塔里木盆地克深前陆冲断带储层岩石力学参数研究

王 珂,戴俊生,冯建伟,王俊鹏,李 青

(1.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023;2.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 3.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000)

塔里木盆地克深前陆冲断带储层岩石力学参数研究

王 珂1,戴俊生2,冯建伟2,王俊鹏1,李 青3

(1.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023;2.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 3.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000)

综合采用岩石单轴压缩试验、三轴压缩试验及测井资料计算,对塔里木盆地克深前陆冲断带单井的岩石力学参数进行分析,通过单轴－三轴校正及动态－静态校正,确定静态岩石力学参数的单井剖面,利用高斯插值对岩石力学参数空间分布特征进行研究,并分析岩石力学参数与地层深度的关系。结果表明:岩石力学参数的空间分布主要与岩相有关,并在一定程度上反映了储层物性特征,弹性模量、内聚力和抗压强度大而泊松比小的区域储层物性相对更好;随着地层深度的增加,弹性模量、内聚力和抗压强度逐渐增加而泊松比逐渐下降;利用岩石力学参数与地层深度的关系以及断层带岩石力学参数的经验比例,可以对不同地质单元的岩石力学参数进行取值,为后续的地应力场及储层裂缝数值模拟奠定基础。

塔里木盆地;克深前陆冲断带;岩石力学参数;单井分布;空间分布

储层岩石力学性质与地应力及储层裂缝的分布密切相关,是盆地构造应力场及储层裂缝数值模拟、油气井钻探设计、储层改造措施制定和方案设计的主要依据[1-6]。岩石力学性质采用岩石力学参数进行表征,主要包括弹性模量、泊松比、内聚力及抗压强度等参数[7]。由于岩石力学参数在油气勘探开发中的重要作用,岩石力学参数的求取与应用技术引起了国内外石油与岩石力学专家的广泛关注[8]。目前岩石力学参数的测算方法主要有两种:一是在实验室进行岩样的岩石力学试验,包括单轴压缩试验与三轴压缩试验[1-2],二是利用地球物理测井资料,结合相应的岩石力学参数计算模型进行计算[8],此外还可利用水力压裂资料获得岩石力学参数[2]。对于克深气田,目前亟需利用数值模拟的方法明确地应力及储层裂缝的分布规律,以指导后续的勘探开发工作,不同地质单元岩石力学参数的选取即成为了首要任务。因此,笔者在单轴压缩试验、三轴压缩试验及测井资料计算的基础上,从岩石力学参数的校正及其与地层深度的关系方面,对塔里木盆地克深前陆冲断带的岩石力学参数进行研究,为地应力及储层裂缝数值模拟提供数据基础。

1 研究区地质概况

克深前陆冲断带位于塔里木盆地北缘,库车坳陷克拉苏－依奇克里克构造带的中部,大北－克深区带的东段,是继克拉2气田后的又一重点开发领域,也是塔里木盆地“十二五”期间的重点勘探目标区块之一。

根据区域性大断裂的分布,研究区自北向南可划分为Ⅰ～Ⅵ共6个主要的断块,其中Ⅱ号构造是目前勘探开发的主要目标(图1、2)。钻遇地层自上而下依次为第四系(Q)、新近系库车组(N2k)、康村组(N1－2k)、吉迪克组(N1j)、古近系苏维依组(E2－3s)、库姆格列木群(E1－2km)和下白垩统巴什基奇克组(K1bs)。其中下白垩统巴什基奇克组是主要勘探目的层系,埋深普遍大于5.0 km,岩性以细砂岩和泥质细砂岩为主,泥质夹层发育,属辫状河三角洲及扇三角洲前缘沉积,储层平均厚度约270 m。上覆地层为古近系库姆格列木群的膏盐层,主要岩性为白云岩和膏泥岩,与目的层系为角度不整合接触(图2,剖面位置见图1)。

