松辽盆地北部中浅层广泛发育河流相、三角洲相及湖相砂岩, 它们是大庆油田主要的储集层, 但其中有很大一部分砂岩层物性差、产能低, 应用常规开采手段难以获得有效动用^[1]。

根据松辽盆地的地质特点及勘探开发实际, 本地区致密油定义^[2]为:①储层地面空气渗透率小于或等于1mD(1mD≈0.987×10^-3μm²), 孔隙度小于或等于12%;②赋存于油页岩或与其互层共生的致密砂岩储层中, 未经大规模、长距离运移; ③直井常规压裂产量低, 需采用水平井大规模体积压裂技术提高产量的石油资源。

为提高水平井和压裂设计水平, 大庆油田根据测井资料总结了致密油储层评价方法, 主要利用“两品质”指标评价致密油储层^[2-3]。“两品质”包括“储层品质”(或称为“地质甜点”)和“工程品质”(或称为“工程甜点”)。大庆油田“工程品质”参数主要包括岩石脆性指数、最小水平主应力等。

国内外通常使用孔隙压力、岩石脆性、最小水平主应力、最大水平主应力与最小水平主应力之差(即水平应力差)、破裂压力等参数描述“工程甜点”。只有水平井同时钻遇“双甜点”即“地质甜点”和“工程甜点”, 且在“双甜点”段实施压裂, 水平井+大型水力压裂才可以获得比较高的油气产量。

前人对大庆地区致密油开发中影响水平井压裂效果的主要因素进行了研究, 与“工程甜点”有关的因素包括裂缝密度和裂缝长度。裂缝密度即裂缝的发育程度, 主要与岩石脆性和水平应力差有关。脆性越大, 越容易产生裂缝。水平应力差越小, 越容易产生复杂的裂缝系统^[4-6]。龙虎泡油田龙26外扩区高台子组油层整体脆性不高, 很多压裂施工出现了压裂后岩石没有发生脆性破裂而是塑性形变现象。

2016年, 刘勇等^[7]利用叠前反演的杨氏模量和泊松比计算了岩石脆性指数, 刘建伟等^[8]利用杨氏模量、体积模量、剪切模量线性回归公式计算破裂压力; 2018年, 印兴耀等^[9]介绍了一种利用地层曲率、杨氏模量和泊松比计算最大水平主应力的方法, 任岩等^[10]利用测井资料计算岩石破裂压力、评价吉木萨尔致密油地层的可压裂性, 朱斗星等^[11]利用叠后地震资料开展了“工程甜点”的预测。上述文献评价“工程甜点”时偏重于岩石脆性指数或破裂压力, 很少提及水平应力差。

本次研究重点是开展地震高分辨弹性参数反演, 获得杨氏模量、泊松比、纵波速度和密度4个弹性参数。利用这些弹性参数和本地区的地应力计算公式, 计算并预测岩石脆性、水平应力差等关键的“工程甜点”指标, 进而指导和优化水平井压裂设计。

1 技术方法 1.1 叠前反演 1.1.1 4个弹性参数反射率直接反演

纵波速度、密度、杨氏模量和泊松比这4个关键的弹性参数是计算岩石脆性和水平主应力的基础数据, 因此必须开展叠前弹性参数反演。目前成熟稳定的叠前弹性参数反演技术是基于Zoeppritz方程的线性公式, 即:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{R_{{\rm{PP}}}}(\theta ) \approx \left( {\frac{1}{4}{{\sec }^2}\theta - 2k{{\sin }^2}\theta } \right) \cdot \frac{{\Delta E}}{E} + \left[ {\frac{1}{4}{{\sec }^2}\theta \cdot } \right.}\\ {\left. {\frac{{(2k - 3) \cdot {{(2k - 1)}^2}}}{{(4k - 3) \cdot k}} + 2k{{\sin }^2}\theta \cdot \frac{{1 - 2k}}{{3 - 4k}}} \right] \cdot \frac{{\Delta \sigma }}{\sigma } + }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {\frac{1}{2} - \frac{1}{4}{{\sec }^2}\theta } \right) \cdot \frac{{\Delta \rho }}{\rho }} \end{array} $

(1)

$ \begin{aligned} R_{\mathrm{PP}}(\theta) \approx & \frac{1}{2}\left(1-4 \frac{v_{\mathrm{s}}^{2}}{v_{\mathrm{P}}^{2}} \sin ^{2} \theta\right) \cdot \frac{\Delta \rho}{\rho}+\frac{1}{2 \cos ^{2} \theta}\cdot \\ & \frac{\Delta v_{\mathrm{p}}}{v_{\mathrm{p}}}-4 \frac{v_{\mathrm{s}}^{2}}{v_{\mathrm{p}}^{2}} \sin ^{2} \theta \cdot \frac{\Delta v_{\mathrm{s}}}{v_{\mathrm{s}}} \end{aligned} $

