趙軍龍，蔡振東，張亞旭，杜 禹，趙晨陽

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油工程系，陜西 延安 716000)

鄂爾多斯盆地C區(qū)長8儲層巖石力學(xué)參數(shù)剖面建立方法

趙軍龍1，蔡振東1，張亞旭2，杜 禹1，趙晨陽1

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油工程系，陜西 延安 716000)

為了精確預(yù)測鄂爾多斯C區(qū)長8儲層巖石力學(xué)表征參數(shù)，在文獻調(diào)研基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出巖石力學(xué)性質(zhì)表征參數(shù)的預(yù)測方法，并結(jié)合研究區(qū)資料，利用縱波時差和體積密度聯(lián)合預(yù)測橫波時差、密度與縱橫波速度聯(lián)合預(yù)測巖石彈性參數(shù)、自然伽馬和體積模量預(yù)測巖石強度參數(shù)。研究表明：巖石彈性參數(shù)預(yù)測方法主要包括密度與縱橫波速度聯(lián)合預(yù)測法、泥質(zhì)含量估算泊松比預(yù)測法；巖石強度參數(shù)主要利用泥質(zhì)含量和楊氏模量預(yù)測。基于上述方法建立的C區(qū)長8儲層巖石強度剖面較好地揭示了單井巖石力學(xué)參數(shù)縱向變化特征。

巖石力學(xué)參數(shù)；測井資料；預(yù)測；長8油藏；鄂爾多斯盆地

巖石力學(xué)參數(shù)直接影響油藏地應(yīng)力分布，是石油工程分析設(shè)計的基礎(chǔ)。在石油勘探領(lǐng)域，通過巖石力學(xué)可以更加清楚地認識地下圈閉構(gòu)造，掌握油氣生成和運移的環(huán)境；在油氣藏開發(fā)方面，巖石力學(xué)在防止和降低鉆采事故、防止儲集層破壞等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。儲層巖石是由多介質(zhì)構(gòu)成的不連續(xù)體，存在大量斷層、裂隙、孔隙、地下水等，使其性質(zhì)更為復(fù)雜，需要選擇合適的巖石力學(xué)參數(shù)來預(yù)測巖石強度。巖石力學(xué)參數(shù)包括巖石彈性參數(shù)和強度參數(shù)。巖石力學(xué)參數(shù)的確定方法通常有試驗測定法、理論解析法、理論與實測相結(jié)合的反分析法[1-5]。隨著測井技術(shù)的發(fā)展，測井資料可以提供更多井下巖石力學(xué)信息，這些信息直接反映巖石的一些物理性質(zhì)，同時也是與巖石力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)的粒度、成分、孔隙類型、膠結(jié)物、密度等要素沿鉆孔剖面的連續(xù)綜合反映。因此，利用測井資料判斷巖石強度日益受到重視[6-17]。時軍虎、何彩華等[18-19]提出利用測井信息獲取的聲波時差、密度、井徑、電阻率、自然伽馬等測井響應(yīng)信息定性或定量解釋巖石強度。利用測井資料確定巖石力學(xué)參數(shù)的方法包括兩類:一是通過彈性波動理論推導(dǎo)出有關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)理論計算公式；二是通過大量實驗，總結(jié)出各參數(shù)與測井中相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗公式。本文詳細闡述了巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測方法，以鄂爾多斯C區(qū)長8油藏儲隔層巖石為對象，基于研究區(qū)資料選擇預(yù)測模型，開展C區(qū)長8油藏儲層巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測方法研究。

1 巖石力學(xué)性質(zhì)表征參數(shù)

巖石的力學(xué)性質(zhì)包括巖石的變形特性和強度特征。巖石變形特性是指巖石試件在載荷作用下的變形規(guī)律，包括彈性變形、塑性變粘性流動和破壞規(guī)律，反映了巖石的力學(xué)屬性。巖石強度是指巖石試件在載荷作用下開始破壞時的最大應(yīng)力(強度極限)以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反應(yīng)了巖石承受各種載荷的特性以及巖石抵抗破壞的能力和破壞的規(guī)律。

