致密油储层地应力特征及其对物性的影响
——以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组为例

高 毅，林利飞，尹 帅，胡国祥，马绒利

(1.延长油田股份有限公司 开发部，陕西 延安 716000；2.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；3.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组蕴含了丰富的陆相致密油气资源，是当前陆相致密油气勘探、开发的“热点”。陆相致密砂岩储层非均质性及各向异性均十分显著，致使勘探开发过程中地层地质结构较难预测，反演所获得的储层参数的非确定性较大[1-6]。致密砂岩油储层开发过程中最为重要的研究内容主要有4个[7-11]：(1)生产过程中应力的变化；(2)岩石的变形及破裂机制；(3)水平井轨迹及井网优化；(4)水力压裂设计。在这些关键技术的实施过程中，现今地应力是其中最为重要的设计参数之一[12-17]。因此，结合多种方法对区域地应力场进行综合评价，是致密砂岩油储层高效开发的重要手段。

鄂尔多斯盆地延长组的形成和演变是陆相湖盆从形成发展直至最终消亡的一个完整沉积旋回记录[7-9，18-19]。按沉积特征，延长组自上而下可以被划分为5段，其按油层组划分则可以划分为10个油层组。本文目的层为长6、长7及长8油层组。长8及长7段沉积时期，陆相湖盆处于不断发展阶段，到长73沉积期，湖盆发展为鼎盛时期。长6段沉积期，湖盆逐渐发生萎缩，此时期湖盆进入三角洲沉积发展阶段[8-10]。

致密储层物性及流体赋存状态均受现今地应力的影响[20-22]。以往对于鄂尔多斯盆地中西部地区延长组的岩石力学性质及地应力研究均较少，制约了致密油气的高效勘探、开发。本文以鄂尔多斯盆地吴起、志丹及定边地区为例，利用大量薄片、物性、岩石力学、声学、全波列阵列声波测试及压裂测试资料，对3个地区长6—长8油层组的岩石力学性质、地应力特征及其对储层物性的影响开展了系统研究，以期为该区致密油储层勘探开发提供参考。

1 地质背景及实验方法

1.1 区域位置与构造

吴起、志丹、定边位于鄂尔多斯盆地中西部地区(图1a)，该地区基本构造样式属于鄂尔多斯盆地整体西倾单斜的一部分[7-9]。鄂尔多斯盆地基底为刚性稳定克拉通基底，在晚三叠世，盆地内部的陆相湖盆初步形成。研究区地层平缓，坡度起伏较低，每千米的构造起伏度通常小于20 m，局部地区主要发育一些低幅度构造或鼻状构造。

图1 鄂尔多斯盆地西部研究区地理位置(a)和地层单元划分及沉积相特征(b)Fig.1 Location of study area (a) and stratigraphic units and sedimentary facies (b), western Ordos Basin

1.2 层序地层

在鄂尔多斯盆地中，长8沉积时期湖盆面积最小，定边地区的沉积亚相为三角洲平原，而吴起及志丹地区的沉积亚相为三角洲前缘；长7沉积时期湖盆面积最大，3个地区都处于湖盆范围内，其沉积亚相均为半深湖—深湖；长6沉积时期，湖盆开始萎缩，其面积小于长7沉积期，定边地区的沉积亚相为三角洲平原，吴起、志丹区为三角洲前缘亚相(图1b)。目的层所发育的沉积微相类型主要为分流河道及河道间湾[7-9]。

2 实验及测试方法

本文收集并整理了研究区长6—长8致密砂岩储层大量物性、薄片实验鉴定数据，并对2口取心井(定探4578井和永金491井)进行采样，开展了单轴及三轴岩石力学测试、声学测试及全波列阵列声波测试。同时，收集了吴起、志丹、定边地区99组压裂层段基础压裂参数及压裂曲线数据，并利用压裂资料对3个地区的地应力进行了计算。

岩石力学及声学测试均由北京SGS实验测试中心完成。岩石力学测试样品10组，每组4个；样品尺寸为直径2.5 cm、高度5 cm的小圆柱。测试围压分别为0，10，20，35 MPa；声学测试结果为围压35 MPa条件下的岩石纵横波波速，且所有样品均由地层盐水所饱和。岩石物理测试系统的应力测试的系统误差低于1%，位移量的系统误差低于0.000 1 mm。

