biāo)定計(jì)算結(jié)果,得到沿井深連續(xù)分布的分層地應(yīng)力剖面。以往計(jì)算白堊系砂泥巖地層地應(yīng)力時(shí)主要采用黃氏模型,有

(3)

該模型認(rèn)為地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力和水平方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生,在同一斷塊內(nèi),應(yīng)力修正系數(shù)β1、β2為常數(shù)(即構(gòu)造應(yīng)力與垂向有效應(yīng)力成正比)。黃氏模型考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響,可以解釋在中國(guó)常見(jiàn)的三向應(yīng)力不等且最大水平應(yīng)力大于垂向應(yīng)力的現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn),地層傾角對(duì)地應(yīng)力的計(jì)算有較大影響。當(dāng)?shù)貙觾A角較小時(shí)影響較小,地層傾角較大時(shí)影響較大。主要原因是,對(duì)于大多數(shù)地層,地層是各向異性體或宏觀各向異性體,其各方向上的彈性參數(shù)是不相同的;當(dāng)?shù)貙泳哂幸欢▋A角時(shí),這種差別更為嚴(yán)重,因此,對(duì)大傾角地層其地應(yīng)力計(jì)算不能忽略地層傾角的影響。

大北地區(qū)經(jīng)歷了多期復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng),燕山、喜山運(yùn)動(dòng)的影響最為明顯,尤其是在喜山期,南天山造山帶強(qiáng)烈抬升,產(chǎn)生區(qū)域性的向南擠壓的應(yīng)力場(chǎng),導(dǎo)致坳陷內(nèi)發(fā)育典型的沖斷-褶皺構(gòu)造,多數(shù)地層存在不同程度的地層傾斜。大北地區(qū)大多數(shù)井地層傾角大于30 °,例如DB××1井目的地層傾角高達(dá)60 °、DB××2井目的地層傾角在30 °～40 °、DB××3井和DB××4井目的地層傾角都為30 °。

圖2 DB高陡地層地應(yīng)力狀態(tài)示意圖

地層傾角的存在減少了上覆巖層壓力(減小了垂直應(yīng)力對(duì)地層壓實(shí)作用的影響),增大了巖層的各向異性,在地層傾角較大區(qū)域應(yīng)適當(dāng)校正地層傾角對(duì)地應(yīng)力的影響。圖2中,針對(duì)大北地區(qū)地層傾角較大、地層異常高壓、地應(yīng)力強(qiáng)的實(shí)際情況,基于應(yīng)力分布的幾何空間三角函數(shù)關(guān)系,以地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和壓裂試采實(shí)測(cè)值為刻度基準(zhǔn),利用地層傾角測(cè)井和聲電成像測(cè)井解釋得到的地層傾角數(shù)據(jù),引入地層傾角DIP對(duì)地應(yīng)力的影響系數(shù)β3,建立適合大北地區(qū)高陡地層的地應(yīng)力計(jì)算模型,表示為

(4)

式中,SH、Sh分別為最大、最小水平主應(yīng)力,MPa;μ為泊松比,無(wú)量綱;pp、p0分別為地層孔隙壓力和上覆巖層壓力,MPa;β1、β2分別為最大和最小主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),無(wú)量綱,根據(jù)資料反演獲知β1=0.843,β2=0.431;β3為地層傾角對(duì)地應(yīng)力影響系數(shù),無(wú)量綱;DIP為地層傾角,由地層傾角測(cè)井資料或成像測(cè)井資料獲取,°;α為有效應(yīng)力系數(shù),無(wú)量綱,α=1-Cma/Cb,Cma、Cb分別為巖石骨架壓縮系數(shù)和地層壓縮系數(shù)。

通過(guò)地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)獲取某一深度點(diǎn)最大、最小水平地應(yīng)力值和上覆巖層壓力,利用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的同一深度點(diǎn)的泊松比與有效應(yīng)力系數(shù),并結(jié)合實(shí)測(cè)的孔隙壓力反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

上述模型不僅考慮了地層彈性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力計(jì)算的影響,也考慮了地層傾角對(duì)地應(yīng)力計(jì)算的影響。地層傾角為0 °時(shí),對(duì)地應(yīng)力的影響為0,上述計(jì)算地應(yīng)力模型即為黃氏模型,也就是說(shuō)黃氏模型為該模型的特列。當(dāng)?shù)貙觾A角增大時(shí),地層傾角DIP對(duì)地應(yīng)力的影響系數(shù)β3隨之變大,表明地層傾角對(duì)地應(yīng)力的影響變大。地應(yīng)力隨著地層傾角的變大而變小,即同一地層其他條件相同情況下,地層越高陡(地層傾角越大)地應(yīng)力越小。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

