趙軍龍，蔡振東，張亞旭，杜 禹，趙晨陽

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油工程系，陜西 延安 716000)

鄂爾多斯盆地C區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)剖面建立方法

趙軍龍1，蔡振東1，張亞旭2，杜 禹1，趙晨陽1

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油工程系，陜西 延安 716000)

為了精確預(yù)測(cè)鄂爾多斯C區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖石力學(xué)表征參數(shù)，在文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出巖石力學(xué)性質(zhì)表征參數(shù)的預(yù)測(cè)方法，并結(jié)合研究區(qū)資料，利用縱波時(shí)差和體積密度聯(lián)合預(yù)測(cè)橫波時(shí)差、密度與縱橫波速度聯(lián)合預(yù)測(cè)巖石彈性參數(shù)、自然伽馬和體積模量預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度參數(shù)。研究表明：巖石彈性參數(shù)預(yù)測(cè)方法主要包括密度與縱橫波速度聯(lián)合預(yù)測(cè)法、泥質(zhì)含量估算泊松比預(yù)測(cè)法；巖石強(qiáng)度參數(shù)主要利用泥質(zhì)含量和楊氏模量預(yù)測(cè)?；谏鲜龇椒ń⒌腃區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度剖面較好地揭示了單井巖石力學(xué)參數(shù)縱向變化特征。

巖石力學(xué)參數(shù)；測(cè)井資料；預(yù)測(cè)；長(zhǎng)8油藏；鄂爾多斯盆地

巖石力學(xué)參數(shù)直接影響油藏地應(yīng)力分布，是石油工程分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在石油勘探領(lǐng)域，通過巖石力學(xué)可以更加清楚地認(rèn)識(shí)地下圈閉構(gòu)造，掌握油氣生成和運(yùn)移的環(huán)境；在油氣藏開發(fā)方面，巖石力學(xué)在防止和降低鉆采事故、防止儲(chǔ)集層破壞等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)層巖石是由多介質(zhì)構(gòu)成的不連續(xù)體，存在大量斷層、裂隙、孔隙、地下水等，使其性質(zhì)更為復(fù)雜，需要選擇合適的巖石力學(xué)參數(shù)來預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度。巖石力學(xué)參數(shù)包括巖石彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)。巖石力學(xué)參數(shù)的確定方法通常有試驗(yàn)測(cè)定法、理論解析法、理論與實(shí)測(cè)相結(jié)合的反分析法[1-5]。隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，測(cè)井資料可以提供更多井下巖石力學(xué)信息，這些信息直接反映巖石的一些物理性質(zhì)，同時(shí)也是與巖石力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)的粒度、成分、孔隙類型、膠結(jié)物、密度等要素沿鉆孔剖面的連續(xù)綜合反映。因此，利用測(cè)井資料判斷巖石強(qiáng)度日益受到重視[6-17]。時(shí)軍虎、何彩華等[18-19]提出利用測(cè)井信息獲取的聲波時(shí)差、密度、井徑、電阻率、自然伽馬等測(cè)井響應(yīng)信息定性或定量解釋巖石強(qiáng)度。利用測(cè)井資料確定巖石力學(xué)參數(shù)的方法包括兩類:一是通過彈性波動(dòng)理論推導(dǎo)出有關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)理論計(jì)算公式；二是通過大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出各參數(shù)與測(cè)井中相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。本文詳細(xì)闡述了巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)方法，以鄂爾多斯C區(qū)長(zhǎng)8油藏儲(chǔ)隔層巖石為對(duì)象，基于研究區(qū)資料選擇預(yù)測(cè)模型，開展C區(qū)長(zhǎng)8油藏儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)方法研究。

1 巖石力學(xué)性質(zhì)表征參數(shù)

巖石的力學(xué)性質(zhì)包括巖石的變形特性和強(qiáng)度特征。巖石變形特性是指巖石試件在載荷作用下的變形規(guī)律，包括彈性變形、塑性變粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律，反映了巖石的力學(xué)屬性。巖石強(qiáng)度是指巖石試件在載荷作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力(強(qiáng)度極限)以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反應(yīng)了巖石承受各種載荷的特性以及巖石抵抗破壞的能力和破壞的規(guī)律。

