王 勇,龍 凡,楊建禮,張可銘,王煥弟

(1.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司,黑龍江大慶163712;2.上海波睿能源科技有限公司,上海201913;3.Elsiwave Reservoir,北京100083;4.石油工業(yè)出版社,北京100011)

松遼盆地北部中淺層廣泛發(fā)育河流相、三角洲相及湖相砂巖,它們是大慶油田主要的儲(chǔ)集層,但其中有很大一部分砂巖層物性差、產(chǎn)能低,應(yīng)用常規(guī)開(kāi)采手段難以獲得有效動(dòng)用[1]。

根據(jù)松遼盆地的地質(zhì)特點(diǎn)及勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際,本地區(qū)致密油定義[2]為:①儲(chǔ)層地面空氣滲透率小于或等于1mD(1mD≈0.987×10-3m2),孔隙度小于或等于12%;②賦存于油頁(yè)巖或與其互層共生的致密砂巖儲(chǔ)層中,未經(jīng)大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)移;③直井常規(guī)壓裂產(chǎn)量低,需采用水平井大規(guī)模體積壓裂技術(shù)提高產(chǎn)量的石油資源。

為提高水平井和壓裂設(shè)計(jì)水平,大慶油田根據(jù)測(cè)井資料總結(jié)了致密油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法,主要利用“兩品質(zhì)”指標(biāo)評(píng)價(jià)致密油儲(chǔ)層[2-3]?！皟善焚|(zhì)”包括“儲(chǔ)層品質(zhì)”(或稱為“地質(zhì)甜點(diǎn)”)和“工程品質(zhì)”(或稱為“工程甜點(diǎn)”)。大慶油田“工程品質(zhì)”參數(shù)主要包括巖石脆性指數(shù)、最小水平主應(yīng)力等。

國(guó)內(nèi)外通常使用孔隙壓力、巖石脆性、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差(即水平應(yīng)力差)、破裂壓力等參數(shù)描述“工程甜點(diǎn)”。只有水平井同時(shí)鉆遇“雙甜點(diǎn)”即“地質(zhì)甜點(diǎn)”和“工程甜點(diǎn)”,且在“雙甜點(diǎn)”段實(shí)施壓裂,水平井+大型水力壓裂才可以獲得比較高的油氣產(chǎn)量。

前人對(duì)大慶地區(qū)致密油開(kāi)發(fā)中影響水平井壓裂效果的主要因素進(jìn)行了研究,與“工程甜點(diǎn)”有關(guān)的因素包括裂縫密度和裂縫長(zhǎng)度。裂縫密度即裂縫的發(fā)育程度,主要與巖石脆性和水平應(yīng)力差有關(guān)。脆性越大,越容易產(chǎn)生裂縫。水平應(yīng)力差越小,越容易產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)[4-6]。龍虎泡油田龍26外擴(kuò)區(qū)高臺(tái)子組油層整體脆性不高,很多壓裂施工出現(xiàn)了壓裂后巖石沒(méi)有發(fā)生脆性破裂而是塑性形變現(xiàn)象。

2016年,劉勇等[7]利用疊前反演的楊氏模量和泊松比計(jì)算了巖石脆性指數(shù),劉建偉等[8]利用楊氏模量、體積模量、剪切模量線性回歸公式計(jì)算破裂壓力;2018年,印興耀等[9]介紹了一種利用地層曲率、楊氏模量和泊松比計(jì)算最大水平主應(yīng)力的方法,任巖等[10]利用測(cè)井資料計(jì)算巖石破裂壓力、評(píng)價(jià)吉木薩爾致密油地層的可壓裂性,朱斗星等[11]利用疊后地震資料開(kāi)展了“工程甜點(diǎn)”的預(yù)測(cè)。上述文獻(xiàn)評(píng)價(jià)“工程甜點(diǎn)”時(shí)偏重于巖石脆性指數(shù)或破裂壓力,很少提及水平應(yīng)力差。

