深部硬石膏巖蓋層地應力測井評價方法

張偉偉,黃勝,劉文華,趙永昌,代紅霞,鄧文傳,尹帥

(1.中國石油集團測井有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552;2.西安石油大學地球科學與工程學院, 陜西 西安 710065)

0 引 言

硬石膏巖地層的地質特征及應力環境復雜[1-2],分布廣泛,鉆探無法避開。純硬石膏巖具有非常大的密度,約為2.9 g·cm-3。對于埋藏較深、厚度較大的硬石膏巖地層,地層整體處于較高的應力環境下,且地層壓力梯度比正常壓實地層大[3-5]。

在這種復雜應力環境下,鉆井液密度較難確定,鉆井過程中通常要選擇具有較高強度的套管。高強度套管雖然能有效防止套管的變形,但成本高昂。因此,對埋藏深厚、度大的硬石膏巖地層地應力進行評價是必要的。

塔里木盆地西南部地區古近系發育厚層硬石膏巖,厚度分布在50～400 m范圍。在鉆遇該地層過程中,部分井出現套管變形引起的起下鉆遇卡現象。對研究區古近系厚層硬石膏巖地層現今地應力場的準確評價,可以為鉆探設計提供合理依據。本文通過設計三軸力學和聲學實驗,模擬地層高應力環境,獲取硬石膏巖力學參數。在此基礎上,結合地應力實驗測試及測井解釋,對地應力進行評價,為油氣高效鉆探服務。

1 地質背景

M地區地層從下到上主要包括奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系及第四系,中生代地層被剝蝕。古近系地層主要發育厚層硬石膏巖及鹽巖等蒸發巖類,兩者均形成于氣候干燥的環境下。研究區內古近系硬石膏巖厚度主要分布在50～100 m,埋深通常大于3 500 m。硬石膏巖的礦物組分主要包括硬石膏及泥質,含量通常接近90%。當巖樣成分以硬石膏為主時,定義為硬石膏巖。當巖樣中泥質含量大于50%時,定義為膏質泥巖。研究區古近系膏巖中以硬石膏巖為主,其在全區內分布穩定,厚度大,成為下覆古生代油氣藏的良好區域蓋層。

2 實驗測試

2.1 薄片鑒定

對M地區H1井古近系硬石膏巖心進行薄片鑒定。利用偏光顯微鏡對巖石巖性、組分及顯微結構特征進行研究,薄片長寬尺寸為2 cm×2 cm。硬石膏巖中的主要礦物組分為硬石膏、泥質、白云石及石英粉砂,同時還含有少量炭屑及氧化鐵。鏡下觀察發現,硬石膏(白色)具有層狀、纖維狀或零散態結構,泥質組分呈棕色。

2.2 力學測試

巖石力學實驗儀器采用巖石物理測試系統,利用該設備對巖石力學參數及聲學參數進行同步測試。測試壓力的誤差小于1%,位移的分辨率為0.000 1 mm。根據上覆載荷設計的實驗測試有效圍壓為50 MPa,實驗測試溫度為85 ℃。實驗測試的參數為彈性模量和泊松比。

2.3 聲學測試

聲學測試儀器同樣為巖石物理測試系統,聲學與力學測試同步進行。巖樣的縱橫波波速的獲取頻率為1 MHz。而測井數據的頻率為20 kHz,與實驗測試頻率具有較大差異,因此,進行了頻散校正[6-7]。頻散校正過程中,采用頻譜法計算測試樣品的品質因子(Q)。

選用鋁樣作為參考樣,因為鋁樣的Q值大約為150 000,而巖樣的Q≤1 000。對于Q為10～100的巖石,誤差不會超過0.1%,可忽略[6]。

在獲得品質因子基礎上,利用頻散方程式(1)將實驗高頻波速轉換為測井頻率(20 kHz)波速。

(1)

式中,v1和v2為不同測試頻率條件下的聲波速度,相對應測試頻率分別為f1和f2。

2.4 地應力

2.4.1Kaiser聲發射只有差應變測試和水力壓裂測試獲得的現今地應力大小是可靠的。而聲發射實驗測試結果只能作為參考。聲發射是巖石在受壓過程中彈性波瞬間釋放的現象,對巖石歷史時期最大載荷具有記憶能力,稱為“Kaiser效應”[8]。對取自M地區H1井古近系的2組硬石膏質泥巖樣品進行了聲發射測試,每組3個樣品,加載方向分別為水平方向(x方向)、垂直方向(y方向)及45°方向(xy方向)。通過分析加載應力、時間及聲發射信號數,發現各組測試樣品一般均出現4個Kaiser點,分別對應3級平均應力分量及平均破壞應力。將3級平均應力分量校正到地層有效圍壓(50MPa)條件下,可獲得樣品的3級主應力值。分析認為最小一級主應力的測試結果量級與古近系地層現今地應力較為匹配,可作為現今地應力的參考。

