TB地區(qū)地層應(yīng)力與儲(chǔ)層有效性關(guān)系研究

王成龍，夏宏泉，肖承文，袁仕俊

（1.西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.塔里木油田勘探開(kāi)發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆庫(kù)爾勒841000）

TB地區(qū)地層應(yīng)力與儲(chǔ)層有效性關(guān)系研究

王成龍1，夏宏泉1，肖承文2，袁仕俊2

（1.西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.塔里木油田勘探開(kāi)發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆庫(kù)爾勒841000）

TB地區(qū)氣藏埋藏較深，重力壓實(shí)作用明顯，且存在較強(qiáng)的擠壓構(gòu)造作用，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)集層具有較高的孔隙壓力，有效地層應(yīng)力和地層水平主應(yīng)力差值隨之較低。通過(guò)引入儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)，研究有效地層應(yīng)力及地層水平主應(yīng)力差值和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)系。在地層低有效地層應(yīng)力和低地層水平主應(yīng)力差值區(qū)，儲(chǔ)層有效性明顯變好；當(dāng)儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)低于0.7時(shí)，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。

儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；有效地層應(yīng)力；地層水平主應(yīng)力；優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)

0 引 言

TB構(gòu)造位于克拉蘇構(gòu)造帶西段，克拉蘇構(gòu)造帶受燕山末期－喜馬拉雅早期和喜山中晚期作用，發(fā)育大量與膏鹽泥巖有關(guān)的逆沖推覆構(gòu)造圈閉、前列式?jīng)_斷構(gòu)造和多種類(lèi)型的與斷層相關(guān)的褶皺，使得構(gòu)造十分復(fù)雜。該區(qū)存在強(qiáng)烈擠壓構(gòu)造作用，使地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，同時(shí)由于古近系上部的膏泥巖層有較好的封蓋作用，使古近系下部細(xì)砂巖地層與白堊系砂礫巖地層高壓孔隙流體不能釋放，骨架有效地層應(yīng)力減小，減緩了壓實(shí)作用，有效地保護(hù)了鹽下地層的儲(chǔ)集性能，儲(chǔ)層有效性變好。由于強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用和膏泥巖的封蓋作用使TB地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層具有了一些異常的測(cè)井響應(yīng)特征，例如儲(chǔ)層常具有低電阻率、中高聲波時(shí)差等特征。為此，本文利用測(cè)井資料從有效地層應(yīng)力與地層水平主應(yīng)力差值角度對(duì)儲(chǔ)層有效性進(jìn)行分析，旨在為復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行油氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)提供一種思路和方法。

1 有效地層應(yīng)力計(jì)算方法

作用于地層所含流體的壓力稱(chēng)為地層孔隙流體壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)孔隙壓力）。TB地區(qū)古近系與白堊系地層為異常高壓地層，孔隙壓力系數(shù)一般在1.5以上，孔隙壓力對(duì)地層應(yīng)力的貢獻(xiàn)較大。有效地層應(yīng)力為單位面積上固體顆粒承受的平均法向力，本文采用K.Terzaghi［4］模型計(jì)算有效地層應(yīng)力，即

式中，σ為有效地層應(yīng)力，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa。

通過(guò)密度測(cè)井曲線計(jì)算上覆巖層壓力p0，即

式中，H為深度，m；ρ為密度測(cè)井值，g／cm3；g為重力加速度，m／s2。

實(shí)際地層密度隨深度的變化關(guān)系難以用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)表示，為此采用分段求和的方法計(jì)算p0，即

式中，ρi為密度測(cè)井值，g／cm3；ΔHi為深度采樣間隔，m。

目前常用的地層孔隙壓力的測(cè)井計(jì)算方法有等效深度法、伊頓法和層速度－有效地層應(yīng)力法。鑒于TB地區(qū)為異常高壓地層，本文采用基于聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的伊頓法計(jì)算孔隙壓力，即

