高 毅，林利飛，尹 帥，胡國祥，馬絨利

(1.延長油田股份有限公司 開發(fā)部，陜西 延安 716000；2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組蘊(yùn)含了豐富的陸相致密油氣資源，是當(dāng)前陸相致密油氣勘探、開發(fā)的“熱點(diǎn)”。陸相致密砂巖儲層非均質(zhì)性及各向異性均十分顯著，致使勘探開發(fā)過程中地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)較難預(yù)測，反演所獲得的儲層參數(shù)的非確定性較大[1-6]。致密砂巖油儲層開發(fā)過程中最為重要的研究內(nèi)容主要有4個[7-11]：(1)生產(chǎn)過程中應(yīng)力的變化；(2)巖石的變形及破裂機(jī)制；(3)水平井軌跡及井網(wǎng)優(yōu)化；(4)水力壓裂設(shè)計。在這些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施過程中，現(xiàn)今地應(yīng)力是其中最為重要的設(shè)計參數(shù)之一[12-17]。因此，結(jié)合多種方法對區(qū)域地應(yīng)力場進(jìn)行綜合評價，是致密砂巖油儲層高效開發(fā)的重要手段。

鄂爾多斯盆地延長組的形成和演變是陸相湖盆從形成發(fā)展直至最終消亡的一個完整沉積旋回記錄[7-9，18-19]。按沉積特征，延長組自上而下可以被劃分為5段，其按油層組劃分則可以劃分為10個油層組。本文目的層為長6、長7及長8油層組。長8及長7段沉積時期，陸相湖盆處于不斷發(fā)展階段，到長73沉積期，湖盆發(fā)展為鼎盛時期。長6段沉積期，湖盆逐漸發(fā)生萎縮，此時期湖盆進(jìn)入三角洲沉積發(fā)展階段[8-10]。

致密儲層物性及流體賦存狀態(tài)均受現(xiàn)今地應(yīng)力的影響[20-22]。以往對于鄂爾多斯盆地中西部地區(qū)延長組的巖石力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力研究均較少，制約了致密油氣的高效勘探、開發(fā)。本文以鄂爾多斯盆地吳起、志丹及定邊地區(qū)為例，利用大量薄片、物性、巖石力學(xué)、聲學(xué)、全波列陣列聲波測試及壓裂測試資料，對3個地區(qū)長6—長8油層組的巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力特征及其對儲層物性的影響開展了系統(tǒng)研究，以期為該區(qū)致密油儲層勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 區(qū)域位置與構(gòu)造

吳起、志丹、定邊位于鄂爾多斯盆地中西部地區(qū)(圖1a)，該地區(qū)基本構(gòu)造樣式屬于鄂爾多斯盆地整體西傾單斜的一部分[7-9]。鄂爾多斯盆地基底為剛性穩(wěn)定克拉通基底，在晚三疊世，盆地內(nèi)部的陸相湖盆初步形成。研究區(qū)地層平緩，坡度起伏較低，每千米的構(gòu)造起伏度通常小于20 m，局部地區(qū)主要發(fā)育一些低幅度構(gòu)造或鼻狀構(gòu)造。

圖1 鄂爾多斯盆地西部研究區(qū)地理位置(a)和地層單元劃分及沉積相特征(b)Fig.1 Location of study area (a) and stratigraphic units and sedimentary facies (b), western Ordos Basin

1.2 層序地層

在鄂爾多斯盆地中，長8沉積時期湖盆面積最小，定邊地區(qū)的沉積亞相為三角洲平原，而吳起及志丹地區(qū)的沉積亞相為三角洲前緣；長7沉積時期湖盆面積最大，3個地區(qū)都處于湖盆范圍內(nèi)，其沉積亞相均為半深湖—深湖；長6沉積時期，湖盆開始萎縮，其面積小于長7沉積期，定邊地區(qū)的沉積亞相為三角洲平原，吳起、志丹區(qū)為三角洲前緣亞相(圖1b)。目的層所發(fā)育的沉積微相類型主要為分流河道及河道間灣[7-9]。

2 實(shí)驗(yàn)及測試方法

本文收集并整理了研究區(qū)長6—長8致密砂巖儲層大量物性、薄片實(shí)驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)，并對2口取心井(定探4578井和永金491井)進(jìn)行采樣，開展了單軸及三軸巖石力學(xué)測試、聲學(xué)測試及全波列陣列聲波測試。同時，收集了吳起、志丹、定邊地區(qū)99組壓裂層段基礎(chǔ)壓裂參數(shù)及壓裂曲線數(shù)據(jù)，并利用壓裂資料對3個地區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行了計算。

