ADS法在深層致密砂巖儲層地應力計算中的應用

鄭蓮慧 單鈺銘 蔣曉紅 尹帥

（1.成都理工大學能源學院，四川 成都 610059；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川 德陽 618000）

ADS法在深層致密砂巖儲層地應力計算中的應用

鄭蓮慧1，2單鈺銘1蔣曉紅2尹帥1

（1.成都理工大學能源學院，四川 成都 610059；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川 德陽 618000）

采用ADS法對塔里木某地區深層致密砂巖儲層的地應力進行計算研究。首先在區分砂、泥巖前提下提取縱橫波時差轉換關系，然后采用聲發射（AE）和壓裂（HPF）資料標定水平主應力求得水平骨架非平衡因子μg，μg有隨著深度增加而減小的趨勢，最終獲得水平最大和最小主應力計算模型及志留系致密砂巖儲層三大主應力連續剖面，地應力滿足σv＞σH＞σh的關系，為正常應力系統。最后對地應力、破裂壓力、地層壓力和坍塌壓力對合理鉆井液密度窗的影響和計算方法進行了分析，建立了三壓力剖面，確定了鉆井液安全密度窗。實際采用1.34～1.4g／cm3鉆井液密度可確保井下正常，與計算的安全窗范圍相一致。

深層 致密砂巖 地應力大小 ADS法 鉆井液密度窗

0 引言

隨著油氣資源的不斷消耗，油氣增長率逐漸減慢而人類的需求卻在逐年遞增，因此常規油氣儲層逐漸轉向深層致密儲層及非常規方向成為時代的潮流［1］，但這將大大增加勘探、開發難度，增加相關費用［2］，同時也對勘探及開發各個階段的評價方法和技術工藝提出更高的要求。深層致密砂巖儲層是國內未來勘探開發的重要領域之一，地應力大小的研究對正常及高速鉆進、節約成本及維持正常開采效率等方面具有重要意義。目前對于地應力進行測井解釋的模型主要包括：①莫爾—庫倫破壞模型；②單軸應變模型；③地層各向異性模型。其中莫爾—庫倫破壞模型假設地層處于剪切破壞的臨界態時，地層的抗剪強度決定了最大原位剪應力，這些假設往往與實際不符；單軸應變模型的主要缺陷是認為水平主應力完全由垂向應力誘導產生，因而兩個水平方向主應力完全相等，這一觀點顯然與實際不符。且該模型忽視了構造應力，因而僅在構造活動較弱的地區具有一定適用性；地層各向異性模型主要包括黃氏模型（1983）、組合彈簧模型（1988）、葛氏模型（1996）、斯倫貝謝模型、多孔彈性水平應變模型及雙軸應變模型（2002）、ADS法（2009）等，這些模型均較好地考慮到了構造應力及有效應力，對水平方向兩個主應力分別進行有效表征，考慮到課題中實際掌握的資料情況，筆者以深層志留系致密砂巖儲層為研究對象，采用ADS法［3］對地應力大小進行計算和分析，從而為深層致密砂巖儲層地應力的更深層研究提供一些參考。

1 深層致密砂巖儲層特征

本次研究砂體為塔里木某地區志留系深層致密砂巖儲層，其埋深大致分布在5100～5600m（TVD），為低孔（主要分布在4%～8%）特低滲（主要分布在0.1～1mD）儲層，巖石主要成分為石英（平均62%）、長石（平均9%）及巖屑（平均29%），巖石具細—中粒砂狀結構（圖1），粒徑以0.1～0.2mm為主，少量分布在0.05～0.1mm及0.2～0.5mm，分選性中等—偏好，磨圓為次棱角—次圓狀。碎屑組分主要為單晶石英及大量長石、巖屑，長石以鉀長石為主，并含有少量的斜長石，見弱蝕變，巖屑主要為硅質巖屑，含有部分變石英巖屑、火山巖屑、片巖屑、碳酸鹽巖屑、云母碎屑等，偶見千枚巖屑。填隙物組分主要有方解石，呈粒狀膠結分布于

粒間孔內，另可見有少量硅質，呈石英加大邊（圖1-B）。碎屑邊緣均勻分布有鐵泥質膜，巖石受中等壓實，碎屑呈點—線接觸，膠結類型為接觸—孔隙式膠結，孔隙度中60%為保留原生粒間孔，剩余40%為蝕變次生孔隙。

圖1 研究區致密砂巖顯微圖片圖

2 縱橫波時差關系

對研究區致密砂巖采用ADS法進行評價。ADS法計算中動泊松比為必須量［3-4］，動泊松比ν計算公式為［5］：，（式中：ΔTS和ΔTC分別為橫波時差和縱波時差，μs·ft-1），根據油田聲波測井巖性解釋結果提取砂、泥巖縱橫波時差。本區目的層泥巖的自然伽馬值較高，一般大于90API，縱波時差值反映在測井曲線上略大于上下砂巖層，密度一般小于2.4g／cm3。利用測井資料分別提取的砂、泥巖縱橫波時差間關系如圖2所示，進而可以求得各井20kHz測井頻率下ΔTC值對應的橫波時差值，最終便可獲得各井區分砂、泥巖條件下整個志留系連續動泊松比測井解釋剖面。

