中東×區(qū)塊地層應(yīng)力研究及其在探井測試中的應(yīng)用

李行船，武好杰，尚會昌，蘇勤，薛世峰

（1.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)西亞－北非大區(qū)公司，阿聯(lián)酋迪拜118621；2.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司工程技術(shù)部，北京100080；3.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）

中東×區(qū)塊地層應(yīng)力研究及其在探井測試中的應(yīng)用

李行船1，武好杰1，尚會昌1，蘇勤2，薛世峰3

（1.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)西亞－北非大區(qū)公司，阿聯(lián)酋迪拜118621；2.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司工程技術(shù)部，北京100080；3.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）

在中東×區(qū)塊的探井測試及儲層改造實踐中開展了系統(tǒng)的地層應(yīng)力研究。結(jié)合地形變資料實施了地層應(yīng)力數(shù)值模擬，確定了區(qū)塊的主壓應(yīng)力方向；結(jié)合壓前測試資料，確定了三向主應(yīng)力值大小，并以此建立該區(qū)塊擬作業(yè)井的分層地層應(yīng)力剖面。根據(jù)地層應(yīng)力方向，確定了2口側(cè)鉆探井的側(cè)鉆方位；根據(jù)主應(yīng)力值的大小，結(jié)合流固耦合滲流模擬技術(shù)，確定了探井的臨界測試壓差；根據(jù)分層地層應(yīng)力特征及水力裂縫擴展模擬結(jié)果，確定了水力壓裂工藝技術(shù)方案。最終在2口探井成功實施了水力壓裂測試作業(yè)，并取得顯著改造效果。

測井應(yīng)用；探井測試；地層應(yīng)力；測試壓差；水力壓裂

0 引 言

中東×區(qū)塊是中國石化集團在海外的重點勘探區(qū)塊，面積3.8×104km2，其中A圈閉S組與U圈閉U組是其中主要的勘探目的層。2個主要勘探目的層具有相似的儲層特征，包括埋藏深（＞4 500 m）、壓力高（壓力系數(shù)1.8MPa／100m）、溫度高（約150℃～180℃）、滲透率低（＜0.01×10－3μm2）、地層應(yīng)力狀態(tài)尚不明確、井筒條件復(fù)雜、儲層流體特征復(fù)雜、具凝析氣藏特征等。所有這些對探井的測試及壓裂改造都帶來極大的難度。

A圈閉S組在測試時獲得近7×103m3／d產(chǎn)氣量；U圈閉U組測試折算日產(chǎn)液量20bbl（非法定計量單位，1bbl＝42gal＝0.159m3，下同），產(chǎn)少量氣。項目部決定對該井實施壓裂作業(yè)提高單井產(chǎn)能，佐證勘探成果，但在初期的探井測試中，2個構(gòu)造圈閉的2口直井都發(fā)生了卡管柱不能起出情況。由于卡管柱部位離儲層較近，從成本上考慮，實施側(cè)鉆改造經(jīng)濟可行。由于側(cè)鉆完井后要重新進行測試，還要實施壓裂改造，保持良好的井筒工作環(huán)境。分析認(rèn)為2口直井發(fā)生卡管柱情況是由于測試時壓差控制不當(dāng)造成的，因而控制一個合理的試采壓差是側(cè)鉆井測試時必須考慮的問題。同時考慮到要在側(cè)鉆井上實施水力壓裂，優(yōu)化壓裂工藝方案，控制裂縫的擴展使其不通過原直井筒并保證作業(yè)成功實施。

解決這些問題的核心是明確該區(qū)各圈閉的地層應(yīng)力狀態(tài)，而后根據(jù)主壓應(yīng)力方位確定儲層改造的側(cè)鉆方位；結(jié)合流固耦合數(shù)值模擬技術(shù)確定合理的試采壓差以保證井筒不變形，為水力壓裂創(chuàng)造良好的井筒條件；根據(jù)縱向上分層地層應(yīng)力分布特征確定合適的水力壓裂工藝。由于該區(qū)塊是海外勘探區(qū)塊，可供借鑒的資料并不多，僅有的區(qū)塊外圍地層應(yīng)力測點數(shù)據(jù)［1－6］難以滿足需要。

