ADS法在深层致密砂岩储层地应力计算中的应用

2014-02-17郑莲慧单钰铭蒋晓红尹帅

天然气技术与经济 2014年4期

关键词：主应力深层测井

郑莲慧单钰铭蒋晓红尹帅

（1.成都理工大学能源学院，四川成都 610059；2.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000）

ADS法在深层致密砂岩储层地应力计算中的应用

郑莲慧1，2单钰铭1蒋晓红2尹帅1

（1.成都理工大学能源学院，四川成都 610059；2.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000）

采用ADS法对塔里木某地区深层致密砂岩储层的地应力进行计算研究。首先在区分砂、泥岩前提下提取纵横波时差转换关系，然后采用声发射（AE）和压裂（HPF）资料标定水平主应力求得水平骨架非平衡因子μg，μg有随着深度增加而减小的趋势，最终获得水平最大和最小主应力计算模型及志留系致密砂岩储层三大主应力连续剖面，地应力满足σv＞σH＞σh的关系，为正常应力系统。最后对地应力、破裂压力、地层压力和坍塌压力对合理钻井液密度窗的影响和计算方法进行了分析，建立了三压力剖面，确定了钻井液安全密度窗。实际采用1.34～1.4g／cm3钻井液密度可确保井下正常，与计算的安全窗范围相一致。

深层致密砂岩地应力大小 ADS法钻井液密度窗

0 引言

随着油气资源的不断消耗，油气增长率逐渐减慢而人类的需求却在逐年递增，因此常规油气储层逐渐转向深层致密储层及非常规方向成为时代的潮流［1］，但这将大大增加勘探、开发难度，增加相关费用［2］，同时也对勘探及开发各个阶段的评价方法和技术工艺提出更高的要求。深层致密砂岩储层是国内未来勘探开发的重要领域之一，地应力大小的研究对正常及高速钻进、节约成本及维持正常开采效率等方面具有重要意义。目前对于地应力进行测井解释的模型主要包括：①莫尔—库伦破坏模型；②单轴应变模型；③地层各向异性模型。其中莫尔—库伦破坏模型假设地层处于剪切破坏的临界态时，地层的抗剪强度决定了最大原位剪应力，这些假设往往与实际不符；单轴应变模型的主要缺陷是认为水平主应力完全由垂向应力诱导产生，因而两个水平方向主应力完全相等，这一观点显然与实际不符。且该模型忽视了构造应力，因而仅在构造活动较弱的地区具有一定适用性；地层各向异性模型主要包括黄氏模型（1983）、组合弹簧模型（1988）、葛氏模型（1996）、斯伦贝谢模型、多孔弹性水平应变模型及双轴应变模型（2002）、ADS法（2009）等，这些模型均较好地考虑到了构造应力及有效应力，对水平方向两个主应力分别进行有效表征，考虑到课题中实际掌握的资料情况，笔者以深层志留系致密砂岩储层为研究对象，采用ADS法［3］对地应力大小进行计算和分析，从而为深层致密砂岩储层地应力的更深层研究提供一些参考。

1 深层致密砂岩储层特征

本次研究砂体为塔里木某地区志留系深层致密砂岩储层，其埋深大致分布在5100～5600m（TVD），为低孔（主要分布在4%～8%）特低渗（主要分布在0.1～1mD）储层，岩石主要成分为石英（平均62%）、长石（平均9%）及岩屑（平均29%），岩石具细—中粒砂状结构（图1），粒径以0.1～0.2mm为主，少量分布在0.05～0.1mm及0.2～0.5mm，分选性中等—偏好，磨圆为次棱角—次圆状。碎屑组分主要为单晶石英及大量长石、岩屑，长石以钾长石为主，并含有少量的斜长石，见弱蚀变，岩屑主要为硅质岩屑，含有部分变石英岩屑、火山岩屑、片岩屑、碳酸盐岩屑、云母碎屑等，偶见千枚岩屑。填隙物组分主要有方解石，呈粒状胶结分布于

粒间孔内，另可见有少量硅质，呈石英加大边（图1-B）。碎屑边缘均匀分布有铁泥质膜，岩石受中等压实，碎屑呈点—线接触，胶结类型为接触—孔隙式胶结，孔隙度中60%为保留原生粒间孔，剩余40%为蚀变次生孔隙。

图1 研究区致密砂岩显微图片图

2 纵横波时差关系

对研究区致密砂岩采用ADS法进行评价。ADS法计算中动泊松比为必须量［3-4］，动泊松比ν计算公式为［5］：，（式中：ΔTS和ΔTC分别为横波时差和纵波时差，μs·ft-1），根据油田声波测井岩性解释结果提取砂、泥岩纵横波时差。本区目的层泥岩的自然伽马值较高，一般大于90API，纵波时差值反映在测井曲线上略大于上下砂岩层，密度一般小于2.4g／cm3。利用测井资料分别提取的砂、泥岩纵横波时差间关系如图2所示，进而可以求得各井20kHz测井频率下ΔTC值对应的横波时差值，最终便可获得各井区分砂、泥岩条件下整个志留系连续动泊松比测井解释剖面。

