渤南洼陷低孔隙度低渗透率地层岩石力学参数测井计算方法

翟勇

（中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营257096）

0 引 言

在油气开采过程中，通过综合应用岩石强度参数和岩石强度破坏准则可以优化射孔参数，制定合理的生产压差及生产制度，估算水力压裂所需的压力。在钻井过程中，可以开展井壁稳定性分析，获得地层的坍塌压力、破裂压力，一方面为安全钻井提供必需的安全泥浆密度，保证井壁稳定；另一方面为井身结构优化提供依据，提高钻井效益［1］。

目前，获取岩石力学参数的方法主要有岩心力学实验以及利用测井资料计算。岩石力学实验是确定岩石力学参数最基本、最直接的方法，但岩心实验数据有限，数据离散，不能反映井剖面地层岩石强度的变化趋势。利用测井资料预测岩石的强度参数可以得到连续的地层岩石强度剖面，但测井资料与地层岩石的强度，如抗压强度、弹性模量、泊松比等参数之间并没有直接的、确定不变的数学关系，这就给利用测井资料预测岩石的强度带来了极大困难。因此，对油气工业，岩石强度的实验研究与测井连续计算相结合，是获得对岩石强度剖面全面认识的必然途径［2－4］。

1 岩石力学参数实验分析

1.1 岩样的制备及基础物性测试

选取有代表性的岩心，利用钻床、切片机等设备加工成端面平整的直径2.5cm、长4.0cm左右的岩心柱塞。对岩样逐一进行编号后测量长度和直径，经过烘干后进行重量、孔隙度、声波速度等基础参数的测量。

1.2 岩心三轴抗压实验研究方法

三轴抗压强度是指岩石在三轴压力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于岩石破坏时的最大压应力。由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学状态的测试不能靠简单的单轴压缩试验方法，必须在一定的围压作用下进行实验测定。在常规三轴抗压实验过程中，岩样放入高压室中，先四周加压至所需的压力，然后逐渐增加垂向压力，并记录岩样的轴向压缩应变，据此可绘制应力－应变曲线（见图1）。

三轴抗压强度实验仪器采用美国GCTS公司生产的岩心三轴试验机RTR－1000。依据《工程岩体试验方法标准（GB／T 50266－99）》在模拟地层净围压的条件下对各岩心进行了三轴抗压测试，根据各岩心应力应变曲线，可以获取岩石的弹性模量、泊松比和抗压强度等参数；根据不同围压下的抗压强度，通过绘制莫尔应力圆的包络线即可确定岩石的内聚力和内摩擦角。

图1 岩心SL2－12三轴应力应变曲线（围压46MPa）

1.3 岩石抗张强度测量的实验方法

岩石的抗张强度又叫抗拉强度，是指岩石在单轴拉力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于破坏时的最大拉应力。实验采用劈裂法测定岩石抗张强度，沿着圆柱体直径方向施加集中载荷，岩样会沿着受力的直径方向裂开。岩石抗张强度的计算公式为

式中，pmax为岩石破坏时的最大压力，MPa；D为岩石试件的直径，m；L为岩石试件的长度，m。

2 岩石力学参数测井预测模型

岩石的弹性模量和泊松比不仅可以通过岩石物理实验方法得到，也可以利用弹性波的传播关系，由测量的弹性波速度和体积密度计算得到，由此得到结果称为动态弹性参数。动态弹性参数较为连续，可以较好地反映地层剖面的机械特性变化，但现有的力学本构关系都是基于静态弹性参数建立的，因此，在实验研究的基础上，实现全井剖面岩石静态力学参数的预测是本文研究的重点。

基于测井资料预测岩石抗压强度、抗张强度、抗剪强度的相关研究早已见诸国内外文献［1－4］，也形成了许多经验公式，只是不同地区所建公式有所不同。对于不同地区不同岩性，需选择和建立合理的计算模型。为此，针对渤南洼陷义173井等4口井沙四段储层岩心开展了岩石物理实验，对力学测试结果与纵、横波时差和岩石体积密度进行统计及相关性分析（见图2至图7）。