全波列阵列声波测试由中国石油测井有限公司华北分公司完成，测试井为永金491井和定4166-2井，测试井段地层为长6—长8。测试结果需要在LEAD软件平台上，以完井自然伽马为基准曲线进行校深。

选择在压裂施工曲线中能明显识别出破裂点的压裂井进行地应力计算[23-25]。最终甄别并选取研究区99组压裂层段数据进行地应力计算，其中吴起地区27组，定边地区59组，志丹地区13组。

3 结果

3.1 储层岩石学特征

根据研究区长6—长8常规及铸体薄片矿物组分的鉴定结果，砂岩的岩性主要为长石砂岩，长石占有很高比例(超过50%)；储层的孔隙类型主要为粒间孔，长石溶孔、粒间溶孔及胶结物溶孔也占一定比例，部分地层发育有微裂缝(图2)。根据薄片资料，研究区致密砂岩粒间孔占绝对优势，孔隙结构为不规则的三角形、四边形或多边形 (图2a,d)，粒间孔内部发生孔隙式胶结[9]。

溶孔通常指颗粒边缘被选择性溶蚀，进而形成一些类似于港湾形态或不规则形态的孔隙(图2b,c,f,g)。粒间溶孔则通常指颗粒之间被选择性溶蚀而形成的一类孔隙。镜下观察结果显示，本区目的层中的溶蚀孔主要分布在长石、胶结物及岩屑中。溶孔尺寸与矿物组分及其与流体的反应程度有关，目的层中溶蚀孔隙的直径通常小于10 μm。此外，目的层中还发育一些由构造作用或成岩作用形成的微裂隙(图2e,h)，微裂隙的存在能沟通附近孔隙，进而改善储层渗透性。

图2 鄂尔多斯盆地西部延长组目的层致密砂岩储层显微图像特征

3.2 岩石力学参数测井解释

用测井资料提取岩石力学参数时需要纵横波时差[26-27]。对永金491井、定4166-2井开展了全波列阵列声波测试，获得了长6—长8油层组可靠的纵横波速度数据。通过整体拟合及区分地层可见，纵横波波速之间均满足非常好的正相关性(图3)。利用图3中的拟合公式，可以预测地层岩石的横波时差。

在提取目的层横波时差的基础上，利用以下物理方程(式1～式2)计算可以获得岩石动态杨氏模量及泊松比[20]。

(1)

(2)

式中：Ed为基于声波资料计算的动态杨氏模量，GPa；Δtp及Δts分别为纵波及横波时差，μs/ft；ρd为岩石密度，g/cm3；v为泊松比。

图3 鄂尔多斯盆地西部 长6—长8段纵横波时差之间的关系Fig.3 Relationship between vertical and horizontal wave time differences of Chang 6 to Chang 8 members in western Ordos Basin

岩石的动、静态弹性参数是不同的，动态参数是通过声波参数计算获得，而静态参数是通过力学测试直接获得，因而，静态弹性参数更符合工程施工需求。动静态弹性参数之间的差异与岩石内部微裂缝、孔隙流体、岩石内部矿物组分及微组构差异等有关[28-29]。动态弹性参数通常要大于静态弹性参数。基于三轴岩石力学测试获取的研究区目的层动静态力学参数的定量转换关系如图4所示。

3.3 压裂法地应力计算

在压裂过程中，岩石的破裂压力(Pf)可以直接从压裂试验曲线获得[29]。通常认为，裂缝的闭合压力(Pc)等于最小水平应力(σh)。裂缝在闭合前后，压裂液会自发地向周围地层中渗滤。该过程是压降曲线的一部分，根据时间的平方根与压降曲线之间的关系，可以得出裂缝的闭合压力。

对于最大水平主应力(σH)，其可以通过以下公式获取[20]：σH=3σh-Pf-Pp+σt。Pf为破裂压力，可直接由压裂曲线获得。Pp是地层压力，长6—长8属于负压油层，3个地区同一油层组的地层压力较为接近。长6的压力系数为0.73，长7的压力系数为0.74，长8的压力系数为0.75。σt表示抗拉强度，对于致密砂岩，其通常为岩石抗压强度的10%。

3个地区地应力纵向分布特征见图5。可以看出，随着埋深的增加，各主应力值增加。主应力满足：σv>σH>σh(σv为垂向主应力)。这表明，现今地应力基本呈现一个相对松弛的正应力状态。

