王 勇,龍 凡,楊建禮,張可銘,王煥弟

(1.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司,黑龍江大慶163712;2.上海波睿能源科技有限公司,上海201913;3.Elsiwave Reservoir,北京100083;4.石油工業(yè)出版社,北京100011)

松遼盆地北部中淺層廣泛發(fā)育河流相、三角洲相及湖相砂巖,它們是大慶油田主要的儲集層,但其中有很大一部分砂巖層物性差、產(chǎn)能低,應(yīng)用常規(guī)開采手段難以獲得有效動用[1]。

根據(jù)松遼盆地的地質(zhì)特點(diǎn)及勘探開發(fā)實(shí)際,本地區(qū)致密油定義[2]為:①儲層地面空氣滲透率小于或等于1mD(1mD≈0.987×10-3m2),孔隙度小于或等于12%;②賦存于油頁巖或與其互層共生的致密砂巖儲層中,未經(jīng)大規(guī)模、長距離運(yùn)移;③直井常規(guī)壓裂產(chǎn)量低,需采用水平井大規(guī)模體積壓裂技術(shù)提高產(chǎn)量的石油資源。

為提高水平井和壓裂設(shè)計(jì)水平,大慶油田根據(jù)測井資料總結(jié)了致密油儲層評價方法,主要利用“兩品質(zhì)”指標(biāo)評價致密油儲層[2-3]?！皟善焚|(zhì)”包括“儲層品質(zhì)”(或稱為“地質(zhì)甜點(diǎn)”)和“工程品質(zhì)”(或稱為“工程甜點(diǎn)”)。大慶油田“工程品質(zhì)”參數(shù)主要包括巖石脆性指數(shù)、最小水平主應(yīng)力等。

國內(nèi)外通常使用孔隙壓力、巖石脆性、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差(即水平應(yīng)力差)、破裂壓力等參數(shù)描述“工程甜點(diǎn)”。只有水平井同時鉆遇“雙甜點(diǎn)”即“地質(zhì)甜點(diǎn)”和“工程甜點(diǎn)”,且在“雙甜點(diǎn)”段實(shí)施壓裂,水平井+大型水力壓裂才可以獲得比較高的油氣產(chǎn)量。

前人對大慶地區(qū)致密油開發(fā)中影響水平井壓裂效果的主要因素進(jìn)行了研究,與“工程甜點(diǎn)”有關(guān)的因素包括裂縫密度和裂縫長度。裂縫密度即裂縫的發(fā)育程度,主要與巖石脆性和水平應(yīng)力差有關(guān)。脆性越大,越容易產(chǎn)生裂縫。水平應(yīng)力差越小,越容易產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)[4-6]。龍虎泡油田龍26外擴(kuò)區(qū)高臺子組油層整體脆性不高,很多壓裂施工出現(xiàn)了壓裂后巖石沒有發(fā)生脆性破裂而是塑性形變現(xiàn)象。

2016年,劉勇等[7]利用疊前反演的楊氏模量和泊松比計(jì)算了巖石脆性指數(shù),劉建偉等[8]利用楊氏模量、體積模量、剪切模量線性回歸公式計(jì)算破裂壓力;2018年,印興耀等[9]介紹了一種利用地層曲率、楊氏模量和泊松比計(jì)算最大水平主應(yīng)力的方法,任巖等[10]利用測井資料計(jì)算巖石破裂壓力、評價吉木薩爾致密油地層的可壓裂性,朱斗星等[11]利用疊后地震資料開展了“工程甜點(diǎn)”的預(yù)測。上述文獻(xiàn)評價“工程甜點(diǎn)”時偏重于巖石脆性指數(shù)或破裂壓力,很少提及水平應(yīng)力差。

