王浩, 王才志, 劉英明, 王秀琴

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2.大慶鉆探工程公司測井公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

地應力是油氣勘探開發(fā)中的一項重要參數(shù),廣泛應用于油藏、鉆井、開發(fā)等各個方面,隨著勘探開發(fā)的不斷深入和勘探目標的日益復雜,對地應力分析提出了更高的要求[1]。地應力與儲層裂縫發(fā)育情況、鉆井過程中的井壁穩(wěn)定、注水開發(fā)中的井網(wǎng)設計與調(diào)整、產(chǎn)層出砂預測、射孔壓裂規(guī)模及參數(shù)選取等密切相關[2-5],準確進行地應力分析對油氣勘探開發(fā)具有重要意義。地應力測量方法主要有水力壓裂法[6-8]、聲發(fā)射Kaiser效應法等[9-10]。2種方法雖然獲取的地應力數(shù)值比較準確,但無法獲得連續(xù)的地應力剖面,且測試時間長,成本高。測井資料因其測量深度大、測量深度連續(xù)、成本低等特點,常用其進行地應力計算,得到反映地應力隨深度變化的連續(xù)剖面。

1 地應力的測井計算方法

利用測井資料計算地應力,利用密度測井曲線計算上覆地層壓力,根據(jù)地層條件合理選擇模型計算地層水平應力。

1.1 上覆地層壓力計算

密度測井曲線計算上覆地層壓力[11]

(1)

式中,σv為上覆地層壓力;H為目的層深度;g為重力加速度。

實際計算中,一般利用插值方法構(gòu)建測量井段以上的密度曲線。

1.2 水平應力計算

根據(jù)研究地區(qū)的實際情況,采用組合彈簧模型計算地層的水平應力。該模型假設巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體,并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運動過程中,地層和地層之間不發(fā)生相對位移,所有地層2個水平方向的應變均為常數(shù)。由廣義虎克定律得[11]

(2)

式中,σH為最大水平應力,MPa;σh為最小水平應力,MPa;σv為上覆地層壓力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;α為Biot系數(shù);E為巖石靜態(tài)彈性模量,GPa;ν為巖石靜態(tài)泊松比;εH為最大水平應力方向構(gòu)造應力系數(shù);εh為最小水平應力方向構(gòu)造應力系數(shù)。

1.3 水平構(gòu)造應力系數(shù)

利用上述模型計算地層水平應力,上覆地層壓力、地層孔隙壓力、Biot系數(shù)、巖石彈性模量與泊松比等均可由測井資料計算得到。水平方向構(gòu)造應力系數(shù)往往利用實際地應力測試資料結(jié)合式(2)反算得到,利用該系數(shù)和式(2)即可獲得沿深度變化的地應力剖面。

2 合成井壁破壞圖像確定構(gòu)造應力系數(shù)

實際中,很多情況沒有完整的地應力測試資料,水平方向構(gòu)造應力系數(shù)確定比較困難。本文通過調(diào)整構(gòu)造應力系數(shù)計算地應力,利用地應力計算結(jié)果結(jié)合井壁破壞模式合成井壁破壞圖像,結(jié)合電成像測井資料也能反映井壁破壞情況的特點,將二者進行對比,當二者反映的井壁破壞情況相符時,此時的構(gòu)造應力系數(shù)可作為該區(qū)水平構(gòu)造應力系數(shù)。

2.1 井壁破壞模式

實際鉆井過程中,鉆井液替代了原來井眼處的巖石,3個大小不等的主應力支撐的巖石被三向應力相同的流體替代,導致應力集中,井壁地層內(nèi)應力變化可使井周巖石變形,并可能引起井壁失穩(wěn)[12]。

井壁不穩(wěn)定分為2種情況:①巖層剪切破壞引起的井壁剝落或垮塌;②井壁巖層發(fā)生張性破裂,造成泥漿漏失。

由莫爾-庫倫準則,有[13]

(3)

令

(4)

式中,σ3為最小主應力,MPa;φ為巖石內(nèi)摩擦角,弧度;C0為巖石單軸抗壓強度,MPa。

當Δ1<0時,地層發(fā)生剪切破壞。

由最大拉應力理論,有[13]

σ3+St=0

(5)

