低渗致密油藏井震联合地应力预测方法研究

摘 要：低滲致密储层日益成为油气开发重点，其储层结构复杂，地质应力分布状况不明，导致井位部署、钻井施工和压裂施工困难大。地应力预测技术能够为其提供有效技术支撑。常规的地应力预测方法依赖于获得的测井曲线，不能很好地满足钻前预测的需求。首先，利用探井获得的岩心试验数据，开展岩石力学分析，并对测井资料计算出的单井地应力进行修正，再运用地应力经验公式，建立由纵波速度、密度、泥质含量组成的区域地应力模型。在此基础上，利用区块内探井和三维地震资料，运用叠前反演方法，得到高精度纵波速度体、密度体和含泥量体，并建立了区域地震地应力模型。然后再利用测井计算的单井地应力计算结果对模型进行校正，预测结果与现场实际获得数据对比，误差较小，预测精度满足生产需要。通过模拟发现，工区北部应力差在20 MPa左右，高于南部工区，有利目标区主要集中在北部。通过地应力模型，优选有利目标区，为下一步区域的井位部署、钻井优化设计和压裂施工起到了重要的技术指导意义。

关键词：低渗致密;井震联合;岩石力学;地应力模型

中图分类号：TE347     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）1-0070-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.016

Research on Prediction Method of Ground Stress in Low Permeability Tight Oil Reservoir

YU Wenzheng

（Geophysical Research Institute，Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257022，China）

Abstract： Low-permeability and tight reservoirs have increasingly become the focus of oil and gas development. The complex reservoir structure and the unclear geological stress distribution have caused difficulties in well location deployment， drilling and fracturing operations. Geostress prediction technology can provide effective technical support for it. Conventional methods of in-situ stress prediction rely on the obtained logging curves， which cannot well meet the requirements of pre-drilling prediction. First， use the core experimental data obtained from the exploratory well to carry out rock mechanics analysis， and correct the single well ground stress calculated from the logging data， and then use the ground stress empirical formula to establish a regional ground composed of longitudinal wave velocity， density， and shale content. Stress model. On this basis， using exploration wells and 3D seismic data in the block， using pre-stack inversion methods， high-precision longitudinal wave velocity bodies， density bodies and mud content bodies were obtained， and a regional seismic stress model was established. Then， the model is corrected by the calculation result of the single well ground stress calculated by logging. The prediction result is compared with the actual data obtained on site， the error is small， and the prediction accuracy meets the needs of production. It is found through simulation that the stress difference in the northern part of the work area is about 20 MPa， which is higher than that in the southern work area. The favorable target area is mainly concentrated in the north. Through the in-situ stress model， the favorable target area is optimized， which plays an important technical guiding significance for the deployment of well positions， drilling optimization design and fracturing construction in the next area.

Keywords： low permeability and tightness; well-seismic combination; rock mechanics; in-situ stress model

0 引言

通过文献检索发现，目前国内地应力预测方法仍主要依赖测井资料和地震资料估算地应力。依靠测井资料获得地应力的方法目前比较成熟，预测结果准确性较高，但只能预测单一剖面，在区域空间展布上不具备连续性。地震资料预测地应力虽能满足空间上连续性，但目前正处在发展阶段，从最初DILLEN[2]研究发现反射系数的改变会导致应力的变化开始，后人在此基础上不断攻关探索，陆续得到很大的预测进展。

首先是SARKAR等[3]通过反演的方法，计算获得地层主应力。TIGREK[4]先用反射系数反演得到动态参数，然后通过试验所获得的动静态参数转换关系式求取相应的地质力学参数，最后根据地质力学参数模型求出地应力的空间展布情况。SAYERS[5]在进行地应力预测研究时，发现运用时移地震可以预测到更为精确的地应力模型。STARR[6]利用地震数据计算闭合应力梯度。HUNT等[7]利用曲率和杨氏模量与地应力之间的关系对地应力进行预测。地震数据预测地应力方法的实现，是由GRAY[8]通过建立各向异性特征模型后研究得到。地下应力场展布规律的估算由何英[9]与张广智[10]等选用曲率和刚度矩阵两种不同方法计算获得。宗兆云[11]利用裂缝岩石物理参数预测地应力。马妮等[12-13]在基于正交各向异性理论的基础上，综合了HTI和VTI两种介质的影响，得到了地应力预测表达式，然后利用叠前地震数据完成了地震地应力的预测。