2.4.2差應變測試

差應變測試儀器為差應變測試系統,該測試可以準確確定地層現今地應力大小。對取自H1井古近系的2組硬石膏質泥巖樣品進行靜水加壓,此時,巖石的應變主要包括2部分:①應變由微裂縫的閉合及巖石骨架的壓縮共同作用所引起,該曲線段斜率較大;②應變由巖石骨架的壓縮單獨作用所引起,該曲線段斜率較小(見圖1)。2部分斜率間的差異反映了單獨由微裂縫閉合而引起的應變[9]。通過不同應變通道應力加載分析,可最終獲得巖石各方向主應力值。2組巖樣的差應變測試結果見表1,垂向應力為最大主應力,其次為水平最大主應力,最小主應力為水平最小主應力。σH為水平最大主應力;

σh為水平最小主應力;σv為垂向主應力。

圖1 M1樣品軸向應力—應變曲線

表1 H1井差應變法測試獲取的樣品主應力

3 巖石力學參數測井解釋

巖石力學參數的測井解釋主要根據聲學參數及經驗公式計算巖石的力學參數,該方法能獲取單井力學參數的縱向連續取值,因此,相比實驗測試有優勢。但聲學參數的計算結果屬于動態值,而工程施工所需要的力學參數均為靜態值,需要進行動靜態參數轉換[10]。

3.1 橫波時差提取

橫波時差是巖石力學參數測井評價的關鍵參數,對于同屬一套沉積地層且巖性變化較小的巖石,縱波時差和橫波時差間具有非常好的相關性。因此,前人多采用縱波時差對橫波時差進行預測[11]。通常只有全波列測井才能獲得橫波時差信息,由于研究區古近系為非儲層,未進行該項測井。通過頻散校正技術,將實驗測試的高頻(1 MHz)波速轉換為測井頻率(20 kHz)波速。將已通過頻散校正的測試波速值轉換為聲波時差值,然后,對各測試樣品的縱橫波波速值進行擬合(見圖2)。硬石膏巖樣品的縱橫波時差要比硬石膏質泥巖樣品小一些,但2種巖性樣品的縱橫波時差間具有非常好的線性正相關關系。利用圖2中的擬合關系可以對古近系硬石膏巖目的層的橫波時差進行預測。

圖2 測試巖樣頻散校正后的縱橫波時差擬合關系*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3.2 彈性模量及泊松比

巖石動態彈性模量及動態泊松比分別采用物理方程式(2)和物理方程式(3)進行解釋

(2)

(3)

式中,Ed為動態彈性模量,GPa;ρb為巖石密度,g/cm3;νd為動態泊松比,Δtc為縱波時差,μs/m;Δts為橫波時差,μs/m。

圖3 地層圍壓條件下所測試巖樣的動靜態彈性參數轉換關系

測試巖樣的動靜態彈性參數間轉換關系見圖3。可以看出,硬石膏質泥巖的彈性模量動態值(Ed)和靜態值(Es)大體相等,而硬石膏巖的Es值要明顯高于Ed值[見圖3a]。同時,硬石膏巖的Ed值要高于硬石膏質泥巖的Ed值,表明硬石膏組分能提高膏巖的剛度。硬石膏質泥巖和硬石膏巖的動態泊松比值(νd)均大于靜態泊松比值(νs),且硬石膏巖的νs值略大于硬石膏質泥巖的νs值[見圖3b],表明硬石膏巖不僅具有比硬石膏質泥巖更高的強度,而且具有比硬石膏質泥巖更高的韌度。圖3中測試膏巖樣品的動靜態彈性模量轉換關系精度較高,而動靜態泊松比轉換關系的精度相對低一些。

4 地應力測井評價

4.1 有效應力系數(β)

圖4 H2井地層壓力特征

孔隙彈性是巖石等多孔介質的一個非常重要的特性。巖石的有效應力系數與巖石所受到的應力及巖石孔隙壓力密切相關,是權衡孔隙壓力對巖石有效應力作用程度的一個重要參數。對于未固結巖石或松散沉積物,地層巖石中的有效應力(σ′)為巖石所承受的總應力(σ)與孔隙壓力(pf)的差值,β=1;對于中等及強固結巖石,孔隙流體僅承載部分地層壓力,β<1,可用式(4)表征[12];對于致密沉積巖體,孔隙度低于1%的結晶巖體[13],β值可以利用巖石孔隙度(φ)通過式(5)表征[14]。

