肖承文, 楊林, 萬金彬, 韓闖, 王謙, 夏宏泉, 王偉

(1.塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院, 新疆 庫爾勒 841000; 2.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077;3.西南石油大學, 四川 成都 610500)

0　引　言

庫車前陸盆地高陡構造地層壓力體系復雜,其白堊系深井砂巖儲層高溫高壓(壓力系數(shù)>1.65)、地應力較強且地層傾角較大(高達60°)。在強水平地應力和重力壓實的作用下,儲層特征表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率,且天然裂縫較發(fā)育[1-3]。地層傾角的存在增加了垂直應力對地層壓實作用的影響,增大了地層的各向異性,所以在地層傾角較大區(qū)域(地層傾角>5°)應適當考慮其對地應力的影響。同時,由于地應力是維持天然裂縫開啟或閉合的主控因素,通過對地應力大小和方向的研究,可推斷地層裂縫的發(fā)育與分布規(guī)律[4],從地應力角度評價儲層有效性時必須考慮裂縫與地應力的關系。準確計算高陡地層地應力是應用地應力分析山前高陡地質背景下低孔隙度、低滲透率儲層有效性的關鍵技術之一[3]。本文以庫車前陸盆地高陡構造白堊系異常高壓地層的地應力計算和儲層有效性評價為重點研究對象,開展了關鍵技術探討,旨在解決這種地質背景下的低孔隙度裂縫性砂巖儲層有效性評價難題,形成一套基于測井解釋的地應力評價儲層有效性的方法。

1　高陡構造異常高壓地層地應力計算

地應力計算有2種模式:①2個水平主應力相等的單軸應變模式,主要有A HGennik模型、Matthews & kelly模型、Terzaghi模型、Anderson模型和Newberry模型,這種模式?jīng)]考慮構造應力的作用;②比較精細的分層計算模式有黃氏模型、組合彈簧模型、微分模型和葛洪魁模型等[2-6],該模式雖然考慮構造應力對水平地應力的影響,但沒有考慮地層傾角和裂縫傾角對地應力的影響。樓一珊、鄭琦怡[6-7]分別提出了結合區(qū)域地質情況并考慮地層傾角和構造運動劇烈程度的地應力計算模型,但對構造應力系數(shù)的校正量過大,且忽視了高陡構造裂縫的存在對地應力的影響,實用性不強。

充分考慮庫車前陸盆地山前高陡構造地區(qū)地層傾角較大、地層異常高壓和高角度裂縫發(fā)育對地應力的影響[3,8-12],基于應力分布的空間幾何三角函數(shù)關系,以地應力實驗和壓裂實測值為刻度基準,利用地層傾角測井和電成像測井解釋得到的地層傾角和裂縫傾角等數(shù)據(jù),引入地層傾角φDIP,f1和裂縫傾角φDIP,f2對地應力的影響系數(shù)C1、C2,建立適合山前高陡地層的地應力計算模型(見圖1)

(1)

式中,σh、σH分別為最小、最大水平地應力,MPa;μ為泊松比,無量綱;pp、po分別為地層孔隙壓力和上覆巖層壓力(工區(qū)異常高壓采用改進的基于聲波時差曲線的伊頓法求取[1]),MPa;A、B為構造應力系數(shù),無量綱,根據(jù)資料反演獲知A=0.431,B=0.843;φDIP,f1為地層傾角,(°);φDIP,f2為裂縫傾角,(°),由傾角測井或成像測井資料獲取;α為有效應力系數(shù)(變值,由程序計算),無量綱。

