考虑裂隙发育的碳酸盐岩地层孔隙压力预测新模型

程远方,时 贤,李 蕾,吴玲妍,梅 伟

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580；2.胜利油田钻井公司,山东东营 257000； 3.中海油服有限责任公司,天津 300457)

考虑裂隙发育的碳酸盐岩地层孔隙压力预测新模型

程远方1,时 贤1,李 蕾2,吴玲妍1,梅 伟3

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580；2.胜利油田钻井公司,山东东营 257000； 3.中海油服有限责任公司,天津 300457)

利用深、浅侧向电阻率差值定量计算裂缝孔隙度,以有效应力原理为理论基础,结合碳酸盐岩声波试验,研究多因素协同作用机制下的地层波速的总体响应特征,分析孔隙度一定条件下声波波速与有效应力之间的关系,利用回归分析法建立一套适合碳酸盐岩地层的压力预测新模型。结果表明:利用深、浅电阻率差值可以判断地层裂缝的产状,并定量计算裂缝孔隙度和裂缝张开度；在孔隙度一定的条件下,纵、横波速随有效应力的增大而增大；在有效应力一定的条件下,纵、横波速随孔隙度的增大而减小；建立的模型比传统方法具有更好的可靠性和预测精度。

碳酸盐岩；孔隙压力；声波时差；裂缝；有效应力

碳酸盐岩中的油气储量约占油气总储量的38%[1],其储集层主要为裂隙性碳酸盐岩地层。在钻探过程中,上部砂泥岩地层可能出现井眼垮塌现象；下部地层漏失严重,钻井液密度稍高就出现井漏,而稍低就会出现井涌。碳酸盐岩属于化学沉积岩,成岩作用复杂,表现出明显的非均质性和各向异性[2]。发育的裂缝系统作为碳酸盐岩的有效储集层,具有较强的自闭性,容易造成异常高压。传统压力预测方法基于欠压实理论[3],但由于碳酸盐岩等化学沉积岩不像碎屑岩具有较为规律的压实作用,传统压力预测方法并不能对碳酸盐岩地层有良好的适应性。目前多采用回归碳酸盐岩地层有效应力与岩石力学参数的关系,再通过相关方法进行压力预测[4-5]。裂隙作为影响声波相应的主要因素,其作用却常常被忽略,所以会出现预测压力值偏差较大的现象。笔者在有效应力原理的基础上,综合地震、测井、钻井资料,研究裂缝发育程度和孔隙压力变化对声波时差的响应,回归纵横波波速、裂缝孔隙度与有效应力的定量关系,提出一套考虑裂隙发育的适合碳酸盐岩地层孔隙压力预测的新模型。

1 裂缝分布特征及识别方法

1.1 裂隙成因及发育规律

在研究碳酸盐岩储集层时,裂缝仅指沿延伸方向岩块没有发生明显相对位移的裂缝,可以分为构造缝与非构造缝两类:构造缝是固结岩石在区域构造力或局部构造应力作用下破裂而形成的裂缝；非构造缝是其形成与构造作用产生的应力无关的裂缝。另外还存在沉积-构造裂缝等过渡类型的裂缝。

碳酸盐岩地层具有以下裂缝发育规律:在岩性相同的岩层中,薄层中的裂缝数量要比厚层中的多；薄层中的裂缝数量虽然多,但其张开度却较低,延伸距离短,有效性差；厚层中的裂缝张开度高,延伸距离长,有效性好[2]。

1.2 裂隙识别方法

探测裂缝、孔隙及其分布规律的主要依据是裂缝、孔隙与基质具有不同的地质地球物理特性,在多数测井曲线上均有相应的显示。裂缝在测井曲线上的响应取决于裂缝的产状、密度、长度、填充物、地层流体类型及钻井液侵入深度等因素。

目前,主要通过FMI成像测井资料预测裂缝发育地层,利用双侧向测井资料来研究裂缝的发育程度。成像测井使用解释软件可以定量计算出裂缝的密度、长度、平均宽度、视孔隙度等。双侧向测井由于主要受裂缝产状和张开度的制约,可定量估算裂缝孔隙度和裂缝张开度等裂缝参数。在确定裂缝系统孔隙度时常采用线性计算模型,其基本原理在于不同的裂缝状态对双侧向测井会有不同的响应特征。计算裂缝孔隙度前,首先需要对裂缝状态进行判断,再利用相关公式计算孔隙度[5-6]。

裂缝状态判断:

式中,RLLd、RLLs分别为深、浅侧向电阻率。Y＜0,表示低角度缝,角度为[0°,50°]；0≤Y≤0.1,表示倾斜缝,角度为(50°,74°)；Y＞0.1,表示高角度缝,角度为[74°,90°]。

裂缝孔隙度解释:

式中,CLLd、CLLs分别为深、浅侧向电导率；Rmf、Cmf分别为钻井液滤液电阻率、电导率；φfr为裂缝孔隙度； A1、A2、A3为根据裂缝倾角状态而取的常数(表1)。

