深层-超深层碎屑岩地应力测井评价及其控储效应^*

Logging evaluation of in situ stress and its effects on reservoir quality in deep and ultra-deep clastic rock

摘要

地应力对深层-超深层致密砂岩储集层品质控制明显,厘清应力控储效应对深层-超深层致密砂岩储集层综合评价与预测至关重要。通过岩心、薄片等分析化验资料揭示了库车坳陷中秋地区白垩系巴什基奇克组储集层基本特征,实现了地应力大小测井评价,并阐明地应力对储集层品质控制。结果表明,储集层岩性主要为中细砂岩,以原生粒间孔隙为主,次生孔隙较少,偶尔可见裂缝。通过成像测井实现了裂缝面形态拾取,同时实现了裂缝参数测井计算,在此基础上通过测井资料完成了地应力大小评价,并揭示了地应力对基质孔隙及裂缝参数耦合控制关系。综合物性参数以及地应力大小实现了巴什基奇克组储集层分类评价,优质储集层主要发育在裂缝发育段以及低水平两向应力差区域。通过地应力测井评价结合储集层参数计算,可实现储集层品质分类评价以及优质储集层测井预测。研究成果可为深层-超深层致密砂岩储集层综合评价与有利区带预测提供技术支撑。

Abstract

In situ stress significantly controls the quality of deep and ultra-deep tight sandstone reservoirs. It is important to clarify the stress-controlled storage effect for the comprehensive evaluation and prediction of deep and ultra-deep tight sandstone reservoirs. In this paper,basic characteristics of the Cretaceous Bashijiqike Formation in the Zhongqiu area of Kuqa Depression are revealed through analysis of cores and thin sections,the logging evaluation of in situ stress is realized,and the control of in situ stress on reservoir quality is clarified. The results show that the reservoir is mainly made of medium-fine sandstones,which is dominated by primary intergranular pores,with less secondary pores and occasional fractures. The fracture surface morphology is picked up by image logging,and the logging calculation of fracture parameters is realized. Evaluation of in situ stress is completed through logging data,and the coupling control relationships between in situ stress,and matrix pores and fracture parameters are revealed. The reservoir classification and evaluation of the Bashijiqike Formation are realized by combining physical parameters with in situ stress. High-quality reservoirs are mainly developed in fractured zones and intervals with low in situ horizontal stress differences. Through logging evaluation of in situ stress combined with calculation of reservoir parameter,the reservoir quality classification evaluation and high-quality reservoir logging prediction can be realized. The research results may provide technical support for the comprehensive evaluation of deep and ultra-deep tight sandstone reservoirs and the prediction of favorable zones.

Graphical abstract

关键词

深层-超深层 / 地应力 / 储集层品质 / 巴什基奇克组 / 中秋区块 / 库车坳陷 / 塔里木盆地

Key words

deep and ultra-deep reservoir / in-situ stress / reservoir quality / Bashijiqike Formation / Zhongqiu area / Kuqa Depression / Tarim Basin

0 引言

深层-超深层油气是目前中国陆上油气勘探的重要领域(孙龙德等,2013;贾承造等,2023;赖锦等,2023a;Su et al., 2024)。通常将中国东部盆地3500~4500 m定义为深层,4500 m以深则为超深层; 而中国西部盆地则将4500~6000 m深度定义为深层,6000 m以深则为超深层(孙龙德等,2013;赵文智等,2015;魏国齐等,2020;贾承造等,2023;赖锦等,2023a;苏洋等,2025)。中国西部塔里木盆地库车坳陷白垩系为深层-超深层油气勘探开发主战场之一,具有良好的油气勘探开发前景(韩登林等,2011;冯建伟等,2020)。深层-超深层致密砂岩由于埋藏深、构造样式复杂,在复杂的构造、成岩演化过程中,储集层逐渐变得致密; 此外,深埋以及复杂构造样式导致深层-超深层领域地应力分布较为集中,研究表明,地应力场对储集层品质控制作用明显(Lai et al., 2017,2024;Xin et al., 2022;徐珂等,2022;赖锦等,2023b)。强烈挤压应力将使得深层-超深层储集层被压实致密,对储集层物性起明显破坏作用(贾承造等,2023)。库车坳陷侏罗系阿合组致密砂岩气储集层构造应力减孔效应明显,应力减孔量为8.8%/100 MPa(张荣虎等,2021)。现今地应力场控制了天然裂缝的开启性,同时控制了基质孔隙的保存,强挤压应力将导致天然裂缝闭合,同时降低基质孔隙大小,而相对弱挤压应力场则有利于优质储集层形成与发育(Lai et al., 2019;徐珂等,2022;赖锦等,2023b)。因此深层-超深层地应力分析对油气勘探开发具有重要理论与实践意义(印兴耀等,2014;Dixit et al., 2017;Iqbal et al., 2018;Lai et al., 2024)。

