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        元壩氣田地應(yīng)力測井計(jì)算研究

        2015-01-06 05:09:58智慧文胡永章
        物探化探計(jì)算技術(shù) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:氣田測井巖石

        智慧文,胡永章

        (中石化西南油氣分公司 工程技術(shù)研究院,德陽 618000)

        元壩氣田地應(yīng)力測井計(jì)算研究

        智慧文,胡永章

        (中石化西南油氣分公司 工程技術(shù)研究院,德陽 618000)

        運(yùn)用測井資料研究地應(yīng)力,對元壩氣田鉆井、儲(chǔ)層改造和開發(fā)有重要意義。利用測井資料對氣田地層的巖石力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、泊松比、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等)進(jìn)行了計(jì)算;用壓裂資料反演求取構(gòu)造應(yīng)變系數(shù);借鑒前人的研究成果,確定地層孔隙壓力和孔彈性系數(shù);應(yīng)用組合彈簧理論地應(yīng)力計(jì)算模型,建立元壩氣田地應(yīng)力計(jì)算方法。通過巖心聲發(fā)射法地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性,并從地層埋深、巖性變化方面分析了該區(qū)地應(yīng)力剖面特征,指導(dǎo)了后期套管選擇、鉆井施工方案等設(shè)計(jì)。

        元壩氣田;測井資料;地應(yīng)力模型;聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

        0 引言

        地應(yīng)力研究目前廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域,在油氣勘探、工程設(shè)計(jì)及油氣藏開發(fā)等方面發(fā)揮重要的作用。國內(nèi)、外學(xué)者將地應(yīng)力研究應(yīng)用于鉆井井壁穩(wěn)定性、儲(chǔ)層裂縫分布、地層出砂、套管外載與變形等問題的分析,研究成果豐富。目前國內(nèi)、外地應(yīng)力大小求取方法較多,主要分為實(shí)驗(yàn)測量和測井資料分析兩大類,①實(shí)驗(yàn)方法是測定地應(yīng)力最直接的手段,主要有聲發(fā)射法、差應(yīng)變法、壓裂法等,但測試費(fèi)用昂貴,且由于受地質(zhì)條件、巖心資料等影響,導(dǎo)致測量數(shù)量非常有限,不能得到連續(xù)的地應(yīng)力剖面[1-5];②測井資料分析方法具有連續(xù)性好、分辨率高的特點(diǎn),目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,并形成了金尼克模式、Anderson模式、黃氏模式、組合彈簧模式、微分模式等多種地應(yīng)力預(yù)測模型[6]。元壩氣田經(jīng)過近幾年的勘探開發(fā),在海陸相多個(gè)層位測試獲得工業(yè)氣流,展示出良好的開發(fā)前景。受特殊沉積環(huán)境以及區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,元壩氣田地應(yīng)力特征復(fù)雜,陸相地層巖石致密、井壁穩(wěn)定性差;海相儲(chǔ)層高溫、高壓、高含硫化氫,非均質(zhì)性強(qiáng),儲(chǔ)層段縱向地應(yīng)力剖面類型多樣,平面上地應(yīng)力橫向變化大,鉆井、儲(chǔ)層改造施工難度大。因此利用測井資料分析元壩氣田的地應(yīng)力特征,對該區(qū)勘探開發(fā)具有重要意義[7]。

        1 基于壓裂和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的單點(diǎn)地應(yīng)力分析

        單點(diǎn)水平地應(yīng)力計(jì)算和分析是地應(yīng)力剖面建立的基礎(chǔ)。根據(jù)元壩現(xiàn)場資料和實(shí)際情況,地層單點(diǎn)地應(yīng)力分析主要使用了壓裂資料反演法和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)法。

        1.1 壓裂資料反演法

        根據(jù)水力壓裂原理,水力裂縫產(chǎn)生時(shí)壓力系統(tǒng)存在如下關(guān)系式[1-2]:

