李志鵬，卜麗俠

(1.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；2.中國石化 勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營 257015)

沉積巖的巖性、礦物成分、巖石結構都存在較大的差異，可以劃分為不同類型的巖相。其巖性、巖石結構及成巖作用等的差異從本質上會造成力學性質的不同[1-5]，進而影響地應力場的分布[6-8]。而地應力是控制低滲透油氣藏水力壓裂裂縫形態(tài)及井網(wǎng)部署的重要因素[9-12]。隨著國內外低滲透油藏開發(fā)的不斷進行，特別是致密油氣藏的大規(guī)模壓裂開發(fā)[13-16]，地應力、巖石力學性質的差異成為了低滲透油氣藏井網(wǎng)部署、調整及壓裂等研究的重要基礎。因此，明晰不同巖相的巖石力學性質差異，是進行地應力場預測、壓裂施工設計等的關鍵。本文以渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏[17-18]為研究對象，根據(jù)取心井資料，研究了其巖相類型，利用不同巖相常規(guī)三軸壓縮實驗分析資料，建立了靜態(tài)巖石力學參數(shù)油藏圍壓條件的恢復圖版，分析了不同巖相間靜態(tài)力學參數(shù)及應力—應變關系的差異性，旨為渤南洼陷沙四段低滲透油藏的地應力預測、鉆井、壓裂工藝設計提供借鑒。

1 巖相類型劃分

渤南洼陷沙四段低滲透油藏主要為扇三角洲沉積，巖性以粉砂巖、細砂巖為主，同時發(fā)育砂礫巖、粗砂巖、中砂巖、泥質砂巖及灰質砂巖等。砂巖巖性復雜多樣，根據(jù)沉積特征、巖性及物性特征等，可將砂巖劃分為粗粒砂巖相、細砂巖相、粉砂巖相、泥質砂巖相及碳酸鹽質砂巖相5種巖相(表1)。自粗粒砂巖相—細砂巖相—粉砂巖相，沉積水動力條件不斷減弱，粒度變細，孔隙度降低，以上3種巖相泥質含量較低，以鈣質和泥質膠結為主。泥質砂巖相泥質含量較高，大于30%，以泥質膠結為主。碳酸鹽質砂巖相碳酸鹽含量較高，大于25%，為鈣質和白云質膠結，膠結程度較高；一般發(fā)育在砂體頂?shù)着c泥巖接觸的部位，為后期成巖作用形成的一類巖石，發(fā)育相對較少。該巖相巖石脆性大，取心過程中易于破碎。

2 實驗樣品及數(shù)據(jù)

本文實驗樣品的取樣，是在相同巖相、相近深度(深度差異小于200 m)鉆取4～5塊直徑為25 mm、長度大于50 mm的巖樣。通過巖樣巖石薄片觀察，巖石組分以石英、長石和巖屑為主，石英平均含量35%，長石平均含量32%，巖屑平均含量29%，為巖屑質長石砂巖或長石質巖屑砂巖(圖1)。利用美國GCTS公司的RTX高溫高壓巖石三軸儀進行三軸壓縮實驗。為了使實驗條件更接近油藏條件，將巖樣飽和水[19]，再用密封薄膜將巖樣密封，保證實驗過程中巖心中的流體不外溢。實驗為室溫條件，三軸圍壓分別加載0.1，12，22，32 MPa，對相同巖相的樣品進行分別實驗，得到不同圍壓條件下巖樣的楊氏模量及泊松比(表2)。

表1 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏砂巖巖相類型劃分

Table 1 Lithofacies classification of sandstones in low permeability reservoirs of fourth member

of Shahejie Formation, Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

圖1 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段實驗樣品典型薄片

3 巖相的巖石力學性質差異性

3.1 靜態(tài)力學參數(shù)油藏圍壓條件矯正

根據(jù)渤南洼陷沙四段低滲透油藏埋藏深度(3 300～4 500 m)與水平應力大小的統(tǒng)計關系(式1)，渤南洼陷沙四段低滲透油藏圍壓(SH+Sh)/2要在68 MPa以上。

(1)

式中：SH為水平最大主應力，MPa；Sh為水平最小主應力，MPa；D為油藏的埋藏深度，m。

圍壓對巖石力學參數(shù)影響較大[20]，研究巖相力學參數(shù)差異性前，需對實驗室內測量的靜態(tài)巖石力學參數(shù)進行油藏圍壓條件下的矯正。利用本次實驗的有限測試數(shù)據(jù)，嘗試建立了渤南洼陷低滲透油藏各巖相楊氏模量、泊松比與圍壓的關系圖，并擬合了楊氏模量與圍壓、泊松比與圍壓的關系式(表3)。根據(jù)目前的有限測試數(shù)據(jù)，各巖相楊氏模量、泊松比與圍壓呈指數(shù)關系，相關性較好。