本次研究重點(diǎn)是開展地震高分辨彈性參數(shù)反演,獲得楊氏模量、泊松比、縱波速度和密度4個彈性參數(shù)。利用這些彈性參數(shù)和本地區(qū)的地應(yīng)力計(jì)算公式,計(jì)算并預(yù)測巖石脆性、水平應(yīng)力差等關(guān)鍵的“工程甜點(diǎn)”指標(biāo),進(jìn)而指導(dǎo)和優(yōu)化水平井壓裂設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方法

1.1 疊前反演

1.1.1 4個彈性參數(shù)反射率直接反演

縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比這4個關(guān)鍵的彈性參數(shù)是計(jì)算巖石脆性和水平主應(yīng)力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),因此必須開展疊前彈性參數(shù)反演。目前成熟穩(wěn)定的疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)是基于Zoeppritz方程的線性公式,即:

(1)

(2)

公式(1)由宗兆云等給出[12],可以直接反演楊氏模量、泊松比和密度的反射率,而且目前只有這個公式才可以直接反演楊氏模量和泊松比這兩個參數(shù)反射率。公式(2)是Aki & Rechards公式,可以直接反演縱波速度、橫波速度和密度反射率。

本次疊前彈性參數(shù)反演采用全道集參與的直接彈性反演參數(shù)方法[13],即不是采用部分疊加而是采用全部道集數(shù)據(jù),也不是采用間接計(jì)算方法由縱波速度、橫波速度和密度3個基本的參數(shù)計(jì)算其它彈性參數(shù),而是采用直接反演方法得到這3個參數(shù),方法本身在實(shí)現(xiàn)過程中加入了抗噪技術(shù)。

1.1.2 高分辨反演

由于龍虎泡油田目的層高三段油層相對于地震數(shù)據(jù)分辨率較薄,儲層平均厚度4m左右,目前地震數(shù)據(jù)的分辨率有限,難以識別這么薄的油層,因此需要開展高分辨率地震反演。

首先利用地震解釋層位數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)在層位控制下由測井?dāng)?shù)據(jù)內(nèi)插得到一個測井?dāng)?shù)據(jù)模型,該模型包含低頻和高頻信息。需要建立縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比4個彈性參數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)模型。本次高分辨率地震反演采用常規(guī)地震反演結(jié)果(中低頻部分)與測井高頻模型融合方法[14],其中常規(guī)地震反演即是從上述測井?dāng)?shù)據(jù)模型中補(bǔ)充低頻背景模型得到絕對值數(shù)據(jù)。

1.2 巖石脆性指數(shù)及地應(yīng)力計(jì)算公式中相關(guān)系數(shù)的確定

脆性和水平主應(yīng)力計(jì)算需要4個關(guān)鍵的彈性參數(shù):楊氏模量、泊松比、縱波速度和密度。

巖石脆性指數(shù)計(jì)算的方法有兩類:一類是利用測井資料計(jì)算脆性礦物含量從而計(jì)算出脆性指數(shù);另一類是利用楊氏模量和泊松比計(jì)算巖石脆性指數(shù)[15]。本次研究采用后一種方法,首先對楊氏模量和泊松比做歸一化處理,然后求二者的算術(shù)平均值得到巖石的脆性指數(shù)(BRIT-T):

(3)

(4)

(5)

式中:B為脆性指數(shù),即巖石中脆性礦物含量。根據(jù)研究區(qū)測井資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果,本次研究Emax、Emin、σmax、σmin分別取值為50GPa、15GPa、0.35、0.25。

計(jì)算水平應(yīng)力差首先需要計(jì)算水平主應(yīng)力,水平主應(yīng)力計(jì)算需要泊松比、聲波速度和密度3個彈性參數(shù)。在本次研究中,水平主應(yīng)力計(jì)算模型使用黃榮樽等[16]改進(jìn)的Anderson公式,即在公式中增加一個構(gòu)造系數(shù)修正項(xiàng),使得水平主應(yīng)力不僅僅與上覆巖層壓力有關(guān),也與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān),即:

(6)

(7)