鑒于上述情況，項目組從GPS地形變資料入手，開展了地層應(yīng)力方向模擬，結(jié)合壓前注入資料確定了三向應(yīng)力狀態(tài)并以此建立分層地層應(yīng)力解釋模型。在此基礎(chǔ)上著手側(cè)鉆方位、測試臨界壓差及儲層改造方案的確定。

1 地層應(yīng)力方向模擬

以文獻［2］中所給出的阿拉伯板塊邊界GPS觀測數(shù)據(jù)作為邊界約束，采用有限元彈性靜力分析方法，計算阿拉伯板塊內(nèi)的位移，進一步計算區(qū)域地層應(yīng)力方向變化。以阿拉伯板塊內(nèi)部已有地層應(yīng)力方向資料、×區(qū)塊測井解釋資料等作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)整模型中地層、斷層的物理參數(shù)方式，尋求與已有資料的最佳吻合的水平地層應(yīng)力方向有限元解。

以阿拉伯板塊邊界GPS觀測數(shù)據(jù)為位移約束，模擬計算得到阿拉伯板塊區(qū)域水平位移方向、最大水平主應(yīng)力方向計算結(jié)果（見圖1）。阿拉伯板塊最大水平主應(yīng)力方向與板塊水平位移方向基本對應(yīng)，模擬區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向相對板塊水平位移方向發(fā)生了一致的逆時針旋轉(zhuǎn)，反映出構(gòu)造應(yīng)力與板塊運動的關(guān)系密切。

圖1 中東阿拉伯板塊最大水平主應(yīng)力方向

圖2 中東×區(qū)塊古生界U組頂面最大主應(yīng)力方向

依據(jù)GPS地形變資料，對涵蓋×區(qū)塊的整個阿拉伯地塊水平主應(yīng)力方位進行了模擬分析，模擬成果中的主應(yīng)力跡線顯示區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向以N－W／S－E向為主（見圖2、圖3）。該結(jié)論與采用FMI測井資料解釋得到區(qū)塊內(nèi)A－0002S井、M－0002S井及鄰近區(qū)塊內(nèi)F－1井和T－2井古生界致密砂巖地層現(xiàn)今最大水平主應(yīng)方向為N－W／S－E方向結(jié)論相吻合。

圖3 中東×區(qū)塊古生界S組頂面最大主應(yīng)力方向

2 地層應(yīng)力值及分層地層應(yīng)力特征

目的層段單井點地層應(yīng)力值是根據(jù)壓前注入資料獲取的閉合壓力進行相應(yīng)處理得出［7］。處理結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)2個圈閉的三向主壓應(yīng)力關(guān)系為σH＞σv＞σh，表明應(yīng)力場呈走滑擠壓特征（見表1）；應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大變化：已由扎格羅斯沖斷帶的Ⅱ型（逆斷型應(yīng)力場）過渡到Ⅲ型走滑擠壓應(yīng)力狀態(tài)，與區(qū)塊所處前陸斜坡或外緣構(gòu)造形跡相符合。尤其是對M－0002S井，垂向應(yīng)力與最大水平主壓應(yīng)力值接近，更體現(xiàn)了這種過渡的存在。

表1 注入測試獲取的地層應(yīng)力值

考慮到水力壓裂作業(yè)的需要，為認(rèn)識、了解水力壓裂裂縫擴展規(guī)律，采取針對性的改造工藝，進行了該區(qū)分層地層應(yīng)力分布規(guī)律研究。研究認(rèn)為，組合彈簧模型［8］能有效地解釋砂巖地層比相鄰的頁巖層有更高地層應(yīng)力的現(xiàn)象，對×區(qū)塊古生代致密砂巖地層，組合彈簧模型是合理的地層應(yīng)力計算模型。