本次研究重點(diǎn)是開(kāi)展地震高分辨彈性參數(shù)反演,獲得楊氏模量、泊松比、縱波速度和密度4個(gè)彈性參數(shù)。利用這些彈性參數(shù)和本地區(qū)的地應(yīng)力計(jì)算公式,計(jì)算并預(yù)測(cè)巖石脆性、水平應(yīng)力差等關(guān)鍵的“工程甜點(diǎn)”指標(biāo),進(jìn)而指導(dǎo)和優(yōu)化水平井壓裂設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方法

1.1 疊前反演

1.1.1 4個(gè)彈性參數(shù)反射率直接反演

縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比這4個(gè)關(guān)鍵的彈性參數(shù)是計(jì)算巖石脆性和水平主應(yīng)力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),因此必須開(kāi)展疊前彈性參數(shù)反演。目前成熟穩(wěn)定的疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)是基于Zoeppritz方程的線性公式,即:

(1)

(2)

公式(1)由宗兆云等給出[12],可以直接反演楊氏模量、泊松比和密度的反射率,而且目前只有這個(gè)公式才可以直接反演楊氏模量和泊松比這兩個(gè)參數(shù)反射率。公式(2)是Aki & Rechards公式,可以直接反演縱波速度、橫波速度和密度反射率。

本次疊前彈性參數(shù)反演采用全道集參與的直接彈性反演參數(shù)方法[13],即不是采用部分疊加而是采用全部道集數(shù)據(jù),也不是采用間接計(jì)算方法由縱波速度、橫波速度和密度3個(gè)基本的參數(shù)計(jì)算其它彈性參數(shù),而是采用直接反演方法得到這3個(gè)參數(shù),方法本身在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中加入了抗噪技術(shù)。

1.1.2 高分辨反演

由于龍虎泡油田目的層高三段油層相對(duì)于地震數(shù)據(jù)分辨率較薄,儲(chǔ)層平均厚度4m左右,目前地震數(shù)據(jù)的分辨率有限,難以識(shí)別這么薄的油層,因此需要開(kāi)展高分辨率地震反演。

首先利用地震解釋層位數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在層位控制下由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)內(nèi)插得到一個(gè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)模型,該模型包含低頻和高頻信息。需要建立縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比4個(gè)彈性參數(shù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)模型。本次高分辨率地震反演采用常規(guī)地震反演結(jié)果(中低頻部分)與測(cè)井高頻模型融合方法[14],其中常規(guī)地震反演即是從上述測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)模型中補(bǔ)充低頻背景模型得到絕對(duì)值數(shù)據(jù)。

1.2 巖石脆性指數(shù)及地應(yīng)力計(jì)算公式中相關(guān)系數(shù)的確定

脆性和水平主應(yīng)力計(jì)算需要4個(gè)關(guān)鍵的彈性參數(shù):楊氏模量、泊松比、縱波速度和密度。

巖石脆性指數(shù)計(jì)算的方法有兩類:一類是利用測(cè)井資料計(jì)算脆性礦物含量從而計(jì)算出脆性指數(shù);另一類是利用楊氏模量和泊松比計(jì)算巖石脆性指數(shù)[15]。本次研究采用后一種方法,首先對(duì)楊氏模量和泊松比做歸一化處理,然后求二者的算術(shù)平均值得到巖石的脆性指數(shù)(BRIT-T):

(3)

(4)

(5)

式中:B為脆性指數(shù),即巖石中脆性礦物含量。根據(jù)研究區(qū)測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果,本次研究Emax、Emin、σmax、σmin分別取值為50GPa、15GPa、0.35、0.25。

計(jì)算水平應(yīng)力差首先需要計(jì)算水平主應(yīng)力,水平主應(yīng)力計(jì)算需要泊松比、聲波速度和密度3個(gè)彈性參數(shù)。在本次研究中,水平主應(yīng)力計(jì)算模型使用黃榮樽等[16]改進(jìn)的Anderson公式,即在公式中增加一個(gè)構(gòu)造系數(shù)修正項(xiàng),使得水平主應(yīng)力不僅僅與上覆巖層壓力有關(guān),也與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān),即:

(6)

(7)