式中:Ph為最小水平主應(yīng)力;PH為最大水平主應(yīng)力;Po為上覆巖層壓力;PP為孔隙壓力;ξ1,ξ2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);α為有效應(yīng)力系數(shù),也稱Boit系數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室差應(yīng)變法分析本地區(qū)地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù),確定公式中兩個重要參數(shù)ξ1和ξ2分別取值為0.35、0.53。α可由測井參數(shù)計(jì)算得到(即由測井體積模量K計(jì)算得到);也可由泥質(zhì)含量VCL得到。一般認(rèn)為,當(dāng)VCL<0.3時,α=0.8;當(dāng)0.3≤VCL<0.5時,α=0.65;當(dāng)0.5≤VCL≤1時,α=0.5。本區(qū)VCL為0.35～0.40,故本次研究α取值為0.65。

上覆巖層壓力Po由疊前反演的密度數(shù)據(jù)體積分得到,孔隙壓力PP由疊前反演的縱波速度vP結(jié)合上覆巖層壓力Po計(jì)算得到。泊松比σ通過疊前反演得到。

本次研究的技術(shù)思路及流程如圖1所示。

圖1 龍26試驗(yàn)區(qū)脆性指數(shù)及應(yīng)力差預(yù)測技術(shù)流程

2 應(yīng)用效果分析

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

龍虎泡油田位于大慶長垣構(gòu)造帶西部,中間夾齊家—古隆凹陷。龍虎泡油田除局部地區(qū)高零段、高一段含油外,其它地區(qū)主力油層均集中于高三段和高四段油層,尤其是高三段?？傮w上,龍26試驗(yàn)區(qū)高臺子組高三段油層平均滲透率為1.23mD,平均孔隙度為13.9%,平均厚度為3.9m,為中低孔、偏低滲致密儲層。該區(qū)高三段油層在壓裂前普遍無自然產(chǎn)能,必須采用水平井體積壓裂增產(chǎn)措施才能獲得有經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)能。

2.2 脆性指數(shù)及應(yīng)力差預(yù)測

利用龍虎泡油田龍26試驗(yàn)區(qū)4口直井(鉆達(dá)目的層高三段油組)測井資料建立測井彈性參數(shù)模型,針對每個彈性參數(shù)反射率數(shù)據(jù)體,分別開展高分辨反演,得到4個彈性參數(shù)高分辨反演成果數(shù)據(jù)體,結(jié)果如圖2所示。

圖2 龍26試驗(yàn)區(qū)高分辨率縱波速度(a)、密度(b)、楊氏模量(c)和泊松比(d)反演結(jié)果

利用公式(3)、公式(4)和公式(5)計(jì)算巖石脆性三維數(shù)據(jù)體,利用公式(6)和公式(7)分別計(jì)算最小和最大水平主應(yīng)力,并得到水平應(yīng)力差。

高巖石脆性指數(shù)是形成裂縫的必要條件。一般認(rèn)為脆性破壞是指巖石在彈性變形階段結(jié)束、沒有或僅有很小的塑性變形時發(fā)生的破壞。如果巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下容易發(fā)生脆性破壞從而形成裂縫,那么巖石的泊松比和楊氏模量要同時滿足條件:泊松比<0.3[5]且楊氏模量E為30～80GPa,即脆性指數(shù)為40%左右。

圖3是龍26試驗(yàn)區(qū)高三段主力油層脆性指數(shù)平面分布圖,圖中大多數(shù)開發(fā)井軌跡鉆遇地層的脆性指數(shù)都大于40%,具有較高的脆性指數(shù),如平35、平38和平48井。圖4是平26井高三段脆性指數(shù)剖面,鉆遇儲層段的巖石脆性指數(shù)都大于45%。