3.4 地应力测井评价

地应力是指地下岩体内部的应力集中程度，它的诱因为上覆载荷、宏观岩体的构造活动及孔隙压力等[28-29]。要建立正确的地应力模型，首先应当了解其所处区域地应力的类型。根据σv、σH及σh3个矢量之间大小和方向的关系，可分为3种应力类型：正应力类型(σv>σH>σh)、走滑应力类型(σH>σv>σh)及反转应力类型(σH>σh>σv)。

图4 鄂尔多斯盆地西部目的层动静态岩石力学参数转换关系模型Fig.4 Dynamic and static rock mechanics parameter conversion model of target layer, western Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地西部研究区地应力纵向分布特征Fig.5 Characteristics of longitudinal distribution of in situ stress in work areas, western Ordos Basin

为了尽可能的使计算过程简洁且预测结果可靠，研究发现，如果将一个修正指数C*引入到传统Newberry模型之中，即可实现σh的高精度预测(式(3))。对于σH的预测，则需要引入一个非平衡因子(Ub)至式(3)，此时，σH由公式(4)计算[20]。

(3)

σH=σhUb

(4)

式中的Ub反映水平构造应力的各向异性，由式(5)计算。

(5)

式中：Dmax、Dmin代表井眼直径的最大及最小值，cm；E和Ema代表岩石杨氏模量及其骨架的杨氏模量，MPa；k为刻度系数。砂岩的Ema取38 GPa；k根据井眼纵横向变形量读取。

垂直主应力由上覆载荷或埋深决定，可通过密度测井数据积分方法获得(式6)。

(6)

式中：H为测点埋深；ρ(z)为埋深为z处的岩石密度。

测井解释结果显示：吴起、志丹、定边地区σH的平均绝对误差分别为5.7，5.1，4.1 MPa；σh的平均绝对误差分别为1.9，0.9，1.7 MPa。误差整体较小，表明预测结果可靠。

4 讨论

4.1 地应力状态及纵向分布特征对比

利用压裂法计算了3个地区水平最大及最小地应力(图6)，两者具有较好的正相关性。定边地区长6—长8的埋深相对较大，其水平方向地应力也相对较高。

图6 鄂尔多斯盆地西部目的层水平方向 最大及最小地应力相关性分析Fig.6 Correlation of maximum and minimum ground stress in horizontal direction of Yanchang Formation, western Ordos Basin

根据地应力解释结果，识别出3种地应力状态(图7)。从水平方向应力特征看，吴起地区长6—长8的变化不大，均为σv>σH>σh，表现其现今的应力活动性较弱，整体应力呈现一种相对松弛状态。志丹地区的水平应力活动性深层要大于浅层，较强的水平应力强度主要集中在长73及长8。定边地区的水平应力活动性从长6到长8整体较强，浅层的水平应力强度要略强于深层。

水平应力的诱导实质上受控于上覆载荷及岩石的泊松比，上覆载荷越大、泊松比越高，所诱导产生的水平应力就会越大。因而，志丹地区较强的水平应力强度主要集中在长73及长8，可能与深层泥质组分含量较高进而泊松比较高有关。而定边地区的水平应力特征与其埋深大及岩石力学性质均有密切关系。

图8计算结果显示，研究区目的层σv主要为最大主应力及中间应力。因而，由于钻井失稳所产生的诱导缝应该均为垂直缝。图8a所示为研究区永金485井成像测井图像，可以很明显地观察到垂直纵张诱导缝，其诱导缝特征与北海北部钻井的诱导缝特征非常一致(图8b)[30]。从诱导缝特征也可以印证本文所计算的地应力是准确的。

图7 鄂尔多斯盆地西部目的层地应力状态的识别结果分类情况Fig.7 Classification of recognition results of ground stress state of target layer, western Ordos Basin

图8 基于成像测井的钻井诱导缝特征Fig.8 Drilling induced fracture characteristics based on imaging logging

4.2 地应力梯度分析

根据地应力测试及解释结果，可以确定研究区3个方向主应力的地应力梯度值(表1)。整体来看，水平主应力梯度大小有从西北(定边)向东南(吴起到志丹)逐渐增加的趋势，即志丹>吴起>定边。现今应力是岩体发生变形或破裂之后的残余应力，如果岩体发生岩心尺度破裂，则残余应力梯度会显著减小。如果岩体只发生一定程度变形而未显著破裂，则岩体内会集聚应力，发生“应力集中”，此时，水平应力梯度则较大。