图2 静态弹性模量与纵波时差／密度的关系

统计分析结果表明，研究工区内低孔隙度低渗透率砂岩的静态弹性模量、抗压强度、内聚力、抗张强度与纵波时差（Δtc）和体积密度（ρ）比值间均具有较好的相关性，而内摩擦角与纵波时差具有较好相关性。经回归后建立各岩石力学参数的测井计算模型。

静态弹性模量计算模型

三轴抗压强度计算模型

图7 抗张强度与纵波时差／密度的关系

内聚力计算模型

内摩擦角计算模型

抗张强度计算模型

泊松比计算模型

3 工程应用分析

岩石的抗压强度、内摩擦角和抗拉强度是确定井眼稳定性的3个关键参数，根据建立的模型对研究工区内义290等井沙河街组地层剖面的岩石力学参数进行了计算分析，进而结合地层应力、地层孔隙压力分析利用基于Mohr－Coulomb准则及最大拉应力理论计算各井剖面的坍塌压力梯度、破裂压力梯度［5－8］。将计算结果与实际钻井及测试资料进行对比，以验证模型的可靠性。

渤南洼陷沙四段储层普遍存在异常高压，以义290井为例，该井沙四段压力系数可达到1.35以上，实际钻井液密度为1.65g／cm3（见图8），可以看出，计算得到的坍塌压力梯度与实际钻井液密度大小的对比与井眼失稳状况具有较好的对应关系，实际使用钻井液密度介于安全范围内的井段井径规则，而当实际使用钻井液密度低于坍塌压力梯度时，井径明显扩径。

针对破裂压力，选取了研究工区内有压裂资料的4口井对实测破裂压力梯度与测井计算的进行了对比（见表1），平均误差在2.42%左右，最大为4.66%，而模型建立前的平均误差在12.75%左右，最大为21.76%，从而验证了本文所构建的岩石力学参数计算模型对研究工区地层具有较好的适应性，使计算精度得到很大提高。

表1 实测与测井计算破裂压力梯度对比表

图8 义290井井眼稳定性评价成果图

4 结 论

（1）针对岩心进行了三轴弹性及强度参数测试，得到静态弹性模量、抗张及抗压强度、内聚力、泊松比等参数。

（2）统计分析表明，静态弹性模量、抗压强度、内聚力、抗张强度与纵波时差和体积密度比值间具有较好的相关性，而内摩擦角、泊松比与纵波时差具有较好相关性，由此回归了新的测井计算模型。

（3）实际工程应用表明，本文所构建的岩石力学参数计算模型在渤南洼陷地层具有较好的适应性，井眼稳定性参数计算精度得以提高。为今后工程设计提供可靠的依据，对提高井身质量、有效保护油气层、降低钻探成本有着重要意义。

［1］ 刘向君，罗平亚.岩石力学与石油工程 ［M］.北京：石油工业出版社，2004.

［2］ 张传进，鲍洪志，路保平.测井资料在钻井工程中应用现状及展望 ［J］.天然气工业，2002，22（5）：55－57.

［3］ 李金柱，李双林.岩石力学参数的计算及应用 ［J］.测井技术，2003，27（增刊）：15－18.

［4］ 贺顺义，师永民，谢楠，等.根据常规测井资料求取岩石力学参数的方法 ［J］.新疆石油地质，2008，29（5）：662－664.

［5］ Bernt S，Aadn Y，Mesfin Belayneh.Elasto－plastic Fracturing Model for Wellbore Stability Using Non－penetrating Fluids［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2004，45：179－192

［6］ 梁利喜，许强，刘向君.基于极限平衡理论定量评价井壁稳定性 ［J］.石油钻探技术，2006，34（2）：15－17.

［7］ 刘长新，郭清滨，赵元良.测井新技术对井眼稳定性的评价研究 ［J］.测井技术，2006，30（2）：168－171.