鄂爾多斯盆地F區力學特征及地應力分析

俞忠寶， 莊 嚴， 何亞斌， 余海棠， 梁利喜， 王 全

(1.延長油田股份有限公司，延安 716000；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，西南石油大學，成都 610500)

鄂爾多斯盆地是中國華北地區的一個陸相大型含油氣盆地，F區位于鄂爾多斯盆地南部，是一平緩的單斜構造，如圖1所示[1]。目前F區的主要目標層在延長組。根據已鉆井的資料統計，發現開采過程中延長組上段的頁巖段出現了較為明顯的擴徑，部分層段甚至出現了垮塌現象。為了研究其井壁失穩的機理，有必要對其地層的力學特征進行深入的研究，并對其地應力分布進行分析，確定坍塌壓力和破裂壓力的范圍，為合理的規劃目標層的鉆井液和該區的安全穩定的鉆進提供參考。

圖1 鄂爾多斯盆地F區構造Fig.1 Tectonic map of area F in Ordos Basin

針對不同地層的力學特征及三壓力剖面的研究，國內外專家進行了大量的研究。龔銘等[2]在黑樓門地區根據摩爾-庫倫準則和最大拉應力理論構建了地層的三壓力剖面，為識別地層壓力，保證鉆井過程中的井壁穩定性提供了參考。李凱等[3]對四川盆地須二段的巖石力學參數進行了動態和靜態的有效轉化，建立了其轉化模型，為深刻認識地層特征，及地應力和三壓力剖面的建立提供了有力的支撐。趙軍龍等[4]對鄂爾多斯盆地C區的巖石力學性質進行了研究，并建立了該區的巖石力學參數的預測模型，為構建該區的三壓力剖面，進而指導目標層的安全鉆進，提供支持。相關專家[5-10]的研究為建立巖石力學的參數模型提供了參考，但不同地區不同層位的巖石力學特征也不同，為了明確鄂爾多斯盆地F區的力學特征，將在該區取出的巖心進行室內三軸壓縮、巴西劈裂等試驗得到巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角和抗張強度等，通過室內聲波測試得到該區巖石的聲波時差，從而得到該區的動態彈性模量和動態泊松比。通過動彈巖石力學參數與靜態巖石力學參數的回歸分析，建立F區的巖石力學參數模型和地應力，進而計算出坍塌壓力和破裂壓力，確定安全密度窗口，為F區的安全鉆井提供依據。

本次實驗的巖心取自鄂爾多斯盆地F區的L井，該井為直井，井深1 765 m，完鉆層位為延長組長8段。實驗巖心取自L井的延長組，屬富有機質硬脆性頁巖，具有低孔低滲、微裂縫發育等特征。通過建立L井的三壓力剖面，可以為同地區同類地層的鉆井提供參考。

1 巖石力學參數獲取

對從研究區塊取回的頁巖巖心，根據行業標準，將巖心加工成d×L為25 mm×50 mm柱塞狀的標準巖心，進行室內巖石力學實驗。實驗巖心的基礎數據統計如表1所示。通過三軸抗壓強度實驗、巴西劈裂實驗等獲得靜態力學參數，通過聲波測試得到動態巖石力學參數。實驗操作符合相關行業標準，包括《巖心常規實驗分析方法》(SY/T 5336—1996)、《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)及《巖石聲波特性的實驗室測定》(SY/T 6351—1998)。實驗設備主要采用多頻率聲波測量儀(圖2[9])、TRC-100高溫高壓三軸流變儀(圖3[9])及50 kN實驗機(圖4[9])等。

表1 實驗巖心的基礎數據

圖2 多頻率聲波測量儀[9]Fig.2 Sonic wave tester[9]

圖3 TRC-100高溫高壓三軸流變儀[9]Fig.3 TRC-100 high temperature and high pressure triaxial rheometer[9]