式中，c為壓實(shí)指數(shù)，常取經(jīng)驗(yàn)值0.914；pw為地層水靜液柱壓力，MPa；Δtc為某一深度實(shí)測(cè)聲波時(shí)差值，μs／ft＊＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，1mD＝9.87× 10－4μm2，下同；Δtn為正常壓實(shí)趨勢(shì)線上某深度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差值，μs／ft。

2 有效地層應(yīng)力與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)系

有效地層應(yīng)力的改變將導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的改變，而孔隙結(jié)構(gòu)的改變勢(shì)必造成巖石滲透率和孔隙度的變化。微小孔道直徑減小甚至消失，從而引起儲(chǔ)層當(dāng)有效地層應(yīng)力增加時(shí)，地層巖石被壓縮，巖石中的孔隙度減小，滲透率降低，不同的滲透率的儲(chǔ)層受到的影響不同［5］，最終影響油氣井的產(chǎn)能。

圖1為T(mén)B地區(qū)白堊系儲(chǔ)層孔隙度與有效地層應(yīng)力關(guān)系。從圖1可以看出，隨著有效地層應(yīng)力的增加，孔隙度逐漸減小。決定孔隙度大小的主要因素是孔隙空間在有效地層應(yīng)力的作用下，巖石顆粒之間的膠結(jié)物會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，使顆粒排列得更加緊密，孔隙空間減小。隨著有效地層應(yīng)力的增加，巖石逐漸被壓實(shí)，孔隙空間減小，孔隙度降低。

圖1 TB地區(qū)白堊系儲(chǔ)層孔隙度與有效地層應(yīng)力關(guān)系

巖石中喉道的大小、集合形狀以及相互連通情況決定了地下水在介質(zhì)中的流動(dòng)或滲透率能力，是影響和控制巖石體滲透性能的重要因素［7］。從圖2可以看出，滲透率隨著有效地層應(yīng)力的增加而逐漸減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有2種：① 巖石中孔隙、喉道受有效地層應(yīng)力的作用而收縮變形。在有效地層應(yīng)力作用下，喉道表面層巖石極易變形，尤其是泥質(zhì)含量較高的巖石更易變形，隨著有效地層應(yīng)力的增加，膠結(jié)物變形逐漸增加，喉道直徑急劇減小，甚至完全消失，導(dǎo)致流體的滲流空間逐漸減小，使儲(chǔ)層的滲透率降低［6］；② 巖石中存在微裂縫，這些微裂縫在有效地層應(yīng)力的作用下易于閉合，尤其是水平縫。裂縫滲透率受有效地層應(yīng)力的影響非常大，隨著有效地層應(yīng)力的增加，未閉合的裂縫數(shù)就越來(lái)越少，滲透率明顯下降，而滲透率的降低將使油井產(chǎn)能下降。

圖2 TB地區(qū)白堊系儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系

圖3 TB地區(qū)泥巖層有效應(yīng)力與埋深關(guān)系圖

從圖3可以看出，工區(qū)在儲(chǔ)層段有效地層應(yīng)力減小，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。形成這種現(xiàn)象的主要原因：①TB地區(qū)在局部構(gòu)造作用下發(fā)育各種張性斷裂及其伴生的構(gòu)造樣式，并在局部形成低有效地層應(yīng)力區(qū)，使孔隙度和滲透率增大，有利于發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；②古近系上部庫(kù)姆格列木群巨厚膏泥巖層具有良好的封堵性和塑性流動(dòng)性，有利于構(gòu)造應(yīng)力的釋放，減緩了壓實(shí)作用，使深層的古近系與白堊系高壓孔隙流體不能釋放，形成異常高壓，有效地保護(hù)了已形成的孔隙及成巖收縮縫，使裂縫維持開(kāi)啟狀態(tài)，大大改善了低孔隙度低滲透率儲(chǔ)集層的滲透性，保護(hù)了鹽下儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性能。TB地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，較難用一個(gè)具體的有效地層應(yīng)力值來(lái)界定優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是否發(fā)育。本文通過(guò)引入儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)（CCYLXS）描述儲(chǔ)層發(fā)育程度。首先通過(guò)線性擬合得到正常沉積條件下有效地層應(yīng)力和深度的關(guān)系式，然后求儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力與D－Pe關(guān)系線上對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)的有效地層應(yīng)力的比值，即為儲(chǔ)層有效應(yīng)力系數(shù)。通過(guò)多井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)TB工區(qū)白堊系儲(chǔ)層段的有效地層應(yīng)力系數(shù)一般小于0.7。如表1所示，在儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)小于0.7的層段，儲(chǔ)層有效性變好。