式中:Ph為最小水平主應(yīng)力;PH為最大水平主應(yīng)力;Po為上覆巖層壓力;PP為孔隙壓力;ξ1,ξ2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);α為有效應(yīng)力系數(shù),也稱Boit系數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室差應(yīng)變法分析本地區(qū)地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù),確定公式中兩個(gè)重要參數(shù)ξ1和ξ2分別取值為0.35、0.53。α可由測(cè)井參數(shù)計(jì)算得到(即由測(cè)井體積模量K計(jì)算得到);也可由泥質(zhì)含量VCL得到。一般認(rèn)為,當(dāng)VCL<0.3時(shí),α=0.8;當(dāng)0.3≤VCL<0.5時(shí),α=0.65;當(dāng)0.5≤VCL≤1時(shí),α=0.5。本區(qū)VCL為0.35～0.40,故本次研究α取值為0.65。

上覆巖層壓力Po由疊前反演的密度數(shù)據(jù)體積分得到,孔隙壓力PP由疊前反演的縱波速度vP結(jié)合上覆巖層壓力Po計(jì)算得到。泊松比σ通過(guò)疊前反演得到。

本次研究的技術(shù)思路及流程如圖1所示。

圖1 龍26試驗(yàn)區(qū)脆性指數(shù)及應(yīng)力差預(yù)測(cè)技術(shù)流程

2 應(yīng)用效果分析

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

龍虎泡油田位于大慶長(zhǎng)垣構(gòu)造帶西部,中間夾齊家—古隆凹陷。龍虎泡油田除局部地區(qū)高零段、高一段含油外,其它地區(qū)主力油層均集中于高三段和高四段油層,尤其是高三段?？傮w上,龍26試驗(yàn)區(qū)高臺(tái)子組高三段油層平均滲透率為1.23mD,平均孔隙度為13.9%,平均厚度為3.9m,為中低孔、偏低滲致密儲(chǔ)層。該區(qū)高三段油層在壓裂前普遍無(wú)自然產(chǎn)能,必須采用水平井體積壓裂增產(chǎn)措施才能獲得有經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)能。

2.2 脆性指數(shù)及應(yīng)力差預(yù)測(cè)

利用龍虎泡油田龍26試驗(yàn)區(qū)4口直井(鉆達(dá)目的層高三段油組)測(cè)井資料建立測(cè)井彈性參數(shù)模型,針對(duì)每個(gè)彈性參數(shù)反射率數(shù)據(jù)體,分別開(kāi)展高分辨反演,得到4個(gè)彈性參數(shù)高分辨反演成果數(shù)據(jù)體,結(jié)果如圖2所示。

圖2 龍26試驗(yàn)區(qū)高分辨率縱波速度(a)、密度(b)、楊氏模量(c)和泊松比(d)反演結(jié)果

利用公式(3)、公式(4)和公式(5)計(jì)算巖石脆性三維數(shù)據(jù)體,利用公式(6)和公式(7)分別計(jì)算最小和最大水平主應(yīng)力,并得到水平應(yīng)力差。

高巖石脆性指數(shù)是形成裂縫的必要條件。一般認(rèn)為脆性破壞是指巖石在彈性變形階段結(jié)束、沒(méi)有或僅有很小的塑性變形時(shí)發(fā)生的破壞。如果巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下容易發(fā)生脆性破壞從而形成裂縫,那么巖石的泊松比和楊氏模量要同時(shí)滿足條件:泊松比<0.3[5]且楊氏模量E為30～80GPa,即脆性指數(shù)為40%左右。

圖3是龍26試驗(yàn)區(qū)高三段主力油層脆性指數(shù)平面分布圖,圖中大多數(shù)開(kāi)發(fā)井軌跡鉆遇地層的脆性指數(shù)都大于40%,具有較高的脆性指數(shù),如平35、平38和平48井。圖4是平26井高三段脆性指數(shù)剖面,鉆遇儲(chǔ)層段的巖石脆性指數(shù)都大于45%。