图1 克深前陆冲断带构造分区Fig.1 Tectonic division of Keshen foreland thrust belt

图2 过A2-4井叠前时间偏移剖面Fig.2 Pre-stack time migration profile through well A2-4

2 岩石力学参数单井分布特征

2.1 单轴压缩试验

单轴压缩试验又称无侧向岩石围压压缩试验,是最常用的岩石强度试验。试验所受围压为零,轴向连续加载,通过测量轴向应力及轴向和径向应变来研究岩石的力学性质[9]。为了保证在岩心较为有限的情况下尽可能地顾及各类岩性,应按照一定的原则进行岩石取样:①选取岩性单一、粒度较均匀的岩石,如细砂岩、泥岩;②非单一岩性的岩石,如泥质细砂岩、含泥砾细砂岩;③所取岩样中不能有明显的裂缝,以尽量保证试验结果的准确性。根据上述原则,在克深地区选取10块岩样(编号1～10)以进行单轴压缩试验。

单轴压缩变形试验所用仪器为MTS815程控伺服岩石刚性试验机,加载速度为0.1 mm/min,控制方式为轴向位移控制。试验中,试件所受的轴向荷载、产生的纵向位移和横向位移均由计算机自动采集,并存入设定的数据文件。

根据计算机自动采集的轴向荷载,计算对应的应力值,最大值即为单轴抗压强度,

式中,σ为应力,MPa;P为轴向载荷,N;A为试件截面面积,mm2。

根据计算机自动采集的纵向位移和横向位移,计算纵向应变和横向应变值,

式中,εa为纵向应变;εc为横向应变;ΔL为纵向变形,mm;L为试件高度,mm;ΔC为横向变形,mm;C为试件的初始周长,mm。

以应力为纵坐标,应变为横坐标,可绘制出应力与应变的关系曲线。在应力与纵向应变关系曲线上,确定直线段的起始点应力值σa和纵向应变εaa以及终点应力值σb和纵向应变εab,该直线段斜率即为弹性模量,

式中,Ee为单轴测试弹性模量,GPa;μe为单轴测试泊松比;εca为应力为σa时的横向应变值;εcb为应力为σb时的横向应变值。

按照上述计算公式,可以计算出各个岩样的弹性模量、泊松比和抗压强度(表1)。

对应的泊松比计算公式为

表1 单轴压缩试验结果Table 1 Results of uniaxial compression test

2.2 三轴压缩试验

三轴压缩试验可分为常规三轴压缩试验和真三轴压缩试验(又称岩石三轴不等应力试验)。常规三轴压缩试验中试样受3个彼此正交的应力σ1、σ2和σ3作用,其中有两个相等,如σ2=σ3;真三轴压缩试验时岩石在三个彼此正交方向上受不同的力,应力状态为σ1＞σ2＞σ3。真三轴压缩试验虽然能研究中间主应力σ2对岩石试样力学性能的影响,但十分复杂,很难做岩石抗压强度、抗剪强度方面的试验[9]。本次研究采用常规三轴压缩试验,对岩样横向施加围压,然后逐渐增大轴向载荷,测出岩石破坏时的轴向应力σ1,并绘出应力应变关系曲线。

试验装置采用TAW-1000深水孔隙压力伺服试验系统,全套装置由高温高压三轴室、围压加压系统、轴向加压系统、数据自动采集控制系统等四大部分组成。高温高压三轴室的设计指标为围压为140 MPa,可容纳岩样的尺寸为Φ25 mm。最大轴压为1500 kN,轴向应变测试范围为0～5 mm,周向应变测试范围为0～4 mm。围压、轴向载荷与位移、应变等信号由数据自动采集控制系统TESTSTARII来采集与控制。

本次研究中选取了2块岩石样品进行了三轴压缩试验,试验结果如表2所示。

表2 三轴压缩试验结果Table 2 Results of triaxial compression test

2.3 测井资料计算

岩石单轴和三轴压缩试验直接利用地下岩心取样,属于直接资料,理论上具有较高的准确度和可信度。由于样品点少,所得结果直接用于数值模拟缺乏充足的理论依据,而且试验费用较高。测井资料计算在一定程度上弥补了岩石力学试验的不足,具有连续性好、成本低等优点。

测井资料计算岩石力学参数主要依据声波时差、岩石密度及泥质百分含量数据,相关计算公式[6,8-9]为

式中,Ed为计算的弹性模量,GPa;μd为计算的泊松比;Sc为抗压强度,MPa;Vsh为泥质百分含量;ρb为岩石密度,kg/m3;Δtp和Δts分别为纵波时差和横波时差,μs/ft。

按照以上计算模型,对克深地区的岩石力学参数进行了测井资料计算,以A2-1井为例,计算结果如图3所示。

图3 A2-1井岩石力学参数测井计算结果Fig.3 Rock mechanical result calculated by logging data of well A2-1