        式中:Pf為巖石破裂壓力,MPa;σH、σh分別為最大、最小水平地應(yīng)力,MPa;PP為地層孔隙壓力,MPa;σt為巖石抗拉強(qiáng)度,MPa。

        根據(jù)壓裂及高壓注入壓力數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地確定破裂壓力和閉合應(yīng)力或者最小主應(yīng)力數(shù)值,利用式(1)就可以計(jì)算地應(yīng)力數(shù)據(jù)。當(dāng)壓裂過程中在井底產(chǎn)生垂直裂縫時(shí),一般認(rèn)為此時(shí)裂縫的閉合壓力即為最小水平主應(yīng)力。

        根據(jù)上述方法,對元壩構(gòu)造YBx2井的壓裂(酸壓)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別確定出施工深度點(diǎn)的破裂壓力及閉合應(yīng)力值,進(jìn)而可以計(jì)算出最小及最大水平主應(yīng)力值(表1),結(jié)果反映地應(yīng)力值隨深度增加而增大,陸相須家河組儲(chǔ)層最大水平地應(yīng)力值在125MPa左右,最小水平地應(yīng)力值在105MPa左右;海相長興組儲(chǔ)層的最大水平地應(yīng)力值在220 MPa左右,最小水平地應(yīng)力值在140MPa左右。

        表1 YBx2井水力壓裂資料反演計(jì)算的水平主應(yīng)力值Tab.1 YBx2well hydraulic fracturing crustal stress calculation

        1.2 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

        聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE),是指材料內(nèi)部的聲源快速能量釋放產(chǎn)生的一種瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。利用巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,是目前實(shí)驗(yàn)室確定地應(yīng)力的重要方法之一,其基本原理是在巖石聲發(fā)射資料圖上,確定出最接近現(xiàn)今的一期構(gòu)造活動(dòng)所對應(yīng)的凱賽爾效應(yīng)點(diǎn),再根據(jù)實(shí)驗(yàn)加載情況確定對應(yīng)的正應(yīng)力值,按公式(2)進(jìn)行地應(yīng)力值的估算和方位確定[1,4]。

        式中:σx、σxy、σy分別表示巖樣在0°、45°、90°三個(gè)方向的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)值,MPa;σH、σh為聲發(fā)射解釋的最大、最小水平主應(yīng)力,MPa;α為最大水平主應(yīng)力的方位角,/°,由主應(yīng)力方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到的方向?yàn)檎?,反之為?fù)。

        根據(jù)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)解釋地應(yīng)力結(jié)果(表2),須家河組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)垂向應(yīng)力為111.26MPa,最大水平地應(yīng)力為139.68MPa,最小水平地應(yīng)力為105.73MPa;長興組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)垂向應(yīng)力為177.9MPa,最大水平地應(yīng)力為211.47MPa,最小水平地應(yīng)力為135.17 MPa。對比壓裂資料反演法與聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)法確定的地應(yīng)力參數(shù)結(jié)果,兩種方法得到的地應(yīng)力值基本接近。

        2 地應(yīng)力模型優(yōu)選

        地應(yīng)力一般認(rèn)為由上覆巖層壓力、孔隙壓力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力等方面組成。對地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行定量表征,通常包括地應(yīng)力大小和方向,其中地應(yīng)力大小采用三個(gè)法向應(yīng)力表示,即最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂向應(yīng)力等。

        2.1 垂向地應(yīng)力

        垂向地應(yīng)力,也稱為上覆巖層重力,它同樣由重力、構(gòu)造作用產(chǎn)生。垂向地應(yīng)力在數(shù)值上等于地層重力,主要取決于地層深度和巖石密度,可以由地層密度測井資料計(jì)算得到[1],計(jì)算公式為式(3)。

