深部硬石膏岩盖层地应力测井评价方法

张伟伟,黄胜,刘文华,赵永昌,代红霞,邓文传,尹帅

(1.中国石油集团测井有限公司华北分公司, 河北 任丘 062552;2.西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西 西安 710065)

0 引 言

硬石膏岩地层的地质特征及应力环境复杂[1-2],分布广泛,钻探无法避开。纯硬石膏岩具有非常大的密度,约为2.9 g·cm-3。对于埋藏较深、厚度较大的硬石膏岩地层,地层整体处于较高的应力环境下,且地层压力梯度比正常压实地层大[3-5]。

在这种复杂应力环境下,钻井液密度较难确定,钻井过程中通常要选择具有较高强度的套管。高强度套管虽然能有效防止套管的变形,但成本高昂。因此,对埋藏深厚、度大的硬石膏岩地层地应力进行评价是必要的。

塔里木盆地西南部地区古近系发育厚层硬石膏岩,厚度分布在50～400 m范围。在钻遇该地层过程中,部分井出现套管变形引起的起下钻遇卡现象。对研究区古近系厚层硬石膏岩地层现今地应力场的准确评价,可以为钻探设计提供合理依据。本文通过设计三轴力学和声学实验,模拟地层高应力环境,获取硬石膏岩力学参数。在此基础上,结合地应力实验测试及测井解释,对地应力进行评价,为油气高效钻探服务。

1 地质背景

M地区地层从下到上主要包括奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系及第四系,中生代地层被剥蚀。古近系地层主要发育厚层硬石膏岩及盐岩等蒸发岩类,两者均形成于气候干燥的环境下。研究区内古近系硬石膏岩厚度主要分布在50～100 m,埋深通常大于3 500 m。硬石膏岩的矿物组分主要包括硬石膏及泥质,含量通常接近90%。当岩样成分以硬石膏为主时,定义为硬石膏岩。当岩样中泥质含量大于50%时,定义为膏质泥岩。研究区古近系膏岩中以硬石膏岩为主,其在全区内分布稳定,厚度大,成为下覆古生代油气藏的良好区域盖层。

2 实验测试

2.1 薄片鉴定

对M地区H1井古近系硬石膏岩心进行薄片鉴定。利用偏光显微镜对岩石岩性、组分及显微结构特征进行研究,薄片长宽尺寸为2 cm×2 cm。硬石膏岩中的主要矿物组分为硬石膏、泥质、白云石及石英粉砂,同时还含有少量炭屑及氧化铁。镜下观察发现,硬石膏(白色)具有层状、纤维状或零散态结构,泥质组分呈棕色。

2.2 力学测试

岩石力学实验仪器采用岩石物理测试系统,利用该设备对岩石力学参数及声学参数进行同步测试。测试压力的误差小于1%,位移的分辨率为0.000 1 mm。根据上覆载荷设计的实验测试有效围压为50 MPa,实验测试温度为85 ℃。实验测试的参数为弹性模量和泊松比。

2.3 声学测试

声学测试仪器同样为岩石物理测试系统,声学与力学测试同步进行。岩样的纵横波波速的获取频率为1 MHz。而测井数据的频率为20 kHz,与实验测试频率具有较大差异,因此,进行了频散校正[6-7]。频散校正过程中,采用频谱法计算测试样品的品质因子(Q)。

选用铝样作为参考样,因为铝样的Q值大约为150 000,而岩样的Q≤1 000。对于Q为10～100的岩石,误差不会超过0.1%,可忽略[6]。

在获得品质因子基础上,利用频散方程式(1)将实验高频波速转换为测井频率(20 kHz)波速。

(1)

式中,v1和v2为不同测试频率条件下的声波速度,相对应测试频率分别为f1和f2。

2.4 地应力

2.4.1Kaiser声发射只有差应变测试和水力压裂测试获得的现今地应力大小是可靠的。而声发射实验测试结果只能作为参考。声发射是岩石在受压过程中弹性波瞬间释放的现象,对岩石历史时期最大载荷具有记忆能力,称为“Kaiser效应”[8]。对取自M地区H1井古近系的2组硬石膏质泥岩样品进行了声发射测试,每组3个样品,加载方向分别为水平方向(x方向)、垂直方向(y方向)及45°方向(xy方向)。通过分析加载应力、时间及声发射信号数,发现各组测试样品一般均出现4个Kaiser点,分别对应3级平均应力分量及平均破坏应力。将3级平均应力分量校正到地层有效围压(50MPa)条件下,可获得样品的3级主应力值。分析认为最小一级主应力的测试结果量级与古近系地层现今地应力较为匹配,可作为现今地应力的参考。