3 岩石力学参数的校正

岩石单轴及三轴压缩试验得到的岩石力学参数通常称为静态参数,测井资料计算所得到的岩石力学参数称为动态参数。根据地下岩层的应力形成、赋存和起作用的机制,特别是在应力幅值、加载速度和所引起的岩石变形等方面,更接近岩石静态测试的条件,因此在地应力计算和实际工程中通常采用岩石的静态岩石力学参数[6,9-10]。在静态参数中,由于三轴压缩试验条件更接近地下岩石的实际环境,准确度更高,因此是地应力场及储层裂缝数值模拟所用岩石力学参数的主要依据。但是,从表2可以看出,三轴压缩试验仅有2个样品数据,无法对测井计算结果进行标定以得到较为准确的动态－静态参数关系,应先将单轴压缩试验结果校正到三轴压缩试验条件下,然后再根据校正值去标定测井计算结果,寻求静态和动态岩石力学参数之间的关系,最后将连续的测井计算剖面校正为静态岩石力学参数剖面。

3.1 单轴-三轴校正

受样品质量、岩石中的微裂隙及设备系统误差等原因的影响,单轴压缩试验结果数据波动较大(表1)。为了获取尽可能多的数据点,以得到较为准确的单轴－三轴关系以及其后的动态－静态关系,需要对数据进行筛选,即选取在某一数值区间内最为集中的数据点。

由表1可知弹性模量的范围一般为10～17 GPa,因此将1号、6号和10号样品数据点剔除;抗压强度是与弹性模量有关的参数,数据筛选方式与弹性模量相同;泊松比范围变化较大,但从数据稳定程度上看一般为0.05～0.1,因此保留1号、5号、8号和10号样品数据点。根据袁仕俊等[11]在大北－克深地区的研究,岩石单轴和三轴压缩试验得到的岩石力学参数之间存在简单的比例关系,即

其中Et、μt和Sct分别为三轴压缩试验条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度;Ee、μe和Sce分别为单轴压缩试验条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度;a、b、c为常数。

将筛选后的岩石力学参数单轴压缩试验结果取平均值,弹性模量约为14.7 GPa,泊松比约为0.072,抗压强度约为75.8 MPa;三轴压缩试验结果的弹性模量平均值为36.1 GPa,泊松比平均值为0.24,抗压强度平均值为427.5 MPa,由此可得a= 2.46,b=3.33,c=5.64,并按此系数对单轴压缩试验结果进行校正(表3)。

表3 岩石力学参数校正数据Table 3 Data of rock mechanical parameters correction

3.2 动态-静态校正

单轴－三轴校正完成后,即可对测井解释结果进行标定,建立动态－静态参数之间的关系曲线,完成岩石力学参数的动态－静态校正,相关数据见表3。由于A1-1井缺少必要的测井系列,无法计算出动态岩石力学参数,因此未参与校正。由表3可见,动态弹性模量和静态弹性模量之间、动态抗压强度和静态抗压强度之间差异较大,需要建立二者之间的数值关系(图4、5),并对测井解释得到的动态弹性模量剖面进行静态校正,而动态泊松比和静态泊松比之间差异不大,二者近于一致,无需再进行校正。对于内聚力,由于三轴压缩试验仅得到一个内聚力值,难以通过拟合得到动态和静态之间的线性关系式,因此认为静态内聚力与动态内聚力为简单比例关系,即

式中,Cs为静态内聚力,MPa;Cd为动态内聚力, MPa;d为常数,按照表3中数据计算可得d=2.61。

图4 动态-静态弹性模量关系曲线Fig.4 Relationship between dynamic and static elasticity modulus

从岩石力学动态参数与静态参数的关系可以看出,二者之间通常有一定的差异,主要原因是岩石中存在微裂隙,从而造成岩石具有各向异性和非均质性。微裂隙的存在对岩石静态变形影响较大,但声波可以绕过微裂隙传播,因此岩石在承受静态和动态载荷时会呈现不同的特性,造成动态和静态参数具有一定的差别。随深度增加,岩石所受围压增大,微裂隙逐渐闭合,岩石的动态和静态参数的差异会逐渐减小[12]。动态参数与静态参数的校正关系确定后,即可将测井计算剖面校正为三轴静态参数剖面,其形式与图3一致。

