基于測井數據反演火成巖力學參數模型的建立及其工程應用

楊 虎 薛曉軍 陳向輝 李秀彬 周鵬高

1.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區 2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司地質研究院 3.克拉瑪依職業技術學院

0 引言

國內外學者針對沉積巖開展了大量的巖石力學特征研究，而對火成巖力學方面的研究則相對較少。劉之的等[1-2]對準噶爾盆地六區石炭系火成巖開展了力學測試，將測試結果應用于裂縫和巖性預測；馮立等[3]選取海拉爾盆地凝灰質火成巖巖心，開展了礦物學和物理特性分析以及力學參數測試；張旭等[4]對大慶徐家圍子地區火成巖開展了力學參數測試，研究了火成巖的彈（塑）性損傷本構關系。上述研究在火成巖巖性、裂縫識別、礦物成分與力學特性的關系方面做出了有益的探索。

針對準噶爾盆地克拉美麗氣田火成巖，劉小紅等[5]分析了滴西18井區巖心和巖石薄片，研究了火成巖元素組成及空間分布特征；張兆輝等[6]在巖心和薄片的研究基礎上，構建了常規測井信息與巖石特性的對應關系，制作了火成巖性識別圖版；楊志成等[7]分析火成巖種類、巖相和平面分布特點；曲江秀等[8]從儲集空間、儲層物性、孔隙結構等方面開展火成巖儲層特征研究；代春萌等[9]基于物源、巖體和巖相的精細描述，應用地震資料綜合預測與評價火成巖儲層。總之，對于克拉美麗氣田火成巖的研究以往主要集中在巖石物理性質、巖性識別等方面，尚未涉及巖石力學特征方面的研究。雖然大慶油田曾經開展過火成巖力學特征研究，但卻存在著較大的區域差異，其研究成果無法應用于其他地區。為此，針對克拉美麗山前石炭系火成巖力學特征開展了系統研究并進行工程應用，以期指導該區火成巖氣藏鉆井參數的優化設計。

1 克拉美麗山前火成巖特征

準噶爾盆地火成巖油氣資源豐富，盆地腹部的克拉美麗山前包括滴北凸起和滴南凸起，已探明天然氣儲量為1 000×108m3，是新疆準噶爾盆地重點天然氣產區。已探明的克拉美麗氣田位于滴南凸起西端，包括滴西14、滴西17、滴西18和滴西10四個井區。地層序列自上而下有白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系梧桐溝組以及石炭系，缺失中下二疊統、侏羅系上統及部分中統。石炭系巴山組火成巖為主要天然氣儲層[10]。

石炭系巴山組經歷多期次構造活動。早石炭世（距今321～369 Ma）為火山噴發活動的主要時期，噴發形式為中心式噴發和裂隙式噴發[11-13]。巴山組（C2b）自下而上發育C2b1、C2b2、C2b3三個噴發—沉積旋回，下部以火成巖為主，中部為火成巖與沉積巖混合，上部以沉積巖為主的多套組合[14]。不同區域火山巖巖相具有一定的差異性，滴西17和滴西14井區以中基性溢流相為主，滴西18井區以爆發相和火山沉積相為主，滴西10井區以中酸性溢流相為主[7]（圖1-a）。石炭系火成巖巖性多樣，主要包括以玄武巖、安山巖為主的中基性火山熔巖、以凝灰巖、火山角礫巖為主的火山碎屑巖、以花崗斑巖、二長斑巖為主的次火山巖，以及碎屑沉積巖等（圖1-b～g）。主要井區的火成巖巖性占比差異較大（圖1-h ～ j）。

圖1 克拉美麗山前石炭系火成巖巖相和主要巖性分布圖

研究表明[15-16]，石炭系火成巖孔隙結構以裂縫—孔隙型為主，占比為50.01%，裂縫以構造縫為主。石炭系火成巖孔隙度為0.2%～30.8%，屬中低孔、低滲裂縫性氣藏。鉆井實踐表明，與沉積巖相比，石炭系火成巖巖性致密堅硬，可鉆性差。由于石炭系裂縫發育，鉆井過程中井漏和井壁失穩問題突出[17]。因此，開展火成巖力學特征分析，建立地層孔隙、破裂、漏失和坍塌壓力剖面，分析火成巖儲層鉆直井和水平井時井下復雜的力學機理。