        其中:σv為垂向地應(yīng)力大小,MPa;h為地層埋深,m;ρ(h)為巖石密度函數(shù),g/cm3;g為重力加速度,m/s2。

        2.2 水平地應(yīng)力模型

        利用測井資料計(jì)算地應(yīng)力方法較多,目前主要有莫爾-庫倫破壞模型、單軸應(yīng)變模型、地層各向異性模型等。莫爾-庫倫模型假設(shè)條件與實(shí)際不太相符,單軸應(yīng)變模型忽視構(gòu)造應(yīng)力作用,各向異性模型中黃氏模型、組合彈簧模型、葛氏模型、多孔彈性模型等應(yīng)用較為廣泛,其中組合彈簧模型在川西、川東北地區(qū)應(yīng)用效果良好,結(jié)合本區(qū)的基本地質(zhì)特征以及資料情況分析,本區(qū)地應(yīng)力屬于彈性地層的一種內(nèi)應(yīng)力,可以建立上邊界自由、水平方向受到水平地應(yīng)力約束的地質(zhì)模型[7-8](圖1)。

        圖1 組合彈簧模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined spring model

        組合彈簧模式是1988年石油大學(xué)在分析黃氏模式的基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)模式,假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的彈性體,并假定在沉積和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中,地層之間不發(fā)生相對位移,且地層兩個(gè)水平方向的應(yīng)變?yōu)槌?shù)。由廣義虎克定律可以得到:

        其中:σH、σh分別為最大、最小水平地應(yīng)力,MPa;εH、εh分別為最大、最小水平地應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)變系數(shù),無量綱;E為巖石的彈性模量,MPa;μ為巖石泊松比,無量綱。

        沉積巖地層為多孔彈性介質(zhì),地層孔隙壓力將影響地應(yīng)力大小,考慮孔隙壓力的地應(yīng)力計(jì)算公式為式(5)。

        式中:η為孔彈性系數(shù),無量綱;Pp為地層孔隙壓力,MPa;其他參數(shù)意義同上。

        3 關(guān)鍵參數(shù)求取

        根據(jù)地應(yīng)力模型,首先需要確定巖石力學(xué)參數(shù)、地層孔隙壓力、巖石孔彈性系數(shù)及構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)。

        3.1 巖石力學(xué)參數(shù)

        在巖心三軸抗壓實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,將巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合,利用非線性最小二乘法擬合校正[8],得出了適用于元壩地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)的測井預(yù)測模型(表3)。

        表3 元壩地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型Tab.3 The prediction model of Yuanba area rock mechanics parameters

        3.2 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和伊頓法。等效深度法認(rèn)為不管任何深度,地應(yīng)孔隙度相同,骨架應(yīng)力就相同,已有文獻(xiàn)指出壓實(shí)系數(shù)不為“1”時(shí),地層孔隙度與聲波時(shí)差并非線性關(guān)系,這樣會(huì)導(dǎo)致地層壓力預(yù)測不準(zhǔn)。通過預(yù)測效果對比,伊頓法理論靈活、精度更高,因此優(yōu)選伊頓法進(jìn)行元壩地區(qū)孔隙壓力預(yù)測。

        伊頓法計(jì)算地層孔隙壓力是在地層壓實(shí)理論、有效應(yīng)力理論和均衡理論基礎(chǔ)上建立起來的。伊頓法需要首先建立正常壓實(shí)趨勢線,并計(jì)算泥巖地層在實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)偏離正常壓實(shí)趨勢線時(shí)地層孔隙壓力的大?。?]。在建立地層正常壓實(shí)趨勢線基礎(chǔ)上,應(yīng)用伊頓法建立元壩地區(qū)海陸相地層孔隙壓力預(yù)測模型分別為:

        其中:PP為地層壓力,MPa;σν為垂向應(yīng)力,MPa;AC為縱波時(shí)差,us/ft;H為垂深,m;伊頓常數(shù)經(jīng)計(jì)算陸相取值1.260 7,海相取值1.819 3。

        表4 YB1X井預(yù)測地層壓力與實(shí)測壓力對比表Tab.4 Comparison between predicted and measured pressure of YB1Xwell