Δ2=σ3+St

(6)

式中,σ3為最小主應力,MPa,St為巖石抗拉強度,MPa。

當Δ2<0時,巖石發(fā)生拉張破壞。

按照莫爾-庫倫準則和最大拉應力理論,根據(jù)不同主應力間的大小關系,據(jù)Tom Bratton,Bernt S Aadnoy等[14-15]分析,地層共有6種剪切破壞模式和3種拉張破壞模式(見表1)。

2.2 單深度點井壁破壞情況分析

根據(jù)實際鉆井泥漿密度,對井周應力狀態(tài)進行分析,根據(jù)應力狀態(tài)結(jié)合井壁破壞模式判斷實際井周對應的破壞模式,再由Δ1和Δ2值大小確定井周破壞程度。圖1為以單深度點為例,井壁破壞情況分析結(jié)果。圖1中深度為3 000 m,井斜角0°,井斜方位角0°,最大水平主應力方位0°,孔隙壓力40 MPa,上覆地層應力65 MPa,最大水平主應力55 MPa,最小水平主應力50 MPa,內(nèi)摩擦角30°,Biot系數(shù)1.0,泊松比0.25,單軸抗壓強度30 MPa,抗張強度3 MPa。

圖1反映井壁破壞模式和破壞程度與井周方位角(井壁上一點徑向與最大水平主應力方向的夾角)的關系。由資料得知,該深度點安全鉆井泥漿密度介于1.52～2.14 g/cm3。圖1(a)至(f)分別對應實際鉆井泥漿密度為1.05、1.2、1.6、2.0、2.1、2.3 g/cm3時某深度上井壁的破壞情況。圖1(a)和(b)的泥漿密度較低,圖1(a)發(fā)生Ⅰ型剪切破壞和Ⅸ型拉張破壞,且在與最大水平主應力垂直方位上,剪切破壞最嚴重,此時井壁拉張破壞程度在井周各個方向上相同。圖1(b)發(fā)生Ⅰ型剪切破壞不發(fā)生拉張破壞,在與最大水平主應力垂直方位上,剪切破壞最嚴重,且破壞程度較圖1(a)輕。圖1(c)和(d)既不發(fā)生剪切破壞也不發(fā)生拉張破壞。圖1(e)和(f)的泥漿密度較高,圖1(e)發(fā)生Ⅶ型拉張破壞,破壞方位與最大主應力方位平行。圖1(f)發(fā)生Ⅱ型剪切破壞和Ⅶ型拉張破壞,拉張破壞程度較圖1(e)嚴重,且在與最大水平主應力平行方位上,剪切破壞程度最嚴重。

表1 井壁破壞模式類型

圖1 井壁破壞模式和程度與井周方位角的關系

圖1反映的情況與安全鉆井泥漿密度窗口反映情況相符,即當實際鉆井泥漿密度低于安全鉆井泥漿密度窗口下限時,井壁發(fā)生剪切破壞,當實際鉆井泥漿密度高于安全鉆井泥漿密度窗口上限時,井壁發(fā)生拉張破壞。泥漿密度過高時,也可能發(fā)生剪切破壞,且剪切破壞程度可能在與最大水平應力平行的方位上最嚴重。

2.3 目的層段井壁破壞圖像合成

在單深度點井壁破壞情況分析的基礎之上,通過對目的層段進行分析,將各深度上井周各點的破壞模式和破壞程度以不同的色度和灰度表示,得到該層段的井壁破壞圖像(見圖2)。該層段地層最大主應力方位100°,圖2中第3道和第5道實際鉆井泥漿密度為2.2 g/cm3時目的層段單深度點分析結(jié)果;第4道和第6道為利用單深度點分析結(jié)果合成的井壁剪切破壞圖像和拉張破壞圖像。圖2中不同顏色代表不同的井壁破壞類型,顏色深淺代表井壁的破壞程度,顏色出現(xiàn)的方位代表井壁破壞發(fā)生的方位。從圖2可以看到,當實際鉆井泥漿密度較大時,該井井壁發(fā)生Ⅴ型剪切破壞和Ⅶ型拉張破壞,剪切破壞和拉張破壞程度均在與最大水平主應力平行方位上達到最大,此時切向應力為最小主應力,拉張破壞為泥漿密度較大在井壁上產(chǎn)生的垂直壓裂縫。