2 火成巖力學測試

實驗采用MTS巖石物理力學測試系統，該系統由數字電液伺服剛性試驗機、超聲波測試、孔隙度和滲透率測試3個子系統構成。其軸向壓力、圍壓以及流體注入壓力最大值分別為1 000 kN、140 MPa和70 MPa，軸向壓力和圍壓的加載速率小于20 N/s，軸向位移傳感器量程為－50～50 mm，位移分辨精度為0.000 1 mm。系統可同時測試力學（軸向應變、徑向應變、位移、軸壓、流體注壓、圍壓）、聲學（縱波和橫波速度、初至時間）和溫度等物理量，可獲取的巖石力學參數包括抗拉強度、單軸抗壓強度、內摩擦系數（或內摩擦角）、內聚力、楊氏模量和泊松比等。

實驗標準巖樣源于克拉美麗山前8口井的石炭系火成巖，深度范圍為3 002.01～4 002.25 m，鉆取的標準巖樣涵蓋了石炭系火成巖全部巖性。經過分選、切割、磨平等加工程序，剔除瑕疵樣品，獲得標準巖樣80塊（直徑為25 mm、長度約50 mm圓柱體）。其中，15塊標準巖樣用于巴西劈裂法抗張強度測試，23塊標準巖樣用于單軸抗壓強度測試（表1），42塊標準巖樣用于三軸強度測試，圍壓分別為2 MPa、15 MPa、30 MPa（表2）。標準巖樣的加工及力學測試過程符合《工程巖體試驗方法標準》[18]，典型巖樣的應力—應變曲線如圖2所示。

表1 石炭系部分火成巖巖樣單軸壓縮試驗結果表

表2 石炭系部分火成巖巖樣的三軸壓縮試驗結果表

圖2 DX171井部分火成巖巖樣的應力—應變測試曲線圖

3 火成巖力學參數測井模型

室內巖樣力學測試只能測得某一深度點上的巖石力學特征，無法獲取連續剖面，且測試過程復雜、耗資大。油氣田測井資料豐富，容易獲取。因此，將測試數據與巖樣來源井的原位測井參數對應，應用多元回歸方法，建立火成巖力學參數的測井解釋模型。

巖石抗拉強度是計算地層破裂壓力以及壓裂施工所需要的重要基礎參數。巴西劈裂測試表明（圖3），克拉美麗山前火成巖抗張強度為7.3～15.8 MPa，平均值為11.4 MPa。抗張強度與縱波時差的統計關系見圖3-a。巖石單軸測試表明，克拉美麗山前火成巖單軸抗壓強度為75.7～195.4 MPa，平均值為134.7 MPa。單軸抗壓強度與巖石密度、縱波時差的統計關系如圖3-b所示。

巖石的抗剪強度一般用內摩擦系數（或內摩擦角）和內聚力表示[19]。內摩擦系數反映巖石剪切破壞時相對滑動面的摩擦力大小，內聚力則在宏觀上表現了沒有正應力作用時剪切面上的抗剪強度。巖石抵抗剪切破壞的能力與內摩擦系數和內聚力呈正比。施加3個不同的圍壓，測得對應的抗壓強度，對3組“圍壓—抗壓強度”數據進行莫爾—庫倫圓分析，可得到內摩擦系數和內聚力。實驗結果分析表明，火成巖摩擦系數最小值為0.74，最大值為0.96，平均值為0.84。火成巖內摩擦系數與聲波時差的統計關系如圖3-c所示。確定內摩擦系數和單軸抗壓強度后，可根據理論公式計算出內聚力[20]。

在石油工程中，楊氏模量和泊松比是常用的彈性參數。彈性參數有動態值和靜態值之分[21]。利用縱、橫波速度（或時差）和密度測井數據，根據理論公式計算出動態彈性參數[22]。靜態彈性參數是由室內實驗獲取。對數據進行回歸分析（圖3-d和圖3-f），得到動靜態彈性參數的轉換模型[21]（表3）。

