大斜度井利用偶极声波测井获取页岩储层地应力的方法

大斜度井利用偶极声波测井获取页岩储层地应力的方法

崔玉娜

中原石油工程有限公司地球物理测井公司 河南濮阳 457001

摘要:利用测井资料研究页岩油气藏的岩石力学参数，对页岩油气藏低孔低渗储层压裂、钻井和开发都有重要意义。文中利用密度、偶极声波测井等资料，对页岩油气藏的岩石力学参数（泊松比、弹性模量、孔隙压力、破裂压力、最大最小水平应力）进行了计算，但对比发现垂直导眼段与大斜度及水平井段计算的岩石力学参数差异较大。本文重点研究直井与大斜度井对偶极声波资料的影响因素，以及大斜度井如何得到符合实际的地应力的方法。

关键词:页岩油气藏 岩石力学参数 大斜度 地应力 横向各向同性

0引言

页岩气是一种新型的天然气资源，中国页岩气分布广泛、富集地质条件优越，资源开发具有良好的前景^［1］。地应力对油气的运移、聚集具有重要影响，明确现今应力场分布对致密储层油气开发具有重要意义。页岩具有低孔低渗的特点，只有少数天然裂缝特别发育的井可以直接投产，多数井在开发过程中需要进行大规模的水力压裂，地应力的预测是优化压裂设计极为重要的理论基础。

1、实际生产遇到的问题

目前应用测井资料计算地应力的方法有多种，这些方法从不同方面考虑了地应力的构成特点，但大多将岩石视为各向同性的均质弹性材料(ISO，Isotropy)，而页岩具有较强的非均质性和各向异性，导致上述方法解释的地应力精度较低。根据页岩的地质特征，基于横向各向同性(TI，Transverse Isotropy)模型的地应力计算结果能够更准确的反映实际地层情况^［2］。

利用偶极声波测井资料获取纵横波时差曲线时，在泥页岩（TIV地层）段，井斜对时差的影响到底有多大，一直没有定论。对比某地区一口导眼井与其直改水平段的纵横波时差发现，随着井斜的增大，纵横波时差数值逐渐变小，差异逐渐变大，当井斜达到90°时，纵波时差数值差异达到50µs/ft左右，横波时差数值差异达到90µs/ft。后续按照各向同性的均质弹性模型计算岩石力学参数（泊松比、动态杨氏模量等），导眼段与水平段也差异较大（见图1）。

2、TIV地层的弹性参数计算

对于完全各向异性介质，需要21个弹性系数才能表征其弹性性质。而对于横向各向同性介质，因其对称性，可以简化为式（1）：

（1）

另外页岩气井为了达到工业产能，一般采用水平井（平行层理面）进行勘探开发，因此现在仅列举此类情况。矩阵中，

（2）

（3）

（4）

（5）

但是利用测井资料无法直接获得弹性参数C₁₂、C₁₃和C₃₃，还需要一定的假设条件，Schoenberg et al．^［3］根据泥页岩的横向各向同性性质假设了条件（ANNIE假设）分别为：

（6）

（7）

（8）

求取了横向各向同性地层的弹性系数，即可获得垂直和水平的杨氏模量和泊松比。

（9）

（10）

（11）

（12）

3、水平应力大小的计算

以前，由于测井资料未能实现对各向异性模型的刻画，因此实际应用中一直采用各向同性模型评价地应力。各向同性模型的地应力计算方法为：

（13）

（14）

现在，针对页岩这种TIV地层，利用横向各向同性模型进行页岩地应力计算已经实现。在平面应变的假设下，考虑上覆地层压力、孔隙压力、构造应力以及地层垂直和水平方向力学性质的差异，建立横向各向同性地层的地应力模型^[4]。横向各向同性模型的地应力计算方法为：

（15）

（16）

式中：σ_h、σ_H分别为最小和最大水平主应力，MPa；ε_h、ε_H分别为最小和最大构造应力系数，无量纲；σ_V为上覆压力，MPa；σ_PP为孔隙压力，MPa；α为Biot系数，无量纲；E为杨氏模量，GPa；ν为泊松比，无量纲。

横向各向同性模型考虑了垂直和水平方向上弹性模量的差异，能更好地反映实际地层情况。

4、应用实例

现 场应用中，上覆地层压力σ_V可利用密度在垂直深度上的积分得到，孔隙压力σ_PP可由Eaton法计算得到，最大最小构造应力系数ε_h、ε_H可由压裂施工获取的最小主应力反算得到，Biot系数可根据岩石致密程度假设为1。

图4为X井页岩段岩石力学参数成果图，基于横向各向同性模型计算的地应力比各向同性模型计算的地应力值大，将地应力大小与压裂井段得到的测试结果相比较，误差较小。说明横向各向同性模型的地应力计算方法更为准确。

5、结论

（1）基于横向各向同性模型进行测井地应力计算时需要首先确定C11、C33、C44、C66和C13五个弹性参数，它们可通过声波测井资料结合各向异性模型获取。

（2）建立了符合页岩特性的地应力评价方法，相比于各向同性模型，基于横向各向同性地层的地应力测井评价方法能更好地表征地应力界限和地应力的变化。

参考文献

[1] 邹才能,杨智,崔景伟,等.页岩油形成机制、地质特征及发展对策[J].石油勘探与开发,2013,40(1):14-26.

[2] 宋连腾,刘忠华,李潮流,等.基于横向各向同性模型的致密砂岩地应力测井评价方法［J］.石油学报,2015,36(6):707-714．

[3] Schoenberg M, Muir F, Sayers C. Introducing ANNIE: A simple three-parameter anisotropic velocity model for shale［J］.Journal of Seismic Exploration, 1996, 5(1):35-50．

[4] Thiercelin M J, Plumb R A. A Core-based prediction of lithologic stress contrasts in east Texas formation [J]. SPE Formation Evaluation, 1994, 9(4):251-258.