組合彈簧模型假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運動過程中地層和地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層2個水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。由廣義虎克定律可得

式中，ξh、ξH分別為最小、最大水平主應(yīng)力方向的應(yīng)變，在同一斷塊內(nèi)假定為常數(shù)。

應(yīng)用表1中獲取的單個測點地層應(yīng)力值，對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)進行了刻度（見表2），由此建立起區(qū)內(nèi)分層地層應(yīng)力剖面解釋模型，對作業(yè)層段的地層應(yīng)力及相關(guān)力學(xué)參數(shù)進行了解釋處理（見圖4）。

表2 中東×區(qū)塊古生界致密砂巖U組與S組應(yīng)變系數(shù)

圖4 M－0002S井3 962.4～4 684.78m井段分層應(yīng)力模型剖面

3 地層應(yīng)力研究成果的應(yīng)用

3.1 在鉆井及井壁穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用

根據(jù)前述最大水平主壓應(yīng)力方向（NW－SE），結(jié)合儲層展布特征研究成果，確定了2口井的側(cè)鉆方位（A－0002S井NE81°；M－0002S井265°），最大程度避免了壓裂過程中水力壓裂縫穿過原井筒的風(fēng)險。

自鉆井打開儲層開始，井壁周圍地層就產(chǎn)生了應(yīng)力集中，后續(xù)任何不合適的壓力激蕩都有可能加劇井筒變形，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象從而影響生產(chǎn)作業(yè)。U組埋深相對淺，膠結(jié)弱，井壁穩(wěn)定性需控制合適的試采（返排）壓差［9－10］以規(guī)避井筒失穩(wěn)出砂；而S組埋深大，膠結(jié)強度高，則需要控制合適的試采壓差以規(guī)避井筒變形縮徑等危害。

基于流固耦合理論，以巖心實驗獲取的應(yīng)力敏感結(jié)果為基礎(chǔ)（見圖5），綜合考慮生產(chǎn)壓差、地層應(yīng)力、儲集層結(jié)構(gòu)（孔道、炮眼等）、儲層力學(xué)性能、流體滲流等影響因素，建立了一個儲層變形與流體運移耦合形式的井壁穩(wěn)定性評價模型；應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法定量評價開發(fā)過程中流固耦合效應(yīng)導(dǎo)致的近井壁區(qū)域儲集層骨架結(jié)構(gòu)變形及井壁穩(wěn)定變化。

以M－0002S井為例，以其射孔設(shè)計參數(shù)建立模型，相位角72°，孔密16孔／m，孔徑1.09cm，穿深150.3cm，采用2D－RZ坐標(biāo)進行有限元模擬分析（見圖6），計算模型及網(wǎng)格劃分見圖7。計算中采用網(wǎng)格局部加密及高精度單元處理，套管壁按封閉邊界處理，射孔壁處按滲透性邊界處理。對研究區(qū)塊內(nèi)的M－0002S井進行了井壁穩(wěn)定模擬分析。當(dāng)生產(chǎn)壓差大于20MPa時，儲層井壁破壞程度加劇（見圖8）。由此，將探井測試臨界壓差定為20MPa；同樣，將A－0002S井臨界測試壓差定為40MPa。

3.2 在壓裂設(shè)計中的應(yīng)用及效果

結(jié)合測試壓裂及分層地層應(yīng)力剖面研究成果，對主加砂壓裂程序進行了優(yōu)化。特別是對M－0002S井的水力壓裂裂縫的擴展模擬成果發(fā)現(xiàn)，預(yù)先制定的壓裂方案難以滿足縱向上縫高控制的需要，裂縫易迅速擴展至目的層下10m處的水層。為此調(diào)整了壓裂施工作業(yè)方案：①從降低綠泥石對酸敏感而產(chǎn)生地層傷害的角度，酸處理射孔孔眼降低摩擦阻力作業(yè)后采取快速徹底返排措施；②從控制縫高、保證瓜膠壓裂液有效破膠并減少殘留的角度，實施轉(zhuǎn)向及“三變［13］”壓裂液體系作業(yè)（見表3）；③從保證支撐裂縫有效寬度抑制節(jié)流裂縫產(chǎn)生的角度，采用支撐劑欠頂工藝（一般欠頂4bbl＊）。