巖石力學參數的獲取，離不開相關的力學實驗。其中最主要的就是三軸壓縮實驗。其主要步驟是：①裝載實驗巖心，加載壓頭；②以0.05 MPa的加載速度，同步加載圍壓及軸向壓力至預定的測試圍壓，然后保持圍壓在后續實驗中恒定；③加載采用一次連續加載法，以每秒0.5～1.0 MPa的加載速度施加軸向載荷，逐級測試軸向載荷及軸向變形，并實時監測記錄應力及應變，直至試件破壞；④通過實驗得到應力-應變曲線，計算彈性模量、泊松比、抗壓強度。

圖4 50 kN實驗機[9]Fig.4 50 kN experimental machine[9]

1.1 靜態巖石力學參數

靜態巖石力學參數是指通過實驗得到的巖石力學參數。通過室內三軸抗壓強度實驗，可以得到巖層的單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比，通過不同圍壓下的抗壓強度，繪制莫爾圓包絡線可以得到巖層的內聚力和內摩擦角。通過巴西劈裂實驗可以得到巖石的抗張強度。三軸抗壓強度實驗的結果如圖5所示，抗張強度的實驗結果如圖6所示。

通過室內實驗，得到了F區的靜態巖石力學參數。實驗結果表明F區的抗壓強度分布為33.70～198.50 MPa；泊松比分布為0.107 5～0.358 1，平均為0.254 1；彈性模量分布為9 755～28 954 MPa，平均為16 842 MPa；內聚力為7.26～23.74 MPa，平均為15.94 MPa；內摩擦角為28.4°～39.41°，平均為35.12°。

1.2 動態巖石力學參數

動態巖石力學參數的獲取主要是通過縱波時差、橫波時差和巖石密度進行計算得到。根據經典

圖5 三軸實驗巖樣應力-應變曲線及試驗前后照片Fig.5 Stress-strain curve of tri-axial test rock sample and the photos before and after test

圖6 巴西劈裂實驗載荷-位移曲線及試驗前后照片Fig.6 Load-displacement curve of Brazilian splitting test and the photos before and after test

彈性波波動理論，對均質和近似均質各向同性線彈性地層、動態彈性模量、動態泊松比的計算公式為

(1)

(2)

式中：Ed為動態彈性模量，MPa；ρb為巖石的密度，g/cm3;Δts為橫波時差，μs/m；Δtc為縱波時差，μs/m；a為系數；μd為動態泊松比。

通過式(1)和式(2)計算，得到F區的動態巖石力學參數，如表2所示。

表2 F區頁巖的動態巖石力學參數

2 巖石力學參數模型構建

巖石力學參數是鉆井工程設計和壓裂方案設計的重要依據。由于工程應用中所需的巖石力學參數為靜態巖石力學參數，因此，在室內實驗研究的基礎上，應實現巖石靜態巖石力學參數的預測。動態巖石力學參數與靜態巖石力學參數的準確轉換，使得巖石力學的參數模型更加準確，更具有參考價值[2,8]。同時動態巖石力學參數與靜態巖石力學參數的轉化也是依據測井數據構建地應力剖面和三壓力剖面的基礎。

對F區的動靜態彈性模量，動靜態泊松比和動靜態單軸抗壓強度進行了回歸分析，并建立了相關的轉換模型，結果如圖7～圖9所示。同時，對F區的巖石抗張強度，采用了經典抗張強度的預測模型進行校正，通過實測抗張強度與計算抗張強度的回歸分析，建立了F區抗張強度校正模型，如圖10所示。

通過對各巖石力學參數的動靜態參數擬合，建立了各巖石力學參數的預測模型，各參數預測模型的統計結果如表3所示。

圖7 靜態彈性模量和動態彈性模量之間的轉換模型Fig.7 Conversion model between static and dynamic elastic modes

圖8 靜態泊松比和動態泊松比之間的轉換模型Fig.8 Conversion model between static Poisson’s ratio and dynamic Poisson’s ratio

圖9 單軸抗壓強度與動態彈性模量的轉換模型Fig.9 Conversion model of uniaxial compressive strength and dynamic elastic modulus

