基于测井数据反演火成岩力学参数模型的建立及其工程应用

2021-06-13薛晓军陈向辉李秀彬周鹏高

天然气工业 2021年5期

杨虎薛晓军陈向辉李秀彬周鹏高

1.中国石油大学（北京）克拉玛依校区 2.中国石油集团西部钻探工程有限公司地质研究院 3.克拉玛依职业技术学院

0 引言

国内外学者针对沉积岩开展了大量的岩石力学特征研究，而对火成岩力学方面的研究则相对较少。刘之的等[1-2]对准噶尔盆地六区石炭系火成岩开展了力学测试，将测试结果应用于裂缝和岩性预测；冯立等[3]选取海拉尔盆地凝灰质火成岩岩心，开展了矿物学和物理特性分析以及力学参数测试；张旭等[4]对大庆徐家围子地区火成岩开展了力学参数测试，研究了火成岩的弹（塑）性损伤本构关系。上述研究在火成岩岩性、裂缝识别、矿物成分与力学特性的关系方面做出了有益的探索。

针对准噶尔盆地克拉美丽气田火成岩，刘小红等[5]分析了滴西18井区岩心和岩石薄片，研究了火成岩元素组成及空间分布特征；张兆辉等[6]在岩心和薄片的研究基础上，构建了常规测井信息与岩石特性的对应关系，制作了火成岩性识别图版；杨志成等[7]分析火成岩种类、岩相和平面分布特点；曲江秀等[8]从储集空间、储层物性、孔隙结构等方面开展火成岩储层特征研究；代春萌等[9]基于物源、岩体和岩相的精细描述，应用地震资料综合预测与评价火成岩储层。总之，对于克拉美丽气田火成岩的研究以往主要集中在岩石物理性质、岩性识别等方面，尚未涉及岩石力学特征方面的研究。虽然大庆油田曾经开展过火成岩力学特征研究，但却存在着较大的区域差异，其研究成果无法应用于其他地区。为此，针对克拉美丽山前石炭系火成岩力学特征开展了系统研究并进行工程应用，以期指导该区火成岩气藏钻井参数的优化设计。

1 克拉美丽山前火成岩特征

准噶尔盆地火成岩油气资源丰富，盆地腹部的克拉美丽山前包括滴北凸起和滴南凸起，已探明天然气储量为1 000×108m3，是新疆准噶尔盆地重点天然气产区。已探明的克拉美丽气田位于滴南凸起西端，包括滴西14、滴西17、滴西18和滴西10四个井区。地层序列自上而下有白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系梧桐沟组以及石炭系，缺失中下二叠统、侏罗系上统及部分中统。石炭系巴山组火成岩为主要天然气储层[10]。

石炭系巴山组经历多期次构造活动。早石炭世（距今321～369 Ma）为火山喷发活动的主要时期，喷发形式为中心式喷发和裂隙式喷发[11-13]。巴山组（C2b）自下而上发育C2b1、C2b2、C2b3三个喷发—沉积旋回，下部以火成岩为主，中部为火成岩与沉积岩混合，上部以沉积岩为主的多套组合[14]。不同区域火山岩岩相具有一定的差异性，滴西17和滴西14井区以中基性溢流相为主，滴西18井区以爆发相和火山沉积相为主，滴西10井区以中酸性溢流相为主[7]（图1-a）。石炭系火成岩岩性多样，主要包括以玄武岩、安山岩为主的中基性火山熔岩、以凝灰岩、火山角砾岩为主的火山碎屑岩、以花岗斑岩、二长斑岩为主的次火山岩，以及碎屑沉积岩等（图1-b～g）。主要井区的火成岩岩性占比差异较大（图1-h ～ j）。

图1 克拉美丽山前石炭系火成岩岩相和主要岩性分布图

研究表明[15-16]，石炭系火成岩孔隙结构以裂缝—孔隙型为主，占比为50.01%，裂缝以构造缝为主。石炭系火成岩孔隙度为0.2%～30.8%，属中低孔、低渗裂缝性气藏。钻井实践表明，与沉积岩相比，石炭系火成岩岩性致密坚硬，可钻性差。由于石炭系裂缝发育，钻井过程中井漏和井壁失稳问题突出[17]。因此，开展火成岩力学特征分析，建立地层孔隙、破裂、漏失和坍塌压力剖面，分析火成岩储层钻直井和水平井时井下复杂的力学机理。

2 火成岩力学测试

实验采用MTS岩石物理力学测试系统，该系统由数字电液伺服刚性试验机、超声波测试、孔隙度和渗透率测试3个子系统构成。其轴向压力、围压以及流体注入压力最大值分别为1 000 kN、140 MPa和70 MPa，轴向压力和围压的加载速率小于20 N/s，轴向位移传感器量程为－50～50 mm，位移分辨精度为0.000 1 mm。系统可同时测试力学（轴向应变、径向应变、位移、轴压、流体注压、围压）、声学（纵波和横波速度、初至时间）和温度等物理量，可获取的岩石力学参数包括抗拉强度、单轴抗压强度、内摩擦系数（或内摩擦角）、内聚力、杨氏模量和泊松比等。

