低滲致密油藏井震聯合地應力預測方法研究

摘 要：低滲致密儲層日益成為油氣開發重點，其儲層結構復雜，地質應力分布狀況不明，導致井位部署、鉆井施工和壓裂施工困難大。地應力預測技術能夠為其提供有效技術支撐。常規的地應力預測方法依賴于獲得的測井曲線，不能很好地滿足鉆前預測的需求。首先，利用探井獲得的巖心試驗數據，開展巖石力學分析，并對測井資料計算出的單井地應力進行修正，再運用地應力經驗公式，建立由縱波速度、密度、泥質含量組成的區域地應力模型。在此基礎上，利用區塊內探井和三維地震資料，運用疊前反演方法，得到高精度縱波速度體、密度體和含泥量體，并建立了區域地震地應力模型。然后再利用測井計算的單井地應力計算結果對模型進行校正，預測結果與現場實際獲得數據對比，誤差較小，預測精度滿足生產需要。通過模擬發現，工區北部應力差在20 MPa左右，高于南部工區，有利目標區主要集中在北部。通過地應力模型，優選有利目標區，為下一步區域的井位部署、鉆井優化設計和壓裂施工起到了重要的技術指導意義。

關鍵詞：低滲致密;井震聯合;巖石力學;地應力模型

中圖分類號：TE347 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）1-0070-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.016

Research on Prediction Method of Ground Stress in Low Permeability Tight Oil Reservoir

YU Wenzheng

（Geophysical Research Institute，Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257022，China）

Abstract： Low-permeability and tight reservoirs have increasingly become the focus of oil and gas development. The complex reservoir structure and the unclear geological stress distribution have caused difficulties in well location deployment， drilling and fracturing operations. Geostress prediction technology can provide effective technical support for it. Conventional methods of in-situ stress prediction rely on the obtained logging curves， which cannot well meet the requirements of pre-drilling prediction. First， use the core experimental data obtained from the exploratory well to carry out rock mechanics analysis， and correct the single well ground stress calculated from the logging data， and then use the ground stress empirical formula to establish a regional ground composed of longitudinal wave velocity， density， and shale content. Stress model. On this basis， using exploration wells and 3D seismic data in the block， using pre-stack inversion methods， high-precision longitudinal wave velocity bodies， density bodies and mud content bodies were obtained， and a regional seismic stress model was established. Then， the model is corrected by the calculation result of the single well ground stress calculated by logging. The prediction result is compared with the actual data obtained on site， the error is small， and the prediction accuracy meets the needs of production. It is found through simulation that the stress difference in the northern part of the work area is about 20 MPa， which is higher than that in the southern work area. The favorable target area is mainly concentrated in the north. Through the in-situ stress model， the favorable target area is optimized， which plays an important technical guiding significance for the deployment of well positions， drilling optimization design and fracturing construction in the next area.

Keywords： low permeability and tightness; well-seismic combination; rock mechanics; in-situ stress model

0 引言

通過文獻檢索發現，目前國內地應力預測方法仍主要依賴測井資料和地震資料估算地應力。依靠測井資料獲得地應力的方法目前比較成熟，預測結果準確性較高，但只能預測單一剖面，在區域空間展布上不具備連續性。地震資料預測地應力雖能滿足空間上連續性，但目前正處在發展階段，從最初DILLEN[2]研究發現反射系數的改變會導致應力的變化開始，后人在此基礎上不斷攻關探索，陸續得到很大的預測進展。

首先是SARKAR等[3]通過反演的方法，計算獲得地層主應力。TIGREK[4]先用反射系數反演得到動態參數，然后通過試驗所獲得的動靜態參數轉換關系式求取相應的地質力學參數，最后根據地質力學參數模型求出地應力的空間展布情況。SAYERS[5]在進行地應力預測研究時，發現運用時移地震可以預測到更為精確的地應力模型。STARR[6]利用地震數據計算閉合應力梯度。HUNT等[7]利用曲率和楊氏模量與地應力之間的關系對地應力進行預測。地震數據預測地應力方法的實現，是由GRAY[8]通過建立各向異性特征模型后研究得到。地下應力場展布規律的估算由何英[9]與張廣智[10]等選用曲率和剛度矩陣兩種不同方法計算獲得。宗兆云[11]利用裂縫巖石物理參數預測地應力。馬妮等[12-13]在基于正交各向異性理論的基礎上，綜合了HTI和VTI兩種介質的影響，得到了地應力預測表達式，然后利用疊前地震數據完成了地震地應力的預測。