圖10 抗張強度的校正模型Fig.10 Correction model of tensile strength

表3 F區巖石力學參數的預測模型

從表3可以看出，鄂爾多斯盆地F區的靜態彈性模量、靜態泊松比的計算模型均與對應的動態巖石力學參數呈線性關系。抗壓強度與彈性模量也呈線性關系。抗張強度則與聲波時差和密度的比值呈指數關系。內摩擦角則與聲波時差具有相關性，內聚力與內摩擦角具有相關性。

3 地應力反演

水平地層主應力是計算地層破裂壓力和坍塌壓力的重要參數，為確定鉆井液的安全密度窗口以及水力壓裂施工等提供了重要的參考[10-11]。同時，地應力對井身結構設計具有重要的研究意義。隨著非常規油氣開發難度的增大，地層條件也隨之更加復雜，地應力的大小及方向在油氣開發領域發揮越來越重要的作用。

根據現場資料，對地應力進行反演，可以預測其他井段的地應力，為下一步鉆井工程設計和壓裂設計提供參考。工區地應力的反演是通過已施工的井段的水力壓裂的施工曲線得到該地層在某深度下的破裂壓力和閉合壓力。通過破裂壓力的計算方法，得到該地層的最大水平主應力。從而反演出最大構造系數和最小構造系數，對該井段的其他深度進行地應力反演。

該地層在1 668～1 674 m處的地應力計算結果如表4所示。通過最大構造系數和最小構造系數，反演出鄂爾多斯盆地F區的地應力分布，結果如圖11所示。

表4 目標層的地應力大小

圖11 F區的地應力分布Fig.11 Distribution of crustal stress in F block

通過F區的地應力分布發現，該地層的地應力符合σv>σH>σh，屬于正斷型地層。主應力的分布對井身結構設計和水力壓裂設計具有重要的參考價值。從井壁穩定的角度考慮，井眼軌跡沿最小水平主應力方向時，井壁最為穩定，沿最大水平主應力時，最不穩定。在水力壓裂設計時，應保證能打開儲層，因此施工時的油壓要達到地層的破裂壓力。

4 三壓力剖面的建立與應用

地層的坍塌壓力和破裂壓力是認識井壁失穩機理，確定鉆井液安全密度窗口，優化鉆井液設計的重要參數基礎。建立F區的三壓力剖面，對優化井身結構，優化鉆井液密度，防止地層坍塌和破裂等具有重要的參考價值。

根據測井數據和巖石力學參數模型的轉換，構建了F區地層的地應力剖面和三壓力剖面，結果如圖12所示。

圖12 三壓力剖面Fig.12 Three pressure profile

通過構建的三壓力剖面可以看出，目標井段的井壁相對穩定，只在個別層段出現了較為明顯的擴徑。從圖中可以看出，在1 584 m左右，該層段的擴徑率明顯增大，從巖性分析看出，該段屬于泥頁巖段，從最后的三壓力剖面來看，該段屬于坍塌區，鉆井液的安全密度窗口明顯變窄，而且現場鉆井液的密度低于地層的坍塌壓力，導致地層出現了明顯的坍塌。這與井徑曲線相對應，說明該剖面具有可信度，很好地反映了地層的真實情況，為后期該地層的鉆井工程設計和開發設計提供了依據。同時這也說明在該層段應采用封堵性較強的鉆井液，避免鉆井液與泥頁巖發生水化作用，從而造成井壁垮塌。還可以通過三壓力剖面確定在某一井段的安全密度窗口，從而也為鉆井液的密度設計和性能設計提供了重要依據。

5 結論

(1)通過室內聲波測試和密度測試，計算得到了該地層的動態彈性模量和動態泊松比。

(2)通過室內三軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到了該地層的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角和抗張強度等靜態巖石力學參數。

(3)通過回歸分析建立了動態巖石力學參數和靜態巖石力學參數轉換的模型，并且具有較高的相關度。

(4)基于測井數據，結合巖石力學參數預測模型和通過水力壓裂資料反演的地應力，建立該地層的三壓力剖面，通過與現場資料對比分析，發現該剖面符合現場實際，對工區具有重要的指導意義。