巖石力學(xué)及聲學(xué)測試均由北京SGS實(shí)驗(yàn)測試中心完成。巖石力學(xué)測試樣品10組，每組4個；樣品尺寸為直徑2.5 cm、高度5 cm的小圓柱。測試圍壓分別為0，10，20，35 MPa；聲學(xué)測試結(jié)果為圍壓35 MPa條件下的巖石縱橫波波速，且所有樣品均由地層鹽水所飽和。巖石物理測試系統(tǒng)的應(yīng)力測試的系統(tǒng)誤差低于1%，位移量的系統(tǒng)誤差低于0.000 1 mm。

全波列陣列聲波測試由中國石油測井有限公司華北分公司完成，測試井為永金491井和定4166-2井，測試井段地層為長6—長8。測試結(jié)果需要在LEAD軟件平臺上，以完井自然伽馬為基準(zhǔn)曲線進(jìn)行校深。

選擇在壓裂施工曲線中能明顯識別出破裂點(diǎn)的壓裂井進(jìn)行地應(yīng)力計算[23-25]。最終甄別并選取研究區(qū)99組壓裂層段數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力計算，其中吳起地區(qū)27組，定邊地區(qū)59組，志丹地區(qū)13組。

3 結(jié)果

3.1 儲層巖石學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)長6—長8常規(guī)及鑄體薄片礦物組分的鑒定結(jié)果，砂巖的巖性主要為長石砂巖，長石占有很高比例(超過50%)；儲層的孔隙類型主要為粒間孔，長石溶孔、粒間溶孔及膠結(jié)物溶孔也占一定比例，部分地層發(fā)育有微裂縫(圖2)。根據(jù)薄片資料，研究區(qū)致密砂巖粒間孔占絕對優(yōu)勢，孔隙結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的三角形、四邊形或多邊形 (圖2a,d)，粒間孔內(nèi)部發(fā)生孔隙式膠結(jié)[9]。

溶孔通常指顆粒邊緣被選擇性溶蝕，進(jìn)而形成一些類似于港灣形態(tài)或不規(guī)則形態(tài)的孔隙(圖2b,c,f,g)。粒間溶孔則通常指顆粒之間被選擇性溶蝕而形成的一類孔隙。鏡下觀察結(jié)果顯示，本區(qū)目的層中的溶蝕孔主要分布在長石、膠結(jié)物及巖屑中。溶孔尺寸與礦物組分及其與流體的反應(yīng)程度有關(guān)，目的層中溶蝕孔隙的直徑通常小于10 μm。此外，目的層中還發(fā)育一些由構(gòu)造作用或成巖作用形成的微裂隙(圖2e,h)，微裂隙的存在能溝通附近孔隙，進(jìn)而改善儲層滲透性。

圖2 鄂爾多斯盆地西部延長組目的層致密砂巖儲層顯微圖像特征

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)測井解釋

用測井資料提取巖石力學(xué)參數(shù)時需要縱橫波時差[26-27]。對永金491井、定4166-2井開展了全波列陣列聲波測試，獲得了長6—長8油層組可靠的縱橫波速度數(shù)據(jù)。通過整體擬合及區(qū)分地層可見，縱橫波波速之間均滿足非常好的正相關(guān)性(圖3)。利用圖3中的擬合公式，可以預(yù)測地層巖石的橫波時差。

在提取目的層橫波時差的基礎(chǔ)上，利用以下物理方程(式1～式2)計算可以獲得巖石動態(tài)楊氏模量及泊松比[20]。

(1)

(2)

式中：Ed為基于聲波資料計算的動態(tài)楊氏模量，GPa；Δtp及Δts分別為縱波及橫波時差，μs/ft；ρd為巖石密度，g/cm3；v為泊松比。

圖3 鄂爾多斯盆地西部 長6—長8段縱橫波時差之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between vertical and horizontal wave time differences of Chang 6 to Chang 8 members in western Ordos Basin

巖石的動、靜態(tài)彈性參數(shù)是不同的，動態(tài)參數(shù)是通過聲波參數(shù)計算獲得，而靜態(tài)參數(shù)是通過力學(xué)測試直接獲得，因而，靜態(tài)彈性參數(shù)更符合工程施工需求。動靜態(tài)彈性參數(shù)之間的差異與巖石內(nèi)部微裂縫、孔隙流體、巖石內(nèi)部礦物組分及微組構(gòu)差異等有關(guān)[28-29]。動態(tài)彈性參數(shù)通常要大于靜態(tài)彈性參數(shù)?；谌S巖石力學(xué)測試獲取的研究區(qū)目的層動靜態(tài)力學(xué)參數(shù)的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