实验标准岩样源于克拉美丽山前8口井的石炭系火成岩，深度范围为3 002.01～4 002.25 m，钻取的标准岩样涵盖了石炭系火成岩全部岩性。经过分选、切割、磨平等加工程序，剔除瑕疵样品，获得标准岩样80块（直径为25 mm、长度约50 mm圆柱体）。其中，15块标准岩样用于巴西劈裂法抗张强度测试，23块标准岩样用于单轴抗压强度测试（表1），42块标准岩样用于三轴强度测试，围压分别为2 MPa、15 MPa、30 MPa（表2）。标准岩样的加工及力学测试过程符合《工程岩体试验方法标准》[18]，典型岩样的应力—应变曲线如图2所示。

表1 石炭系部分火成岩岩样单轴压缩试验结果表

表2 石炭系部分火成岩岩样的三轴压缩试验结果表

图2 DX171井部分火成岩岩样的应力—应变测试曲线图

3 火成岩力学参数测井模型

室内岩样力学测试只能测得某一深度点上的岩石力学特征，无法获取连续剖面，且测试过程复杂、耗资大。油气田测井资料丰富，容易获取。因此，将测试数据与岩样来源井的原位测井参数对应，应用多元回归方法，建立火成岩力学参数的测井解释模型。

岩石抗拉强度是计算地层破裂压力以及压裂施工所需要的重要基础参数。巴西劈裂测试表明（图3），克拉美丽山前火成岩抗张强度为7.3～15.8 MPa，平均值为11.4 MPa。抗张强度与纵波时差的统计关系见图3-a。岩石单轴测试表明，克拉美丽山前火成岩单轴抗压强度为75.7～195.4 MPa，平均值为134.7 MPa。单轴抗压强度与岩石密度、纵波时差的统计关系如图3-b所示。

岩石的抗剪强度一般用内摩擦系数（或内摩擦角）和内聚力表示[19]。内摩擦系数反映岩石剪切破坏时相对滑动面的摩擦力大小，内聚力则在宏观上表现了没有正应力作用时剪切面上的抗剪强度。岩石抵抗剪切破坏的能力与内摩擦系数和内聚力呈正比。施加3个不同的围压，测得对应的抗压强度，对3组“围压—抗压强度”数据进行莫尔—库伦圆分析，可得到内摩擦系数和内聚力。实验结果分析表明，火成岩摩擦系数最小值为0.74，最大值为0.96，平均值为0.84。火成岩内摩擦系数与声波时差的统计关系如图3-c所示。确定内摩擦系数和单轴抗压强度后，可根据理论公式计算出内聚力[20]。

在石油工程中，杨氏模量和泊松比是常用的弹性参数。弹性参数有动态值和静态值之分[21]。利用纵、横波速度（或时差）和密度测井数据，根据理论公式计算出动态弹性参数[22]。静态弹性参数是由室内实验获取。对数据进行回归分析（图3-d和图3-f），得到动静态弹性参数的转换模型[21]（表3）。

图3 岩石力学测试数据与测井数据统计回归图

4 岩石力学模型工程应用

钻井工程中，岩石力学参数主要用来定量计算地应力、地层坍塌、漏失和破裂压力，进而开展地层压力和井壁稳定分析，为预防钻井井筒复杂情况及钻井液密度设计等提供依据。

地层坍塌压力计算模型[23]为：

式中σH表示最大水平主应力、σh表示最小水平主应力，MPa；C表示岩石内聚力，MPa；表示岩石内摩擦角，(°)；α表示有效应力系数，0＜α≤1，无因次；pP表示地层孔隙压力，MPa；ρW表示地层水密度，g/cm3；g表示重力加速度，取0.009 8 m/s2；D表示地层深度，m；γm表示地层坍塌压力系数，无因次。

地层漏失压力计算模型[24]为：

式中qf表示漏失速率，L/s；u表示钻井液塑性黏度，mPa·s；K表示地层渗透率，D；h表示漏失层厚度，m；rw、rf分别表示井眼半径、钻井液侵入地层的侵入半径，m；τ0表示钻井液屈服值，Pa表示地层孔隙度；γL表示地层漏失压力系数，无因次。

地层破裂压力计算模型[17]为：

式中σt表示岩石抗拉强度，MPa；γB表示地层破裂压力系数，无因次。

DX172井是克拉美丽气田滴西17井区的评价井。应用测井资料，根据表3中的岩力学参数计算模型，反演出该井石炭系岩石力学参数剖面；再根据工区已完钻井的水力压裂数据得到地层破裂压力、裂缝延伸压力，进而反算出构造应力系数和地层水平主应力[25]，对密度测井曲线积分得到垂向地应力。获取地应力、孔隙压力和岩石力学参数之后，利用式（1）～（3），求取地层坍塌压力、漏失压力和破裂压力剖面（图4）。