表1 裂缝孔隙度线性估算模型参数Table 1 Parameters of fracture porosity with linear estimation model

2 声学特性试验

2.1 试验设备

试验设备有:岩心钻取机、双面磨光机、QKY-1型气体孔隙度测定仪、HK-4型渗透率自动测定仪、高能量HF-F型智能超声PS波综合测试仪、电子秤、游标卡尺等。选用的气源为氮气。

2.2 岩样制备

试验采用天然裂隙性露头灰岩,选取5块裂隙发育不同的样品块,使用取心机分别按照平行层理和垂直层理取心后切割磨平,制成直径约25.4 mm、长度不超过52 mm、平行度控制在±0.05 m内的岩样。碳酸盐岩非常致密,初始孔隙度很小,热开裂法可以保留岩样的原始物性,并在岩样表面形成微裂缝,若与岩样内部的原始裂隙相连通则可增大其孔隙度。为了能够使试验结果具有普适性,在采集的岩样的基础上,使用热开裂法进行人工造缝,得到孔隙度为2.3%～11.3%的碳酸盐岩岩样,可以满足试验要求。

2.3 试验方案

岩样制成并编号完成后,用电子秤测量每块岩心的质量,并用游标卡尺测量岩石长度和直径,计算出岩石体积和密度。然后通过孔隙度测定仪获取每个岩样的孔隙度,为增强试验结果的可信度,将实测孔隙度与通过拟合曲线法测得的孔隙度相对比以减小误差。由于岩样较为致密,渗透率很小,因此试验中采用了气测渗透率。部分岩样的物性参数见表2。试验在伺服三轴压力试验机上完成,岩心承受轴压、围压及孔隙压力,岩心在胶皮桶内密封,两端加水头用以打入孔隙压力,并且在水头两端安装声波探头。共选取孔隙度为3%～12%的21块岩心进行声波波速测定试验,试验方案如表3所示。

从表2中可知,本试验中岩样的密度较为接近,为2.6～2.7 g/cm3,因此在声波试验中可以忽略密度对声波速度的影响。

表2 部分岩样物理参数Table 2 Physical parameter of partial rock samples

表3 声波试验方案Table 3 Acoustic wave experiment scheme

根据测得的裂缝孔隙度进行分组得到两批岩样,保证岩样在同一孔隙度下存在两组值,以减少试验失败引起的误差。在试验过程中通过控制加载在岩样上的轴压、围压和孔隙压力来模拟井下真实的地层状态。

2.4 试验结果分析

在一定的围压、孔隙压力下,改变轴压,对21块岩心的纵、横波时差(波速)数据进行回归分析,岩心的裂缝孔隙度为2%～12%。以试件3C-3结果为例进行分析。

孔隙度恒定条件下纵、横波波速与有效应力的关系如图1所示。

图1 3C-3纵、横波波速随有效应力的变化Fig.1 Changes of vertical and shear wave velocity with effective stress for sample 3C-3

从图1可以看出,在孔隙度不变的条件下,纵、横波速都随有效应力的增加而增大,二者呈明显的正相关关系,特别是当有效应力增大到某一值时对横波波速有使其突然增大的作用。

根据试验数据回归得到的有效应力σeff表达式为

式中,pp为地层孔隙压力,MPa；pz为轴压,MPa；pw为围压,MPa。

孔隙度不变条件下,纵、横波波速与平均应力的关系如图2所示。可以看出,纵、横波波速随平均应力的增加而增大,呈明显的正线性关系,在孔隙压力对纵、横波速的影响较小时,可以拟合出较好的直线方程。

根据试验数据回归得到的平均应力与加载的轴压、围压的关系为

此处,平均应力不等价于上覆压力,对孔隙应力没有影响。

在有效应力25 MPa下,纵、横波波速随孔隙度的变化如图3所示。

波速与有效应力的关系通过不同孔隙度来体现,随着孔隙度的增加,横波和纵波波速都逐渐减小,呈明显的负相关线性关系(图3)。

图2 3C-3纵、横波波速随平均应力的变化Fig.2 Changes of vertical and shear wave velocity with average effective stress for sample 3C-3

图3 3C-3纵、横波波速随孔隙度的变化Fig.3 Changes of vertical and shear wave velocity with porosity for sample 3C-3

本试验中考虑所有有效应力情况下,纵、横波波速随孔隙度变化的拟合直线方程分别为

考虑孔隙度和有效应力两个自变量后拟合的多元直线方程为

以3C-3(孔隙度为11.35%)为代表建立适用于类似灰岩岩性的碳酸盐岩地层模型,而针对于其他岩性的碳酸盐岩则需要重新利用上述方法进行试验分析得到适合本地层的规律。