        根據(jù)元壩1X井預(yù)測地層壓力與實(shí)測壓力對比(表4)表明,采用伊頓法預(yù)測的地層壓力結(jié)果與實(shí)測地層壓力相比誤差較小,誤差小于10%,預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)90%以上,該預(yù)測模型能夠滿足元壩構(gòu)造地層孔隙壓力預(yù)測要求。

        3.3 巖石孔隙彈性系數(shù)

        孔隙彈性是多孔介質(zhì)的一個(gè)重要的特性。巖石的孔彈性系數(shù)與巖石受到的應(yīng)力、孔隙壓力密切相關(guān),是地應(yīng)力研究和工程設(shè)計(jì)中不可或缺的重要參數(shù)[10]。巖石孔彈性系數(shù)主要利用實(shí)驗(yàn)測定,再通過測井?dāng)?shù)據(jù)建立預(yù)測模型。

        從圖2可見,巖石孔彈性系數(shù)與聲波時(shí)差具有較好的相關(guān)性。利用聲波時(shí)差進(jìn)行巖石孔彈性系數(shù)預(yù)測的模型為式(14)。

        圖2 孔彈性系數(shù)與轉(zhuǎn)換后的聲波時(shí)差間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.2 Relationship between pore elastic coefficient and AC

        3.4 構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)

        根據(jù)組合彈簧模式地應(yīng)力大小預(yù)測模型,構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)是該模型中的重要參數(shù)。目前通常采用差應(yīng)變、聲發(fā)射等實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果求取地應(yīng)力,再反算構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)[11]。將YBx2井通過壓裂資料反演法分析的σH、σh代入組合彈簧模式的計(jì)算公式,即可求出εH、εh值。根據(jù)反算結(jié)果(表5),元壩地區(qū)構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)在各層位有差異,隨深度增加有增大趨勢,最大水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)在2.78×10-3~5.14× 10-3之間,最小水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)在0.62×10-3~1.07×10-3之間。

        表5 YBx2井構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.5 The calculation results of YBx2well tectonic strain coefficient

        4 地應(yīng)力剖面特征分析

        在地應(yīng)力預(yù)測模型研究的基礎(chǔ)上,對已完鉆的Ybxx2井全井地應(yīng)力進(jìn)行了分析研究(圖3),分別從地層埋深、巖性變化等方面分析了地應(yīng)力變化特征(表6)。

        表6 分巖性地應(yīng)力特征Tab.6 Division of lithologic of YBxx3well crustal stress characteristics

        1)地層埋深。計(jì)算結(jié)果表明,地應(yīng)力值隨深度增加而增大,但增大幅度有所變化,從地應(yīng)力梯度曲線可以看出,從淺層蓬萊鎮(zhèn)組-千佛崖組,地應(yīng)力梯度變化較小,但是自流井組-須家河組地應(yīng)力梯度逐漸變大,地應(yīng)力值增幅變大;海相雷口坡組以下地層,地應(yīng)力值隨深度增大的幅度降低,地應(yīng)力梯度相對較低且趨于穩(wěn)定。在淺層垂向應(yīng)力最??;隨著深度增加,垂向地應(yīng)力逐漸增大成為中間應(yīng)力,地應(yīng)力關(guān)系為最大水平地應(yīng)力>垂向地應(yīng)力>最小水平地應(yīng)力,屬典型走滑地應(yīng)力模式。