但是上述地震預測方法只能滿足空間展布上的連續性，其預測結果不能滿足實際開發生產的精度需求，故本文提出井震聯合預測地應力方法。該方法利用探井獲得的巖心試驗數據，開展巖石力學分析，利用分析結果對測井資料計算的單井地應力計算結果進行校正。再推導地應力計算公式，建立由縱波速度、密度和泥質含量構成的區域地應力模型。然后，以區塊內探井和三維地震數據資料為基礎，通過地震疊前反演獲得高精度的縱波速度體、密度體和泥質含量體，建立區域的地應力模型。最后，再利用測井計算的單井地應力計算結果對模型進行校正，獲得滿足實際生產需求的模型。

研究區位于準噶爾盆地中央坳陷昌吉凹陷，含油面積較大，儲量豐富，但目前油區正處于勘探開發初期，井位部署較少，獲取有利地質資料較少，對下步井網部署、鉆井施工和壓裂施工產生很大困難。利用井震聯合預測地應力的方法，可以有效利用區域的地震資料和測井資料，對研究區地應力分布做出準確預測，找出研究區工程甜點，為下一步區域內的井位部署、鉆井施工和壓裂施工提供技術支持。

1 實驗室數據分析及巖石力學參數模型建立

目前通過試驗獲得巖石力學參數方法主要有兩種。①靜態測量法，在實驗室測量巖石在靜態載荷作用下產生的橫向應變和縱向應變，然后計算巖石力學參數。②動態測量法，利用測井曲線計算巖石力學參數。一般認為實驗室測得的結果是正確的，因此通常用實驗室測得靜態數據來標定測井曲線計算的動態數據，使其更接近與地層的真實狀況。

1.1 實驗室數據分析

1.1.1 單軸抗壓強度試驗。通過對研究區巖心的單軸抗壓強度試驗，可以得到測試巖心樣品的應力-應變曲線（如圖1所示），試驗發現目標區的巖心脆性較強，單軸抗壓強度在48.4～61.1 MPa。

1.1.2 三軸應力-應變試驗。在實驗室對研究區巖心施加大小不同的圍壓，觀察在不同圍壓條件下巖石的應變隨壓力的變化情況，測量得到應力和應變變化曲線如圖2所示。根據不同圍壓下的應變大小，畫莫爾圓（如圖3所示），得到研究區巖心內聚力為37.55 MPa，內摩擦角為35.3°。

1.1.3 聲波測試試驗。不同圍壓條件下，巖石的縱波速度和橫波速度測量結果如圖4所示。

圖中結果表明，縱、橫波速度隨圍壓的不斷增大而相應地增大。一般巖石聲速隨有效應力的變化規律可用于擬合有效應力（小于100 MPa時），如下式（Khaksar et al.， 1999; Shapiro， 2003）：

利用試驗得到的縱橫波速度關系并將結論應用到該區其他井。并用于相關的巖石力學模型的建立。

1.2 巖石動態參數計算

1.2.1 動態泊松比。在“工程甜點”預測中，泊松比能夠直觀反映巖石橫向變形的彈性常數[14]。通過泊松比來初步判斷巖石的韌性強弱，通常泊松比的大小與巖巖石礦物中泥質含量的高低有直接關系。計算公式為

1.2.2 動態楊氏彈性模量。在“工程甜點”預測中，楊氏模量等巖石彈性參數是表征巖石脆性、評價儲層含氣特征的重要特征參數。楊氏彈性模量越小越容易發生形變。通過縱橫波、巖石密度等數據，可計算楊氏彈性模量。

1.2.3 泥質含量。泥質含量通常是利用巖層中自然存在的放射性核素核衰變過程中放射出來的[γ]射線的強度來衡量。公式如下：

1.2.4 單軸抗壓強度。為了從測井資料中獲得巖石單軸抗壓強度，利用了Deere & Miller（1966）試驗基礎上建立的經驗公式來計算巖石的單軸抗壓強度：

1.2.5 內摩擦角與內聚力。巖石的內摩擦角[φ]的確定，參照以前斯倫貝謝公司的經驗做法，雖然計算結果跟實際相比會存在一定誤差，但目前也是比較有效的方法，計算經驗公式為：

利用上述巖石力學參數計算模型，再結合實際試驗室數據進行標定，最終得到了研究區的一維綜合評價模型，結果如圖6所示。

2 地應力模型建立

地應力是指存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，包括由地熱、重力、地球自轉速度變化及其他因素產生的應力[15]。一般而言，地層的應力主要包括垂直方向主應力（上覆地層壓力）、最大水平主應力和最小水平主應力這三個互相垂直方向的應力（見圖7）。其中，垂向應力是由上覆巖石的靜態壓力所引起的，可通過測井密度積分獲得。而兩個水平主應力則是由構造運動引起的，與上覆地層壓力、構造應力及孔隙壓力有關。