2.4.2差应变测试

差应变测试仪器为差应变测试系统,该测试可以准确确定地层现今地应力大小。对取自H1井古近系的2组硬石膏质泥岩样品进行静水加压,此时,岩石的应变主要包括2部分:①应变由微裂缝的闭合及岩石骨架的压缩共同作用所引起,该曲线段斜率较大;②应变由岩石骨架的压缩单独作用所引起,该曲线段斜率较小(见图1)。2部分斜率间的差异反映了单独由微裂缝闭合而引起的应变[9]。通过不同应变通道应力加载分析,可最终获得岩石各方向主应力值。2组岩样的差应变测试结果见表1,垂向应力为最大主应力,其次为水平最大主应力,最小主应力为水平最小主应力。σH为水平最大主应力;

σh为水平最小主应力;σv为垂向主应力。

图1 M1样品轴向应力—应变曲线

表1 H1井差应变法测试获取的样品主应力

3 岩石力学参数测井解释

岩石力学参数的测井解释主要根据声学参数及经验公式计算岩石的力学参数,该方法能获取单井力学参数的纵向连续取值,因此,相比实验测试有优势。但声学参数的计算结果属于动态值,而工程施工所需要的力学参数均为静态值,需要进行动静态参数转换[10]。

3.1 横波时差提取

横波时差是岩石力学参数测井评价的关键参数,对于同属一套沉积地层且岩性变化较小的岩石,纵波时差和横波时差间具有非常好的相关性。因此,前人多采用纵波时差对横波时差进行预测[11]。通常只有全波列测井才能获得横波时差信息,由于研究区古近系为非储层,未进行该项测井。通过频散校正技术,将实验测试的高频(1 MHz)波速转换为测井频率(20 kHz)波速。将已通过频散校正的测试波速值转换为声波时差值,然后,对各测试样品的纵横波波速值进行拟合(见图2)。硬石膏岩样品的纵横波时差要比硬石膏质泥岩样品小一些,但2种岩性样品的纵横波时差间具有非常好的线性正相关关系。利用图2中的拟合关系可以对古近系硬石膏岩目的层的横波时差进行预测。

图2 测试岩样频散校正后的纵横波时差拟合关系*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3.2 弹性模量及泊松比

岩石动态弹性模量及动态泊松比分别采用物理方程式(2)和物理方程式(3)进行解释

(2)

(3)

式中,Ed为动态弹性模量,GPa;ρb为岩石密度,g/cm3;νd为动态泊松比,Δtc为纵波时差,μs/m;Δts为横波时差,μs/m。

图3 地层围压条件下所测试岩样的动静态弹性参数转换关系

测试岩样的动静态弹性参数间转换关系见图3。可以看出,硬石膏质泥岩的弹性模量动态值(Ed)和静态值(Es)大体相等,而硬石膏岩的Es值要明显高于Ed值[见图3a]。同时,硬石膏岩的Ed值要高于硬石膏质泥岩的Ed值,表明硬石膏组分能提高膏岩的刚度。硬石膏质泥岩和硬石膏岩的动态泊松比值(νd)均大于静态泊松比值(νs),且硬石膏岩的νs值略大于硬石膏质泥岩的νs值[见图3b],表明硬石膏岩不仅具有比硬石膏质泥岩更高的强度,而且具有比硬石膏质泥岩更高的韧度。图3中测试膏岩样品的动静态弹性模量转换关系精度较高,而动静态泊松比转换关系的精度相对低一些。

4 地应力测井评价

4.1 有效应力系数(β)

图4 H2井地层压力特征

孔隙弹性是岩石等多孔介质的一个非常重要的特性。岩石的有效应力系数与岩石所受到的应力及岩石孔隙压力密切相关,是权衡孔隙压力对岩石有效应力作用程度的一个重要参数。对于未固结岩石或松散沉积物,地层岩石中的有效应力(σ′)为岩石所承受的总应力(σ)与孔隙压力(pf)的差值,β=1;对于中等及强固结岩石,孔隙流体仅承载部分地层压力,β<1,可用式(4)表征[12];对于致密沉积岩体,孔隙度低于1%的结晶岩体[13],β值可以利用岩石孔隙度(φ)通过式(5)表征[14]。