圖3 巖石力學測試數據與測井數據統計回歸圖

4 巖石力學模型工程應用

鉆井工程中，巖石力學參數主要用來定量計算地應力、地層坍塌、漏失和破裂壓力，進而開展地層壓力和井壁穩定分析，為預防鉆井井筒復雜情況及鉆井液密度設計等提供依據。

地層坍塌壓力計算模型[23]為：

式中σH表示最大水平主應力、σh表示最小水平主應力，MPa；C表示巖石內聚力，MPa；表示巖石內摩擦角，(°)；α表示有效應力系數，0＜α≤1，無因次；pP表示地層孔隙壓力，MPa；ρW表示地層水密度，g/cm3；g表示重力加速度，取0.009 8 m/s2；D表示地層深度，m；γm表示地層坍塌壓力系數，無因次。

地層漏失壓力計算模型[24]為：

式中qf表示漏失速率，L/s；u表示鉆井液塑性黏度，mPa·s；K表示地層滲透率，D；h表示漏失層厚度，m；rw、rf分別表示井眼半徑、鉆井液侵入地層的侵入半徑，m；τ0表示鉆井液屈服值，Pa表示地層孔隙度；γL表示地層漏失壓力系數，無因次。

地層破裂壓力計算模型[17]為：

式中σt表示巖石抗拉強度，MPa；γB表示地層破裂壓力系數，無因次。

DX172井是克拉美麗氣田滴西17井區的評價井。應用測井資料，根據表3中的巖力學參數計算模型，反演出該井石炭系巖石力學參數剖面；再根據工區已完鉆井的水力壓裂數據得到地層破裂壓力、裂縫延伸壓力，進而反算出構造應力系數和地層水平主應力[25]，對密度測井曲線積分得到垂向地應力。獲取地應力、孔隙壓力和巖石力學參數之后，利用式（1）～（3），求取地層坍塌壓力、漏失壓力和破裂壓力剖面（圖4）。

表3 克拉美麗山前火成巖力學參數計算模型匯總表

4.1 火成巖裂縫井漏機理

DX172井石炭系的鉆揭井深為3 480～3 840 m，巖性為玄武巖、安山巖、凝灰巖及火山角礫巖。由圖4可知，火成巖破裂壓力遠大于孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力，孔隙壓力大于坍塌壓力，漏失壓力略大于孔隙壓力。石炭系上部3 485～3 610 m井段地層漏失壓力與孔隙壓力非常接近，鉆井液安全密度窗口極窄，該井采用密度為1.38 g/cm3的鉆井液鉆至井深為3 751.29 m和3 795.30 m時發生嚴重井漏。因此，鉆井液靜液壓力大于石炭系上部地層漏失壓力是導致井漏的原因。

DX172井的井漏也可通過該井巖心觀察得到佐證。該井石炭系全尺寸巖心中安山巖和玄武巖局部見直劈天然微裂縫，縫長介于1.5～2.19 cm，縫寬介于0.5～1.0 mm，縫面較平整，充填物為方解石。同時，DX1816井的微電阻率成像（FMI）顯示該井火成巖裂縫較發育，裂縫密度3～10條/10 cm（圖5）。在力學強度測試中，與無微裂縫巖心相比，微裂縫發育巖樣的抗壓強度、彈性模量和抗拉強度均較低，并且筆者建立的巖石力學模型中的地層聲波和密度測井均有很好的響應。

DX172井巖心分析表明，石炭系上部（玄武巖和安山巖為主）裂縫處于開啟的自然漏失狀態，但多數被泥質充填，地層漏失壓力略高于地層孔隙壓力（兩者當量密度相差0.15～0.20 g/cm3）。由于裂縫堵塞物易突破，井漏時的鉆井液漏速及漏失量較大。另外，石炭系中下部（以凝灰巖、角礫巖和花崗巖為主）裂縫處于應力閉合狀態，井漏時鉆井液必須克服裂縫的重張壓力。由于此段地層多為直劈縫和斜交縫，裂縫重張壓力約等于最小水平主應力，即此段地層漏失壓力約等于最小水平主應力（圖4），其漏失壓力與孔隙壓力的安全密度差值介于0.30～0.40 g/cm3。