3.3 壓裂法地應(yīng)力計算

在壓裂過程中，巖石的破裂壓力(Pf)可以直接從壓裂試驗(yàn)曲線獲得[29]。通常認(rèn)為，裂縫的閉合壓力(Pc)等于最小水平應(yīng)力(σh)。裂縫在閉合前后，壓裂液會自發(fā)地向周圍地層中滲濾。該過程是壓降曲線的一部分，根據(jù)時間的平方根與壓降曲線之間的關(guān)系，可以得出裂縫的閉合壓力。

對于最大水平主應(yīng)力(σH)，其可以通過以下公式獲取[20]：σH=3σh-Pf-Pp+σt。Pf為破裂壓力，可直接由壓裂曲線獲得。Pp是地層壓力，長6—長8屬于負(fù)壓油層，3個地區(qū)同一油層組的地層壓力較為接近。長6的壓力系數(shù)為0.73，長7的壓力系數(shù)為0.74，長8的壓力系數(shù)為0.75。σt表示抗拉強(qiáng)度，對于致密砂巖，其通常為巖石抗壓強(qiáng)度的10%。

3個地區(qū)地應(yīng)力縱向分布特征見圖5?？梢钥闯觯S著埋深的增加，各主應(yīng)力值增加。主應(yīng)力滿足：σv>σH>σh(σv為垂向主應(yīng)力)。這表明，現(xiàn)今地應(yīng)力基本呈現(xiàn)一個相對松弛的正應(yīng)力狀態(tài)。

3.4 地應(yīng)力測井評價

地應(yīng)力是指地下巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中程度，它的誘因?yàn)樯细草d荷、宏觀巖體的構(gòu)造活動及孔隙壓力等[28-29]。要建立正確的地應(yīng)力模型，首先應(yīng)當(dāng)了解其所處區(qū)域地應(yīng)力的類型。根據(jù)σv、σH及σh3個矢量之間大小和方向的關(guān)系，可分為3種應(yīng)力類型：正應(yīng)力類型(σv>σH>σh)、走滑應(yīng)力類型(σH>σv>σh)及反轉(zhuǎn)應(yīng)力類型(σH>σh>σv)。

圖4 鄂爾多斯盆地西部目的層動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系模型Fig.4 Dynamic and static rock mechanics parameter conversion model of target layer, western Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地西部研究區(qū)地應(yīng)力縱向分布特征Fig.5 Characteristics of longitudinal distribution of in situ stress in work areas, western Ordos Basin

為了盡可能的使計算過程簡潔且預(yù)測結(jié)果可靠，研究發(fā)現(xiàn)，如果將一個修正指數(shù)C*引入到傳統(tǒng)Newberry模型之中，即可實(shí)現(xiàn)σh的高精度預(yù)測(式(3))。對于σH的預(yù)測，則需要引入一個非平衡因子(Ub)至式(3)，此時，σH由公式(4)計算[20]。

(3)

σH=σhUb

(4)

式中的Ub反映水平構(gòu)造應(yīng)力的各向異性，由式(5)計算。

(5)

式中：Dmax、Dmin代表井眼直徑的最大及最小值，cm；E和Ema代表巖石楊氏模量及其骨架的楊氏模量，MPa；k為刻度系數(shù)。砂巖的Ema取38 GPa；k根據(jù)井眼縱橫向變形量讀取。

垂直主應(yīng)力由上覆載荷或埋深決定，可通過密度測井?dāng)?shù)據(jù)積分方法獲得(式6)。

(6)

式中：H為測點(diǎn)埋深；ρ(z)為埋深為z處的巖石密度。

測井解釋結(jié)果顯示：吳起、志丹、定邊地區(qū)σH的平均絕對誤差分別為5.7，5.1，4.1 MPa；σh的平均絕對誤差分別為1.9，0.9，1.7 MPa。誤差整體較小，表明預(yù)測結(jié)果可靠。

4 討論

4.1 地應(yīng)力狀態(tài)及縱向分布特征對比

利用壓裂法計算了3個地區(qū)水平最大及最小地應(yīng)力(圖6)，兩者具有較好的正相關(guān)性。定邊地區(qū)長6—長8的埋深相對較大，其水平方向地應(yīng)力也相對較高。

