鄂尔多斯盆地C区长8储层岩石力学参数剖面建立方法

赵军龙，蔡振东，张亚旭，杜 禹，赵晨阳

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.延安职业技术学院 石油工程系，陕西 延安 716000)

鄂尔多斯盆地C区长8储层岩石力学参数剖面建立方法

赵军龙1，蔡振东1，张亚旭2，杜 禹1，赵晨阳1

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.延安职业技术学院 石油工程系，陕西 延安 716000)

为了精确预测鄂尔多斯C区长8储层岩石力学表征参数，在文献调研基础上，归纳总结出岩石力学性质表征参数的预测方法，并结合研究区资料，利用纵波时差和体积密度联合预测横波时差、密度与纵横波速度联合预测岩石弹性参数、自然伽马和体积模量预测岩石强度参数。研究表明：岩石弹性参数预测方法主要包括密度与纵横波速度联合预测法、泥质含量估算泊松比预测法；岩石强度参数主要利用泥质含量和杨氏模量预测。基于上述方法建立的C区长8储层岩石强度剖面较好地揭示了单井岩石力学参数纵向变化特征。

岩石力学参数；测井资料；预测；长8油藏；鄂尔多斯盆地

岩石力学参数直接影响油藏地应力分布，是石油工程分析设计的基础。在石油勘探领域，通过岩石力学可以更加清楚地认识地下圈闭构造，掌握油气生成和运移的环境；在油气藏开发方面，岩石力学在防止和降低钻采事故、防止储集层破坏等领域得到广泛应用。储层岩石是由多介质构成的不连续体，存在大量断层、裂隙、孔隙、地下水等，使其性质更为复杂，需要选择合适的岩石力学参数来预测岩石强度。岩石力学参数包括岩石弹性参数和强度参数。岩石力学参数的确定方法通常有试验测定法、理论解析法、理论与实测相结合的反分析法[1-5]。随着测井技术的发展，测井资料可以提供更多井下岩石力学信息，这些信息直接反映岩石的一些物理性质，同时也是与岩石力学参数密切相关的粒度、成分、孔隙类型、胶结物、密度等要素沿钻孔剖面的连续综合反映。因此，利用测井资料判断岩石强度日益受到重视[6-17]。时军虎、何彩华等[18-19]提出利用测井信息获取的声波时差、密度、井径、电阻率、自然伽马等测井响应信息定性或定量解释岩石强度。利用测井资料确定岩石力学参数的方法包括两类:一是通过弹性波动理论推导出有关岩石力学参数理论计算公式；二是通过大量实验，总结出各参数与测井中相关参数的经验公式。本文详细阐述了岩石力学参数预测方法，以鄂尔多斯C区长8油藏储隔层岩石为对象，基于研究区资料选择预测模型，开展C区长8油藏储层岩石力学参数预测方法研究。

1 岩石力学性质表征参数

岩石的力学性质包括岩石的变形特性和强度特征。岩石变形特性是指岩石试件在载荷作用下的变形规律，包括弹性变形、塑性变粘性流动和破坏规律，反映了岩石的力学属性。岩石强度是指岩石试件在载荷作用下开始破坏时的最大应力(强度极限)以及应力与破坏之间的关系，它反应了岩石承受各种载荷的特性以及岩石抵抗破坏的能力和破坏的规律。

反映岩石力学属性参数也称弹性参数，包括杨氏模量(Young's modulus)E、体积模量(bulk modulus)K、剪切模量(shear modulus)G、泊松比(Poisson ratio)μ[21]。反映岩石强度特性的参数称为岩石强度参数，一般包括抗压强度(单轴抗压强度和三轴抗压强度)、抗拉强度、抗剪强度，其中抗剪强度和抗压强度往往是确定岩石工程稳定性的主要因素。

1)弹性参数之间的关系

在一定受力范围内，大多数岩石可看成弹性体，其弹性参数之间有如下关系：

由4种弹性参数之间的关系可以看出，只要知道其中2个，便可以求出其余2个。

2)强度参数概念

岩石强度参数包括单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪切强度等，见表1。

表1 常用岩石强度参数(据文献[22-23]整理)

2 岩石力学参数的预测方法

2.1 岩石弹性参数的预测方法

岩石力学参数厘定方法通常包括动态法和静态法2种[24]。利用测井资料预测岩石弹性参数的方法属于动态法，所得参数为动态参数。一般基于测井信息的岩石弹性参数预测方法主要包括2种：利用岩石密度及纵横波速度预测岩石弹性参数、利用泊松比μ预测岩石弹性参数。

1)利用密度、纵波速度及横波速度资料确定岩石的弹性参数

由于在多数情况下都缺少横波速度信息，因此，做好横波速度信息预测对于准确求取岩石弹性参数非常重要。

(1)横波时差(横波速度)预测方法

①基于地震信息预测横波速度

开展纵横波速度的反演可获得横波速度，姜秀娣等[25]利用不同角度域P波资料反演纵横波速度，王玉梅等[26]发展了岩石物理横波速度曲线计算技术；郭栋[27]从模型估算、测井约束反演和叠前波形反演三个方面进行横波速度计算，建立了横波速度计算方法；王宇峰[28]提出应用模拟退火法反演横波速度，用VSP资料反演横波速度。