图5 动态-静态抗压强度关系曲线Fig.5 Relationship between dynamic and static compressive strength

4 岩石力学参数空间分布特征

以静态岩石力学参数的单井剖面为基础,通过高斯插值可以得到岩石力学参数在空间上的分布特征。由于在除Ⅱ号构造之外的其他地区井点较少或无井点控制,无法得到较为准确的岩石力学参数空间分布,因此仅对Ⅱ号构造的岩石力学参数空间分布特征进行研究,结果如图6、7所示,其中井点区由校正后的测井解释结果控制,无井点区则参考三维地震属性进行高斯插值,另外岩石力学参数的剖面分布还参考了实际钻井地质剖面。

图6 岩石力学参数平面分布特征Fig.6 Planar distribution of rock mechanical parameters

从岩石力学参数的平面分布(图6)来看,岩石力学参数高值区多呈片状、斑点状或条带状分布。东西两端为分流河道间微相,泥质含量偏高,弹性模量、内聚力和抗压强度较低而泊松比较高;过A3-1井的南北向轴线两侧属河道叠置区,主要岩相为细砂岩、粉砂岩,泥质含量相对较低,弹性模量、内聚力和抗压强度表现为高值,且连片分布,而泊松比在此处表现出南北差异,北部岩相多为细砂岩,泊松比相对于南部的粉砂岩相偏低;中部为分流河道与分流河道间相间排列,岩石力学参数呈条带状分布,弹性模量、内聚力和抗压强度的高值区分布相近,与泊松比高值区相反。

图7 岩石力学参数剖面分布特征Fig.7 Sectional distribution of rock mechanical parameters

岩石力学参数在剖面上的分布(图7)与砂体展布密切相关。剖面两端主要为分流河道间微相,具有高泥质含量,导致弹性模量、内聚力和抗压强度低而泊松比偏高;A2-1井和A2-2井处为分流河道微相,主要发育细砂岩,弹性模量、内聚力及抗压强度较高而泊松比值偏低;背斜中部为分流河道与分流河道间相间排列,由于河道的摆动,在垂向上形成砂岩－泥岩叠置展布,从而使岩石力学参数呈高值－低值相间的分布特征。从气井的产量来看,A2-1和A2-2井属相对高产气井,因此岩石力学参数的分布特征在一定程度上与储层物性相关,弹性模量、内聚力和抗压强度高而泊松比低的储层物性通常更好,本质上反映了岩相对储层物性的影响。

5 岩石力学参数与地层深度的关系

为了进行整个研究区的地应力场及储层裂缝数值模拟,必须确定各个断块及断层的岩石力学参数。由于在现有的有限元分析中,岩石力学参数的空间场分布与有限元模型之间的耦合仍然是一个难题,因此只能采用相应地质单元的岩石力学参数平均值来对有限元模型的材料特性进行赋值。

在克深前陆冲断带,不同断块之间的深度差异较大,据周宏伟等[13]研究,岩石力学参数与地层埋深关系密切,可以通过寻求岩石力学参数与地层深度的关系,结合各断块的平均深度确定各个断块的岩石力学参数平均值。对单井岩石力学参数与地层深度值分岩性段进行统计后发现,随深度增加,弹性模量、内聚力和抗压强度均增加,而泊松比降低(图8),这与周宏伟等人通过岩石力学试验方法得到的结论一致。

图8 岩石力学参数与地层深度关系曲线Fig.8 Relationship between rock mechanical parameters and strata depth

根据地层深度与岩石力学参数的拟合曲线,将各个断块的平均深度值代入拟合公式,即可得到各个断块的岩石力学参数平均值。断层的岩石力学参数确定较为困难,目前比较成熟且符合实际情况的处理方式是将断层及其周围岩石单元作为断层带处理,将断层两侧适当范围内的岩石力学参数按一定比例降低,文世鹏等[14-15]根据若干油田的实践经验,将该比例定为约60%。由此对克深前陆冲断带各个地质单元的岩石力学参数进行了计算,结果如表4所示。其中的断层仅列出了区域性断裂,按照两侧断块岩石力学参数60%的平均值进行取值,各断块内次级断层岩石力学参数按相应断块岩石力学参数的60%计算。根据表4的数据,将其赋值到有限元模型中的相应地质单元,可为后续的地应力场及储层裂缝数值模拟奠定基础。