由于地应力实验分析数据的局限导致应力对储集层品质的控制效应尚不明确,为了更好地揭示深层-超深层领域地应力分布特征及其控储效应,亟需通过纵向分辨率高、连续性好的测井资料实现现今地应力大小定量评价,并进一步揭示地应力对深层-超深层储集层品质的控制(Lai et al., 2019;赖锦等,2021;徐珂等,2022;Xu et al., 2022)。目前,通过地球物理测井资料评价现今地应力场的方法较多,针对深层-超深层储集层适用性最好的为组合弹簧模型(徐珂等,2022;赖锦等,2023b)。在岩心资料研究的基础上,利用声波曲线、密度曲线等可计算泊松比和杨氏模量等岩石力学参数,进一步可实现现今应力场的测井评价(张辉等,2019;徐珂等,2021)。

库车坳陷自北向南可分为北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带、秋里塔格构造带、南部斜坡带、拜城凹陷、阳霞凹陷、乌什凹陷“四带三凹”7个次级构造单元,不同构造带以断裂为界或与断裂伴生,同时内部发育不同级次断裂与褶皱(图1)(Lai et al., 2017;杜金虎等,2019)。秋里塔格构造带位于南天山山前,可分为东秋、中秋、西秋3段,主力产气层段白垩系巴什基奇克组形成于辫状河三角洲沉积体系,砂体发育条件优越,但受地应力分布集中且单井变化较大影响,造就储集层品质的明显差异。

以库车坳陷秋里塔格构造带白垩系巴什基奇克组深层-超深层碎屑岩储集层为例,在前人研究工作基础上,利用岩心、薄片等多科研究资料,阐明储集层基本特征,进一步通过测井资料利用组合弹簧模型实现单井地应力测井定量评价,结合物性分析以及测井解释结果,阐明地应力对储集层品质控制作用,然后在应力控储机制下实现了深层-超深层储集层分类评价。通过地应力与储集层参数相结合的方法可揭示应力对深层-超深层储集层品质控制效应,这对深层-超深层储集层成因解剖有一定的指导意义,同时可为优质储集层预测及油气勘探开发提供方法支撑。

1 区域地质概况

库车坳陷构造变形具有典型的“东西分段、南北分带和上下分层”的特征(图1)(朱如凯等,2007;李忠等,2009)。库车坳陷是深层-超深层油气勘探的热点和重点区域,其侏罗系和白垩系目的层多形成于辫状河—曲流河三角洲沉积体系,砂体较为发育,具有规模优质储集层发育的沉积条件(杜金虎等,2012;张荣虎等,2015)。同时库车坳陷具备优越的石油地质条件,侏罗系及三叠系煤系烃源岩为油气聚集奠定了物质基础,规模发育的河流—三角洲砂体为天然气良好的储集体; 叠瓦冲断构造为天然气聚集提供了有效圈闭(雷刚林等2007;杜金虎等,2012)。此外,古近系库姆格勒木群(E_1-2km)等巨厚的膏盐层盖层封盖能力优越(杜金虎等,2012)。

中秋区块位于库车坳陷秋里塔格构造带中部,2018年中秋1井高产工业油气流的发现证实了中秋地区的勘探潜力(图1)。但其白垩系目的层埋深普遍超过6000 m,深埋过程中储集层经历成岩演化较为复杂,普遍具高温高压特征(张荣虎等,2014;Zhu et al., 2015;Lai et al., 2017;冯建伟等,2020)。受复杂构造样式以及构造演化影响,储集层不同程度发育裂缝,尤其是喜山运动以来的强烈挤压作用,大量裂缝形成(张惠良等,2014;张荣虎等,2017;徐珂等,2022)。但在现今应力场的改造下,部分裂缝容易闭合,且部分基质孔隙也难以保留。因此,深层-超深层高温超高温条件下,基质孔隙以及裂缝的开启性研究显得尤为重要。研究表明,对深层-超深层储集层,其现今应力场特征尤其是现今应力场大小控制了基质孔隙的保存以及天然裂缝的启闭性(Lai et al., 2019;徐珂等,2022)。

2 储集层基本特征

通过岩心观察描述,秋里塔格构造带白垩系巴什基奇克组主要的岩性类型包括褐色、灰色中、细砂岩以及红褐色泥岩,此外岩心观察还可揭示其沉积构造主要包括平行层理、冲刷面、废弃面,甚至可以观察到泥砾,体现了水动力较强的特征,部分层段偶可见裂缝。体现了秋里塔格构造带辫状河三角洲的沉积体系特征(图2)。

