大北地区高陡构造异常高压地层地应力测井计算方法

袁仕俊, 刘国良, 周阳, 夏宏泉, 王成龙

(1.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院, 新疆 库尔勒 841000;2.西南石油大学石油工程测井大北实验室, 四川 成都 610500)

0 引 言

库车坳陷位于塔里木盆地北部,北与南天山断裂褶皱带以逆冲断层相接,南为塔北隆起,东起库尔楚,西至乌什,是一个以中、新生代沉积为主的前陆盆地。该坳陷经历了多期构造运动,其中喜山期运动对库车坳陷的构造变形影响最为强烈。在喜山期,南天山造山带强烈抬升,产生区域性的由北向南的挤压应力场,导致坳陷内发育了典型的冲断-褶皱构造。坳陷内断裂复杂,控制着构造的发育与展布,坳陷中部自北向南划分为“两带一凹”,即克拉苏冲断带、拜城凹陷、秋里塔格冲断带。克拉苏冲断带是南天山南麓第1排冲断构造,该冲断带由北部单斜带、克拉苏构造2个次级构造单元组成。克拉苏构造是紧邻南天山南麓和拜城凹陷北缘的第2排背斜构造带,以古近系盐下勘探目的层为主,构造带发育于新近纪晚期,属逆冲构造体系的主体。大北地区位于克拉苏深部区带西段,其构造活动开始于燕山晚期,定型于喜山晚期,库车组中晚期构造活动最强烈。该区带受北部的克拉苏冲断带和南部的拜城凹陷控制,2个构造之间发育多条次级逆冲断裂,将DB构造进一步复杂化,形成DB1断块、DB101断块、DB103断块、DB2断块、DB201-6断块、DB5断块和DB3、DB4断块等多个断块。

大北地区主要储层以巴什基奇克组低孔隙度低渗透率砂岩为主,埋藏深,产层压力在86～130 MPa、压力系数在1.65～1.8 MPa/100 m,表现为明显异常高压;其地质构造复杂,且地层倾角较大,断层、裂缝等发育[1],给工区油气勘探开发带来了较大困难。实测地应力花费较大,又不能获得连续的地应力剖面。测井资料具有分辨率高、连续性好等优点,可利用测井资料计算该地区的地应力。楼一珊、郑琦怡等[2-3]曾分别提出了基于测井资料并考虑地层倾角和构造运动剧烈程度的地应力计算模型,但是这2种模型过于复杂,参数较多,对构造应力系数的校正量过大,实用性不强。本文在前人研究的基础上,提出适合该工区高陡构造异常高压地层的地应力计算方法。

1 高陡构造异常高压形成原因

异常压力形成的原因可能是多种互相叠置的因素所致,如地质、物理、地球化学和动力学的因素[4]。异常高压给钻井工程带来了较多困难。通过总结前人的研究,发现大北地区白垩系砂泥岩地层出现异常高压的原因有3点[5-6]。

(1) 古近系盐岩盖层发育及不均衡压实作用是大北地区白垩系砂泥岩地层形成异常高压的主要原因,即在地层埋藏和压实过程中,孔隙中的过剩流体在机械力的作用下从沉积物中排出。在快速沉积过程中,岩石颗粒没有足够的时间去正常紧密排列,同时盐岩盖层压实作用引起孔隙度和渗透率的降低,孔隙内流体的排出受到限制,流体无法流出,使得孔隙压力升高,从而产生异常高压。

(2) 南天山构造运动形成的强挤压应力作用。在强烈的挤压应力作用下,地层中的流体被严重挤压,在得不到释放的情况下,形成了异常高压流体,地层孔隙压力升高,地应力也随之升高。

(3) 烃源岩生成的天然气向储层充注对超压形成起着辅助作用。

2 异常高压地层孔隙压力测井计算

根据Terzaghi有效应力理论,岩石骨架应力升高,地应力大小随之改变。梁何生等[7]对此作了相关研究,发现当地层孔隙压力升高时地应力增加,当地层孔隙压力降低时地应力减小。

2.1 基于声波时差曲线和伊顿法计算地层孔隙压力

地层孔隙压力计算方法主要有等效深度法、伊顿(Eaton)法和有效应力法等。等效深度法是在不同深度具有相同岩石物理性质的泥页岩的骨架所受到的有效应力相等,该方法适用于初期勘探的地区,在尚未取得原始地层压力实测资料之前用来计算地层孔隙压力;等效深度法只考虑了泥岩的垂直应力,没有考虑地层岩性、地温、沉降速度等因素的影响,当地层压力系数较大、异常压力点与等效深度点相距较远时,误差较大。Eaton法是目前比较常用的一种预测地层孔隙压力的经验关系法,其原理是观察参数的实际值和正常趋势值的比率与地层孔隙压力的关系,是由上覆岩层压力梯度的变化决定的。Eaton法综合考虑了除压实作用以外其他高压形成机制作用,并总结和参考了钻井实测压力与各种测井信息之间的关系,其公式中的系数包含了压力形成的机制、超压保存的条件和砂泥岩之间的水动力学关系,是一种比较实用的方法。