表2 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段樣品巖石力學參數(shù)實驗測試結果

表3 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏巖石力學參數(shù)與圍壓擬合關系式

注：E為楊氏模量，GPa；P為圍壓，MPa；λ為泊松比；R為相關系數(shù)。

圖2 渤海灣盆地渤南洼陷沙四段低滲透油藏巖石力學參數(shù)與圍壓關系

渤南洼陷沙四段低滲透油藏不同巖相間力學參數(shù)差異性較大(圖2)。相同圍壓條件下，隨著巖相粒度變細，楊氏模量下降，反映了巖石顆粒越細，顆粒與顆粒之間支撐作用相對越弱的特點，泥質含量的增加會大幅降低巖石的楊氏模量(圖2a)。巖相對泊松比的影響較復雜，總體上隨著巖相粒度變細及泥質含量的增加，泊松比增加，粗粒砂巖相不符合上述規(guī)律，較細砂巖相要稍高(圖2b)。同一巖相隨著圍壓增大，楊氏模量及泊松比都呈現(xiàn)指數(shù)增加，楊氏模量增加幅度較泊松比大，兩參數(shù)都存在拐點，巖相間拐點出現(xiàn)的早、晚受巖石本身抗壓實作用的影響，粒度越粗，抗壓實作用越強，拐點出現(xiàn)得越早(圖2)。

3.2 巖相靜態(tài)力學參數(shù)差異

根據(jù)式(1)和表3的擬合關系式，對渤南洼陷沙四段低滲透油藏不同巖相的楊氏模量及泊松比進行了油藏圍壓條件的矯正。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)粗粒砂巖相、細砂巖相及粉砂巖相楊氏模量差異較小，泥巖相楊氏模量相對較低(圖3a)；粗粒砂巖相與細砂巖相泊松比相近，粗粒砂巖相較細砂巖相稍高，粉砂巖相泊松比較粗粒砂巖相高，較泥巖相低，泥巖相泊松比最高(圖3b)。相同巖相內楊氏模量與泊松比差異并不大，可認為基本為一個均質的力學參數(shù)體。

3.3 巖相應力—應變關系差異

從圖2看，渤南洼陷沙四段低滲透油藏各巖相在圍壓達22MPa后，巖石力學參數(shù)變化幅度明顯減小，選取圍壓35 MPa條件下的應力—應變曲線(圖4)，研究其應力—應變關系。粗粒砂巖相顆粒粗，顆粒間支撐作用強，在軸壓作用下，顆粒重排列塑性變形段基本不發(fā)育，線彈性變形段長，后期高軸壓作用下，微裂隙形成的塑性變形段短。細砂巖相與粉砂巖相的應力—應變關系相似，在低軸壓作用下顆粒首先發(fā)生較短的重排列塑性變形段，線彈性段較長，高軸壓微裂隙形成的塑性變形段較短；與細砂巖相比，粉砂巖相兩端的塑性段要長，線彈性段要短。泥巖相的應力—應變關系與其他3類巖相差異較大，低軸壓下的顆粒重排列塑性變形段明顯變長，線彈性段發(fā)育短，高軸壓塑性變形段長。綜上，渤南洼陷低滲透油藏粗粒砂巖相、細砂巖相、粉砂巖相可以近似為線彈性材料；泥巖相為彈塑性材料，在地應力模擬等應用過程中，一定要引起重視，不應將油藏條件下的泥巖相也近似為彈性材料。

圖4 渤海灣盆地渤南洼陷低滲透油藏

圖3 渤海灣盆地渤南洼陷低滲透油藏圍壓條件下巖石力學參數(shù)

綜合以上分析及渤南洼陷現(xiàn)場測試地應力的實際結果，受地質體復雜展布的影響，力學性質差異是非常復雜的，應該引起足夠的重視和警惕。目前大部分商業(yè)軟件，利用有限元、有限差分等數(shù)值模擬技術正演地應力場的分布，受計算機計算能力及運算方式等影響，地質框架模型注重刻畫構造形態(tài)，但對于不同力學性質地質體的展布形態(tài)刻畫不足，導致力學參數(shù)模型為了節(jié)省模擬時間大部分采用了層內的均質模型，造成模擬結果水平最大應力方向基本與區(qū)域主應力方向一致，應力方向在整個油藏內幾乎不發(fā)生較大的變化。油藏地應力模擬應首先利用巖心室內測試，明晰不同地質體力學性質的差異性。地質模型著重刻畫不同地質體空間展布形態(tài)，對砂泥巖油氣藏，著重刻畫砂體的展布形態(tài)，對不同的地質體選用不同的力學參數(shù)建立力學參數(shù)模型。有條件的情況下，甚至可以建立力學參數(shù)的三維非均質模型，并對不同地質體選擇合適的本構定律。在此基礎上，進行有限元或有限差分的地應力場模擬，得到油氣藏非均質的地應力場，為油田的油藏工程設計、鉆井工程設計及壓裂設計等提供盡可能準確的地應力場。

4 結論

(1)渤南洼陷沙四段低滲透油藏砂泥巖可以劃分為粗粒砂巖相、細砂巖相、粉砂巖相、泥質砂巖相、碳酸鹽質砂巖相及泥巖相6種類型。

(2)初步建立了不同巖相楊氏模量及泊松比與圍壓的關系圖版，同一巖相，圍壓越大，楊氏模量及泊松比不斷增加。隨著巖相粒度的不斷變粗，楊氏模量增加，泊松比減小，但粗粒砂巖相的泊松比不遵循整體趨勢，較細粒砂巖相大，比粉砂巖相小。

(3)巖相粒度越粗，顆粒重新排列塑性變形段變短，高軸壓塑性變形段變短，線性彈性段增加。粗粒砂巖相、細砂巖相、粉砂巖相可以近似為線彈性材料，泥巖相為彈塑性材料。

致謝：本文在研究過程中得到了勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院低滲透油藏研究室同仁在資料等方面的大力支持，在此致以衷心感謝！