根据岩心实测,巴什基奇克组储集层孔隙度主要分布在1.9%~16.4%之间,平均可达12.6%; 渗透率主要分布在(0.056~458)×10^-3 μm²之间,平均8.251×10^-3 μm²。镜下薄片观察表明,巴什基奇克组储集层储集空间以原生粒间孔为主,其次是粒间溶孔、粒内溶孔、微孔隙(图3)。因此深层-超深层储集层受一定的构造、沉积条件和成岩因素影响,在深埋背景下仍能保存有较好的物性条件。

3 深层-超深层碎屑岩应力场特征及测井评价

3.1 地应力场特征

地应力场,既包括地质历史时期古应力场(可通过岩石中形成的不同变形和断裂形迹来反推),也包含目前仍活动的现今地应力场(第四纪中更新世以来),应力场研究对地质与工程研究均有重要的意义(赖锦等,2023b)。本次研究侧重现今应力场,其可以分解成垂向应力(S_v)、水平最大(SH_max)和最小主压应力(Sh_min)方向,而根据现今三轴应力场相对大小可以划分出拉张(S_v>SH_max>Sh_min)、挤压(SH_max>Sh_min>S_v)和走滑应力场(SH_max>S_v>Sh_min)(Zoback,2003;Verweij et al., 2016;赖锦等,2023b;Lai et al., 2024)。

库车地区白垩系储集层超深埋背景导致其承受较大的上覆地层应力,此外古近纪以来库车坳陷受南天山造山带影响,承受了强烈的水平挤压应力作用,不仅形成了复杂的推覆构造样式,同时也对储集层品质产生了重要影响。一方面,伴随着构造压实作用,储集层原生孔隙减少,基质储集层物性变差; 另一方面强烈的挤压应力也导致前期形成的天然裂缝闭合,降低裂缝的有效性。

3.2 地应力测井评价

地应力实验测试数据较少,因此亟需通过测井资料实现地应力测井评价。现今地应力的方向可通过成像测井拾取井壁崩落和诱导缝方位来确定,二者分别指示现今最小和最大水平主应力方向(Lai et al., 2018;赖锦等,2024)。

综合考虑弹性模量对地应力的影响,本次研究采用三轴应力测井计算模型来实现三轴地应力场特征综合评价。其中,某一深度地层的垂向应力(S_v)是指该深度以上地层岩石骨架总重力产生的应力:

(1) S_{\mathrm{v}} = {\int }_0^H\rho g \mathrm{d} z

式中,S_v为垂向应力; H为埋藏深度,m; ρ 为岩石密度,kg/m³; g为重力加速度9.8m/s²。

而水平地应力主要由两部分组成,其一是由于垂向应力造成,即水平主应力一部分为S_v和泊松比的函数,即 \frac{v}{1-v} S_{\mathrm{v}} ;其二是由构造运动所产生的附加应力,由于构造挤压各个方向不等,且通常构造应力在2个方向上都存在,因此水平应力存在最大SH_max和最小Sh_min之分(黄荣樽等,1995;单钰铭等,2010)。

(2) S H_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} = \frac{v}{1-v} S_{\mathrm{v}} + \frac{1-2v}{1-v} \alpha P_{\mathrm{p}} + \frac{E}{1-v^2} {\epsilon }_{\mathrm{H}} + \frac{Ev}{1-v^2} {\epsilon }_{\mathrm{h}}

(3) S h_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} = \frac{v}{1-v} S_{\mathrm{v}} + \frac{1-2v}{1-v} \alpha P_{\mathrm{p}} + \frac{E}{1-v^2} {\epsilon }_{\mathrm{h}} + \frac{Ev}{1-v^2} {\epsilon }_{\mathrm{H}}

式中,SH_max和Sh_min分别为水平最大和最小主应力大小,P_P为孔隙流体压力,可以用伊顿法计算。E为杨氏模量,GPa。ν为泊松比,无量纲,该参数可用密度测井以及声波测井资料计算。而ε_H和ε_h 分别为最大和最小应力校正系数,可以通过实验数据和井场地应力测试分析刻度所获得(张辉等,2019;徐珂等,2021;赖锦等,2023a;Lai et al., 2024)。

以ZQ 2井为例,首先通过伊顿法利用声波时差测井资料计算了孔隙流体压力,可以看到测井计算的孔隙压力与实测MDT资料的数据点刻度良好。进一步通过声波时差以及密度测井曲线计算了泊松比、杨氏模量岩石力学参数,然后通过积分法根据公式(1)计算了垂向应力,再然后实现了水平方向SH_max和Sh_min应力大小测井评价。