②利用纵横波时差比预测横波时差

在工区内，对每种岩石类型的岩心取样，然后在实验室测定其横波时差和纵波时差，求出比值R纵横波=Δts/Δtp=Up/Us。实际应用时，直接利用该比值，依纵波时差求得横波时差。

③利用纵波时差Δtp和密度ρ联合预测横波时差Δts

基于纵波时差和密度预测横波时差的经验公式如下：

式中：Δtp为纵波时差，μs/m;ρ为密度，g/cm3。a=2.121 5，b=45.324 8，c=-167.312。值得指出，第一个模型适于密度不太高的砂泥质剖面，第二个模型适于较高密度的地层。

(2)基于密度、纵横波速度的弹性参数预测模型

根据密度测井、纵波速度测井及横波速度测井资料，可以按表3中模型直接计算出岩石的4个弹性模量[29-34]。

表3 常用弹性模量解释模型(据文献[29-34]等整理)

此外，还可以用出砂指数B估计岩石强度。出砂指数大，说明岩石强度大，稳定性好。出砂指数B计算公式为

式中：B为出砂指数，MPa；E为杨氏模量，MPa ；μ为泊松比。

2)通过估算泊松比μ确定杨氏模量、体积模量、切变模量

泊松比在一定程度上可反映岩石的可塑性。岩石可塑性与其泥质含量有关，因而可根据岩石的相对泥质含量Q估算泊松比μ，它们之间存在如下的经验关系[35]

μ=0.125Q+0.27。

利用自然伽马测井(或自然电位测井、电阻率测井)得出泥质含量Vsh、声波测井得到声波孔隙度Фs、密度测井得到密度孔隙度ФD。在分散泥质情况下，由于声波测井孔隙度Фs反映岩石的总孔隙度，密度测井孔隙度ФD则反映岩石的有效孔隙度，相对泥质含量为

综上，预测岩石弹性参数的一般思路见图1。

图1 岩石弹性参数预测思路

2.2 岩石强度参数预测方法

岩石强度参数一般采用实验方法测得，由于实验测试成本较高，大多采用经验公式。顾谦隆[36]提出岩石强度可以根据井径测井来定性判别，一般随着岩石强度的减小，孔径有增大趋势。岩石强度参数定量计算模型见表4。

此外，岩石强度参数预测还有一些新的方法，例如：超声波预测岩石强度[39]、现代数学中的模糊识别技术[40]、灰色关联分析技术和神经网络技术预测岩石强度参数。

3 长8储层岩石力学参数剖面的建立

岩石力学参数预测方法有不同的适用条件。直接通过密度、纵横波速度计算岩石弹性参数和强度参数的方法过程简单、误差最小。由于研究区缺少横波测井资料，因此应首先开展横波时差预测。研究区缺少地震勘探数据和岩石力学测试数据，前述横波时差预测方法①、②均不适用，本文选用方法③来预测横波时差，然后开展相关岩石力学参数的计算。

表4 常用岩石强度参数计算模型(据文献[37-38]整理)

利用上述方法得到岩石力学参数，绘制出岩石力学参数剖面，实例见图2。

图2 C井岩石力学参数剖面

根据单井岩石力学参数剖面，可进一步统计出不同层位的岩石力学参数值，实例见表5。在单井岩石力学参数统计基础上，可以对全区的岩石力学平面分布特征进行精细刻画。

表5 井1在不同层位岩石力学参数平均值

从表5可以看出，岩石力学参数在不同深度具有一定的差异。值得指出，由于泥岩段的声波时差测井响应易受到井径变化的影响，据此预测的泥岩段岩石力学参数失真，但储集层段(砂岩)的声波时差测井响应可靠。

4 结 论

(1)岩石弹性参数预测方法包括密度与纵横波速度法联合预测法、泥质含量估算泊松比μ预测法两类。当缺少横波速度资料时，可考虑利用地震资料预测横波速度、利用纵横波时差比预测横波速度、利用纵波时差和密度联合预测横波速度。岩石强度参数预测主要是利用泥质含量和杨氏模量先预测单轴抗压参数，再预测抗张强度、抗剪强度。

(2)本文先利用纵波时差和密度联合预测横波时差，再利用密度与纵横波速度计算杨氏模量、体积模量、剪切模量和泊松比，并计算岩石强度参数，最终建立的岩石力学参数剖面较好地揭示了单井岩石力学纵向特征。

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责任编辑：王 辉

2015-01-19

国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室项目资助(编号：KF2014-3)

赵军龙(1970-)，男，博士，教授，主要从事地球物理测井、测井地质研究。E-mail:zjl1970@163.com

1673-064X(2015)03-0047-06

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