式中，pe為儲(chǔ)層段的有效地層應(yīng)力，MPa；pny為正常沉積條件下泥巖層或致密層有效地層應(yīng)力與深度關(guān)系線上某深度點(diǎn)的有效地層應(yīng)力，MPa。

表1 TB地區(qū)部分井的儲(chǔ)層有效應(yīng)力系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 水平主地層應(yīng)力差值與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)系

水平主地層應(yīng)力差值（即水平最大主應(yīng)力減去水平最小主應(yīng)力）越大，地層應(yīng)力越不平衡，水平擠壓或拉伸作用越強(qiáng)，儲(chǔ)層容易形成天然裂縫或出現(xiàn)井壁崩落或使原來(lái)的裂縫閉合，從而影響儲(chǔ)集層的儲(chǔ)滲能力。水平主應(yīng)力差值增加，巖石膠結(jié)物發(fā)生塑性變形，使顆粒排列更加緊密，孔隙空間減小，基質(zhì)孔隙度與裂縫孔隙度降低（見(jiàn)圖4、圖6）。從圖5、圖7看出，隨著水平主應(yīng)力差值的增加，目的層段的基質(zhì)和裂縫滲透率降低。水平主應(yīng)力差增加，水平擠壓應(yīng)力增加，使喉道直徑減小，裂縫逐漸閉合，流體的滲流空間減小，使得目的層的滲透率降低。

圖8為有效地層應(yīng)力與水平主應(yīng)力差值平面分布圖。從圖8可以看出，在最小地層應(yīng)力方向，有效地層應(yīng)力值和水平主應(yīng)力差值逐漸降低，孔隙性較好，滲透性較好，表明儲(chǔ)層有效性變好、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育，這正好與工區(qū)目前井位布署相一致；而在最大地層應(yīng)力方向，有效地層應(yīng)力與水平主應(yīng)力差值為逐漸增高的變化趨勢(shì)，表明該區(qū)域儲(chǔ)層有效性變差，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層不發(fā)育。

通過(guò)對(duì)TB地區(qū)多口井的研究發(fā)現(xiàn)，縱向上有效地層應(yīng)力、地層水平主應(yīng)力差值較低的井段，孔隙性、滲透性較好；平面上有效地層應(yīng)力、水平主應(yīng)力差值較低區(qū)域，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。隨著有效地層應(yīng)力的增加，產(chǎn)能降低；隨著水平主應(yīng)力差值的增加，產(chǎn)能下降（見(jiàn)圖9）。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

基于上述方法，利用測(cè)井曲線計(jì)算單井剖面的上覆巖層壓力、孔隙壓力和地層應(yīng)力及有效地層應(yīng)力，并結(jié)合儲(chǔ)層油氣水層測(cè)井解釋結(jié)果與試油試采資料評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的有效性。以TB101井為例，有效地層應(yīng)力的大小關(guān)系是氣層＜差氣層＜干層；水平主應(yīng)力差值的關(guān)系同有效地層應(yīng)力一樣是氣層＜差氣層＜干層。TB101井在5 725～5 784m井段水平主應(yīng)力差值與有效地層應(yīng)力均較低，水平主應(yīng)力差值為47.67MPa、有效地層應(yīng)力為34.19MPa，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育（優(yōu)質(zhì)氣層發(fā)育，其有效地層應(yīng)力系數(shù)均小于0.7，見(jiàn)表1）。試油日折算產(chǎn)氣量約為23.54× 104m3（見(jiàn)圖10）。