根据3个地区应力梯度变化可知，定边地区应力梯度明显低于另外2个地区。而定边地区目的层的裂缝发育程度也明显高于另外2个地区。应力梯度跟应力大小的变化规律通常不一样，应力梯度的变化不受上覆载荷的影响，其通常为一定值，且一般只受构造环境的影响。3个地区水平应力梯度有从西北向东南逐渐递增的现象，这与岩体的变形及裂缝的产生有关。西北方向定边地区岩体变形程度大，裂缝发育程度高，岩体发生了应力卸载，因而应力梯度低；而东南方向的吴起和志丹地区岩体变形程度相对较小，裂缝发育程度低，岩体内部应力以应力集中态分布，因而应力梯度相对高一些。

表1 鄂尔多斯盆地西部研究区目的层应力梯度计算结果

4.3 地应力对致密储层物性影响分析

影响目的层砂岩孔隙度的主要因素为埋藏压实作用[23-31]。传统意义上的压实作用主要指垂向上覆载荷对岩体的压实作用。本文主要讨论水平方向挤压应力对岩石压实作用路径及储层物性的影响。测试结果显示，目的层致密砂岩储层的岩石孔隙度与渗透率之间具有良好的正相关关系(图9a)。但是，压实作用通常对致密储层孔隙度的影响最为敏感，而对渗透率的敏感性相对较低。因而，本文详细分析了水平应力差与岩石孔隙度之间的关系。由图9b可知，随着σH-σh的增加(该过程相当于随着埋深的增加)，在正常压实作用条件下，岩石孔隙度会呈现逐渐减小的趋势。但是，其初始阶段孔隙度减小的幅度较大，而随着埋深的增加，孔隙度降低的幅度会逐渐减小。该过程相当于图9b中的路径1。由于目的层中主要发育粒间孔，溶蚀及胶结作用不强烈，因而，仅考虑压实作用是合理的(图9d)。

图9 鄂尔多斯盆地西部目的层储层物性参数、水平应力差及其演化路径分析Fig.9 Reservoir petrophysical parameters, horizontal stress difference and evolution path of target layer, western Ordos Basin

对于图9b中向上偏的路径2，其原因可能为欠压实或古超压所导致的孔隙度增加。这是由于古超压与欠压实均能提升储层的物性，所以容易混淆。但是，只有新生代年轻沉积盆地才存在欠压实[31]，因而排除了欠压实的可能。鉴于目的层砂岩的岩性比较单一，且埋深适中、成岩作用不强烈，且图9b中孔隙度的突然增大即代表声波时差的突然增大，因而其为“古超压”。

对于图9b中向下偏的路径3，则是由于附加构造应力强压实所导致的孔隙度降低。由此可知，由于欠压实或者附加挤压应力的影响，可使储层孔隙度额外增加或者减少2%。

由上述分析可知，σH-σh的增加并不是一种单一的减孔作用，其造成的应力平面非均质性及储层压实程度是十分复杂的。由图9c可知，随着σH-σh的增加，其对岩石渗透率的影响非常小，岩石渗透率随着σH-σh的增加整体呈现降低趋势。也就是说，水平应力造成的储层岩石增孔对渗透率的影响并不显著。

5 结论

(1) 利用全波列阵列声波测井及岩石力学实验建立了目的层纵横波时差转换关系及动静态力学参数图版，并利用压裂法及测井模型建立了可靠的地应力测井解释方法。

(2) 吴起地区长6—长8的变化不大，均为σv>σH>σh；志丹地区的水平应力活动性深层要大于浅层，较强的水平应力强度主要集中在长73及长8；定边地区的水平应力活动性从长6到长8整体较强，浅层的水平应力强度要略强于深层。

(3) 研究区水平主应力梯度大小有从西北向东南逐渐增加的趋势，即志丹>吴起>定边。该现象与构造环境、应力集中及裂缝发育程度有关。随着埋深的增加，水平主应力差具有先降低后升高的趋势。

(4) 水平方向挤压应力对岩石压实作用路径及储层物性的影响：水平主应力差的增加并不一定造成岩石的减孔，其造成的应力平面非均质性会使岩石孔隙度变化出现3种不同的路径；而水平主应力差的增加，会造成岩石渗透率的降低，但影响并不显著。