针对工区多套地层压力系统,利用基于声波时差测井曲线改进Eaton法计算工区地层孔隙压力pp,与实测的孔隙压力相比,改进的Eaton法计算结果较为准确,更适合工区实际地层异常高压的情况。

考虑到工区目的层段为异常高压地层,地层压实程度大,声波时差变化范围比较小,单纯调节压实指数C容易使整个地层压力剖面曲线变化起伏较大,不符合实际地层压力纵向变化特征。为此,在计算工区碎屑岩剖面地层压力时需对pp计算值进行附加校正,校正量为Δp(一般在0～0.5 g/cm3)[1],由此建立的Eaton法预测地层孔隙压力的非线性方程为

(1)

式中,p0为上覆地层压力,MPa;ρi为地层密度,g/cm3,工区缺省值取2.5 g/cm3;ΔDi为深度采样间隔,m;pw为地层水静液柱压力,MPa;ρw为地层水密度,g/cm3,工区取ρw=1.05 g/cm3;Δt为实测声波时差测井值,μs/ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtn为正常压实趋势线上的声波时差值,μs/ft;C为压实指数,无因次,常取值为0.914,异常高压时C可大于0.914;D为深度,m。

2.2 地层正常压实趋势线的构建

正常压实趋势线的构建是Eaton法计算地层孔隙压力的关键。泥岩压实实验研究表明,在正常压实条件下,泥岩孔隙度随上覆压力(或埋深)呈递减规律[8],可采用正常压实井段泥质层的测井值回归计算与经验调整相结合的方法建立。图1为DB地区正常压实泥岩层声波时差随埋深变化的趋势线图,其方程

ln Δt=4.5278-0.000082D

(R=0.867;N=1)

(2)

式中,Δt为泥岩层正常压实趋势线上的声波时差值,μs/ft;D为泥岩层正常压实趋势线上的深度,m。

将实际地层深度值代入式(2)可求出正常压实趋势的声波时差值,再由式(1)计算实际地层孔隙压力pp。

图1 大北地区泥页岩地层正常压实趋势线图

3 高陡构造最大、最小水平主应力的测井计算方法

地应力垂直应力由重力应力构成,水平应力由构造应力构成。对地应力大小和方向的定量表征(地应力的数值)包括最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力的大小和方向等。地应力大小和方向的确定是计算地层坍塌压力和破裂压力及研究井壁力学稳定性的基础。

实测地应力的成本较高,且获得的数据有限,对未进行地应力测试的地层可通过利用测井数据计算得到较为准确的地应力数值,并用实测数据检验与标定计算结果,得到沿井深连续分布的分层地应力剖面。以往计算白垩系砂泥岩地层地应力时主要采用黄氏模型,有

(3)

该模型认为地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力和水平方向的构造应力产生,在同一断块内,应力修正系数β1、β2为常数(即构造应力与垂向有效应力成正比)。黄氏模型考虑了构造应力的影响,可以解释在中国常见的三向应力不等且最大水平应力大于垂向应力的现象。

研究发现,地层倾角对地应力的计算有较大影响。当地层倾角较小时影响较小,地层倾角较大时影响较大。主要原因是,对于大多数地层,地层是各向异性体或宏观各向异性体,其各方向上的弹性参数是不相同的;当地层具有一定倾角时,这种差别更为严重,因此,对大倾角地层其地应力计算不能忽略地层倾角的影响。

大北地区经历了多期复杂构造运动,燕山、喜山运动的影响最为明显,尤其是在喜山期,南天山造山带强烈抬升,产生区域性的向南挤压的应力场,导致坳陷内发育典型的冲断-褶皱构造,多数地层存在不同程度的地层倾斜。大北地区大多数井地层倾角大于30 °,例如DB××1井目的地层倾角高达60 °、DB××2井目的地层倾角在30 °～40 °、DB××3井和DB××4井目的地层倾角都为30 °。

图2 DB高陡地层地应力状态示意图

地层倾角的存在减少了上覆岩层压力(减小了垂直应力对地层压实作用的影响),增大了岩层的各向异性,在地层倾角较大区域应适当校正地层倾角对地应力的影响。图2中,针对大北地区地层倾角较大、地层异常高压、地应力强的实际情况,基于应力分布的几何空间三角函数关系,以地应力实验和压裂试采实测值为刻度基准,利用地层倾角测井和声电成像测井解释得到的地层倾角数据,引入地层倾角DIP对地应力的影响系数β3,建立适合大北地区高陡地层的地应力计算模型,表示为