圖6 鄂爾多斯盆地西部目的層水平方向 最大及最小地應(yīng)力相關(guān)性分析Fig.6 Correlation of maximum and minimum ground stress in horizontal direction of Yanchang Formation, western Ordos Basin

根據(jù)地應(yīng)力解釋結(jié)果，識別出3種地應(yīng)力狀態(tài)(圖7)。從水平方向應(yīng)力特征看，吳起地區(qū)長6—長8的變化不大，均為σv>σH>σh，表現(xiàn)其現(xiàn)今的應(yīng)力活動性較弱，整體應(yīng)力呈現(xiàn)一種相對松弛狀態(tài)。志丹地區(qū)的水平應(yīng)力活動性深層要大于淺層，較強(qiáng)的水平應(yīng)力強(qiáng)度主要集中在長73及長8。定邊地區(qū)的水平應(yīng)力活動性從長6到長8整體較強(qiáng)，淺層的水平應(yīng)力強(qiáng)度要略強(qiáng)于深層。

水平應(yīng)力的誘導(dǎo)實(shí)質(zhì)上受控于上覆載荷及巖石的泊松比，上覆載荷越大、泊松比越高，所誘導(dǎo)產(chǎn)生的水平應(yīng)力就會越大。因而，志丹地區(qū)較強(qiáng)的水平應(yīng)力強(qiáng)度主要集中在長73及長8，可能與深層泥質(zhì)組分含量較高進(jìn)而泊松比較高有關(guān)。而定邊地區(qū)的水平應(yīng)力特征與其埋深大及巖石力學(xué)性質(zhì)均有密切關(guān)系。

圖8計算結(jié)果顯示，研究區(qū)目的層σv主要為最大主應(yīng)力及中間應(yīng)力。因而，由于鉆井失穩(wěn)所產(chǎn)生的誘導(dǎo)縫應(yīng)該均為垂直縫。圖8a所示為研究區(qū)永金485井成像測井圖像，可以很明顯地觀察到垂直縱張誘導(dǎo)縫，其誘導(dǎo)縫特征與北海北部鉆井的誘導(dǎo)縫特征非常一致(圖8b)[30]。從誘導(dǎo)縫特征也可以印證本文所計算的地應(yīng)力是準(zhǔn)確的。

圖7 鄂爾多斯盆地西部目的層地應(yīng)力狀態(tài)的識別結(jié)果分類情況Fig.7 Classification of recognition results of ground stress state of target layer, western Ordos Basin

圖8 基于成像測井的鉆井誘導(dǎo)縫特征Fig.8 Drilling induced fracture characteristics based on imaging logging

4.2 地應(yīng)力梯度分析

根據(jù)地應(yīng)力測試及解釋結(jié)果，可以確定研究區(qū)3個方向主應(yīng)力的地應(yīng)力梯度值(表1)。整體來看，水平主應(yīng)力梯度大小有從西北(定邊)向東南(吳起到志丹)逐漸增加的趨勢，即志丹>吳起>定邊?，F(xiàn)今應(yīng)力是巖體發(fā)生變形或破裂之后的殘余應(yīng)力，如果巖體發(fā)生巖心尺度破裂，則殘余應(yīng)力梯度會顯著減小。如果巖體只發(fā)生一定程度變形而未顯著破裂，則巖體內(nèi)會集聚應(yīng)力，發(fā)生“應(yīng)力集中”，此時，水平應(yīng)力梯度則較大。

根據(jù)3個地區(qū)應(yīng)力梯度變化可知，定邊地區(qū)應(yīng)力梯度明顯低于另外2個地區(qū)。而定邊地區(qū)目的層的裂縫發(fā)育程度也明顯高于另外2個地區(qū)。應(yīng)力梯度跟應(yīng)力大小的變化規(guī)律通常不一樣，應(yīng)力梯度的變化不受上覆載荷的影響，其通常為一定值，且一般只受構(gòu)造環(huán)境的影響。3個地區(qū)水平應(yīng)力梯度有從西北向東南逐漸遞增的現(xiàn)象，這與巖體的變形及裂縫的產(chǎn)生有關(guān)。西北方向定邊地區(qū)巖體變形程度大，裂縫發(fā)育程度高，巖體發(fā)生了應(yīng)力卸載，因而應(yīng)力梯度低；而東南方向的吳起和志丹地區(qū)巖體變形程度相對較小，裂縫發(fā)育程度低，巖體內(nèi)部應(yīng)力以應(yīng)力集中態(tài)分布，因而應(yīng)力梯度相對高一些。

