枯竭型储气库岩石力学分析研究

陈振龙

摘要：地应力在储气库建库中扮演重要角色，对于多期交替注采条件下，高速注采极易导致目的层及圈闭围岩应力状态发生变化，致使库区断层被激活滑动、导致储气库泄露事故等风险。充分利用库区测井、地震、岩心分析化验及生产测试资料，开展储气库岩石力学分析研究，获取库区相关力学参数，为库区内风险断层动态密封性分析和盖层密封性评价提供重要基础资料。

关键词：储气库;岩石力学;地层孔隙压力;地应力

1、前言

地下储气库作为调节天然气供需平衡和战略储备的一种技术手段，在工业、生活用气峰谷调配方面发挥巨大作用。S气田区域构造位于松辽盆地南部中央坳陷区华字井阶地南部，属于枯竭型砂岩气藏，由于地质条件适中，地理条件优越，适合改建为储气库，建成后可以发挥为市场发挥季节调峰、事故应急供气的作用。

在多期交替注采条件下，高速注采极易导致储气库目的层及圈闭围岩应力状态发生变化，因此，开展岩石力学分析研究，可有效指导储气库安全生产运行开发方案的制定，对保障安全运行意义重大。

2、岩石力学模型

结合研究区的实际情况，对地应力模型的6个要素分别采用以下分析方法：地应力方向通过成像测井、阵列声波测井资料分析得到;上覆地层压力通过对密度测井曲线积分求取;孔隙压力根据DST实际测量确定，同时结合对地震数据和电测资料的精细处理和分析进行预测;岩石力学参数根据测井曲线选取不同的经验模型进行计算，并用室内岩心力学试验数据进行检验;最小水平主应力综合测井曲线计算方法以及小型压裂测试数据等;对于最大水平主应力大小，通过各向同性孔弹模型计算，同时根据井筒破损和裂缝情况，对最大水平主应力进行反演模拟。

2.1、地应力方向

地应力方位确定主要通过成像测井识别井壁破坏、阵列声波识别快横波方位两种方法获得[1]。

通过新井成像资料可以清晰地看到两口井存在井壁崩落现象，井壁崩落平均方位为北偏东15度，由于井壁崩落方位与最小水平主应力方向一致，垂直于最大水平主应力方向，因此确定现今地應力方向为105度，近东西向。

在裂缝地层及水平应力不平衡的地层，地层横波会分裂为快横波和慢横波，二者偏振方向互相垂直，其中快横波偏振方向与地层高角度裂缝的走向及最大水平主应力方向一致，裂缝不发育，所以快横波方向指示的各向异性方向即可代表现今地应力方向。通过分析已有两口新井快横波方位信息，判断口井各向异性方向为105度方向，即现今地应力方向为东偏南105度方向，与成像测井识别地应力方向一致。

综合成像测井、阵列声波测井等分析结果，判断双坨子区块地应力方向基本为105度方向，符合区域地质特征。

2.2、上覆岩层压力

密度测井和声波测井可以直观地反映地层压实规律，可以获得岩石体积密度值。如果有密度测井资料，平均体积密度可以计算出来。否则，可从声波测井曲线上计算岩石体积密度，但是必须经过压实修正。利用密度数据，上覆岩层压力计算采用了体积密度积分的方法，在表层采用密度或伪密度的外延趋势线进行计算，在有密度测井或声波测井数据井段，可以依据井眼形态选用密度测井数据，或者选用声波提取伪密度计算上覆岩层压力[2]。

2.3、地层孔隙压力

本研究以测井资料为基础，采用高精度的地层压力预测和检测方法—欠压实理论，进行地层孔隙压力预测计算。在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的特点是，随着地层深度的增加，上覆岩层荷载增加，泥页岩的压实程度增大，导致地层孔隙度不断减小，岩石密度增加，泥页岩的压实程度直接反应孔隙压力的变化。

在目前的测井系列中，有多种测井方法都能较好的反应地层孔隙压力。本次研究应用了泥岩欠压实理论分析了四块双坨子区块23口井的声波资料，应用伊顿公式计算了这些井的地层孔隙压力。

应用伊顿法对研究区孔隙压力进行了分析，用实测点标定孔隙压力值。通过分析，TK1-2井泉三段目的储层段的孔隙应力为12.4-13MPa， 对应地层压力系数为 0.96-1.01g/cm3;泉一段目的储层段的孔隙应力为18.3-19.5MPa， 对应地层压力系数为 0.93-0.98 g/cm3;TS1井泉三段目的储层段的孔隙应力为11 -12MPa， 对应地层压力系数为0.93-0.98g/cm3;泉一段目的储层段的孔隙应力为19.5-20.5MPa， 对应地层压力系数为0.93-0.97 g/cm3，与地层压力实测点匹配较好，说明计算的孔隙压力是可靠的。

2.4、岩石力学参数

岩石力参数包括岩石的弹性模量和岩石强度，是地应力计算和井眼稳定性分析以及压裂模拟的基础。

测井曲线计算得到的是岩石的动态弹性模量，与其静态弹性模量存在差异，需要实验室岩心分析数据对弹性模量进行动静态转换，根据岩心数据，得到研究区动静态杨氏模量转换系数为0.7，动静态泊松比转换系数为1。

2.5水平地应力

通过小型压裂实验得到了两口新井的闭合压力数据，其中泉一段目的层段闭合压力范围为31.2-35.9MPa，泉三段目的层段闭合压力范围为21.8-22Mpa。

利用该闭合压力数据可以进行最小水平主应力的标定，通过测试点标定反求出构造应力系数值，两口井构造应力系数一样，说明该参数合理可靠。

4  结论

通过对研究区开展岩石力学精细研究，得到以下结论：

（1）区块地应力方位主要通过成像测井识别井壁和横波各向异性的方法验证确定，地应力方向为E105º方向，为近东西向。

（2）泉三段上覆应力为27-33MPa，泉一段上覆应力为47-53MPa。

（3）泉三段孔隙压力为11.4-13.3MPa，对应孔隙压力系数为0.93-1.08 g/cm3;泉一段孔隙压力为18.2-21.0MPa;对应孔隙压力系数为0.92-1.02 g/cm3。

参考文献：

[1] 李志明，张金珠，地应力与油气勘探开发[M].石油工业出版社，1997：23-40，145-167.

[2] 藏艳彬，王瑞和，李新芝等，基于密度测井资料计算上覆岩层压力的不确定性分析. 中国石油大学学报，2010，34（6）.

（吉林油田松原采气厂，吉林 松原 138000）