水平應(yīng)力差越小,在壓裂時(shí)越容易形成更復(fù)雜的裂縫,即產(chǎn)生的裂縫并不僅僅在某一個(gè)方向,而是在更多的方向產(chǎn)生裂縫從而形成一個(gè)復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。這樣復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)更容易溝通眾多微小孔隙,從而擴(kuò)大儲(chǔ)集空間并增強(qiáng)滲透性。同時(shí)較小的水平應(yīng)力差還有助于保持井身的穩(wěn)定性,不易導(dǎo)致井壁垮塌等鉆井事故。由在四川盆地的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知,水平應(yīng)力差一般小于15MPa時(shí)比較有利。圖5、圖6分別為過(guò)平26井高三段主力油層最大、最小水平主應(yīng)力剖面。圖7是龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差平面分布圖,圖中水平應(yīng)力差都小于5MPa,從水平應(yīng)力差這個(gè)角度看,龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差完全滿足壓裂的要求。圖8是過(guò)平26井高三段水平應(yīng)力差剖面,可見(jiàn),鉆遇高三段的水平應(yīng)力差都小于5MPa。

今后在龍26試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水平井壓裂設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該優(yōu)先在水平應(yīng)力差小(<15MPa)、巖石脆性指數(shù)高(>40%)的水平段實(shí)施壓裂,這樣才能獲得更好的壓裂效果。對(duì)于巖石脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差兩個(gè)“工程甜點(diǎn)”指標(biāo),巖石脆性指數(shù)更加重要,因?yàn)樵邶?6試驗(yàn)區(qū)水平應(yīng)力差都較小。

圖3 龍26試驗(yàn)區(qū)高三段脆性指數(shù)平面分布

圖4 平26井水平段(高三段)主力油層脆性指數(shù)剖面

圖5 過(guò)平26井水平段(高三段)主力油層最大水平主應(yīng)力剖面

圖6 過(guò)平26井水平段(高三段)主力油層最小水平主應(yīng)力剖面

圖7 龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差平面分布

圖8 過(guò)平26井水平段(高三段)水平應(yīng)力差剖面

2.3 對(duì)井誤差分析

利用研究區(qū)平26、平14h和平48h這3口井資料對(duì)脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:脆性指數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于10%,水平應(yīng)力差預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于12%,預(yù)測(cè)精度滿足生產(chǎn)需要。

2.4 壓裂效果分析

龍虎泡油田生產(chǎn)井如果不做壓裂則普遍無(wú)自然產(chǎn)能。經(jīng)過(guò)水平井體積壓裂改造后,龍26試驗(yàn)區(qū)3口水平井(平35、平38、平48)產(chǎn)能最高增加到8～12t/d,平均產(chǎn)能2.0～3.7t/d,增產(chǎn)效果明顯(表1)。這3口井的脆性指數(shù)都在40%～50%,脆性指數(shù)較高。大慶油田在該區(qū)壓裂實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,大多數(shù)井壓裂后增產(chǎn)效果較好的井段的脆性指數(shù)通常也都大于40%。

表1 平35等3口井壓裂后產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文利用疊前反演得到的4個(gè)彈性參數(shù)(縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比),采用龍虎泡油田本地的巖石脆性指數(shù)計(jì)算公式和水平主應(yīng)力計(jì)算公式,計(jì)算得到巖石脆性指數(shù)、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和水平應(yīng)力差,油田實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算的最大相對(duì)誤差為12%,證明本文方法可行。

龍虎泡油田主力構(gòu)造區(qū)高臺(tái)子高三段脆性指數(shù)為35%～50%,水平應(yīng)力差都小于5MPa。壓裂生產(chǎn)實(shí)踐表明,壓裂后增產(chǎn)效果明顯的水平段脆性指數(shù)都大于40%且水平應(yīng)力差較小,通常小于5MPa。平48等3口生產(chǎn)井壓裂后增產(chǎn)效果明顯。

建議在水平井軌跡設(shè)計(jì)和部署時(shí)參考“工程甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)成果以提高壓裂成功率。本文研究思路和技術(shù)適用于類似地區(qū)致密儲(chǔ)層脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差的預(yù)測(cè)研究。