表1 鄂爾多斯盆地西部研究區(qū)目的層應(yīng)力梯度計算結(jié)果

4.3 地應(yīng)力對致密儲層物性影響分析

影響目的層砂巖孔隙度的主要因素為埋藏壓實(shí)作用[23-31]。傳統(tǒng)意義上的壓實(shí)作用主要指垂向上覆載荷對巖體的壓實(shí)作用。本文主要討論水平方向擠壓應(yīng)力對巖石壓實(shí)作用路徑及儲層物性的影響。測試結(jié)果顯示，目的層致密砂巖儲層的巖石孔隙度與滲透率之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖9a)。但是，壓實(shí)作用通常對致密儲層孔隙度的影響最為敏感，而對滲透率的敏感性相對較低。因而，本文詳細(xì)分析了水平應(yīng)力差與巖石孔隙度之間的關(guān)系。由圖9b可知，隨著σH-σh的增加(該過程相當(dāng)于隨著埋深的增加)，在正常壓實(shí)作用條件下，巖石孔隙度會呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。但是，其初始階段孔隙度減小的幅度較大，而隨著埋深的增加，孔隙度降低的幅度會逐漸減小。該過程相當(dāng)于圖9b中的路徑1。由于目的層中主要發(fā)育粒間孔，溶蝕及膠結(jié)作用不強(qiáng)烈，因而，僅考慮壓實(shí)作用是合理的(圖9d)。

圖9 鄂爾多斯盆地西部目的層儲層物性參數(shù)、水平應(yīng)力差及其演化路徑分析Fig.9 Reservoir petrophysical parameters, horizontal stress difference and evolution path of target layer, western Ordos Basin

對于圖9b中向上偏的路徑2，其原因可能為欠壓實(shí)或古超壓所導(dǎo)致的孔隙度增加。這是由于古超壓與欠壓實(shí)均能提升儲層的物性，所以容易混淆。但是，只有新生代年輕沉積盆地才存在欠壓實(shí)[31]，因而排除了欠壓實(shí)的可能。鑒于目的層砂巖的巖性比較單一，且埋深適中、成巖作用不強(qiáng)烈，且圖9b中孔隙度的突然增大即代表聲波時差的突然增大，因而其為“古超壓”。

對于圖9b中向下偏的路徑3，則是由于附加構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)壓實(shí)所導(dǎo)致的孔隙度降低。由此可知，由于欠壓實(shí)或者附加擠壓應(yīng)力的影響，可使儲層孔隙度額外增加或者減少2%。

由上述分析可知，σH-σh的增加并不是一種單一的減孔作用，其造成的應(yīng)力平面非均質(zhì)性及儲層壓實(shí)程度是十分復(fù)雜的。由圖9c可知，隨著σH-σh的增加，其對巖石滲透率的影響非常小，巖石滲透率隨著σH-σh的增加整體呈現(xiàn)降低趨勢。也就是說，水平應(yīng)力造成的儲層巖石增孔對滲透率的影響并不顯著。

5 結(jié)論

(1) 利用全波列陣列聲波測井及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)建立了目的層縱橫波時差轉(zhuǎn)換關(guān)系及動靜態(tài)力學(xué)參數(shù)圖版，并利用壓裂法及測井模型建立了可靠的地應(yīng)力測井解釋方法。

(2) 吳起地區(qū)長6—長8的變化不大，均為σv>σH>σh；志丹地區(qū)的水平應(yīng)力活動性深層要大于淺層，較強(qiáng)的水平應(yīng)力強(qiáng)度主要集中在長73及長8；定邊地區(qū)的水平應(yīng)力活動性從長6到長8整體較強(qiáng)，淺層的水平應(yīng)力強(qiáng)度要略強(qiáng)于深層。

(3) 研究區(qū)水平主應(yīng)力梯度大小有從西北向東南逐漸增加的趨勢，即志丹>吳起>定邊。該現(xiàn)象與構(gòu)造環(huán)境、應(yīng)力集中及裂縫發(fā)育程度有關(guān)。隨著埋深的增加，水平主應(yīng)力差具有先降低后升高的趨勢。

(4) 水平方向擠壓應(yīng)力對巖石壓實(shí)作用路徑及儲層物性的影響：水平主應(yīng)力差的增加并不一定造成巖石的減孔，其造成的應(yīng)力平面非均質(zhì)性會使巖石孔隙度變化出現(xiàn)3種不同的路徑；而水平主應(yīng)力差的增加，會造成巖石滲透率的降低，但影響并不顯著。