反映巖石力學(xué)屬性參數(shù)也稱彈性參數(shù)，包括楊氏模量(Young's modulus)E、體積模量(bulk modulus)K、剪切模量(shear modulus)G、泊松比(Poisson ratio)μ[21]。反映巖石強度特性的參數(shù)稱為巖石強度參數(shù)，一般包括抗壓強度(單軸抗壓強度和三軸抗壓強度)、抗拉強度、抗剪強度，其中抗剪強度和抗壓強度往往是確定巖石工程穩(wěn)定性的主要因素。

1)彈性參數(shù)之間的關(guān)系

在一定受力范圍內(nèi)，大多數(shù)巖石可看成彈性體，其彈性參數(shù)之間有如下關(guān)系：

由4種彈性參數(shù)之間的關(guān)系可以看出，只要知道其中2個，便可以求出其余2個。

2)強度參數(shù)概念

巖石強度參數(shù)包括單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪切強度等，見表1。

表1 常用巖石強度參數(shù)(據(jù)文獻[22-23]整理)

2 巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測方法

2.1 巖石彈性參數(shù)的預(yù)測方法

巖石力學(xué)參數(shù)厘定方法通常包括動態(tài)法和靜態(tài)法2種[24]。利用測井資料預(yù)測巖石彈性參數(shù)的方法屬于動態(tài)法，所得參數(shù)為動態(tài)參數(shù)。一般基于測井信息的巖石彈性參數(shù)預(yù)測方法主要包括2種：利用巖石密度及縱橫波速度預(yù)測巖石彈性參數(shù)、利用泊松比μ預(yù)測巖石彈性參數(shù)。

1)利用密度、縱波速度及橫波速度資料確定巖石的彈性參數(shù)

由于在多數(shù)情況下都缺少橫波速度信息，因此，做好橫波速度信息預(yù)測對于準(zhǔn)確求取巖石彈性參數(shù)非常重要。

(1)橫波時差(橫波速度)預(yù)測方法

①基于地震信息預(yù)測橫波速度

開展縱橫波速度的反演可獲得橫波速度，姜秀娣等[25]利用不同角度域P波資料反演縱橫波速度，王玉梅等[26]發(fā)展了巖石物理橫波速度曲線計算技術(shù)；郭棟[27]從模型估算、測井約束反演和疊前波形反演三個方面進行橫波速度計算，建立了橫波速度計算方法；王宇峰[28]提出應(yīng)用模擬退火法反演橫波速度，用VSP資料反演橫波速度。

②利用縱橫波時差比預(yù)測橫波時差

在工區(qū)內(nèi)，對每種巖石類型的巖心取樣，然后在實驗室測定其橫波時差和縱波時差，求出比值R縱橫波=Δts/Δtp=Up/Us。實際應(yīng)用時，直接利用該比值，依縱波時差求得橫波時差。

③利用縱波時差Δtp和密度ρ聯(lián)合預(yù)測橫波時差Δts

基于縱波時差和密度預(yù)測橫波時差的經(jīng)驗公式如下：

式中：Δtp為縱波時差，μs/m;ρ為密度，g/cm3。a=2.121 5，b=45.324 8，c=-167.312。值得指出，第一個模型適于密度不太高的砂泥質(zhì)剖面，第二個模型適于較高密度的地層。

(2)基于密度、縱橫波速度的彈性參數(shù)預(yù)測模型

根據(jù)密度測井、縱波速度測井及橫波速度測井資料，可以按表3中模型直接計算出巖石的4個彈性模量[29-34]。

表3 常用彈性模量解釋模型(據(jù)文獻[29-34]等整理)

此外，還可以用出砂指數(shù)B估計巖石強度。出砂指數(shù)大，說明巖石強度大，穩(wěn)定性好。出砂指數(shù)B計算公式為

式中：B為出砂指數(shù)，MPa；E為楊氏模量，MPa ；μ為泊松比。

2)通過估算泊松比μ確定楊氏模量、體積模量、切變模量

泊松比在一定程度上可反映巖石的可塑性。巖石可塑性與其泥質(zhì)含量有關(guān)，因而可根據(jù)巖石的相對泥質(zhì)含量Q估算泊松比μ，它們之間存在如下的經(jīng)驗關(guān)系[35]