表3 M－0002S井壓裂液及助劑泵注剖面

4 現(xiàn)場工藝技術(shù)效果

根據(jù)調(diào)整的壓裂工藝技術(shù)方案，M－0002S井安全順利地完成了施工作業(yè)，從設(shè)計與實際施工規(guī)模參數(shù)來看（見表4）該作業(yè)全面完成了設(shè)計任務(wù)。壓后返排測試獲得了10倍的產(chǎn)液量。對A－0002S井，應(yīng)用地層應(yīng)力研究成果亦成功保障了壓裂優(yōu)化設(shè)計及安全、順利施工，作業(yè)后獲得4.6×104m3／d的產(chǎn)氣量，取得了顯著增產(chǎn)效果（增產(chǎn)6倍）。

表4 設(shè)計及施工裂縫參數(shù)對比表

5 結(jié)束語

在地層應(yīng)力研究的基礎(chǔ)上就確定的應(yīng)力狀態(tài)進行合理地測試壓差控制、根據(jù)分層地層應(yīng)力特征下水力壓裂裂縫擴展特征，采取針對性的水力壓裂工藝技術(shù)是測試改造成功實施的重要保障。

對于海外的勘探區(qū)塊，在進行探井測試及改造時，地層應(yīng)力的研究應(yīng)是一項重要的研究內(nèi)容，可采取各種方法對三向主應(yīng)力方向及大小進行確定。對主應(yīng)力方向，除應(yīng)用GPS地形變反演技術(shù)外，還可對目的層段的巖心應(yīng)用古地磁、差應(yīng)變、聲波各向異性對其方向進行確定；同樣亦可結(jié)合室內(nèi)巖心實驗確定其大小；以此為基礎(chǔ)，深入開展井壁穩(wěn)定性研究，為探井壓裂改造及測試工作創(chuàng)造良好的井筒條件；根據(jù)確定的地層應(yīng)力狀態(tài)，特別是沿井筒剖面的分層地層應(yīng)力特征指導(dǎo)壓裂設(shè)計及工藝技術(shù)優(yōu)化是保障海外探井成功測試的重要技術(shù)手段。

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Formation Stress Research on Exploration Well Testing and Its Application in Block×，Middle East

LI Xingchuan1，WU Haojie1，SHANG Huichang1，SU Qin2，XUE Shifeng3
（1.SINOPEC International Petroleum Exploration and Production ME，Dubai 118621，U.A.E.；2.Engineering Technology Departmrnt，International Petroleum Explorational ＆Development LTD.，SINOPEC，Beijing 100080，China；3.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266555，China）

Systemically studied are formation stress in exploration well test and reservoir reconstruction in Block×，Middle East.Combining with ground movement data，simulated are formation stress datum and determined is main stress direction of the block.Determined are three main stress vaules with pre－frac test data，then stratum stress profile is built in intended job well.Acorrding to stratum stress direction，sidetrack drilling direction is determined in 2wells.According to the main stress value，the critical pressure difference of the exploration well is also determined combined with fluid solid coupling technique；and according to layer stress characteristics and the hydraulic fracturing simulation results，set up is hydraulic fracturing technology scheme for the exploration well.The hydraulic fracture job is successfully completed in 2exploration wells with better effect.

log application，exploration well testing，fomation stress，test pressure differential，hydraulic fracturing

P631.81

A

2011－12－26 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0410－06

國家重大專項“中東魯十哈里盆地古生界致密砂巖儲層壓裂改造技術(shù)及氣藏商業(yè)評價”（2008ZX0531－002－003）

李行船，男，1971年生，博士，高級工程師，從事油氣井工程技術(shù)研究及應(yīng)用等工作。