图2 纵横波时差关系图

3 水平主应力标定

只有微型压裂和差应变实验能确定水平主应力的大小［3］13，声发射［6］可以为水平主应力大小的确定提供一些参考，因此本次研究对微压裂资料进行分析的前提下同时对部分岩样进行了声发射实验，结果见表1，由于实验中声发射为无侧压（围压）测试结果，所以要进行围压校正，根据研究区压力梯度及大量实验基础上总结出的计算公式：σ1＝σ0＋1.1029σ3＋1.2293，（式中：σ1为校正后应力值，MPa；σ0为无侧压应力值，MPa；σ3为围压值，MPa），校正后的三级水平主应力值如表1所示，经过分析第三级能反映现今水平主应力大小。

表1 水平主应力标定表

4 地应力大小测井解释

4.1 水平主应力及垂向主应力

式中，σH、σh分别为水平方向最大和最小主应力，MPa；σv为垂向主应力，MPa；μg为骨架非平衡因子，无量纲；ν为动泊松比，无因次；Pp为地层压力，MPa；α为Biot系数。

ADS法公式为式（1）［3］11，μg为未知量，可以通过前面标定的水平主应力（表1）及基本参数（表2）进行反算，基本参数中涉及的参数有Biot系数（α）、动泊松比（ν）、地层压力（Pp）、水平方向最大主应力（σH）及垂向主应力（σv），其中地层压力可以根据研究区压力系数［7］计算，垂向主应力通过公式（2）密度积分进行计算，最终反算结果如图3所示，从图中可以看出研究区致密砂岩储层的μg有随着深度的增加而逐渐减小的趋势，在标定μg之后（定值）就可以利用ADS法（1式）计算各井水平最大和最小主应力连续剖面。

式中，G为上覆岩层压力梯度，g／cm3；ρw为海水密度，g／cm3；hw为海水深度，m；ρo为上部无密度测井地层段平均密度，g／cm3；ho为上部无密度测井地层段平均深度，m；ρbi为测井曲线对应深度点的密度，g／cm3；Δh为深度间隔，m；Sv为上覆岩层压力，MPa；g为常数，g＝9.8m／s2；H为深度，m；Pb（h）为埋深h时对应的地层孔隙压力，MPa。

表2 反算μg基本参数值表

图3 μg反算结果图

4.2 地应力剖面

依据以上计算方法对单井测井数据进行处理，获得单井地应力测井解释剖面（图4），从该剖面可以发现研究区志留系地层地应力大小基本满足σv＞σH＞σh的关系，为正常应力系统。

图4 地应力测井解释剖面图

对于钻井液密度窗的选择一般需要坍塌压力和破裂压力［8-10］，根据莫尔-库伦准则［3］10，坍塌压力可以根据下式（式3）确定：

式中，Pc为坍塌压力，MPa；η为井壁岩石非线性应力修正系数，η＝0.9～0.95；C为内聚力，MPa；θ为内摩擦角，°。

对于破裂压力可以根据压裂准则由以下公式（式4）进行标定：

式中，Pf为破裂压力，MPa；St为抗张强度，MPa。

合理的钻井液密度一般高于地层压力和坍塌压力折合成的密度当量，但小于最小水平主应力和破裂压力折合成的密度当量，折合方法见式（5）：

式中，ρx为钻井液安全窗密度，g／cm3；Px为孔隙压力、坍塌压力、破裂压力及水平最小主应力，MPa。

根据式（5）确定了钻井液的合理密度窗，见图5。从图5可以看出，泥岩段坍塌压力往往大于孔隙压力，此时安全窗较窄；砂岩段坍塌压力小于孔隙压力，此时安全窗较宽。实际目的层采用1.34～1.4g／cm3钻井液密度即可确保井下正常，这与计算的安全窗范围相一致。该研究结果可以为该地区志留系深层致密砂岩储层的高效钻进和正确施工提供依据。

图5 三压力测井解释剖面图

5 结束语

笔者采用ADS法对志留系深层致密砂岩储层的地应力大小进行计算研究。首先在区分砂、泥岩前提下提取纵横波时差转换关系，然后采用AE和HPF资料标定水平主应力条件下求得μg，μg有随着深度增加而减小的趋势，最终获得水平最大和最小主应力计算模型及志留系致密砂岩储层三大主应力连续剖面，地应力基本满足σv＞σH＞σh的关系，为正常应力系统。最后对地应力、破裂压力、地层压力和坍塌压力对合理钻井液密度窗的影响和计算方法进行了分析，建立了三压力剖面，并与目的层实际钻井液密度选择及井况进行了对比，表明实际钻井液密度选择与所计算的安全窗范围相一致。研究结论可以为更好地指导深层致密砂岩储层的施工方案制定、高效钻进及合理开发等方面提供依据。

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（编辑：卢栎羽）

2095-1132（2014）04-0021-04