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地应力在致密油勘探开发中的应用

2023-11-08 32 上传者：管理员

摘要：通过水力压裂、测井计算和水力压裂裂缝监测等方法，分析和计算黄陵地区延长组地应力大小和方向，结果表明黄陵探区延长组主应力方向NEE向；最大水平主应力(SH)、垂直主应力(Sv)和最小水平主应力(Sh)满足：SH>Sv>Sh,为典型的走滑应力。随着深度的增加，最大主应力、最小主应力和垂直主应力均逐增加。水平井应该平行于最大水平主应力方向，这样在钻井过程中所消耗能源最小，成本较低。

关键词：
地应力
水力压裂
测井计算
裂缝监测
鄂尔多斯盆地
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地应力大小测量和方向识别对致密油储层的压裂施工、水平井设计、井壁稳定性评价、井网布置优化和注水开发具有重要意义。对于致密油储层，需要进行水力压裂才能提高采收率，地应力大小和方向控制着水力压裂裂缝的起裂、破裂和延伸[1,2]。致密油藏常采用水平井技术，并进行压裂增产，当水平井方向与最小主应力方向一致时，钻井过程中所消耗的能量最小，可以形成垂直水平井井轴的多条水力压裂裂缝，人工裂缝与低角度天然裂缝沟通形成裂缝网络，极大地提高了油井产能。地应力也是井壁稳定性的主要影响因素，井孔的存在会导致地应力在井壁发生应力集中，在最大水平主应力方向上应力集中较弱，最小水平主应力方向上应力集中最强[3,4,5,6] 。

1、研究背景

黄陵地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部，主要产油层位为三叠系延长组长6油层组，其岩石类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，孔隙度和渗透率低，是典型的致密油储层。本文通过水力压裂法、测井计算和微地震监测确定研究区地应力大小和方向，分析地应力类型，以期为鄂尔多斯盆地延长组致密油勘探开发提供资料。

2、地应力方向

目前确定地应力方向的方法主要有波速各向异性法、井壁崩落法、偶极声波法(DSI)、有限元模拟法、粘滞剩磁法、测井资料法和压裂诱导缝法。由于资料的限制，本次研究仅用压裂诱导缝法对现今地应力方向进行分析。

钻井过程中当泥浆比重过大时会导致地层发生破裂，此时产生垂直的水力压裂缝，压裂缝的走向即为最大水平主应力的方向。黄陵探区压裂裂缝监测数据统计结果表明(表1),研究区最大水平主应力方向为NEE-SWW。

表1 黄陵地区水力压裂裂缝监测数据

3、地应力大小

3.1 垂直地应力

垂向地应力与地层深度和地层体积密度相关，要使计算值更加接近实际值，就要将地层划分成多段进行测量。上覆地层的重力是垂向地应力σV的主要来源，其大小会随地层岩石的密度及地层深度而发生变化，可以应用测井数据中的地层深度和岩石密度计算垂直地应力：

σV=0.001∫H0 ρ(h)gdh (1)

式中：σV 为H垂深处垂向地应力大小，MPa; h为地层的深度，m; ρ(h)为地层密度与深度关系的函数，g/cm3;g为重力加速度，m/s2。

选取黄陵探区内上173井，首先通过上述方法计算各点的垂向地应力σV,然后统计σV与深度之间的关系，从而得到垂向地应力，垂向地应力与深度之间的统计关系如图1所示。通过统计，垂直地应力计算公式可简化为下式：

σV=0.025H-2.794 6 (2)

式中：σV为垂直地应力，MPa; H为深度，m。

图1 垂直主应力与深度关系

3.2 水平地应力

水平地应力可以通过实验和水力压裂等方法计算，但只能获得某深度的应力参数，不能获得整个单井或多井连续的地应力数据，测井计算方法可以对单井地应力参数进行求取[7]。目前基于不同地质假设条件提出了多种地应力计算方法，本次研究选取最具代表性的组合弹性模型进行单井地应力计算，公式如下：

σH=(μ1−μ+β1)×(σV−αPP)+αPP (3)σh=(μ1−μ+β2)×(σV−αPP)+αPP (4)

式中：μ为泊松比；β1和β2为构造应力系数；α为孔隙弹性系数；PP为地层压力。其中构造应力系数、孔隙弹性系数和地层压力求取是计算水平主应力的关键参数。

3.2.1 孔隙弹性系数的确定

岩石的孔隙弹性系数与岩石所受到的应力、岩石孔隙压力密切相关，是权衡孔隙压力对有效应力的作用程度的一个重要参数。刘莉[8]通过研究，总结了孔隙弹性参数计算公式并到了广泛应用：

