致密油储层岩石各向异性的动态声学实验研究

石玉江,么勃卫,夏宏泉

(1.长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安710021；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500)

0 引 言

图1 实验岩心取样方式(β角为取心角)

鄂尔多斯盆地延长组地层砂泥岩互层发育,非均质性明显[1-8]。砂岩、粉砂岩和泥质砂岩地层具有较强的各向异性特征,尤其是在垂向和水平向上岩石物理数值差异较大。其长6、长7、长8段致密油储层具有明显的声速和力学各向异性,以往的研究多采用横观各向同性(TI)模型,未涉及TIV各向异性和3D岩石力学微观理论模型方面研究,局限性较大。另外,对于斜井和水平井的声学和岩石力学参数计算方法(模型)研究较少,且全域声学参数测试和岩石力学评价尚未形成系统的处理流程。不同实验条件下,不同方向取心岩样岩石力学关键参数计算缺乏有效的解释模型,原有的基于各向同性的岩石力学评价方法存在明显不适用性。因此,需要钻取多尺度多方位多角度的岩心样,开展系统的岩石各向异性声学和工程力学参数实验研究,这对TIV地层各向异性地应力的计算具有非常重要的现实意义。

1 实验岩样钻取与制备

实验样品取自长庆油田数字岩心库全直径岩心,从13口直井和4口水平井的长6、长7、长8段钻取不同角度圆柱岩样(直径2.5 cm、高度5 cm)和方岩样(5 cm×5 cm×5 cm),包括沿井筒与井轴夹角(0°,45°,60°,90°)取样、沿水平最大和水平最小地应力方向及其夹角45°方向取样(至少取3个样)。多尺度多方位多角度钻取实验岩样的方式如图1所示(0°为水平样,90°为垂直样)。

2 实验装置及测量方法

采用SCMS-E高温高压岩心声学测量仪[9],对端面磨平的试样进行常温常压和60 ℃不同围压(0.1、10、20、30、40 MPa)下动态声学参数测量。该仪器进行岩石声速测试时的纵波和横波发射频率分别为fp=1 MHz、fs=600 kHz。仪器精度:长度测量误差为±0.02 mm;直径误差为±0.02 mm;质量称重误差为±0.000 1 g;纵波、横波时差测量范围为150～1 000 μs/m,纵波时差误差为±2%、横波时差误差为±3%。

测量时,探头与岩样之间加耦合材料,在其一端用发射探头向岩石发射脉冲信号,在另一端接收声信号[10-15],所经历的时间即为岩石纵波和横波的传播时间(tp2-tp1-tp0,ts2-ts1-ts0)。并将实验声波数据按照测井频率(fc,p=fc,s=20 kHz)进行频散校正。实验岩样纵横波速度测量公式为

(1)

式中,L为岩样的长度,cm;vp、vs分别为岩样纵波、横波速度,m/s;tp1、ts1分别为纵波、横波信号到达探头1的时间,μs;tp2、ts2分别为纵波、横波信号到达探头2的时间,μs;tp0、ts0分别为纵波、横波在探头1和探头2中传播的总时间,分别为7.06、13.36 μs;vp1、vs1分别为实验仪器在原始频率下测量的岩心纵横波速度vp1=10L/(tp2-tp1-tp0)、vs1=10L/(ts2-ts1-ts0),km/s。则纵波时差、横波时差的计算公式为

(2)

式中,Δtp为纵波时差,μs/ft(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δts为横波时差,μs/ft。

3 实验结果分析与讨论

3.1 声波时差实验室测量值和测井值的关系

在常温常压和地层条件下分别进行岩心纵波、横波速度(时差)测量发现,经频散校正后两者的纵横波时差都表现出较好的相关性(见图2、图3)。常温常压下岩心实验纵波时差是测井纵波时差的1.04倍;模拟地层条件(60 ℃、40 MPa)下岩心实验纵波时差是测井纵波时差的0.966倍,两者差异小,表明声学实验结果可靠。

图2 实验与测井纵波时差关系(25 ℃、0.1 MPa)

图3 实验与测井纵波时差关系(60 ℃、30～40 MPa)

3.2 实验因素对声波速度的影响

(1)围压对纵波、横波速度的影响。对垂直样(90°)和水平样(0°),研究围压与其纵横波速度(vp、vs)的关系。随着围压增大,岩样内部微裂隙逐渐闭合,声波传播路径变短,导致波速增大。垂直样、水平样的纵横波速度随着围压的增大而增大(见图4、图5),在围压较低时纵横波速度随围压增加较快,在围压较高即岩样受力接近地层条件时岩石压实更加紧密,纵横波速度随围压增大变缓。