水平應(yīng)力差越小,在壓裂時越容易形成更復(fù)雜的裂縫,即產(chǎn)生的裂縫并不僅僅在某一個方向,而是在更多的方向產(chǎn)生裂縫從而形成一個復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。這樣復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)更容易溝通眾多微小孔隙,從而擴(kuò)大儲集空間并增強(qiáng)滲透性。同時較小的水平應(yīng)力差還有助于保持井身的穩(wěn)定性,不易導(dǎo)致井壁垮塌等鉆井事故。由在四川盆地的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知,水平應(yīng)力差一般小于15MPa時比較有利。圖5、圖6分別為過平26井高三段主力油層最大、最小水平主應(yīng)力剖面。圖7是龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差平面分布圖,圖中水平應(yīng)力差都小于5MPa,從水平應(yīng)力差這個角度看,龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差完全滿足壓裂的要求。圖8是過平26井高三段水平應(yīng)力差剖面,可見,鉆遇高三段的水平應(yīng)力差都小于5MPa。

今后在龍26試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水平井壓裂設(shè)計(jì)時,應(yīng)該優(yōu)先在水平應(yīng)力差小(<15MPa)、巖石脆性指數(shù)高(>40%)的水平段實(shí)施壓裂,這樣才能獲得更好的壓裂效果。對于巖石脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差兩個“工程甜點(diǎn)”指標(biāo),巖石脆性指數(shù)更加重要,因?yàn)樵邶?6試驗(yàn)區(qū)水平應(yīng)力差都較小。

圖3 龍26試驗(yàn)區(qū)高三段脆性指數(shù)平面分布

圖4 平26井水平段(高三段)主力油層脆性指數(shù)剖面

圖5 過平26井水平段(高三段)主力油層最大水平主應(yīng)力剖面

圖6 過平26井水平段(高三段)主力油層最小水平主應(yīng)力剖面

圖7 龍26試驗(yàn)區(qū)高三段水平應(yīng)力差平面分布

圖8 過平26井水平段(高三段)水平應(yīng)力差剖面

2.3 對井誤差分析

利用研究區(qū)平26、平14h和平48h這3口井資料對脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差兩個指標(biāo)參數(shù)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:脆性指數(shù)預(yù)測結(jié)果相對誤差小于10%,水平應(yīng)力差預(yù)測結(jié)果相對誤差小于12%,預(yù)測精度滿足生產(chǎn)需要。

2.4 壓裂效果分析

龍虎泡油田生產(chǎn)井如果不做壓裂則普遍無自然產(chǎn)能。經(jīng)過水平井體積壓裂改造后,龍26試驗(yàn)區(qū)3口水平井(平35、平38、平48)產(chǎn)能最高增加到8～12t/d,平均產(chǎn)能2.0～3.7t/d,增產(chǎn)效果明顯(表1)。這3口井的脆性指數(shù)都在40%～50%,脆性指數(shù)較高。大慶油田在該區(qū)壓裂實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,大多數(shù)井壓裂后增產(chǎn)效果較好的井段的脆性指數(shù)通常也都大于40%。

表1 平35等3口井壓裂后產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文利用疊前反演得到的4個彈性參數(shù)(縱波速度、密度、楊氏模量和泊松比),采用龍虎泡油田本地的巖石脆性指數(shù)計(jì)算公式和水平主應(yīng)力計(jì)算公式,計(jì)算得到巖石脆性指數(shù)、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和水平應(yīng)力差,油田實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算的最大相對誤差為12%,證明本文方法可行。

龍虎泡油田主力構(gòu)造區(qū)高臺子高三段脆性指數(shù)為35%～50%,水平應(yīng)力差都小于5MPa。壓裂生產(chǎn)實(shí)踐表明,壓裂后增產(chǎn)效果明顯的水平段脆性指數(shù)都大于40%且水平應(yīng)力差較小,通常小于5MPa。平48等3口生產(chǎn)井壓裂后增產(chǎn)效果明顯。

建議在水平井軌跡設(shè)計(jì)和部署時參考“工程甜點(diǎn)”預(yù)測成果以提高壓裂成功率。本文研究思路和技術(shù)適用于類似地區(qū)致密儲層脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差的預(yù)測研究。