表4 不同地质单元的岩石力学参数取值Table 4 Rock mechanical parameters in different geological elements

需要指出,利用岩石力学参数与深度的关系确定各个地质单元的岩石力学参数取值,是在多数地质单元内缺少井点控制的前提下应用的,因此不可避免地会产生误差。一方面,在地层深度足够大时,二者之间的关系并不像图8中仅用一条简单的多项式拟合曲线就可以表达,否则就会得出弹性模量、内聚力和抗压强度随深度增加无限增大而泊松比无限减小直至为零的错误结论;另一方面,由于地层在垂向上存在非均质性,即使是同一深度,不同断块的参数也不一定一致;此外,不同深度的地层流体对岩石力学参数的影响也不容忽视。因此,在缺少实际单井资料而研究区范围较大、对精度要求较低的情况下,利用上述方法确定不同地质单元的岩石力学参数是可行的;在有实际钻井资料时,应尽量利用岩心试验和测井解释结果,以尽可能地减小误差。

6 结 论

(1)岩石力学参数的单轴压缩试验结果与三轴压缩试验结果具有简单的比例关系,单轴－三轴校正后的静态岩石力学参数与利用测井资料计算出的动态岩石力学参数之间具有线性关系,利用这些关系可以对不同方法获得的岩石力学参数进行校正,得到适合于数值模拟的三轴静态值。

(2)岩石力学参数的空间分布特征主要与岩相有关,并在一定程度上反映了储层物性特征,弹性模量、内聚力和抗压强度大而泊松比小的区域储层物性相对更好。

(3)随着地层深度的增加,弹性模量、内聚力和抗压强度逐渐增加而泊松比逐渐下降,利用岩石力学参数与地层深度的上述关系以及断层带岩石力学参数的经验比例确定克深前陆冲断带各个地质单元的岩石力学参数取值,为后续的地应力及储层裂缝数值模拟奠定基础。

致谢文中岩石单轴压缩试验由成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室协助完成,岩石三轴压缩试验由中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院计算中心完成,在此谨表谢意。

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(编辑 徐会永)

Research on reservoir rock mechanical parameters of Keshen foreland thrust belt in Tarim Basin

WANG Ke1,DAI Junsheng2,FENG Jianwei2,WANG Junpeng1,LI Qing3
(1.PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,Hangzhou 310023,China; 2.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 3.Research Institute of Exploration and Development,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla 841000,China)

Rock mechanical parameters of single wells in the Keshen foreland thrust belt of Tarim Basin were analyzed by unixial compression,triaxial compression tests and logging data calculations,and single well profiles of static rock mechanical parameters were confirmed by uniaxial-triaxial and dynamic-static corrections.Analyses on the spatial contribution of rock mechanical parameters using Gaussian interpolation were carried out,and the relationship between rock mechanical parameters and strata depth was analyzed.The results show that rock mechanical parameters are mainly related to lithofacies,and are correlated to some extent with the reservoir physical property:for instance,areas with high modulus of elasticity,cohesion,compressive strength and low Poisson's ratio have better reservoir physical property.With increasing strata depth,modulus of elasticity,cohesion and compressive strength increase,while Poisson's ratio decreases gradually.Rock mechanical parameters in different geological elements can be estimated effectively using the relationship derived in this study combining with the experiential percentage of rock mechanical parameters in fault belts,which can facilitate subsequent numerical simulations of crustal stress field and reservoir fracture.

Tarim Basin;Keshen foreland thrust belt;rock mechanical parameters;single well distribution;spatial distri-bution

TE 122.2

A

1673-5005(2014)05-0025-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.004

2014－01－05

国家科技重大专项(2011ZX05042－001,2011ZX05003－04);山东省博士后基金项目(201003104)

王珂(1987－),男,工程师,博士,主要研究方向为储层地质及裂缝预测。E－mail:wangk_hz@petrochina.com.cn。

王珂,戴俊生,冯建伟,等.塔里木盆地克深前陆冲断带储层岩石力学参数研究[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(5):25-33.

WANG Ke,DAI Junsheng,FENG Jianwei,et al.Research on reservoir rock mechanical parameters of Keshen foreland thrust belt in Tarim Basin[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):25-33.