        2)地層巖性。元壩地層巖石類型多樣,陸相除了砂泥巖,在自流井組發(fā)育厚大礫巖層,海相以灰?guī)r、白云巖為主,嘉陵江組部分井段發(fā)育石膏層。通過統(tǒng)計(jì)各類巖性地應(yīng)力參數(shù)可以看出,總體上陸相地層由于埋藏較淺,地應(yīng)力值低于海相地層,但地應(yīng)力梯度明顯高于海相地層,其中砂巖、礫巖地層地應(yīng)力梯度高,特別是自流井-須家河組地層達(dá)到最大,鉆井中也出現(xiàn)可鉆性差、鉆速慢、井壁穩(wěn)定性較差等現(xiàn)象;泥巖、泥灰?guī)r地層地應(yīng)力梯度最??;膏巖地層水平應(yīng)力相對較大,可能與膏巖層的流變性能及長期蠕變有關(guān),鄰區(qū)普光氣田在嘉陵江組膏鹽層蠕變,數(shù)十口氣井的生產(chǎn)套管在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了不同程度“屈曲”或“剪切”變形[12]。因此在高應(yīng)力膏巖井段應(yīng)考慮高強(qiáng)度的套管,以免套管變形。

        圖3 Ybxx2井測井解釋的地應(yīng)力剖面Fig.3 The crustal stress section of YBxx3well logging data interpretation

        3)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證。本井在長興組儲(chǔ)層段6 692 m~6 780m進(jìn)行了壓裂改造,反演求得最大地應(yīng)力為213.53MPa、最小地應(yīng)力為144.82MPa,預(yù)測最大地應(yīng)力為208.73MPa、最小地應(yīng)力為137.98 MPa,與實(shí)測地應(yīng)力相比較相對誤差分別為2.25% 和4.72%,誤差低于5%,能夠滿足工程應(yīng)用的要求。

        5 結(jié)論

        1)依據(jù)元壩氣田地質(zhì)特征,選擇了考慮孔隙壓力的組合彈簧地應(yīng)力模型,利用測井資料計(jì)算了地應(yīng)力各種巖石物理彈性參數(shù),結(jié)合儲(chǔ)層壓裂資料,反演了地應(yīng)力模型中的構(gòu)造應(yīng)變系數(shù),從而建立了完整的地應(yīng)力測井計(jì)算方法,并對元壩氣田YBxx2井的地應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與巖心聲發(fā)射法地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)基本相符,證明該方法在元壩氣田地應(yīng)力計(jì)算方面準(zhǔn)確可靠。

        2)根據(jù)地應(yīng)力測井分析結(jié)果,認(rèn)為元壩氣田地應(yīng)力隨深度增加增大,總體上地應(yīng)力關(guān)系為最大水平地應(yīng)力>垂向地應(yīng)力>最小水平地應(yīng)力。陸相自流井組-須家河組的砂巖、礫巖地層地應(yīng)力梯度最大,鉆井中制定針對性的施工方案;海相地層地應(yīng)力梯度變化不大,但石膏地層地應(yīng)力梯度相對較高,宜選擇高強(qiáng)度套管,以免出現(xiàn)套管變形。

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        Study on well logging with crustal stress calculation in Yuanba gas field

        ZHI Hui-wen,HU Yong-zhang
        (Engineering Technology Institute of Southwest Petroleum Branch,SINOPEC,Deyang 618000,China)

        Using the logging data to study crustal stress has important significance for drilling,reservoir transformation and development in Yuanba gas field.In this paper,the formation of rock mechanics parameters(compressive strength,tensile strength,Poisson ratio,elastic modulus,cohesion,internal friction angle)were calculated by logging data.Using fracturing data invert tectonic strain coefficient.The pore pressure and pore elastic coefficient were determined by previous studies.Application of combined spring theory,build crustal stress calculation model of Yuanba gas field.The accuracy of this method is testified through rock acoustic emission earth stress experiment.From the depth of stratum,lithology analysis of the stress profile characteristics of this area,design guide post casing selection,drilling construction project etc.

        Yuanba gas field;logging data;crustal stress model;acoustic emission

        P 631.8

        :ADOI:10.3969/j.issn.1001-1749.2015.06.12

        1001-1749(2015)06-0743-06

        2014-11-14改回日期:2015-02-04

        中國石化“十條龍”項(xiàng)目(P11054)

        智慧文(1980-),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事油氣井工程地質(zhì)的設(shè)計(jì)與科研工作,E-mail:awen.2000@163.com。

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