5 結(jié) 論

（1）TB地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用和垂向壓實(shí)作用使儲(chǔ)層致密、物性差，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

（2）隨著有效地層應(yīng)力的增加，孔隙體積減小、喉道直徑減小，且部分裂縫閉合，導(dǎo)致地層孔隙度和滲透率減小。

（3）在儲(chǔ)層段，有效地層應(yīng)力與水平主應(yīng)力差值降低、有效地層應(yīng)力系數(shù)降低，在儲(chǔ)層有效地層應(yīng)力系數(shù)低于0.7的井段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。

（4）在有效地層應(yīng)力較高井段，天然裂縫發(fā)育，易形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。建議分區(qū)塊分層段對(duì)TB地區(qū)的地層應(yīng)力和儲(chǔ)層有效性關(guān)系做進(jìn)一步研究。

［1］ 夏宏泉，劉土亮，梁鮮，等.TBKS地區(qū)井筒穩(wěn)定性與地層出砂分析測(cè)井研究［R］.西南石油大學(xué)科研報(bào)告，2011.

［2］ 漆家福，雷剛林，李明剛，等.庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶的結(jié)構(gòu)模型及其形成機(jī)制［J］.大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2009，33（1）：49－56.

［3］ 李廣信.關(guān)于有效地層應(yīng)力原理的幾個(gè)問(wèn)題［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（2）：315－320.

［4］ Terzaghi K.Theoretical Soil Mechanics［M］.New York：Wiley，1943.

［5］ 高旺來(lái)，何順利.迪那2氣藏地層壓力變化對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30（4）：86－88.

［6］ 李宜強(qiáng)，班凡生，高樹(shù)生，等.有效地層應(yīng)力對(duì)裂縫型低滲透砂巖油藏壓力響應(yīng)的影響［J］.巖石力學(xué)，2008，29（6）：1649－1653.

［7］ 楊立中，周訓(xùn).深層地下水滲流的研究［M］.成都：科技大學(xué)出版社，1995.

［8］ 李閩，肖文聯(lián).低滲砂巖儲(chǔ)層滲透率有效地層應(yīng)力定律試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（A02）：3535－3540.

On Relationship Between Formation Stress and Reservoir Effectiveness in TB Area

WANG Chenglong1，XIA Hongquan1，XIAO Chengwen2，YUAN Shijun2
（1.Petroleum Engineering Logging Laboratory，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.Well Logging Center，Institute of Exploration and Development，Talimu Oilfield，Kuerle，Xinjiang 841000，China）

With deeper buried gas reservoir in TB area，the effect of gravitational compaction becomes obvious，and there also exist stronger tectonic compression and formation heterogeneity.In the meanwhile，due to the storage and collection performance of lower rock formation and cretaceous sandstone is effectively protected by the mudstone and gypsiferous mudstone of Kumugeliemu formation of Paleogene system，reservoir pore pressure is higher，the effective formation stress and horizontal main formation stress difference become lower.By introducing effective formation stress coefficient of reservoirs，the relationship between effective formation stress and reservoir effectiveness can be properly described.Researched are the relationships between the effective formation stress，horizontal main formation stress difference and quality reservoir.The above studies show that reservoir effectiveness becomes better in the area with low effective stress and horizontal main formation stress difference.High quality reservoir forms when effective formation stress coefficient is lower than 0.7.

reservoir evaluation，effective formation stress，horizontal main formation stress，quality reservoir，effective formation stress coefficient

P631.84

A

2012－03－12 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0435－05

王成龍，男，1987年生，碩士研究生，從事常規(guī)電纜測(cè)井和隨鉆測(cè)井的精細(xì)解釋及其在油氣井工程中的應(yīng)用研究。