由此实现了三轴地应力测井综合评价,ZQ 2井单井垂向应力随着深度增大而增大,同时水平方向上SH_max和Sh_min应力不断变化,指示了地应力分布较为复杂的地质特征(图4)。且ZQ 2井计算处理的三轴应力大小具有SH_max>S_v>Sh_min的特征,为典型的走滑应力场模式(图4)。

4 应力控储效应及优质储集层评价

库车坳陷深层-超深层岩石力学性质、地应力研究对油气勘探和开发有重要意义,尤其是现今地应力及其控制下的裂缝状态,对储集层品质和气井产能起关键作用(张辉等,2019;徐珂等,2021;Lai et al., 2024)。库车坳陷白垩系整体上处于强构造应力区,地应力对储集层品质影响较大,与凹陷区砂岩压实强度不同,强挤压应力区储集层经历压实作用既包括垂向压实(上覆岩层重力产生),同时还包括侧向“压实”(水平构造挤压引起)(王珂等,2022;赖锦等,2023a)。超深层储集层上覆压力最大可超过200 MPa,水平应力差可超过50 MPa(徐珂等,2022)。对于鄂尔多斯盆地延长组坳陷型湖盆河流三角洲沉积体系砂岩储集层,通过沉积微相+成岩相+裂缝相叠加即可实现优质储集体预测(赖锦等,2013;单祥等,2016)。而山前前陆盆地储集层品质受地应力场影响较大,其储集层综合评价与预测必须考虑地应力场的影响(赖锦等,2023a)。现今应力场则主要作用于岩石骨架和裂缝面,影响储集层品质(Lai et al., 2019;徐珂等,2022)。

在垂向压实以及侧向挤压的共同作用下,储集层基质孔隙缩小,同时现今地应力场还将控制天然裂缝的启闭性,在相对弱挤压应力区,如背斜中和面之上的张应力场区域,裂缝相对易于保持开启,而中和面之下的强挤压应力场区域,天然裂缝在强应力作用下将闭合(Lai et al., 2019;冯建伟等,2020;徐珂等,2021;王珂等,2022)。研究表明,水平两向应力差(Δσ=SH_max-Sh_min)是控制储集层品质和裂缝张开度等重要参数(Lai et al., 2019)。一般Δσ较低时,储集层基质孔隙较大,且天然裂缝开启性较好; 而Δσ较高时,天然裂缝将逐渐闭合且基质孔隙将逐渐降低。

4.1 地应力场与基质孔隙关系

库车坳陷在喜山运动以来,遭受强烈的构造挤压变形,在此过程中储集层内部聚集了较强的应力场,应力场(方向与大小)平面上分布复杂,且单井剖面上地应力各向异性明显(张辉等,2019;徐珂等,2021;赖锦等,2023a)。在强挤压应力场背景下,库车坳陷白垩系储集层品质受地应力控制显著,体现出明显的地应力控储效应。通过测井解释地应力与岩心测量孔隙度之间耦合关系表明,水平两向应力差(Δσ=SH_max-Sh_min)与测井解释孔隙度之间为明显负相关关系(图5)。水平两向应力差较高的层段,岩石往往易于被压实致密,而相对水平两向应力差值Δσ较小的层段,岩石原生孔隙能得到一定程度的保留(图5)。水平方向上地应力主要由垂向应力在水平方向上分量以及构造侧向挤压构成,当Δσ较高时,说明水平方向上的构造挤压应力较强,因而岩石将变得较为致密,基质孔隙度降低(Lai et al., 2019)。随着水平两向应力差增大基质孔隙度逐渐减小,事实上,强烈构造挤压应力确实使砂岩颗粒排列紧密,粒间孔隙度大大降低(张荣虎等,2014)。

4.2 地应力场与裂缝对应关系

裂缝在库车坳陷白垩系巴什基奇克组储集层中广泛发育,裂缝的发育有助于改善储集层渗流能力,且裂缝的存在利于地质流体的流动,对后续的长石等矿物溶蚀改造具有明显的促进作用,这也是为什么在库车坳陷强挤压应力场环境中部分裂缝仍有较高开度的原因(图6)。通常裂缝孔隙度小于0.5%(Zeng and Li,2009;赖锦等,2022),但在部分应力较为松弛层段,即Δσ较小的层段,裂缝孔隙度最高可达到2%以上(Lai et al., 2023)。通过分析库车坳陷中秋区块白垩系储集层地应力与裂缝发育耦合关系发现,裂缝往往形成于低应力场区,随着Δσ增大,裂缝发育密度呈明显下降的趋势(图6)。当储集层发育裂缝时,复杂的挤压应力通过形成裂缝的形式释放出来,因而裂缝发育段,往往也对应低应力场区。因此作用于天然裂缝面的地应力将使得开启裂缝闭合,严重降低储集层渗透性能和流体流动能力(张辉等,2019;Lai et al., 2024)。