σ′=σ-βpf

(4)

β=1-(1-φ)3.8

(5)

4.2 地層壓力

(6)

(7)

4.3 地應力測井解釋

目前,國內外常用的地應力解釋模型主要為單軸應變模型及各向異性地層模型[15]。對于具有一定流變性的深層、高應力環境下的硬石膏巖,應選用各向異性地層模型[15]。各向異性地層模型較好地考慮了水平方向的構造應力。目前所使用的各向異性地層模型多數存在待定系數較多,運算復雜的問題,一定程度上降低了模型的實用性。通過對不同地應力解釋模型進行對比發現,在Newberry模型中引入修正系數C*,可以較好地預測地層水平方向最小主應力(σh)[見式(8)][16]。本文所獲得的C*值為-0.32。同時,引入非平衡結構因子(Ub),此時水平最大主應力(σH)可以表示為式(9)[15]。該解釋方法不僅較好地考慮了地層水平方向主應力的非均一性,而且計算過程簡單。

圖5 H3井古近系硬石膏巖層段地應力測井解釋成果圖

(8)

σH=σh×Ub(18)

式中,Ub通過地應力實測值反推獲得式(18)[15],Ub值分布在1～1.4之間。

(9)

式中,k為刻度系數,取-1.38;Dmax和Dmin分別為測試點井眼直徑的最大值及最小值,in;E和Ema分別為巖石彈性模量及巖石骨架的彈性模量,GPa。

垂向應力由上覆地層密度測井數據積分方法獲得式(10)

(10)

式中,ρ(z)為埋深z點處的地層巖石密度,對于上覆沒有測井資料的第四系松散地層,取巖石平均密度2.2 g/cm3。

將古近系取心硬石膏質泥巖地應力測試結果與解釋結果對比表明,4組樣品的地應力解釋結果均與實測結果間具有較好的相符性。整體地應力預測結果的相對誤差為5.6%,絕對誤差為3.16 MPa。

對于各組測試而言,僅第4組聲發射測試中σH的解釋結果誤差較大,相對誤差為15.46%,絕對誤差為8.3 MPa。整體來看,2組差應變測試樣品的地應力解釋結果最好,σH的平均相對誤差為2.375%,平均絕對誤差為1.47 MPa;σh的平均相對誤差為4.765%,平均絕對誤差為2.255 MPa。差應變測試也是確定現今地應力最為準確、有效的方法。利用聲發射測試獲得的地應力僅供參考。

利用上述方法可建立單井地應力測井解釋剖面。以H3井為例(見圖5),該井古近系發育厚層硬石膏巖層(A、C及E段)及薄硬石膏質泥巖(B及D段)夾層。硬石膏巖具有高密度、低GR及低聲波時差測井響應特征;硬石膏質泥巖具有低密度、高GR及高聲波時差測井響應特征。

從圖5可以看出,硬石膏巖地層具有比硬石膏質泥巖地層更高的泊松比值及彈性模量值,與前述實驗測試結果一致。同時,硬石膏巖地層的3個方向主應力大小滿足σh<σH<σv,與前述地應力實驗測試結果也一致。硬石膏巖地層的地應力高于硬石膏質泥巖地層。對于存在薄泥質夾層的井段,地應力變化幅度較大;泥質含量越高,地應力的降低幅度較大。部分硬石膏巖層段的σH值較大(如3 488～3 494 m井段),表現為σH值與σv值極為接近。古近系膏巖層,特別是硬石膏巖層整體具有高地應力特征,地應力垂向變化特征復雜,鉆井設計中應充分考慮這些因素。

5 結 論

(1)通過設計三軸力學和聲學同步測試實驗,模擬地層高應力環境,獲取了硬石膏巖力學參數。硬石膏巖具有比硬石膏質泥巖更高的密度、彈性模量及泊松比。

(2)利用頻散校正技術將實驗測試的樣品高頻(1 MHz)波速值轉換為測井頻率(20 kHz)波速值,轉換后的波速值可用于巖石力學參數及地應力的測井評價。建立的古近系膏巖的橫波時差及動靜態力學參數轉換模型,可用于膏鹽巖剖面的巖石力學參數的精準計算。

(3)利用改進的Newberry模型和引入非平衡結構因子(Ub),實現了目的層水平方向最小主應力和最大主應力的測井預測。整體地應力預測結果的相對誤差為5.6%,絕對誤差為3.16 MPa。