σ′=σ-βpf

(4)

β=1-(1-φ)3.8

(5)

4.2 地层压力

(6)

(7)

4.3 地应力测井解释

目前,国内外常用的地应力解释模型主要为单轴应变模型及各向异性地层模型[15]。对于具有一定流变性的深层、高应力环境下的硬石膏岩,应选用各向异性地层模型[15]。各向异性地层模型较好地考虑了水平方向的构造应力。目前所使用的各向异性地层模型多数存在待定系数较多,运算复杂的问题,一定程度上降低了模型的实用性。通过对不同地应力解释模型进行对比发现,在Newberry模型中引入修正系数C*,可以较好地预测地层水平方向最小主应力(σh)[见式(8)][16]。本文所获得的C*值为-0.32。同时,引入非平衡结构因子(Ub),此时水平最大主应力(σH)可以表示为式(9)[15]。该解释方法不仅较好地考虑了地层水平方向主应力的非均一性,而且计算过程简单。

图5 H3井古近系硬石膏岩层段地应力测井解释成果图

(8)

σH=σh×Ub(18)

式中,Ub通过地应力实测值反推获得式(18)[15],Ub值分布在1～1.4之间。

(9)

式中,k为刻度系数,取-1.38;Dmax和Dmin分别为测试点井眼直径的最大值及最小值,in;E和Ema分别为岩石弹性模量及岩石骨架的弹性模量,GPa。

垂向应力由上覆地层密度测井数据积分方法获得式(10)

(10)

式中,ρ(z)为埋深z点处的地层岩石密度,对于上覆没有测井资料的第四系松散地层,取岩石平均密度2.2 g/cm3。

将古近系取心硬石膏质泥岩地应力测试结果与解释结果对比表明,4组样品的地应力解释结果均与实测结果间具有较好的相符性。整体地应力预测结果的相对误差为5.6%,绝对误差为3.16 MPa。

对于各组测试而言,仅第4组声发射测试中σH的解释结果误差较大,相对误差为15.46%,绝对误差为8.3 MPa。整体来看,2组差应变测试样品的地应力解释结果最好,σH的平均相对误差为2.375%,平均绝对误差为1.47 MPa;σh的平均相对误差为4.765%,平均绝对误差为2.255 MPa。差应变测试也是确定现今地应力最为准确、有效的方法。利用声发射测试获得的地应力仅供参考。

利用上述方法可建立单井地应力测井解释剖面。以H3井为例(见图5),该井古近系发育厚层硬石膏岩层(A、C及E段)及薄硬石膏质泥岩(B及D段)夹层。硬石膏岩具有高密度、低GR及低声波时差测井响应特征;硬石膏质泥岩具有低密度、高GR及高声波时差测井响应特征。

从图5可以看出,硬石膏岩地层具有比硬石膏质泥岩地层更高的泊松比值及弹性模量值,与前述实验测试结果一致。同时,硬石膏岩地层的3个方向主应力大小满足σh<σH<σv,与前述地应力实验测试结果也一致。硬石膏岩地层的地应力高于硬石膏质泥岩地层。对于存在薄泥质夹层的井段,地应力变化幅度较大;泥质含量越高,地应力的降低幅度较大。部分硬石膏岩层段的σH值较大(如3 488～3 494 m井段),表现为σH值与σv值极为接近。古近系膏岩层,特别是硬石膏岩层整体具有高地应力特征,地应力垂向变化特征复杂,钻井设计中应充分考虑这些因素。

5 结 论

(1)通过设计三轴力学和声学同步测试实验,模拟地层高应力环境,获取了硬石膏岩力学参数。硬石膏岩具有比硬石膏质泥岩更高的密度、弹性模量及泊松比。

(2)利用频散校正技术将实验测试的样品高频(1 MHz)波速值转换为测井频率(20 kHz)波速值,转换后的波速值可用于岩石力学参数及地应力的测井评价。建立的古近系膏岩的横波时差及动静态力学参数转换模型,可用于膏盐岩剖面的岩石力学参数的精准计算。

(3)利用改进的Newberry模型和引入非平衡结构因子(Ub),实现了目的层水平方向最小主应力和最大主应力的测井预测。整体地应力预测结果的相对误差为5.6%,绝对误差为3.16 MPa。