(2)

式中:R为反射系数; θ为入射角; v_P为纵波速度; v_S为横波速度; k为v_S²/v_P²; E为杨氏模量; σ为泊松比; ρ为密度。

公式(1)由宗兆云等给出^[12], 可以直接反演杨氏模量、泊松比和密度的反射率, 而且目前只有这个公式才可以直接反演杨氏模量和泊松比这两个参数反射率。公式(2)是Aki & Rechards公式, 可以直接反演纵波速度、横波速度和密度反射率。

本次叠前弹性参数反演采用全道集参与的直接弹性反演参数方法^[13], 即不是采用部分叠加而是采用全部道集数据, 也不是采用间接计算方法由纵波速度、横波速度和密度3个基本的参数计算其它弹性参数, 而是采用直接反演方法得到这3个参数, 方法本身在实现过程中加入了抗噪技术。

1.1.2 高分辨反演

由于龙虎泡油田目的层高三段油层相对于地震数据分辨率较薄, 储层平均厚度4m左右, 目前地震数据的分辨率有限, 难以识别这么薄的油层, 因此需要开展高分辨率地震反演。

首先利用地震解释层位数据和测井数据在层位控制下由测井数据内插得到一个测井数据模型, 该模型包含低频和高频信息。需要建立纵波速度、密度、杨氏模量和泊松比4个弹性参数测井数据模型。本次高分辨率地震反演采用常规地震反演结果(中低频部分)与测井高频模型融合方法^[14], 其中常规地震反演即是从上述测井数据模型中补充低频背景模型得到绝对值数据。

1.2 岩石脆性指数及地应力计算公式中相关系数的确定

脆性和水平主应力计算需要4个关键的弹性参数:杨氏模量、泊松比、纵波速度和密度。

岩石脆性指数计算的方法有两类:一类是利用测井资料计算脆性矿物含量从而计算出脆性指数; 另一类是利用杨氏模量和泊松比计算岩石脆性指数^[15]。本次研究采用后一种方法, 首先对杨氏模量和泊松比做归一化处理, 然后求二者的算术平均值得到岩石的脆性指数(B_RIT-T):

$ B_{\mathrm{RIT}-E}=\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }} \times 100 \% $

(3)

$ B_{\mathrm{RIT}_{\sigma}}=\frac{\sigma-\sigma_{\min }}{\sigma_{\max }-\sigma_{\min }} \times 100 \% $

(4)

$ B_{\mathrm{RIT}-T}=\frac{B_{\mathrm{RTT}-E}+B_{\mathrm{RTT}-\sigma}}{2} $

(5)

式中:B为脆性指数, 即岩石中脆性矿物含量。根据研究区测井资料统计结果, 本次研究E_max、E_min、σ_max、σ_min分别取值为50GPa、15GPa、0.35、0.25。

计算水平应力差首先需要计算水平主应力, 水平主应力计算需要泊松比、声波速度和密度3个弹性参数。在本次研究中, 水平主应力计算模型使用黄荣樽等^[16]改进的Anderson公式, 即在公式中增加一个构造系数修正项, 使得水平主应力不仅仅与上覆岩层压力有关, 也与构造应力有关, 即:

$ P_{\mathrm{h}}=\left(\frac{\sigma}{1-\sigma}+\xi_{1}\right)\left(P_{\mathrm{o}}-\alpha P_{\mathrm{P}}\right)+\alpha P_{\mathrm{P}} $

(6)

$ P_{\mathrm{H}}=\left(\frac{\sigma}{1-\sigma}+\xi_{2}\right)\left(P_{\mathrm{o}}-\alpha P_{\mathrm{p}}\right)+\alpha P_{P} $

(7)

式中:P_h为最小水平主应力; P_H为最大水平主应力; P_o为上覆岩层压力; P_P为孔隙压力; ξ₁, ξ₂为构造应力系数; α为有效应力系数, 也称Boit系数。

根据实验室差应变法分析本地区地应力及岩石力学参数, 确定公式中两个重要参数ξ₁和ξ₂分别取值为0.35、0.53。α可由测井参数计算得到(即由测井体积模量K计算得到); 也可由泥质含量V_CL得到。一般认为, 当V_CL < 0.3时, α=0.8;当0.3≤V_CL < 0.5时, α=0.65;当0.5≤V_CL≤1时, α=0.5。本区V_CL为0.35~0.40, 故本次研究α取值为0.65。