反映巖石力學(xué)屬性參數(shù)也稱彈性參數(shù)，包括楊氏模量(Young's modulus)E、體積模量(bulk modulus)K、剪切模量(shear modulus)G、泊松比(Poisson ratio)μ[21]。反映巖石強(qiáng)度特性的參數(shù)稱為巖石強(qiáng)度參數(shù)，一般包括抗壓強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度)、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，其中抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度往往是確定巖石工程穩(wěn)定性的主要因素。

1)彈性參數(shù)之間的關(guān)系

在一定受力范圍內(nèi)，大多數(shù)巖石可看成彈性體，其彈性參數(shù)之間有如下關(guān)系：

由4種彈性參數(shù)之間的關(guān)系可以看出，只要知道其中2個(gè)，便可以求出其余2個(gè)。

2)強(qiáng)度參數(shù)概念

巖石強(qiáng)度參數(shù)包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度等，見表1。

表1 常用巖石強(qiáng)度參數(shù)(據(jù)文獻(xiàn)[22-23]整理)

2 巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)方法

2.1 巖石彈性參數(shù)的預(yù)測(cè)方法

巖石力學(xué)參數(shù)厘定方法通常包括動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法2種[24]。利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石彈性參數(shù)的方法屬于動(dòng)態(tài)法，所得參數(shù)為動(dòng)態(tài)參數(shù)。一般基于測(cè)井信息的巖石彈性參數(shù)預(yù)測(cè)方法主要包括2種：利用巖石密度及縱橫波速度預(yù)測(cè)巖石彈性參數(shù)、利用泊松比μ預(yù)測(cè)巖石彈性參數(shù)。

1)利用密度、縱波速度及橫波速度資料確定巖石的彈性參數(shù)

由于在多數(shù)情況下都缺少橫波速度信息，因此，做好橫波速度信息預(yù)測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確求取巖石彈性參數(shù)非常重要。

(1)橫波時(shí)差(橫波速度)預(yù)測(cè)方法

①基于地震信息預(yù)測(cè)橫波速度

開展縱橫波速度的反演可獲得橫波速度，姜秀娣等[25]利用不同角度域P波資料反演縱橫波速度，王玉梅等[26]發(fā)展了巖石物理橫波速度曲線計(jì)算技術(shù)；郭棟[27]從模型估算、測(cè)井約束反演和疊前波形反演三個(gè)方面進(jìn)行橫波速度計(jì)算，建立了橫波速度計(jì)算方法；王宇峰[28]提出應(yīng)用模擬退火法反演橫波速度，用VSP資料反演橫波速度。

②利用縱橫波時(shí)差比預(yù)測(cè)橫波時(shí)差

在工區(qū)內(nèi)，對(duì)每種巖石類型的巖心取樣，然后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其橫波時(shí)差和縱波時(shí)差，求出比值R縱橫波=Δts/Δtp=Up/Us。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，直接利用該比值，依縱波時(shí)差求得橫波時(shí)差。

③利用縱波時(shí)差Δtp和密度ρ聯(lián)合預(yù)測(cè)橫波時(shí)差Δts

基于縱波時(shí)差和密度預(yù)測(cè)橫波時(shí)差的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：Δtp為縱波時(shí)差，μs/m;ρ為密度，g/cm3。a=2.121 5，b=45.324 8，c=-167.312。值得指出，第一個(gè)模型適于密度不太高的砂泥質(zhì)剖面，第二個(gè)模型適于較高密度的地層。

(2)基于密度、縱橫波速度的彈性參數(shù)預(yù)測(cè)模型

根據(jù)密度測(cè)井、縱波速度測(cè)井及橫波速度測(cè)井資料，可以按表3中模型直接計(jì)算出巖石的4個(gè)彈性模量[29-34]。

表3 常用彈性模量解釋模型(據(jù)文獻(xiàn)[29-34]等整理)

此外，還可以用出砂指數(shù)B估計(jì)巖石強(qiáng)度。出砂指數(shù)大，說明巖石強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。出砂指數(shù)B計(jì)算公式為

式中：B為出砂指數(shù)，MPa；E為楊氏模量，MPa ；μ為泊松比。

2)通過估算泊松比μ確定楊氏模量、體積模量、切變模量

泊松比在一定程度上可反映巖石的可塑性。巖石可塑性與其泥質(zhì)含量有關(guān)，因而可根據(jù)巖石的相對(duì)泥質(zhì)含量Q估算泊松比μ，它們之間存在如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[35]

