枯竭型儲氣庫巖石力學分析研究

陳振龍

摘要：地應力在儲氣庫建庫中扮演重要角色，對于多期交替注采條件下，高速注采極易導致目的層及圈閉圍巖應力狀態發生變化，致使庫區斷層被激活滑動、導致儲氣庫泄露事故等風險。充分利用庫區測井、地震、巖心分析化驗及生產測試資料，開展儲氣庫巖石力學分析研究，獲取庫區相關力學參數，為庫區內風險斷層動態密封性分析和蓋層密封性評價提供重要基礎資料。

關鍵詞：儲氣庫;巖石力學;地層孔隙壓力;地應力

1、前言

地下儲氣庫作為調節天然氣供需平衡和戰略儲備的一種技術手段，在工業、生活用氣峰谷調配方面發揮巨大作用。S氣田區域構造位于松遼盆地南部中央坳陷區華字井階地南部，屬于枯竭型砂巖氣藏，由于地質條件適中，地理條件優越，適合改建為儲氣庫，建成后可以發揮為市場發揮季節調峰、事故應急供氣的作用。

在多期交替注采條件下，高速注采極易導致儲氣庫目的層及圈閉圍巖應力狀態發生變化，因此，開展巖石力學分析研究，可有效指導儲氣庫安全生產運行開發方案的制定，對保障安全運行意義重大。

2、巖石力學模型

結合研究區的實際情況，對地應力模型的6個要素分別采用以下分析方法：地應力方向通過成像測井、陣列聲波測井資料分析得到;上覆地層壓力通過對密度測井曲線積分求取;孔隙壓力根據DST實際測量確定，同時結合對地震數據和電測資料的精細處理和分析進行預測;巖石力學參數根據測井曲線選取不同的經驗模型進行計算，并用室內巖心力學試驗數據進行檢驗;最小水平主應力綜合測井曲線計算方法以及小型壓裂測試數據等;對于最大水平主應力大小，通過各向同性孔彈模型計算，同時根據井筒破損和裂縫情況，對最大水平主應力進行反演模擬。

2.1、地應力方向

地應力方位確定主要通過成像測井識別井壁破壞、陣列聲波識別快橫波方位兩種方法獲得[1]。

通過新井成像資料可以清晰地看到兩口井存在井壁崩落現象，井壁崩落平均方位為北偏東15度，由于井壁崩落方位與最小水平主應力方向一致，垂直于最大水平主應力方向，因此確定現今地應力方向為105度，近東西向。

在裂縫地層及水平應力不平衡的地層，地層橫波會分裂為快橫波和慢橫波，二者偏振方向互相垂直，其中快橫波偏振方向與地層高角度裂縫的走向及最大水平主應力方向一致，裂縫不發育，所以快橫波方向指示的各向異性方向即可代表現今地應力方向。通過分析已有兩口新井快橫波方位信息，判斷口井各向異性方向為105度方向，即現今地應力方向為東偏南105度方向，與成像測井識別地應力方向一致。

綜合成像測井、陣列聲波測井等分析結果，判斷雙坨子區塊地應力方向基本為105度方向，符合區域地質特征。

2.2、上覆巖層壓力

密度測井和聲波測井可以直觀地反映地層壓實規律，可以獲得巖石體積密度值。如果有密度測井資料，平均體積密度可以計算出來。否則，可從聲波測井曲線上計算巖石體積密度，但是必須經過壓實修正。利用密度數據，上覆巖層壓力計算采用了體積密度積分的方法，在表層采用密度或偽密度的外延趨勢線進行計算，在有密度測井或聲波測井數據井段，可以依據井眼形態選用密度測井數據，或者選用聲波提取偽密度計算上覆巖層壓力[2]。

2.3、地層孔隙壓力

本研究以測井資料為基礎，采用高精度的地層壓力預測和檢測方法—欠壓實理論，進行地層孔隙壓力預測計算。在巖性和地層水變化不大的地層剖面中，正常壓實地層的特點是，隨著地層深度的增加，上覆巖層荷載增加，泥頁巖的壓實程度增大，導致地層孔隙度不斷減小，巖石密度增加，泥頁巖的壓實程度直接反應孔隙壓力的變化。

在目前的測井系列中，有多種測井方法都能較好的反應地層孔隙壓力。本次研究應用了泥巖欠壓實理論分析了四塊雙坨子區塊23口井的聲波資料，應用伊頓公式計算了這些井的地層孔隙壓力。

應用伊頓法對研究區孔隙壓力進行了分析，用實測點標定孔隙壓力值。通過分析，TK1-2井泉三段目的儲層段的孔隙應力為12.4-13MPa， 對應地層壓力系數為 0.96-1.01g/cm3;泉一段目的儲層段的孔隙應力為18.3-19.5MPa， 對應地層壓力系數為 0.93-0.98 g/cm3;TS1井泉三段目的儲層段的孔隙應力為11 -12MPa， 對應地層壓力系數為0.93-0.98g/cm3;泉一段目的儲層段的孔隙應力為19.5-20.5MPa， 對應地層壓力系數為0.93-0.97 g/cm3，與地層壓力實測點匹配較好，說明計算的孔隙壓力是可靠的。

2.4、巖石力學參數

巖石力參數包括巖石的彈性模量和巖石強度，是地應力計算和井眼穩定性分析以及壓裂模擬的基礎。

測井曲線計算得到的是巖石的動態彈性模量，與其靜態彈性模量存在差異，需要實驗室巖心分析數據對彈性模量進行動靜態轉換，根據巖心數據，得到研究區動靜態楊氏模量轉換系數為0.7，動靜態泊松比轉換系數為1。

2.5水平地應力

通過小型壓裂實驗得到了兩口新井的閉合壓力數據，其中泉一段目的層段閉合壓力范圍為31.2-35.9MPa，泉三段目的層段閉合壓力范圍為21.8-22Mpa。

利用該閉合壓力數據可以進行最小水平主應力的標定，通過測試點標定反求出構造應力系數值，兩口井構造應力系數一樣，說明該參數合理可靠。

4? 結論

通過對研究區開展巖石力學精細研究，得到以下結論：

（1）區塊地應力方位主要通過成像測井識別井壁和橫波各向異性的方法驗證確定，地應力方向為E105o方向，為近東西向。

（2）泉三段上覆應力為27-33MPa，泉一段上覆應力為47-53MPa。

（3）泉三段孔隙壓力為11.4-13.3MPa，對應孔隙壓力系數為0.93-1.08 g/cm3;泉一段孔隙壓力為18.2-21.0MPa;對應孔隙壓力系數為0.92-1.02 g/cm3。

參考文獻：

[1] 李志明，張金珠，地應力與油氣勘探開發[M].石油工業出版社，1997：23-40，145-167.

[2] 藏艷彬，王瑞和，李新芝等，基于密度測井資料計算上覆巖層壓力的不確定性分析. 中國石油大學學報，2010，34（6）.

（吉林油田松原采氣廠，吉林 松原 138000）