圖1　高陡構造地應力計算模型示意圖

當?shù)貙觾A角小于5°時,則不考慮地層傾角和裂縫傾角對地應力的影響程度,令C12=0,式(1)轉換成黃氏地應力模型(即黃氏模型是其特例)。

根據(jù)研究區(qū)的地質構造和地應力分布狀態(tài),采用式(1)地應力解釋模型,由縱橫波時差和密度測井等曲線來計算水平地應力σh、σH,發(fā)現(xiàn)計算結果與實測值的誤差較小(見表1,同時有σh、σH實測值來自于巖心Kaiser實驗結果,僅有σh實測值取自壓裂施工曲線),優(yōu)于黃氏模型,滿足地質和工程精細評價要求,這為從巖石力學角度評價儲層有效性提供了重要可靠的力學依據(jù)。

2　低孔隙度裂縫性高壓儲層有效性

工區(qū)水平擠壓應力十分強烈,超強地應力作用對儲層有效性影響很大[11-12],且在常規(guī)測井和聲電成像測井上有明顯的響應特征[1]。因此,可以利用測井資料研究地應力與儲層有效性的關系,提取地應力組合參數(shù)評價儲層有效性,為工區(qū)儲層的測井解釋、測試和產(chǎn)能評價提供依據(jù)。

研究區(qū)砂巖儲層類型主要為裂縫孔隙型儲層,有效性是指基質孔隙度大于3.5%、滲透率大于0.05 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同、裂縫是開啟連通的且沒有全部被充填(裂縫開度大于50 μm,孔隙度大于0.02%)。儲層有效性分類分為好、中、差3類儲層(對應于常規(guī)測井解釋的氣層、差氣層和干層)。

表1　部分井的地應力計算值與實測值對比

2.1　基于有效應力、有效應力比和水平地應力差判斷儲層有效性

研究發(fā)現(xiàn),①巖石基質孔隙度隨著有效應力(σV=poα×pp)的增加逐漸減小。由于巖石有效應力不斷增加,促使巖石顆粒排列更加緊密,孔隙空間變小、孔隙體積減小。②巖石基質滲透率隨著有效應力的增加而降低。在外力作用下,孔隙喉道壁表面層巖石極易變形,尤其是泥質含量較高的巖石,這種變形使巖石變得更加緊密。巖石有效應力的增加使孔隙喉道產(chǎn)生較大的變形(喉道半徑急劇減小),最終導致滲流通道減小,滲透率降低。巖石裂縫寬度和裂縫孔隙度均隨著有效應力的增加而降低。這是由于裂縫在有效應力作用下易于閉合,有效應力不斷增加,裂縫寬度和裂縫孔隙度逐漸變小。因此,可以通過有效應力的變化來判斷“好、中、差”儲層。

通過回歸擬合可得到正常沉積和壓實條件下的泥巖層有效應力與深度的關系式,例如σV=3.239+0.0095D,然后用實際儲層的有效應力σV除以σV—D關系趨勢線上對應深度點的有效應力σSH,就得到儲層有效應力比(rV,SH)。引入該參數(shù)可恰當?shù)孛枋鰞佑行耘c有效應力的關系。有效應力比越接近于0.5,儲層有效性越好;越接近于1,儲層有效性越差,直至變?yōu)橹旅軐踊蚰鄮r層。

rV,SH=σV/σSH

(2)

式中,σV為實際儲層段的有效應力,MPa;σSH為泥巖層地層有效應力與深度關系趨勢線上對應深度D點的正常有效應力(基準參照值),MPa。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),水平地應力差(σSH12=σH-σh)與有效應力呈正比關系[1]。隨著有效應力逐漸增大,水平地應力差也逐漸增大,水平地應力差與儲層物性有一定的相關性。隨著水平地應力差的增加,巖石基質孔隙度和滲透率都降低。因為水平地應力差的不斷增加使地應力愈加不平衡,巖石膠結物發(fā)生塑性變形,顆粒排列更加緊密、孔隙空間減小,巖石基質滲透率和孔隙度都變小。在水平地應力差較低時,隨著水平地應力差的增加,基質滲透率減小幅度很大;在水平地應力差較高時,隨著水平地應力差的增加,基質滲透率減小幅度明顯變緩。