α=1−ρ(3V2p−4V2s)ρm(3V2mp−4V2ms) (5)

式中：ρ为地层岩石密度，g/cm3;ρm=2.65g/cm3;Vp、Vs为岩石的纵波波速和横波波速，m/s; Vmp=5.95 km/s; Vms=3.0 km/s。

3.2.2 地层压力的计算

地层中孔隙压力即为地层岩石孔隙中的各类流体所具有的压力，一般用PP表示。压力系数是地层中某点的压力换算为水柱高度之后和该点深度的比值，即

αP=PP/Pn。前人对黄陵探区槐21井、槐3井和槐19井的压力研究表明，黄陵探区的地层压力系数平均为0.79,所以地层压力PP=0.79ρgh。

3.2.3 构造应力系数的计算

水力压裂法是求取某地区构造应力系数的主要方法。在压裂施工过程中，通过压裂施工曲线得到地层破裂压力Pwf、停泵压力Ps和已闭合裂缝的重张压力Pr等，根据这些参数，可以反推研究区的构造应力系数。一般水平主应力与压裂相关参数有如下关系：

σh=Ps+0.001ρgh (6)

式中：ρ为压裂液密度，kg/m3;g为重力加速度kg·m/s2;h为深度，m。

σH=3σh-Pr-PP+σt (7)

σt=Pf-Pr (8)

式中：Pr为裂缝重张压力；MPa; PP为地层压力，MPa; σt为抗拉强度，MPa

根据水力压裂相关数据可以计算出最大和最小水平主应力，进而反推构造应力系数β1和β2。本次研究搜集黄陵探区现场压裂施工曲线和相关参数，见表2。

根据这些压裂施工数据，将其带入弹性模型计算公式，得到β1=1.07,β2=0.09。

表2 黄陵地区S173井压裂施工数据

图2 S173井地应力预测结果图

4、单井地应力剖面建立

在前面叙述的地应力预测模型研究及个关键参数求取的基础上，得到了上173井的单井连续地应力剖面(图2)。从上173井的地应力计算结果可知，三大地应力关系满足SH>Sv>Sh,即最大主应力为水平最大地应力，中间主应力是垂直地应力，最小主应力为最小水平主应力，为典型的走滑应力。整体上看，三大地应力随深度增加而逐渐增加，但增幅不大，应力曲线趋势平缓，起伏较小，表明在纵向上研究区延长组地应力具有较好的连续性。

5、结语

致密油开发过程中，水力压裂是增加产量的必要因素。地应力方向的确定是影响水力压裂效果的关键因素。黄陵探区延长组地层水平主应力方向为NEE向。最大水平主应力、垂直主应力和最小水平主应力满足： SH>Sv>Sh,为典型的走滑应力。因此水平井应该平行于最大水平主应力方向，这样在钻井过程中所消耗能源最小，成本最低。

参考文献:

[1]赵振宇,郭彦如,王艳,等.鄂尔多斯盆地构造演化及古地理特征研究进展[J].特种油气藏.2012.19(5):15-20.

[2]杨俊杰,裴锡古.中国天然气地质学(卷四):鄂尔多斯盆地[M].北京:石油工业出版社.1992:4-9.

[3]付建伟,李洪楠,孙中春,等.玛北地区砂砾岩储层地应力方向测井识别及主控因素[J].石油与天然气地质.2015.36(4):605-611.

[4]刘军峰,谷姗姗.鄂尔多斯盆地侯､杏区裂缝与地应力研究在注水开发中的应用[J].内蒙古石油化工.2007.7:108-111.

[5]周新桂,张林炎,范昆,等.鄂尔多斯盆地现今地应力测量及其在油气开发中的应用[J].西安石油大学学报(自然科学版).2009.24(3):7-13.

[6]赵继勇,周新桂,雷启鸿,等.鄂尔多斯盆地马岭油田长7致密储层古今构造应力研究[J].地质力学学报.2017.23(6):810-820.

[7]王社教,李登华,李建忠,等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析[J].天然气工业.2011.31(12):40-46.

[8]刘莉,崔丽颖,杨旭,等.地层主应力的确定及在低渗透油田开发中的应用[J].测井技术.2001.25(5):373-376.

文章来源:王鹏,安继刚,刘鹏虎.地应力在致密油勘探开发中的应用——以鄂尔多斯盆地黄陵地区为例[J].地下水,2023,45(06):167-168+220.