μ=0.125Q+0.27。

利用自然伽馬測(cè)井(或自然電位測(cè)井、電阻率測(cè)井)得出泥質(zhì)含量Vsh、聲波測(cè)井得到聲波孔隙度Фs、密度測(cè)井得到密度孔隙度ФD。在分散泥質(zhì)情況下，由于聲波測(cè)井孔隙度Фs反映巖石的總孔隙度，密度測(cè)井孔隙度ФD則反映巖石的有效孔隙度，相對(duì)泥質(zhì)含量為

綜上，預(yù)測(cè)巖石彈性參數(shù)的一般思路見圖1。

圖1 巖石彈性參數(shù)預(yù)測(cè)思路

2.2 巖石強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)方法

巖石強(qiáng)度參數(shù)一般采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本較高，大多采用經(jīng)驗(yàn)公式。顧謙隆[36]提出巖石強(qiáng)度可以根據(jù)井徑測(cè)井來定性判別，一般隨著巖石強(qiáng)度的減小，孔徑有增大趨勢(shì)。巖石強(qiáng)度參數(shù)定量計(jì)算模型見表4。

此外，巖石強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)還有一些新的方法，例如：超聲波預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度[39]、現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的模糊識(shí)別技術(shù)[40]、灰色關(guān)聯(lián)分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度參數(shù)。

3 長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)剖面的建立

巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)方法有不同的適用條件。直接通過密度、縱橫波速度計(jì)算巖石彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)的方法過程簡(jiǎn)單、誤差最小。由于研究區(qū)缺少橫波測(cè)井資料，因此應(yīng)首先開展橫波時(shí)差預(yù)測(cè)。研究區(qū)缺少地震勘探數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，前述橫波時(shí)差預(yù)測(cè)方法①、②均不適用，本文選用方法③來預(yù)測(cè)橫波時(shí)差，然后開展相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算。

表4 常用巖石強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算模型(據(jù)文獻(xiàn)[37-38]整理)

利用上述方法得到巖石力學(xué)參數(shù)，繪制出巖石力學(xué)參數(shù)剖面，實(shí)例見圖2。

圖2 C井巖石力學(xué)參數(shù)剖面

根據(jù)單井巖石力學(xué)參數(shù)剖面，可進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出不同層位的巖石力學(xué)參數(shù)值，實(shí)例見表5。在單井巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，可以對(duì)全區(qū)的巖石力學(xué)平面分布特征進(jìn)行精細(xì)刻畫。

表5 井1在不同層位巖石力學(xué)參數(shù)平均值

從表5可以看出，巖石力學(xué)參數(shù)在不同深度具有一定的差異。值得指出，由于泥巖段的聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)易受到井徑變化的影響，據(jù)此預(yù)測(cè)的泥巖段巖石力學(xué)參數(shù)失真，但儲(chǔ)集層段(砂巖)的聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)可靠。

4 結(jié) 論

(1)巖石彈性參數(shù)預(yù)測(cè)方法包括密度與縱橫波速度法聯(lián)合預(yù)測(cè)法、泥質(zhì)含量估算泊松比μ預(yù)測(cè)法兩類。當(dāng)缺少橫波速度資料時(shí)，可考慮利用地震資料預(yù)測(cè)橫波速度、利用縱橫波時(shí)差比預(yù)測(cè)橫波速度、利用縱波時(shí)差和密度聯(lián)合預(yù)測(cè)橫波速度。巖石強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)主要是利用泥質(zhì)含量和楊氏模量先預(yù)測(cè)單軸抗壓參數(shù)，再預(yù)測(cè)抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。

(2)本文先利用縱波時(shí)差和密度聯(lián)合預(yù)測(cè)橫波時(shí)差，再利用密度與縱橫波速度計(jì)算楊氏模量、體積模量、剪切模量和泊松比，并計(jì)算巖石強(qiáng)度參數(shù)，最終建立的巖石力學(xué)參數(shù)剖面較好地揭示了單井巖石力學(xué)縱向特征。

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責(zé)任編輯：王 輝

2015-01-19

國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助(編號(hào)：KF2014-3)

趙軍龍(1970-)，男，博士，教授，主要從事地球物理測(cè)井、測(cè)井地質(zhì)研究。E-mail:zjl1970@163.com

1673-064X(2015)03-0047-06

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