但是上述地震预测方法只能满足空间展布上的连续性，其预测结果不能满足实际开发生产的精度需求，故本文提出井震联合预测地应力方法。该方法利用探井获得的岩心试验数据，开展岩石力学分析，利用分析结果对测井资料计算的单井地应力计算结果进行校正。再推导地应力计算公式，建立由纵波速度、密度和泥质含量构成的区域地应力模型。然后，以区块内探井和三维地震数据资料为基础，通过地震叠前反演获得高精度的纵波速度体、密度体和泥质含量体，建立区域的地应力模型。最后，再利用测井计算的单井地应力计算结果对模型进行校正，获得满足实际生产需求的模型。

研究区位于准噶尔盆地中央坳陷昌吉凹陷，含油面积较大，储量丰富，但目前油区正处于勘探开发初期，井位部署较少，获取有利地质资料较少，对下步井网部署、钻井施工和压裂施工产生很大困难。利用井震联合预测地应力的方法，可以有效利用区域的地震资料和测井资料，对研究区地应力分布做出准确预测，找出研究区工程甜点，为下一步区域内的井位部署、钻井施工和压裂施工提供技术支持。

1 实验室数据分析及岩石力学参数模型建立

目前通过试验获得岩石力学参数方法主要有两种。①静态测量法，在实验室测量岩石在静态载荷作用下产生的横向应变和纵向应变，然后计算岩石力学参数。②动态测量法，利用测井曲线计算岩石力学参数。一般认为实验室测得的结果是正确的，因此通常用实验室测得静态数据来标定测井曲线计算的动态数据，使其更接近与地层的真实状况。

1.1 实验室数据分析

1.1.1 单轴抗压强度试验。通过对研究区岩心的单轴抗压强度试验，可以得到测试岩心样品的应力-应变曲线（如图1所示），试验发现目标区的岩心脆性较强，单轴抗压强度在48.4～61.1 MPa。

1.1.2 三轴应力-应变试验。在实验室对研究区岩心施加大小不同的围压，观察在不同围压条件下岩石的应变随压力的变化情况，测量得到应力和应变变化曲线如图2所示。根据不同围压下的应变大小，画莫尔圆（如图3所示），得到研究区岩心内聚力为37.55 MPa，内摩擦角为35.3°。

1.1.3 声波测试试验。不同围压条件下，岩石的纵波速度和横波速度测量结果如图4所示。

图中结果表明，纵、横波速度随围压的不断增大而相应地增大。一般岩石声速随有效应力的变化规律可用于拟合有效应力（小于100 MPa时），如下式（Khaksar et al.， 1999; Shapiro， 2003）：

利用试验得到的纵横波速度关系并将结论应用到该区其他井。并用于相关的岩石力学模型的建立。

1.2 岩石动态参数计算

1.2.1 动态泊松比。在“工程甜点”预测中，泊松比能够直观反映岩石横向变形的弹性常数[14]。通过泊松比来初步判断岩石的韧性强弱，通常泊松比的大小与岩岩石矿物中泥质含量的高低有直接关系。计算公式为

1.2.2 动态杨氏弹性模量。在“工程甜点”预测中，杨氏模量等岩石弹性参数是表征岩石脆性、评价储层含气特征的重要特征参数。杨氏弹性模量越小越容易发生形变。通过纵横波、岩石密度等数据，可计算杨氏弹性模量。

1.2.3 泥质含量。泥质含量通常是利用岩层中自然存在的放射性核素核衰变过程中放射出来的[γ]射线的强度来衡量。公式如下：

1.2.4 单轴抗压强度。为了从测井资料中获得岩石单軸抗压强度，利用了Deere & Miller（1966）试验基础上建立的经验公式来计算岩石的单轴抗压强度：

1.2.5 内摩擦角与内聚力。岩石的内摩擦角[φ]的确定，参照以前斯伦贝谢公司的经验做法，虽然计算结果跟实际相比会存在一定误差，但目前也是比较有效的方法，计算经验公式为：