2.1 兩組患者手術中情況比較 兩組患者手術中出血量比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），觀察組的手術時間明顯長于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表2。

隨著水平地應力差減小,裂縫孔隙度和裂縫寬度均增加;在水平地應力差較小時,隨著水平地應力差的增加,裂縫寬度減小快;在水平地應力差較高時,隨著水平地應力差的增加,裂縫寬度減小幅度明顯變慢。據(jù)此可以通過水平地應力差的變化判斷儲層有效性。

通過統(tǒng)計與分析多口井試油結果及其相應層段的有效應力、有效應力比、水平地應力差,建立了研究區(qū)2參數(shù)交會識別品質儲層的圖版(見圖2)。將各層的有效應力比和水平地應力差數(shù)值點在圖版上,便可直觀判斷其儲層有效性。

圖2　有效應力比與水平地應力差交會識別儲層品質圖版

2.2　基于水平最大地應力方向與裂縫走向夾角判斷儲層有效性

地應力狀態(tài)是決定天然裂縫開啟或閉合的主要因素。當水平最大地應力方向與古構造裂縫走向夾角β小于45°時,有利于裂縫張開而形成有效裂縫;反之,夾角β大于45°時,促使裂縫易于閉合而成為無效裂縫。在古構造裂縫發(fā)育部位且在裂縫走向與現(xiàn)今水平最大地應力夾角小于45°的方向上,就是有效裂縫宏觀分布的區(qū)塊和方向。若現(xiàn)今水平最大地應力方向與天然裂縫的方向正交,則人工壓裂產(chǎn)生的裂縫與天然裂縫易形成網(wǎng)狀縫,有利于改善儲層的連通性[12]。

綜合考慮縫寬Wf與σSH12、β的關系,構建一個新評價指標,即走向應力差,它等于水平應力差在裂縫走向上的投影值σSH12×cosβ(見圖3)。隨著走向應力差增大,縫寬增大(見圖4)。

基于對裂縫與地應力的關系研究,認為當不易獲知裂縫主方位與水平最大地應力方向的夾角時,可用圖2識別儲層的品質;反之,如果能從電阻率和聲波成像測井資料中拾取地層的裂縫參數(shù),則用圖5識別品質儲層?；诙嗫诰牡貞εc儲層有效性關系分析和計算[1],建立了庫車前陸盆地高陡構造低孔隙度裂縫性砂巖儲層有效性的地應力評價標準(見表2)。從4個指標的重要性(經(jīng)驗權重)考慮,優(yōu)先使用有效應力比和走向應力差這2個參數(shù)來判釋儲層的有效性(尤其是裂縫孔隙型和裂縫型儲層),其次考慮有效應力和水平地應力差這2個指標。

圖3　水平應力差(σSH12)與走向應力差(σSH12×cos β)的示意圖

圖4　走向應力差與裂縫寬度關系圖

圖5　有效應力比與走向應力差交會識別儲層品質圖版

表2　研究區(qū)目的層段儲層有效性的地應力評價標準

3　應用實例及效果分析

圖6與圖7是GD302井地應力解釋及儲層劃分測井成果圖,試油井段為7 209～7 244 m和7 304～7 358 m。從試油結果可知,上部井段常規(guī)測井解釋為好儲層。利用判別圖版(見圖2),依據(jù)有效應力41.7 MPa、有效應力比0.814、水平應力差47.03 MPa,評價儲層有效性為好儲層。酸后8 mm油嘴日產(chǎn)氣794 022 m3,為高產(chǎn)儲層,常規(guī)測井解釋結論和該方法評價結果均與試油相符。下部井段利用判別圖版2,依據(jù)有效應力44.68 MPa、有效應力比0.853、水平應力差48.38 MPa,評價為中等儲層(常規(guī)測井也解釋為中等儲層),但酸后敞放、日產(chǎn)氣12 986 m3,產(chǎn)量很低,試油為差儲層。評價結果與試油不一致。(圖7中疊放成像測井圖及矢量圖,主要是為了說明該井段地層發(fā)育裂縫及其裂縫的傾角和傾向)