图4 垂直样的声波速度与围压的关系

图5 水平样的声波速度与围压的关系

(2)钻样取心角度(β)对纵波、横波速度的影响。研究直井岩样的取心角度(β)与其声波速度的关系。从图6和图7可以看出,声波在垂直样中传播时受TIV地层各向异性影响,传播速度较小;声波在具有水平横观各向同性的水平样中沿基质传播,速度较大。当温度和围压不变时,取心角度越大,岩样的纵波、横波速度变小,反映了岩石声波速度存在明显的各向异性。

图6 vp与β角的关系(60 ℃、40 MPa)

图7 vs与β角的关系(60 ℃、40 MPa)

3.3 实验因素对岩石力学参数的影响

(1)动态泊松比、弹性模量与取心角度的关系。利用纵横波时差和密度测量值计算得到岩心动态泊松比和弹性模量等参数,绘制泊松比、弹性模量与取心角度(β)的关系图版(见图8、图9)。可以看出,垂直样的泊松比小于水平样的泊松比(PRv

图8 PR与β角的关系(60 ℃、40 MPa)

图9 E与β角的关系(60 ℃、40 MPa)

图10 4口井垂直样泊松比与围压的关系

(3)

3.4 基于声学参数测量的各向异性刚度系数及岩石力学参数分析

对水平井长7段X、Y、Z这3个方向的柱塞样和方岩心样,进行动态声学参数测量,并计算各向异性刚度系数(C)及其弹性模量与泊松比[16](见表2)。由结果可以看出,长7段地层属于TIV介质,采用刚度系数计算的Eh、Ev、PRh值明显高于直接采用各方向纵横波速度计算得到Eh、Ev、PR值,表明具有垂直对称轴的各向异性岩石力学模型能较好地描述长7段储层的岩石力学性能。

表2中,Den为岩心密度;vph为横向纵波速度;vpz为垂向纵波速度;vsh为横向横波速度;C11为水平向纵波刚度;C44为垂向横波刚度;C66为水平向横波刚度[17-18];Evc、Ehc表示用刚度计算的垂向和水平向的弹性模量;PRvc、PRhc表示用刚度计算的垂向和水平向的泊松比。

表1 岩心实验动态泊松比为负值的数据汇总(直井岩心钻取的垂直样)

3.5 岩样声学测试结果统计与应用实例分析

统计岩样声学计算的动态岩石力学参数,将2口井泊松比与取心角度的关系汇总(见表3)。可以看出, 直井岩样随β角增大,由正值而减少为负值;水平井岩样泊松比变化也具有同样的变化规律。

表2 水平井岩样各向异性刚度系数及岩石力学参数的计算

表3 直井和水平井不同取心角度岩心动态泊松比的比较

图11 宁148井1 630～1 790 m长6、长7、长8段各向异性岩石力学地应力计算剖面

为了验证实验结果的可靠性和可用性,结合密度测井值和提取的垂向、水平向的纵横波时差测井值等数据,采用描述地层各向异性的刚度系数C11、C33、C44和C66等(即压缩模量和剪切模量)来计算垂向和水平向的弹性模量和泊松比及地应力[16-17]。图11为宁148井1 630～1 790 m长6～长8段各向异性岩石力学与地应力计算剖面。从图11中第6、7、8道和最后1道油气解释结论可以看出,各层段的各向异性岩石力学参数(垂向和水平向泊松比、弹性模量)差异明显,从第9道、第10道地应力剖面可以看出,用各向异性岩石力学参数计算的水平最大、最小地应力与实测的水平地应力一致性好,平均相对误差<6.26%,说明各向异性岩石力学计算模型较传统的各向同性模型计算精度高,更符合实际井区的岩石力学特征。

4 结 论

(1)延长组致密油储层(长6、长7、长8段)存在明显的声速和岩石力学各向异性,围压和取心角度对其声波速度测量值影响明显。随着围压增大,纵波横波速度(vp、vs)都增大,且垂直样增大较快;随着取心角度(β)增大,纵波和横波速度都减小。

(2)综合分析常温常压和60 ℃变围压(10、20、30、40 MPa)条件下多角度、多尺度岩样的动态声学参数测量与岩石力学参数计算结果,直井中平行井轴取样(垂直样),其泊松比和弹性模量小于垂直井轴取样(水平样)的泊松比和弹性模量,即(PRh>PRv)、(Eh>Ev);随着取心角度(β)增大,泊松比和弹性模量减小。

(4)采用各向异性的纵横波速度得到纵向和横向刚度系数C计算的岩石力学参数较常规各向同性方法应用效果好,更适用于TIV地层各向异性地应力的计算。