4.3 地应力与优质储集层评价

参照石油行业标准(SY/T6285-2011)关于储集层分类标准,结合生产实践(中秋区块6%孔隙度一般为无效储集层)以及地应力与储集层有效性的关系(图5),同时参考岩性、物性参数以及现今水平两向应力差,可对中秋区块进行储集层分类评价,划分出4种储集层级别,其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类为有效储集层,Ⅳ类为非储集层(表1)。

由前述地应力与孔隙度耦合关系可知,孔隙度大于6%时,Δσ小于40 MPa,因此,当Δσ小于40 MPa,可达到库车坳陷秋里塔格构造带白垩系储集层下限的标准,而I类储集层,即孔隙度大于12%的储集层,其Δσ一般小于30 MPa,甚至小于25 MPa(图5)。因此,对于库车坳陷白垩系致密储集层,地应力控储效应明显,储集层区域评价与预测可通过地应力测井评价结合孔隙度等实现。中秋区块ZQ 104井,总体裂缝不发育,通过常规测井实现了孔隙度测井计算,同时结合声波测井、密度测井实现了三轴应力测井评价(图7)。在此基础上通过水平两向应力差Δσ以及孔隙度值,即可实现优质储集层发育段评价(图7)。

而基于应力控储效应的储集层评价预测结果也表明,该层段以I类和Ⅱ类储集层占优势,去除Ⅳ类泥岩段外,具有高孔隙度和低应力场特征的I类和Ⅱ类储集层占比较高(图7),成像测井观察该口井井壁崩落较少,说明挤压应力相对中等偏弱(徐珂等,2021)(图5)。通常深层-超深层井壁崩落的发育往往指示该井具有较强应力,通常难以获得高产(徐珂等,2022)。而ZQ 104井6007.5~6100 m井段试油获得日产气155 967 m³,日产油2.81 m³,为中秋区块相对产能较高的井。因此,深层-超深层致密储集层应力控储效应明显(冯建伟等,2020;杨海军等,2021)。库车坳陷中秋区块白垩系致密储集层也体现出明显的应力控储效应特征,因此通过地应力与基质孔隙结合可实现深层-超深层致密储集层评价与预测。

综上,水平两向应力差(Δσ=SH_max-Sh_min)是控制储集层品质和裂缝张开度的重要参数。通过综合孔隙度、现今水平两向应力差,充分考虑深层-超深层储集层应力控储效应,可建立储集层评价标准。最终通过地应力与基质孔隙相结合可实现深层-超深层储集层评价与预测。

5 结论

1)通过成像测井拾取井壁崩落和诱导缝方位,分别判断现今最小和最大水平主应力方向。再综合考虑弹性模量对地应力的影响,可以采用三轴应力测井计算模型,计算三轴应力(S_v、SH_max、Sh_min)大小,并通过判断三者相对大小,得出应力场模式。以ZQ 2井白垩系巴什基奇克组为例,计算处理的三轴应力大小具有SH_max>S_v>Sh_min的特征,为典型的走滑应力场模式。

2)水平两向应力差(Δσ=SH_max-Sh_min)是控制储集层品质和裂缝张开度的重要参数,主要表现为: Δσ较低时,储集层基质孔隙较大且天然裂缝开启性较好; Δσ较高时,基质孔隙逐渐降低且天然裂缝逐渐闭合。Δσ较高的层段,岩石被压实致密,导致砂岩颗粒排列紧密,粒间孔隙度大大降低; 反之,压实强度小,原生孔隙得到一定程度的保留。裂缝往往形成于低应力场区,随着Δσ增大,裂缝发育密度明显下降。

3)综合岩性、物性参数、现今水平两向应力差以及地应力与储集层有效性的关系,建立了中秋井区白垩系巴什基奇克组储集层评价标准。其中,I类储集层(孔隙度>12%)表现为Δσ一般小于30 MPa,甚至小于25 MPa。有效储集层(孔隙度>6%)对应的Δσ小于40 MPa。深层-超深层致密储集层应力控储效应明显,通过地应力与基质孔隙结合可实现深层-超深层储集层评价与预测。

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基金资助

*国家自然科学基金项目(41872133)

中国石油—中国石油大学(北京)战略合作协议(ZLZX2020-01-06-01)