因此，針對克拉美麗山前石炭系火成巖裂縫發育情況，建議石炭系上部鉆井時，采用隨鉆屏蔽堵漏鉆井液，強化裂縫封堵，提高井壁承壓能力，或采用密度范圍1.15～1.25 g/cm3的鉆井液實現欠平衡壓力鉆井[26]。石炭系中下部鉆井時，建議采用近平衡精細控壓鉆井。

4.2 火成巖井壁失穩機理

克拉美麗山前石炭系井壁穩定程度與火成巖的巖性及微裂縫發育程度密切相關。以DX172井為例，以玄武巖和安山巖為主的上部地層，巖石抗壓強度、內聚力和彈性模量較高，表現出較低的坍塌壓力。而對于凝灰巖和角礫巖為主的中下部地層，巖石抗壓強度、內聚力和彈性模量偏低，且變化幅度大，局部地層的穩定性較弱。同時，中下部地層多發育直劈縫或斜交縫，縫隙中膠結物充填少，井壁裂縫易發生列賓捷爾效應。鉆井液易吸附于巖石，使巖石表面能降低，并產生楔裂作用，減小巖石的內摩擦角，結果導致力學強度降低。

目前，克拉美麗山前石炭系氣藏多采用水平井開發，區域主地應力中的垂向應力大于最大水平主應力，最小水平主應力方位為北東—南西方向（圖4）。由于主地應力差異明顯，水平井井眼軌跡在不同井斜和方位條件下，地層坍塌和漏失壓力有所差異。為此，開展石炭系儲層坍塌壓力和漏失壓力在不同軌跡下的變化規律研究（圖6），有助于水平井定向井眼的安全鉆進。

圖4 DX172井石炭系巖石力學與地層壓力剖面

圖5 DX1816井的微電阻率成像（FMI）測井表征的裂縫圖

圖6 石炭系火成巖儲層壓力云圖

通常，石炭系天然裂縫面垂直于最小水平主應力方向，水平井眼沿最小水平主應力方向可有效提高裂縫鉆遇率。由圖6-a可知，水平井眼方位為北東—南西方向時，隨著井斜角增大，儲層坍塌壓力增大，當井斜角為90°（水平井段）時，坍塌壓力達到最大值（壓力系數約為1.12）。由圖6-b可知，水平井眼方位為北東—南西方向時，隨著井斜角由0°增大到90°，儲層漏失壓力系數由1.55減至1.38。因此，克拉美麗山前石炭系采用水平井方式開發，水平井眼鉆井時鉆井液安全密度窗口非常窄。若采用欠平衡壓力鉆水平井眼時，設計鉆井液密度范圍介于1.12～1.25 g/cm3；若采用近平衡精細控壓鉆水平井眼時，設計鉆井液密度范圍介于1.27～1.34 g/cm3。

5 結論

1）國內外學者建立的沉積巖力學參數測井模型不適用于火成巖。基于克拉美麗山前多口井火成巖不同巖性的巖心力學測試數據，采用數理統計方法，實現巖心彈性參數動態值與靜態值的轉換，擬合出火成巖力學參數測井數據反演模型，并繪制典型井的巖石力學參數和地層壓力剖面。該模型的建立方法具有很好的推廣價值。

2）根據地層壓力相關模型，繪制出克拉美麗山前石炭系坍塌、漏失和破裂壓力的連續剖面。分析認為，石炭系火成巖鉆井液安全密度窗口窄，裂縫閉合形態及填充情況決定了井漏的發生風險。同時，由于不同巖性的力學強度差異，井壁失穩風險取決于火成巖的巖性及裂縫發育程度。

3）目前，克拉美麗山前石炭系氣藏多采用水平井開發，由于石炭系主地應力的差異明顯，水平井眼方位沿最小水平主應力雖然可有效提高裂縫鉆遇率，但是定向井段的鉆井風險更大，鉆井液安全密度窗口更窄。通過石炭系坍塌壓力和漏失壓力在不同井眼軌跡的變化規律分析，可實現井筒安全的定量預測，指導鉆井參數的優化設計。