3 碳酸盐岩地层孔隙压力预测新模型

针对四川盆地的地质特点建立地层孔隙压力预测模型。对于上部压实作用为成因的砂泥岩剖面使用Eaton法计算地层孔隙压力[8],而对于下部海相碳酸盐岩地层,使用声波试验得到相关关系式计算孔隙压力。

试验的理论基础为Terzaghi考虑两种力的综合影响提出的有效应力定理[9],即

式中,pob为上覆岩层压力,MPa；α为有效应力系数。岩石的有效应力与岩石力学参数泊松比μ、纵横波速vp、vs以及纵横波速比vp/vs等密切相关,而岩石力学参数又可以由声波测井资料求取,这样利用测井资料就可以间接地求得有效应力[10]。

根据碳酸盐岩地层声学特性室内试验数据进行回归得出新的碳酸盐岩压力预测模型,而预测中主要用到在不同孔隙度条件下纵波波速与有效应力的关系,

这样,裂隙性碳酸盐岩地层孔隙压力预测过程为:通过深浅侧向电阻率测井根据式(1)～(3)求出碳酸盐岩地层的裂隙孔隙度φfr。

由声波测井数据得到纵波波速vp,由密度测井得到上覆岩层压力pob,则碳酸盐岩地层孔隙压力预测模型为

由于目前大多数井的测井数据中缺失横波波速资料,因此试验中可以研究横波速度对孔隙压力的影响情况,但在建立数学模型时选择更为广泛应用的纵波资料。

4 现场应用

对四川盆地飞仙关组已钻的4口井7个深度点的地层压力进行预测,结果见表4。

表4 计算与实测地层压力对比Table 4 Comparison of calculated and measured pressure

从表4可以看出,用该法预测的地层孔隙压力与实测值较吻合。这说明该方法预测的地层孔隙压力能够满足钻井及采油工程的需要,可为合理选用钻井液密度和保持井壁稳定提供可靠的压力依据。

图4为利用本文方法预测的飞1井地层压力。该井为直井,地表为侏罗系蓬莱镇组,底部为二叠系的龙潭组,主要钻井目的是为了解长兴组生物礁岩隆和飞仙关组的储层分布及其含油气性,预测井段为2.0～3.8 km,其中在2.6～2.8 km和3.6～3.7 km两段出现异常高压,预测孔隙压力当量钻井液密度为1.5 g/cm3,最大值达到2 g/cm3,该法预测的这一井段地层孔隙压力值较稳定,突变幅度小,预测精度高,能满足实际钻井工程的需要。

图4 飞1井孔隙压力预测结果Fig.4 Prediction pore pressure of well Fei 1

5 结 论

(1)深、浅双侧向测井既能深穿透裂缝层,又能作定量解释,虽然气水饱和度对其有一定的影响,但深、浅电阻率值主要受裂缝产状和张开度的制约。利用深、浅电阻率差值可以判断地层裂缝的产状,并定量计算裂缝孔隙度和裂缝张开度,可以作为地层裂缝发育程度的参数。

(2)在孔隙度一定的条件下,纵、横波速度随有效应力的增大而增大；在有效应力一定的条件下,纵、横波速度随孔隙度的增大而减小。根据试验数据回归得到的不同孔隙度条件下纵、横波速与有效应力之间的线性关系式,可以将裂缝孔隙度、纵横波速与有效应力定量地联系起来,建立一套适用于海相碳酸盐岩地层的压力预测模型。

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(编辑 李志芬)

A novel pore pressure prediction model of carbonate formation with fracture development

CHENG Yuan-fang1,SHI Xian1,LI Lei2,WU Ling-yan1,MEI Wei3
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.Drilling Technology Company of Shengli Oilfield,Dongying 257000,China；
3.China Offshore Services Company Limited,Tianjin 300457,China)

The fracture porosity was calculated by the difference of deep and shallow lateral resistivity quantitatively.Based on the effective stress theory,the integration of sonic velocity experiments was presented to imply the different responses to complex mechanisms of generating pore pressure.In addition,the correlation between sonic velocity and the effective stress was analyzed and a new pore pressure prediction model for carbonate formation was established by regression analysis method.The results show that the attitude of formation fractures can be justified by the difference of deep and shallow lateral resistivity.Moreover,the fracture porosity and fracture opening width can be also calculated quantitatively.When the porosity is an constant,both shear and compressional wave travel time increase with the rise of the effective stress.Otherwise,when the effective stress is an constant,both shear and compressional wave travel time decrease with the rise of porosity.The reliability and better accuracy are also testified compared with conventional methods.

carbonate；pore pressure；sonic transit time；fractures；effective stress

TE 21

A

1673-5005(2013)03-0083-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.014

2012-06-20

教育部长江学者和创新团队发展计划(RT1086)；十一五国家科技支撑计划(2008BAB37B01)

程远方(1964-),男,教授,博士,博士生导师,从事压力预测和岩石力学理论研究。E-mail:yfcheng@upc.edu.cn。