μ=0.125Q+0.27。

利用自然伽馬測井(或自然電位測井、電阻率測井)得出泥質(zhì)含量Vsh、聲波測井得到聲波孔隙度Фs、密度測井得到密度孔隙度ФD。在分散泥質(zhì)情況下，由于聲波測井孔隙度Фs反映巖石的總孔隙度，密度測井孔隙度ФD則反映巖石的有效孔隙度，相對泥質(zhì)含量為

綜上，預(yù)測巖石彈性參數(shù)的一般思路見圖1。

圖1 巖石彈性參數(shù)預(yù)測思路

2.2 巖石強度參數(shù)預(yù)測方法

巖石強度參數(shù)一般采用實驗方法測得，由于實驗測試成本較高，大多采用經(jīng)驗公式。顧謙隆[36]提出巖石強度可以根據(jù)井徑測井來定性判別，一般隨著巖石強度的減小，孔徑有增大趨勢。巖石強度參數(shù)定量計算模型見表4。

此外，巖石強度參數(shù)預(yù)測還有一些新的方法，例如：超聲波預(yù)測巖石強度[39]、現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的模糊識別技術(shù)[40]、灰色關(guān)聯(lián)分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測巖石強度參數(shù)。

3 長8儲層巖石力學(xué)參數(shù)剖面的建立

巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測方法有不同的適用條件。直接通過密度、縱橫波速度計算巖石彈性參數(shù)和強度參數(shù)的方法過程簡單、誤差最小。由于研究區(qū)缺少橫波測井資料，因此應(yīng)首先開展橫波時差預(yù)測。研究區(qū)缺少地震勘探數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)測試數(shù)據(jù)，前述橫波時差預(yù)測方法①、②均不適用，本文選用方法③來預(yù)測橫波時差，然后開展相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)的計算。

表4 常用巖石強度參數(shù)計算模型(據(jù)文獻[37-38]整理)

利用上述方法得到巖石力學(xué)參數(shù)，繪制出巖石力學(xué)參數(shù)剖面，實例見圖2。

圖2 C井巖石力學(xué)參數(shù)剖面

根據(jù)單井巖石力學(xué)參數(shù)剖面，可進一步統(tǒng)計出不同層位的巖石力學(xué)參數(shù)值，實例見表5。在單井巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計基礎(chǔ)上，可以對全區(qū)的巖石力學(xué)平面分布特征進行精細刻畫。

表5 井1在不同層位巖石力學(xué)參數(shù)平均值

從表5可以看出，巖石力學(xué)參數(shù)在不同深度具有一定的差異。值得指出，由于泥巖段的聲波時差測井響應(yīng)易受到井徑變化的影響，據(jù)此預(yù)測的泥巖段巖石力學(xué)參數(shù)失真，但儲集層段(砂巖)的聲波時差測井響應(yīng)可靠。

4 結(jié) 論

(1)巖石彈性參數(shù)預(yù)測方法包括密度與縱橫波速度法聯(lián)合預(yù)測法、泥質(zhì)含量估算泊松比μ預(yù)測法兩類。當(dāng)缺少橫波速度資料時，可考慮利用地震資料預(yù)測橫波速度、利用縱橫波時差比預(yù)測橫波速度、利用縱波時差和密度聯(lián)合預(yù)測橫波速度。巖石強度參數(shù)預(yù)測主要是利用泥質(zhì)含量和楊氏模量先預(yù)測單軸抗壓參數(shù)，再預(yù)測抗張強度、抗剪強度。

(2)本文先利用縱波時差和密度聯(lián)合預(yù)測橫波時差，再利用密度與縱橫波速度計算楊氏模量、體積模量、剪切模量和泊松比，并計算巖石強度參數(shù)，最終建立的巖石力學(xué)參數(shù)剖面較好地揭示了單井巖石力學(xué)縱向特征。

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責(zé)任編輯：王 輝

2015-01-19

國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室項目資助(編號：KF2014-3)

趙軍龍(1970-)，男，博士，教授，主要從事地球物理測井、測井地質(zhì)研究。E-mail:zjl1970@163.com

1673-064X(2015)03-0047-06

TE122.2

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