上覆岩层压力P_o由叠前反演的密度数据体积分得到, 孔隙压力P_P由叠前反演的纵波速度v_P结合上覆岩层压力P_o计算得到。泊松比σ通过叠前反演得到。

本次研究的技术思路及流程如图 1所示。

2 应用效果分析 2.1 研究区地质概况

龙虎泡油田位于大庆长垣构造带西部, 中间夹齐家—古隆凹陷。龙虎泡油田除局部地区高零段、高一段含油外, 其它地区主力油层均集中于高三段和高四段油层, 尤其是高三段。总体上, 龙26试验区高台子组高三段油层平均渗透率为1.23mD, 平均孔隙度为13.9%, 平均厚度为3.9m, 为中低孔、偏低渗致密储层。该区高三段油层在压裂前普遍无自然产能, 必须采用水平井体积压裂增产措施才能获得有经济效益的产能。

2.2 脆性指数及应力差预测

利用龙虎泡油田龙26试验区4口直井(钻达目的层高三段油组)测井资料建立测井弹性参数模型, 针对每个弹性参数反射率数据体, 分别开展高分辨反演, 得到4个弹性参数高分辨反演成果数据体, 结果如图 2所示。

利用公式(3)、公式(4)和公式(5)计算岩石脆性三维数据体, 利用公式(6)和公式(7)分别计算最小和最大水平主应力, 并得到水平应力差。

高岩石脆性指数是形成裂缝的必要条件。一般认为脆性破坏是指岩石在弹性变形阶段结束、没有或仅有很小的塑性变形时发生的破坏。如果岩石在构造应力作用下容易发生脆性破坏从而形成裂缝, 那么岩石的泊松比和杨氏模量要同时满足条件:泊松比＜0.3^[5]且杨氏模量E为30~80GPa, 即脆性指数为40%左右。

图 3是龙26试验区高三段主力油层脆性指数平面分布图, 图中大多数开发井轨迹钻遇地层的脆性指数都大于40%, 具有较高的脆性指数, 如平35、平38和平48井。图 4是平26井高三段脆性指数剖面, 钻遇储层段的岩石脆性指数都大于45%。

水平应力差越小, 在压裂时越容易形成更复杂的裂缝, 即产生的裂缝并不仅仅在某一个方向, 而是在更多的方向产生裂缝从而形成一个复杂的裂缝系统。这样复杂的裂缝系统更容易沟通众多微小孔隙, 从而扩大储集空间并增强渗透性。同时较小的水平应力差还有助于保持井身的稳定性, 不易导致井壁垮塌等钻井事故。由在四川盆地的实践经验可知, 水平应力差一般小于15MPa时比较有利。图 5、图 6分别为过平26井高三段主力油层最大、最小水平主应力剖面。图 7是龙26试验区高三段水平应力差平面分布图, 图中水平应力差都小于5MPa, 从水平应力差这个角度看, 龙26试验区高三段水平应力差完全满足压裂的要求。图 8是过平26井高三段水平应力差剖面, 可见, 钻遇高三段的水平应力差都小于5MPa。

今后在龙26试验区进行水平井压裂设计时, 应该优先在水平应力差小(＜15MPa)、岩石脆性指数高(＞40%)的水平段实施压裂, 这样才能获得更好的压裂效果。对于岩石脆性指数和水平应力差两个“工程甜点”指标, 岩石脆性指数更加重要, 因为在龙26试验区水平应力差都较小。

2.3 对井误差分析

利用研究区平26、平14h和平48h这3口井资料对脆性指数和水平应力差两个指标参数的预测结果进行误差统计分析, 结果表明:脆性指数预测结果相对误差小于10%, 水平应力差预测结果相对误差小于12%, 预测精度满足生产需要。

2.4 压裂效果分析

龙虎泡油田生产井如果不做压裂则普遍无自然产能。经过水平井体积压裂改造后, 龙26试验区3口水平井(平35、平38、平48)产能最高增加到8~12t/d, 平均产能2.0~3.7t/d, 增产效果明显(表 1)。这3口井的脆性指数都在40%~50%, 脆性指数较高。大庆油田在该区压裂实践经验表明, 大多数井压裂后增产效果较好的井段的脆性指数通常也都大于40%。

3 结论

本文利用叠前反演得到的4个弹性参数(纵波速度、密度、杨氏模量和泊松比), 采用龙虎泡油田本地的岩石脆性指数计算公式和水平主应力计算公式, 计算得到岩石脆性指数、最大水平主应力、最小水平主应力和水平应力差, 油田实际数据计算的最大相对误差为12%, 证明本文方法可行。

龙虎泡油田主力构造区高台子高三段脆性指数为35%~50%, 水平应力差都小于5MPa。压裂生产实践表明, 压裂后增产效果明显的水平段脆性指数都大于40%且水平应力差较小, 通常小于5MPa。平48等3口生产井压裂后增产效果明显。

建议在水平井轨迹设计和部署时参考“工程甜点”预测成果以提高压裂成功率。本文研究思路和技术适用于类似地区致密储层脆性指数和水平应力差的预测研究。