利用测井资料合成井壁破坏图像分析地应力新方法

王浩, 王才志, 刘英明, 王秀琴

(1.中国石油勘探开发研究院, 北京 100083; 2.大庆钻探工程公司测井公司, 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

地应力是油气勘探开发中的一项重要参数,广泛应用于油藏、钻井、开发等各个方面,随着勘探开发的不断深入和勘探目标的日益复杂,对地应力分析提出了更高的要求[1]。地应力与储层裂缝发育情况、钻井过程中的井壁稳定、注水开发中的井网设计与调整、产层出砂预测、射孔压裂规模及参数选取等密切相关[2-5],准确进行地应力分析对油气勘探开发具有重要意义。地应力测量方法主要有水力压裂法[6-8]、声发射Kaiser效应法等[9-10]。2种方法虽然获取的地应力数值比较准确,但无法获得连续的地应力剖面,且测试时间长,成本高。测井资料因其测量深度大、测量深度连续、成本低等特点,常用其进行地应力计算,得到反映地应力随深度变化的连续剖面。

1 地应力的测井计算方法

利用测井资料计算地应力,利用密度测井曲线计算上覆地层压力,根据地层条件合理选择模型计算地层水平应力。

1.1 上覆地层压力计算

密度测井曲线计算上覆地层压力[11]

(1)

式中,σv为上覆地层压力;H为目的层深度;g为重力加速度。

实际计算中,一般利用插值方法构建测量井段以上的密度曲线。

1.2 水平应力计算

根据研究地区的实际情况,采用组合弹簧模型计算地层的水平应力。该模型假设岩石为均质、各向同性的线弹性体,并假定在沉积和后期地质构造运动过程中,地层和地层之间不发生相对位移,所有地层2个水平方向的应变均为常数。由广义虎克定律得[11]

(2)

式中,σH为最大水平应力,MPa;σh为最小水平应力,MPa;σv为上覆地层压力,MPa;pp为地层孔隙压力,MPa;α为Biot系数;E为岩石静态弹性模量,GPa;ν为岩石静态泊松比;εH为最大水平应力方向构造应力系数;εh为最小水平应力方向构造应力系数。

1.3 水平构造应力系数

利用上述模型计算地层水平应力,上覆地层压力、地层孔隙压力、Biot系数、岩石弹性模量与泊松比等均可由测井资料计算得到。水平方向构造应力系数往往利用实际地应力测试资料结合式(2)反算得到,利用该系数和式(2)即可获得沿深度变化的地应力剖面。

2 合成井壁破坏图像确定构造应力系数

实际中,很多情况没有完整的地应力测试资料,水平方向构造应力系数确定比较困难。本文通过调整构造应力系数计算地应力,利用地应力计算结果结合井壁破坏模式合成井壁破坏图像,结合电成像测井资料也能反映井壁破坏情况的特点,将二者进行对比,当二者反映的井壁破坏情况相符时,此时的构造应力系数可作为该区水平构造应力系数。

2.1 井壁破坏模式

实际钻井过程中,钻井液替代了原来井眼处的岩石,3个大小不等的主应力支撑的岩石被三向应力相同的流体替代,导致应力集中,井壁地层内应力变化可使井周岩石变形,并可能引起井壁失稳[12]。

井壁不稳定分为2种情况:①岩层剪切破坏引起的井壁剥落或垮塌;②井壁岩层发生张性破裂,造成泥浆漏失。

由莫尔-库伦准则,有[13]

(3)

令

(4)

式中,σ3为最小主应力,MPa;φ为岩石内摩擦角,弧度;C0为岩石单轴抗压强度,MPa。

当Δ1<0时,地层发生剪切破坏。

由最大拉应力理论,有[13]

σ3+St=0

(5)

Δ2=σ3+St

(6)

式中,σ3为最小主应力,MPa,St为岩石抗拉强度,MPa。

当Δ2<0时,岩石发生拉张破坏。

按照莫尔-库伦准则和最大拉应力理论,根据不同主应力间的大小关系,据Tom Bratton,Bernt S Aadnoy等[14-15]分析,地层共有6种剪切破坏模式和3种拉张破坏模式(见表1)。

2.2 单深度点井壁破坏情况分析

根据实际钻井泥浆密度,对井周应力状态进行分析,根据应力状态结合井壁破坏模式判断实际井周对应的破坏模式,再由Δ1和Δ2值大小确定井周破坏程度。图1为以单深度点为例,井壁破坏情况分析结果。图1中深度为3 000 m,井斜角0°,井斜方位角0°,最大水平主应力方位0°,孔隙压力40 MPa,上覆地层应力65 MPa,最大水平主应力55 MPa,最小水平主应力50 MPa,内摩擦角30°,Biot系数1.0,泊松比0.25,单轴抗压强度30 MPa,抗张强度3 MPa。