2.1 上覆地層壓力

上覆地層壓力是由上覆地層的重力引起的，隨著地層深度的增加而逐漸增大，與地層壓實狀況成正比，與地層密度成正相關。通常情況下，可以由全井段的密度積分來求取上覆地層壓力：

2.2 孔隙壓力

在Eaton法中，地層孔隙壓力是地層能量的反映，對于鉆探來說，直接關系到鉆探能否有效率、安全地完成鉆探，乃至鉆探工程的成功與否。Eaton公式在實際中假定，巖石的有效應力是在正常壓實過程中，縱向波速之比的函數。公式如下：

在公式法中，Eaton公式法是目前相對最成熟、精度最高的方法。這種方法基于沉積壓實假設，適用于砂泥巖地層，本工區選擇該方法用于孔隙壓力的計算。

2.3 水平地應力

依據前人的研究經驗，水平地應力的計算模型目前主要分為各向同性模型和各向異性模型，各向同性模型認為各個方向的應力基本相同，無差別，無構造應力;各向異性模型則認為地層構造應力在各個方向上存在較大的差異性。后來經過地質學家的實際勘測發現，各向同性的模型是不成立的，是一種理想狀態下的模型，故下面計算均采用各向異性模型。

本研究使用的公式是通過葛洪魁的水力壓裂垂直裂縫和水平裂縫預測地壓力經驗公式演化而來的。在預測公式中明確了最小主應力的方向始終會垂直于裂縫所在的平面，故可得出相應的計算模型。

依據式（4）、式（5）彈性參數與縱橫波速度的關系，將式（15）、式（16）、式（17）、式（18）公式進行轉換，得到垂直裂縫時，地應力計算模型為：

利用疊前地震資料可以反演出波阻抗，進而反演出彈性波阻抗，進而可以通過ZOEPPRIZ方程，就可以求取到縱橫波速度、密度和泥質含量，詳細的資料處理和反演過程不再詳述，這里將得到的結果直接用到上述公式（19）、（20）、（21）、（22）中去，便可計算得到初步的三維地應力模型。后期再結合區域地質上的構造模型、儲層模型，加以地震速度進行約束，便可得到相應條件下的區域地應力模型（見圖8）。

在井點位置，使用前面使用測井資料計算的一維地應力結果對三維模型進行標定，標定后模型可以用于分析目的區的應力分布特征，進而得到勘探開發中的有利甜點區，指導實際的鉆井施工和壓裂施工。

3.2 模型應用和分析

結合應力模型，開展了研究區可壓性分析，利用得到應力差異因子對研究區的微裂縫發育情況開展了預測，發現大部分區域內的應力差異因子小于0.25，說明研究區內天然微裂縫發育良好，實際壓裂時壓裂裂縫易與天然裂縫溝通，能夠形成較好的壓裂效果。研究區脆性指數平均在0.64左右。目的層從清水河組到西山窯組脆性指數變化較小整體在0.52～0.70，具備良好的脆性特征，壓裂時易形成體積縫網，但是從破裂壓力來看，破裂壓力值在110～130 MPa，平均破裂壓力在120 MPa左右，壓裂時啟動壓力較高，壓裂實際難度依然較大。

結合應力模型，開展了研究區可鉆性分析，首先預測了研究區的鉆井泥漿密度窗口，在模型中輸入預鉆井的井軌跡后可以提取出相應的泥漿當量密度剖面。分析發現研究區內全井段的泥漿密度窗口位于1.26～1.95。泥漿密度窗口范圍較大，實際鉆井施工時對井眼的控制難度較大，易出現井壁坍塌、井涌和卡鉆等鉆井事故。通過計算發現，研究區可鉆性級值在4～7，目的層平均值在5.7左右，鉆井難度較大，建議在實際鉆井時上部地層采用銑齒牙輪鉆頭、PDC鉆頭，下部地層采用鑲齒牙輪鉆頭、PDC鉆頭配合螺桿提高機械鉆速。

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收稿日期：2021-11-24

基金項目：中石化股份公司科研攻關項目“低滲致密油藏地震工程一體化關鍵技術研究”（P20069-1）。

作者簡介：于文政（1985—），男，本科，工程師，研究方向：地球物理。

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