利用上述岩石力学参数计算模型，再结合实际试验室数据进行标定，最终得到了研究区的一维综合评价模型，结果如图6所示。

2 地应力模型建立

地应力是指存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力[15]。一般而言，地层的应力主要包括垂直方向主应力（上覆地层压力）、最大水平主应力和最小水平主应力这三个互相垂直方向的应力（见图7）。其中，垂向应力是由上覆岩石的静态压力所引起的，可通过测井密度积分获得。而两个水平主应力则是由构造运动引起的，与上覆地层压力、构造应力及孔隙压力有关。

2.1 上覆地层压力

上覆地层压力是由上覆地层的重力引起的，随着地层深度的增加而逐渐增大，与地层压实状况成正比，与地层密度成正相关。通常情况下，可以由全井段的密度积分来求取上覆地层压力：

2.2 孔隙压力

在Eaton法中，地层孔隙压力是地层能量的反映，对于钻探来说，直接关系到钻探能否有效率、安全地完成钻探，乃至钻探工程的成功与否。Eaton公式在实际中假定，岩石的有效应力是在正常压实过程中，纵向波速之比的函数。公式如下：

在公式法中，Eaton公式法是目前相对最成熟、精度最高的方法。这种方法基于沉积压实假设，适用于砂泥岩地层，本工区选择该方法用于孔隙压力的计算。

2.3 水平地应力

依据前人的研究经验，水平地应力的计算模型目前主要分为各向同性模型和各向异性模型，各向同性模型认为各个方向的应力基本相同，无差别，无构造应力;各向异性模型则认为地层构造应力在各个方向上存在较大的差异性。后来经过地质学家的实际勘测发现，各向同性的模型是不成立的，是一种理想状态下的模型，故下面计算均采用各向异性模型。

本研究使用的公式是通过葛洪魁的水力压裂垂直裂缝和水平裂缝预测地压力经验公式演化而来的。在预测公式中明确了最小主应力的方向始终会垂直于裂缝所在的平面，故可得出相应的计算模型。

依据式（4）、式（5）弹性参数与纵横波速度的关系，将式（15）、式（16）、式（17）、式（18）公式進行转换，得到垂直裂缝时，地应力计算模型为：

利用叠前地震资料可以反演出波阻抗，进而反演出弹性波阻抗，进而可以通过ZOEPPRIZ方程，就可以求取到纵横波速度、密度和泥质含量，详细的资料处理和反演过程不再详述，这里将得到的结果直接用到上述公式（19）、（20）、（21）、（22）中去，便可计算得到初步的三维地应力模型。后期再结合区域地质上的构造模型、储层模型，加以地震速度进行约束，便可得到相应条件下的区域地应力模型（见图8）。

在井点位置，使用前面使用测井资料计算的一维地应力结果对三维模型进行标定，标定后模型可以用于分析目的区的应力分布特征，进而得到勘探开发中的有利甜点区，指导实际的钻井施工和压裂施工。

3.2 模型应用和分析

结合应力模型，开展了研究区可压性分析，利用得到应力差异因子对研究区的微裂缝发育情况开展了预测，发现大部分区域内的应力差异因子小于0.25，说明研究区内天然微裂缝发育良好，实际压裂时压裂裂缝易与天然裂缝沟通，能够形成较好的压裂效果。研究区脆性指数平均在0.64左右。目的层从清水河组到西山窑组脆性指数变化较小整体在0.52～0.70，具备良好的脆性特征，压裂时易形成体积缝网，但是从破裂压力来看，破裂压力值在110～130 MPa，平均破裂压力在120 MPa左右，压裂时启动压力较高，压裂实际难度依然较大。

结合应力模型，开展了研究区可钻性分析，首先预测了研究区的钻井泥浆密度窗口，在模型中输入预钻井的井轨迹后可以提取出相应的泥浆当量密度剖面。分析发现研究区内全井段的泥浆密度窗口位于1.26～1.95。泥浆密度窗口范围较大，实际钻井施工时对井眼的控制难度较大，易出现井壁坍塌、井涌和卡钻等钻井事故。通过计算发现，研究区可钻性级值在4～7，目的层平均值在5.7左右，钻井难度较大，建议在实际钻井时上部地层采用铣齿牙轮钻头、PDC钻头，下部地层采用镶齿牙轮钻头、PDC钻头配合螺杆提高机械钻速。

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收稿日期：2021-11-24

基金项目：中石化股份公司科研攻关项目“低渗致密油藏地震工程一体化关键技术研究”（P20069-1）。

作者简介：于文政（1985—），男，本科，工程师，研究方向：地球物理。

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