图1反映井壁破坏模式和破坏程度与井周方位角(井壁上一点径向与最大水平主应力方向的夹角)的关系。由资料得知,该深度点安全钻井泥浆密度介于1.52～2.14 g/cm3。图1(a)至(f)分别对应实际钻井泥浆密度为1.05、1.2、1.6、2.0、2.1、2.3 g/cm3时某深度上井壁的破坏情况。图1(a)和(b)的泥浆密度较低,图1(a)发生Ⅰ型剪切破坏和Ⅸ型拉张破坏,且在与最大水平主应力垂直方位上,剪切破坏最严重,此时井壁拉张破坏程度在井周各个方向上相同。图1(b)发生Ⅰ型剪切破坏不发生拉张破坏,在与最大水平主应力垂直方位上,剪切破坏最严重,且破坏程度较图1(a)轻。图1(c)和(d)既不发生剪切破坏也不发生拉张破坏。图1(e)和(f)的泥浆密度较高,图1(e)发生Ⅶ型拉张破坏,破坏方位与最大主应力方位平行。图1(f)发生Ⅱ型剪切破坏和Ⅶ型拉张破坏,拉张破坏程度较图1(e)严重,且在与最大水平主应力平行方位上,剪切破坏程度最严重。

表1 井壁破坏模式类型

图1 井壁破坏模式和程度与井周方位角的关系

图1反映的情况与安全钻井泥浆密度窗口反映情况相符,即当实际钻井泥浆密度低于安全钻井泥浆密度窗口下限时,井壁发生剪切破坏,当实际钻井泥浆密度高于安全钻井泥浆密度窗口上限时,井壁发生拉张破坏。泥浆密度过高时,也可能发生剪切破坏,且剪切破坏程度可能在与最大水平应力平行的方位上最严重。

2.3 目的层段井壁破坏图像合成

在单深度点井壁破坏情况分析的基础之上,通过对目的层段进行分析,将各深度上井周各点的破坏模式和破坏程度以不同的色度和灰度表示,得到该层段的井壁破坏图像(见图2)。该层段地层最大主应力方位100°,图2中第3道和第5道实际钻井泥浆密度为2.2 g/cm3时目的层段单深度点分析结果;第4道和第6道为利用单深度点分析结果合成的井壁剪切破坏图像和拉张破坏图像。图2中不同颜色代表不同的井壁破坏类型,颜色深浅代表井壁的破坏程度,颜色出现的方位代表井壁破坏发生的方位。从图2可以看到,当实际钻井泥浆密度较大时,该井井壁发生Ⅴ型剪切破坏和Ⅶ型拉张破坏,剪切破坏和拉张破坏程度均在与最大水平主应力平行方位上达到最大,此时切向应力为最小主应力,拉张破坏为泥浆密度较大在井壁上产生的垂直压裂缝。

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2.4 水平构造应力系数确定

将地应力计算结果合成的井壁破坏图像与电成像测井资料进行对比,当二者反映井壁破坏情况相符时,即可确定目标区块的水平构造应力系数。

图3中第2道为计算的水平应力大小,第4道和第5道分别为井壁破坏图像和该井电成像测井资料。图3中可以发现,井壁破坏图像反映该深度段井壁发生Ⅶ型拉张破坏,即实际泥浆密度过大在井壁上产生垂直压裂缝,电成像测井资料上也可见钻井产生的泥浆诱导缝,且诱导缝的延伸长度等与井壁破坏图像反映的情况相符,则此时的构造应力系数可作为该地区的水平构造应力系数。实际计算中,当二者反映的情况不相符时,则需要调整水平构造应力系数重新进行地应力计算,直到由地应力计算结果合成的井壁破坏图像与电成像测井资料反映的情况相符,从而确定实际区块的构造应力系数。

图2 井壁破坏图像合成

图3 井壁破坏图像和电成像资料对比匹配

3 应用实例

利用本文讨论的地应力分析方法对研究区域多口井进行了处理。图4为M5井处理解释结果,其中,计算所需的岩石强度、岩石弹性等参数均由测井资料得出。

图4中第2道为水平方向最大、最小构造应力系数分别为0.25和0.1时计算的地应力,第4道为此时的地应力计算结果合成的井壁破坏图像;第3道为水平方向最大、最小构造应力系数为0.35和0.15时计算的地应力;第5道为此时的地应力计算结果合成的井壁破坏图像。该深度段的实际钻井泥浆密度为2.32 g/cm3。由第5道发现,当最大、最小水平方向构造应力系数为0.35和0.15时,由于实际钻井泥浆密度较大,由该水平构造应力系数计算的地应力合成的井壁破坏图像反映井壁产生Ⅶ型破坏,即在井壁产生垂直压裂缝,但第5道的井壁破坏图像反映的裂缝延伸长度与电成像资料反映的情况明显不符,因此,需要对地应力重新进行计算。通过不断调整水平方向构造应力系数大小,当水平方向最大、最小构造应力系数分别为0.25和0.1时,由该水平构造应力系数计算的地应力合成的井壁破坏图像同样反映井壁产生Ⅶ型破坏,即井壁产生垂直压裂缝,且第4道的井壁破坏图像反映的裂缝类型和裂缝延伸长度均与电成像测井资料反映的情况相符,则0.25和0.1可作为该区的水平构造应力系数,第2道的地应力计算结果可作为该井的地应力剖面。

图4 M5井综合分析结果

4 结 论

(1) 利用测井资料测量深度大、测量深度连续、成本低等特点,可以快速、经济地进行地应力计算。

(2) 提出了一种分析地应力的新方法,利用地应力、岩石强度等参数合成井壁破坏图像,结合电成像资料也能反映井壁破坏情况的特点,将二者进行对比,确定水平方向构造应力系数,再由该构造应力系数得到地应力剖面,为地应力分析提供了一种新的思路。

(3) 当地应力计算结果准确时,利用本文方法合成井壁破坏图像进行井壁稳定性分析能直观反映井壁破坏模式和破坏程度,给钻井及其后续工作提供有效指导。

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