采用判別圖版(見圖5),從水平最大地應力方向與裂縫走向夾角來分析這2段儲層的有效性。從圖6可以看出,7 209～7 244 m、7 304～7 358 m段的水平最大地應力方向與裂縫走向夾角分別為30°、70°。夾角越小,裂縫越易張開,流通性越好。從圖7成像測井顯示可看出,上部井段裂縫發(fā)育,裂縫密度為1.943條/m、平均縫寬為0.278 mm,均高于下部井段縫密度(0.685條/m)和平均縫寬(0.154 mm)?？紤]走向應力差(σSH12×cosβ)的不同,上下兩井段分別為40.73和16.58 MPa,綜合地應力指標評價,認為7 304～7 358 m井段的儲層有效性較差,屬于差儲層,這與試油結果是相符的。

圖6　GD302井7 209 m～7 240 m(左)、7 305～7 358 m(右)裂縫走向與σH方向夾角方位頻率圖

表3為部分井地應力參數(shù)及儲層評價結果與試油情況對比。常規(guī)的測井儲層解釋評價結果認為這5口井試油井段的儲層為“好氣層較多、較厚,應該高產(chǎn)”,但有4口井的試油結果與其明顯不符;采用地應力評價標準,尤其是有效應力比、走向應力差這2個指標,從地應力的角度重新評價這5口井的儲層有效性,都與試油結果相符合。

表3　研究區(qū)5口井地應力參數(shù)及儲層評價結果與試油情況對比

表4　GD9井7 443～7 566 m井段地應力儲層評價結果

圖7　GD302井7 209～7 380 m地應力解釋及儲層劃分測井成果圖(σDIP,f1=60°)*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

新鉆井GD9井7 443～7 566 m段常規(guī)測井解釋儲層大都為好氣層。從表4可以看出,該井段水平最大地應力方向與裂縫走向夾角β為10°～75°,走向應力差為12.594 MPa、有效應力比為0.821,評價為中差儲層,建議在7 510～7 565 m井段進行壓裂改造。該井起初試油產(chǎn)氣量較低,但壓裂后的產(chǎn)氣量很高(6、8、10 mm油嘴日產(chǎn)氣分別為420 000、760 000、1 130 000 m3),壓裂改造效果明顯,表明采用地應力指標評價本井儲層的有效性是合理可信的。

4　結束語

(1) 庫車前陸盆地高陡構造異常高壓致密儲層有效性的地應力評價,首先要準確計算地層孔隙壓力與水平最大、最小主應力及其方向,其次需明確地應力與儲層有效性的關系,提取相應的地應力評價指標,建立儲層品質評價標準(即參數(shù)界限和圖版)。

(2) 有效應力、水平地應力差和走向應力差等因素影響著地層孔隙性和滲透性,進而影響儲層有效性。研究地應力對儲層裂縫有效性的影響時,要重點考慮地應力方向和裂縫主方位的關系。天然裂縫走向與現(xiàn)今水平最大地應力方向夾角β較小(小于45°)時,走向應力差變大,則裂縫發(fā)育、裂縫孔隙度和寬度增大,儲層有效性變好。對低孔隙度裂縫性砂巖儲層有效性的判別,在參考常規(guī)評價指標(孔隙度、滲透率、飽和度)的基礎上,注重地應力對儲層參數(shù)尤其是對裂縫參數(shù)的影響,可引入有效應力比、走向應力差等參數(shù)從巖石力學角度全面評價這類儲層的有效性。

(3) 研究區(qū)油基泥漿電成像測井資料對裂縫等地質結構反映不敏感,需從偶極聲波成像測井資料中提取能明顯反映地層裂縫特征的地應力大小和方向等信息,用于評價儲層的有效性。

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