表3 克拉美丽山前火成岩力学参数计算模型汇总表

4.1 火成岩裂缝井漏机理

DX172井石炭系的钻揭井深为3 480～3 840 m，岩性为玄武岩、安山岩、凝灰岩及火山角砾岩。由图4可知，火成岩破裂压力远大于孔隙压力、坍塌压力和漏失压力，孔隙压力大于坍塌压力，漏失压力略大于孔隙压力。石炭系上部3 485～3 610 m井段地层漏失压力与孔隙压力非常接近，钻井液安全密度窗口极窄，该井采用密度为1.38 g/cm3的钻井液钻至井深为3 751.29 m和3 795.30 m时发生严重井漏。因此，钻井液静液压力大于石炭系上部地层漏失压力是导致井漏的原因。

DX172井的井漏也可通过该井岩心观察得到佐证。该井石炭系全尺寸岩心中安山岩和玄武岩局部见直劈天然微裂缝，缝长介于1.5～2.19 cm，缝宽介于0.5～1.0 mm，缝面较平整，充填物为方解石。同时，DX1816井的微电阻率成像（FMI）显示该井火成岩裂缝较发育，裂缝密度3～10条/10 cm（图5）。在力学强度测试中，与无微裂缝岩心相比，微裂缝发育岩样的抗压强度、弹性模量和抗拉强度均较低，并且笔者建立的岩石力学模型中的地层声波和密度测井均有很好的响应。

DX172井岩心分析表明，石炭系上部（玄武岩和安山岩为主）裂缝处于开启的自然漏失状态，但多数被泥质充填，地层漏失压力略高于地层孔隙压力（两者当量密度相差0.15～0.20 g/cm3）。由于裂缝堵塞物易突破，井漏时的钻井液漏速及漏失量较大。另外，石炭系中下部（以凝灰岩、角砾岩和花岗岩为主）裂缝处于应力闭合状态，井漏时钻井液必须克服裂缝的重张压力。由于此段地层多为直劈缝和斜交缝，裂缝重张压力约等于最小水平主应力，即此段地层漏失压力约等于最小水平主应力（图4），其漏失压力与孔隙压力的安全密度差值介于0.30～0.40 g/cm3。

因此，针对克拉美丽山前石炭系火成岩裂缝发育情况，建议石炭系上部钻井时，采用随钻屏蔽堵漏钻井液，强化裂缝封堵，提高井壁承压能力，或采用密度范围1.15～1.25 g/cm3的钻井液实现欠平衡压力钻井[26]。石炭系中下部钻井时，建议采用近平衡精细控压钻井。

4.2 火成岩井壁失稳机理

克拉美丽山前石炭系井壁稳定程度与火成岩的岩性及微裂缝发育程度密切相关。以DX172井为例，以玄武岩和安山岩为主的上部地层，岩石抗压强度、内聚力和弹性模量较高，表现出较低的坍塌压力。而对于凝灰岩和角砾岩为主的中下部地层，岩石抗压强度、内聚力和弹性模量偏低，且变化幅度大，局部地层的稳定性较弱。同时，中下部地层多发育直劈缝或斜交缝，缝隙中胶结物充填少，井壁裂缝易发生列宾捷尔效应。钻井液易吸附于岩石，使岩石表面能降低，并产生楔裂作用，减小岩石的内摩擦角，结果导致力学强度降低。

目前，克拉美丽山前石炭系气藏多采用水平井开发，区域主地应力中的垂向应力大于最大水平主应力，最小水平主应力方位为北东—南西方向（图4）。由于主地应力差异明显，水平井井眼轨迹在不同井斜和方位条件下，地层坍塌和漏失压力有所差异。为此，开展石炭系储层坍塌压力和漏失压力在不同轨迹下的变化规律研究（图6），有助于水平井定向井眼的安全钻进。

图4 DX172井石炭系岩石力学与地层压力剖面

图5 DX1816井的微电阻率成像（FMI）测井表征的裂缝图

图6 石炭系火成岩储层压力云图

通常，石炭系天然裂缝面垂直于最小水平主应力方向，水平井眼沿最小水平主应力方向可有效提高裂缝钻遇率。由图6-a可知，水平井眼方位为北东—南西方向时，随着井斜角增大，储层坍塌压力增大，当井斜角为90°（水平井段）时，坍塌压力达到最大值（压力系数约为1.12）。由图6-b可知，水平井眼方位为北东—南西方向时，随着井斜角由0°增大到90°，储层漏失压力系数由1.55减至1.38。因此，克拉美丽山前石炭系采用水平井方式开发，水平井眼钻井时钻井液安全密度窗口非常窄。若采用欠平衡压力钻水平井眼时，设计钻井液密度范围介于1.12～1.25 g/cm3；若采用近平衡精细控压钻水平井眼时，设计钻井液密度范围介于1.27～1.34 g/cm3。