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2.4 水平構(gòu)造應力系數(shù)確定

將地應力計算結(jié)果合成的井壁破壞圖像與電成像測井資料進行對比,當二者反映井壁破壞情況相符時,即可確定目標區(qū)塊的水平構(gòu)造應力系數(shù)。

圖3中第2道為計算的水平應力大小,第4道和第5道分別為井壁破壞圖像和該井電成像測井資料。圖3中可以發(fā)現(xiàn),井壁破壞圖像反映該深度段井壁發(fā)生Ⅶ型拉張破壞,即實際泥漿密度過大在井壁上產(chǎn)生垂直壓裂縫,電成像測井資料上也可見鉆井產(chǎn)生的泥漿誘導縫,且誘導縫的延伸長度等與井壁破壞圖像反映的情況相符,則此時的構(gòu)造應力系數(shù)可作為該地區(qū)的水平構(gòu)造應力系數(shù)。實際計算中,當二者反映的情況不相符時,則需要調(diào)整水平構(gòu)造應力系數(shù)重新進行地應力計算,直到由地應力計算結(jié)果合成的井壁破壞圖像與電成像測井資料反映的情況相符,從而確定實際區(qū)塊的構(gòu)造應力系數(shù)。

圖2 井壁破壞圖像合成

圖3 井壁破壞圖像和電成像資料對比匹配

3 應用實例

利用本文討論的地應力分析方法對研究區(qū)域多口井進行了處理。圖4為M5井處理解釋結(jié)果,其中,計算所需的巖石強度、巖石彈性等參數(shù)均由測井資料得出。

圖4中第2道為水平方向最大、最小構(gòu)造應力系數(shù)分別為0.25和0.1時計算的地應力,第4道為此時的地應力計算結(jié)果合成的井壁破壞圖像;第3道為水平方向最大、最小構(gòu)造應力系數(shù)為0.35和0.15時計算的地應力;第5道為此時的地應力計算結(jié)果合成的井壁破壞圖像。該深度段的實際鉆井泥漿密度為2.32 g/cm3。由第5道發(fā)現(xiàn),當最大、最小水平方向構(gòu)造應力系數(shù)為0.35和0.15時,由于實際鉆井泥漿密度較大,由該水平構(gòu)造應力系數(shù)計算的地應力合成的井壁破壞圖像反映井壁產(chǎn)生Ⅶ型破壞,即在井壁產(chǎn)生垂直壓裂縫,但第5道的井壁破壞圖像反映的裂縫延伸長度與電成像資料反映的情況明顯不符,因此,需要對地應力重新進行計算。通過不斷調(diào)整水平方向構(gòu)造應力系數(shù)大小,當水平方向最大、最小構(gòu)造應力系數(shù)分別為0.25和0.1時,由該水平構(gòu)造應力系數(shù)計算的地應力合成的井壁破壞圖像同樣反映井壁產(chǎn)生Ⅶ型破壞,即井壁產(chǎn)生垂直壓裂縫,且第4道的井壁破壞圖像反映的裂縫類型和裂縫延伸長度均與電成像測井資料反映的情況相符,則0.25和0.1可作為該區(qū)的水平構(gòu)造應力系數(shù),第2道的地應力計算結(jié)果可作為該井的地應力剖面。

圖4 M5井綜合分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 利用測井資料測量深度大、測量深度連續(xù)、成本低等特點,可以快速、經(jīng)濟地進行地應力計算。

(2) 提出了一種分析地應力的新方法,利用地應力、巖石強度等參數(shù)合成井壁破壞圖像,結(jié)合電成像資料也能反映井壁破壞情況的特點,將二者進行對比,確定水平方向構(gòu)造應力系數(shù),再由該構(gòu)造應力系數(shù)得到地應力剖面,為地應力分析提供了一種新的思路。

(3) 當?shù)貞τ嬎憬Y(jié)果準確時,利用本文方法合成井壁破壞圖像進行井壁穩(wěn)定性分析能直觀反映井壁破壞模式和破壞程度,給鉆井及其后續(xù)工作提供有效指導。

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