基于上述方法模型,對(duì)大北地區(qū)3口井測(cè)井資料進(jìn)行了處理。處理結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同計(jì)算地應(yīng)力的方法處理結(jié)果與實(shí)測(cè)地應(yīng)力值對(duì)比

表1中,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、水力壓裂及鄰井的鉆井壓漏實(shí)驗(yàn)等。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、有效應(yīng)力系數(shù)和泊松比相同條件下,采用考慮地層傾角對(duì)地應(yīng)力影響的高陡構(gòu)造地應(yīng)力計(jì)算模型計(jì)算出的地應(yīng)力值與實(shí)測(cè)較為符合,最大水平主應(yīng)力誤差不超過(guò)2.44%、最小水平主應(yīng)力誤差不超過(guò)3.8%,平均相對(duì)誤差為3.12%,誤差較小,高陡構(gòu)造地應(yīng)力模型處理結(jié)果比黃氏模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高,更為可靠。

DB××1井位于DB×圈閉東南翼(DBX圈閉是克拉蘇構(gòu)造帶上一個(gè)局部構(gòu)造,受南北2條邊界大斷層控制,為近北東向短軸背斜),井點(diǎn)海拔5 705 m(見(jiàn)圖3),井點(diǎn)位置在時(shí)間域地震剖面上構(gòu)造南北向、東西向均有回傾。

圖3 DB××1井在構(gòu)造中位置

圖4為DB××1井K1bs地層(7 230～7 390 m)地應(yīng)力的測(cè)井解釋剖面圖。圖4中第5道顯示了DB××1井地層傾角變化情況,可以看出,DB××1井在7 230～7 390 m段其地層傾角在50 °～65 °之間,實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)(7 235.72 m)處地層傾角為60 °,屬于典型的高陡地層。為此,在計(jì)算該井地應(yīng)力時(shí)應(yīng)該采用式(4)計(jì)算,這樣才能建立較為準(zhǔn)確的連續(xù)地應(yīng)力剖面。圖4中,三向應(yīng)力狀態(tài)為SH>p0>Sh。通過(guò)Kaiser地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)獲得7 235.72 m最大地應(yīng)力為207.19 MPa、最小地應(yīng)力為145.27 MPa,預(yù)測(cè)最大地應(yīng)力為204.9 MPa、最小地應(yīng)力為141.2 MPa,與實(shí)測(cè)地應(yīng)力相比較誤差分別為1.12%和2.77%,誤差小、精度高,能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求。

圖4 DB××1井K1bs地層(7 230～7 390 m段)地應(yīng)力測(cè)井解釋剖面

5 結(jié)論及建議

(1) 地層傾角的存在降低了上覆巖層壓力對(duì)地層的壓實(shí)作用,地應(yīng)力隨著地層傾角的變大而變小。大北構(gòu)造受北部的克拉蘇沖斷帶和南部的拜城凹陷控制,地層傾角大,大部分井的地層傾角高于30 °,測(cè)井預(yù)測(cè)地應(yīng)力時(shí)應(yīng)考慮地層傾角才能提高地應(yīng)力的計(jì)算精度。為此,建立了考慮地層傾角影響因素的地應(yīng)力測(cè)井計(jì)算模型。

(2) 大北地區(qū)E-K系地層存在明顯的異常高壓情況,計(jì)算地應(yīng)力時(shí)首先要求準(zhǔn)地層孔隙壓力。計(jì)算大北地區(qū)的E-K系地層孔隙壓力時(shí),需要考慮實(shí)際地層壓力縱向變化特征,并正確構(gòu)建地層正常壓實(shí)的聲波時(shí)差值變化的趨勢(shì)線。

(3) 本文模型計(jì)算出的地應(yīng)力值與地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較接近,誤差較小,且優(yōu)于黃氏模型,可以滿(mǎn)足石油工程應(yīng)用要求。

(4) 大北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地層傾角較大,且裂縫和斷層發(fā)育,在考慮地層傾角對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力的影響同時(shí),可考慮裂縫產(chǎn)狀與現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系及其對(duì)地應(yīng)力大小的影響。

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