圖2 縱橫波時差關系圖

3 水平主應力標定

只有微型壓裂和差應變實驗能確定水平主應力的大小［3］13，聲發射［6］可以為水平主應力大小的確定提供一些參考，因此本次研究對微壓裂資料進行分析的前提下同時對部分巖樣進行了聲發射實驗，結果見表1，由于實驗中聲發射為無側壓（圍壓）測試結果，所以要進行圍壓校正，根據研究區壓力梯度及大量實驗基礎上總結出的計算公式：σ1＝σ0＋1.1029σ3＋1.2293，（式中：σ1為校正后應力值，MPa；σ0為無側壓應力值，MPa；σ3為圍壓值，MPa），校正后的三級水平主應力值如表1所示，經過分析第三級能反映現今水平主應力大小。

表1 水平主應力標定表

4 地應力大小測井解釋

4.1 水平主應力及垂向主應力

式中，σH、σh分別為水平方向最大和最小主應力，MPa；σv為垂向主應力，MPa；μg為骨架非平衡因子，無量綱；ν為動泊松比，無因次；Pp為地層壓力，MPa；α為Biot系數。

ADS法公式為式（1）［3］11，μg為未知量，可以通過前面標定的水平主應力（表1）及基本參數（表2）進行反算，基本參數中涉及的參數有Biot系數（α）、動泊松比（ν）、地層壓力（Pp）、水平方向最大主應力（σH）及垂向主應力（σv），其中地層壓力可以根據研究區壓力系數［7］計算，垂向主應力通過公式（2）密度積分進行計算，最終反算結果如圖3所示，從圖中可以看出研究區致密砂巖儲層的μg有隨著深度的增加而逐漸減小的趨勢，在標定μg之后（定值）就可以利用ADS法（1式）計算各井水平最大和最小主應力連續剖面。

式中，G為上覆巖層壓力梯度，g／cm3；ρw為海水密度，g／cm3；hw為海水深度，m；ρo為上部無密度測井地層段平均密度，g／cm3；ho為上部無密度測井地層段平均深度，m；ρbi為測井曲線對應深度點的密度，g／cm3；Δh為深度間隔，m；Sv為上覆巖層壓力，MPa；g為常數，g＝9.8m／s2；H為深度，m；Pb（h）為埋深h時對應的地層孔隙壓力，MPa。

表2 反算μg基本參數值表

圖3 μg反算結果圖

4.2 地應力剖面

依據以上計算方法對單井測井數據進行處理，獲得單井地應力測井解釋剖面（圖4），從該剖面可以發現研究區志留系地層地應力大小基本滿足σv＞σH＞σh的關系，為正常應力系統。

圖4 地應力測井解釋剖面圖

對于鉆井液密度窗的選擇一般需要坍塌壓力和破裂壓力［8-10］，根據莫爾-庫倫準則［3］10，坍塌壓力可以根據下式（式3）確定：

式中，Pc為坍塌壓力，MPa；η為井壁巖石非線性應力修正系數，η＝0.9～0.95；C為內聚力，MPa；θ為內摩擦角，°。

對于破裂壓力可以根據壓裂準則由以下公式（式4）進行標定：

式中，Pf為破裂壓力，MPa；St為抗張強度，MPa。

合理的鉆井液密度一般高于地層壓力和坍塌壓力折合成的密度當量，但小于最小水平主應力和破裂壓力折合成的密度當量，折合方法見式（5）：

式中，ρx為鉆井液安全窗密度，g／cm3；Px為孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力及水平最小主應力，MPa。

根據式（5）確定了鉆井液的合理密度窗，見圖5。從圖5可以看出，泥巖段坍塌壓力往往大于孔隙壓力，此時安全窗較窄；砂巖段坍塌壓力小于孔隙壓力，此時安全窗較寬。實際目的層采用1.34～1.4g／cm3鉆井液密度即可確保井下正常，這與計算的安全窗范圍相一致。該研究結果可以為該地區志留系深層致密砂巖儲層的高效鉆進和正確施工提供依據。

圖5 三壓力測井解釋剖面圖

5 結束語

筆者采用ADS法對志留系深層致密砂巖儲層的地應力大小進行計算研究。首先在區分砂、泥巖前提下提取縱橫波時差轉換關系，然后采用AE和HPF資料標定水平主應力條件下求得μg，μg有隨著深度增加而減小的趨勢，最終獲得水平最大和最小主應力計算模型及志留系致密砂巖儲層三大主應力連續剖面，地應力基本滿足σv＞σH＞σh的關系，為正常應力系統。最后對地應力、破裂壓力、地層壓力和坍塌壓力對合理鉆井液密度窗的影響和計算方法進行了分析，建立了三壓力剖面，并與目的層實際鉆井液密度選擇及井況進行了對比，表明實際鉆井液密度選擇與所計算的安全窗范圍相一致。研究結論可以為更好地指導深層致密砂巖儲層的施工方案制定、高效鉆進及合理開發等方面提供依據。

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（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2014）04-0021-04

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.006

修訂回稿日期：2014－07－15

鄭蓮慧（1988－），女，碩士研究生，研究方向為巖石力學、地應力評價及井壁穩定性研究。. E-mail：543872747@qq.com。