(4)

式中,SH、Sh分别为最大、最小水平主应力,MPa;μ为泊松比,无量纲;pp、p0分别为地层孔隙压力和上覆岩层压力,MPa;β1、β2分别为最大和最小主应力方向的构造应力系数,无量纲,根据资料反演获知β1=0.843,β2=0.431;β3为地层倾角对地应力影响系数,无量纲;DIP为地层倾角,由地层倾角测井资料或成像测井资料获取,°;α为有效应力系数,无量纲,α=1-Cma/Cb,Cma、Cb分别为岩石骨架压缩系数和地层压缩系数。

通过地应力实验获取某一深度点最大、最小水平地应力值和上覆岩层压力,利用岩石力学实验获得的同一深度点的泊松比与有效应力系数,并结合实测的孔隙压力反算出构造应力系数。

上述模型不仅考虑了地层弹性和构造运动对地应力计算的影响,也考虑了地层倾角对地应力计算的影响。地层倾角为0 °时,对地应力的影响为0,上述计算地应力模型即为黄氏模型,也就是说黄氏模型为该模型的特列。当地层倾角增大时,地层倾角DIP对地应力的影响系数β3随之变大,表明地层倾角对地应力的影响变大。地应力随着地层倾角的变大而变小,即同一地层其他条件相同情况下,地层越高陡(地层倾角越大)地应力越小。

4 应用实例分析

基于上述方法模型,对大北地区3口井测井资料进行了处理。处理结果见表1。

表1 不同计算地应力的方法处理结果与实测地应力值对比

表1中,实测数据来源于地应力实验、水力压裂及邻井的钻井压漏实验等。与实测数据对比发现,在构造应力系数、有效应力系数和泊松比相同条件下,采用考虑地层倾角对地应力影响的高陡构造地应力计算模型计算出的地应力值与实测较为符合,最大水平主应力误差不超过2.44%、最小水平主应力误差不超过3.8%,平均相对误差为3.12%,误差较小,高陡构造地应力模型处理结果比黄氏模型计算结果准确度高,更为可靠。

DB××1井位于DB×圈闭东南翼(DBX圈闭是克拉苏构造带上一个局部构造,受南北2条边界大断层控制,为近北东向短轴背斜),井点海拔5 705 m(见图3),井点位置在时间域地震剖面上构造南北向、东西向均有回倾。

图3 DB××1井在构造中位置

图4为DB××1井K1bs地层(7 230～7 390 m)地应力的测井解释剖面图。图4中第5道显示了DB××1井地层倾角变化情况,可以看出,DB××1井在7 230～7 390 m段其地层倾角在50 °～65 °之间,实测地应力点(7 235.72 m)处地层倾角为60 °,属于典型的高陡地层。为此,在计算该井地应力时应该采用式(4)计算,这样才能建立较为准确的连续地应力剖面。图4中,三向应力状态为SH>p0>Sh。通过Kaiser地应力实验获得7 235.72 m最大地应力为207.19 MPa、最小地应力为145.27 MPa,预测最大地应力为204.9 MPa、最小地应力为141.2 MPa,与实测地应力相比较误差分别为1.12%和2.77%,误差小、精度高,能够满足工程应用的要求。

图4 DB××1井K1bs地层(7 230～7 390 m段)地应力测井解释剖面

5 结论及建议

(1) 地层倾角的存在降低了上覆岩层压力对地层的压实作用,地应力随着地层倾角的变大而变小。大北构造受北部的克拉苏冲断带和南部的拜城凹陷控制,地层倾角大,大部分井的地层倾角高于30 °,测井预测地应力时应考虑地层倾角才能提高地应力的计算精度。为此,建立了考虑地层倾角影响因素的地应力测井计算模型。

(2) 大北地区E-K系地层存在明显的异常高压情况,计算地应力时首先要求准地层孔隙压力。计算大北地区的E-K系地层孔隙压力时,需要考虑实际地层压力纵向变化特征,并正确构建地层正常压实的声波时差值变化的趋势线。

(3) 本文模型计算出的地应力值与地应力实验测量值比较接近,误差较小,且优于黄氏模型,可以满足石油工程应用要求。

(4) 大北地区地质构造复杂,地层倾角较大,且裂缝和断层发育,在考虑地层倾角对现今地应力的影响同时,可考虑裂缝产状与现今地应力状态的关系及其对地应力大小的影响。

参考文献:

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