錦州X 潛山油藏裂縫應力狀態分析及開啟狀態預測

高智梁，柴世超，李恩林，孟向麗，張 寧，羅 珊

（1.中海石油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司，天津塘沽300450；2.中海石油有限公司天津分公司）

目前渤海變質巖潛山油藏的勘探開發已顯示出巨大潛力［1］。由于變質巖潛山儲層是典型雙重孔隙介質，其裂縫系統和巖塊系統具備不同滲流特征和驅替機理。裂縫系統作為常規方法開采的主要對象，其可采儲量占總可采儲量的70%以上，而巖塊系統儲量難以得到有效利用［2-3］。油藏降壓開采是提高巖塊系統儲量動用程度、增大巖塊系統貢獻量的有效途徑［4］，但是，降壓開采過程中可能會出現裂縫閉合現象，降低儲層整體滲透性，影響油田開發效果。本文以錦州X 潛山油藏為例，通過斷面（裂縫面）應力狀態分析，確定其地層壓力變化對裂縫面開啟狀態的影響程度，指導本油田及類似潛山裂縫油藏的勘探開發。

錦州X 油田位于渤海遼東灣遼西凸起中北段（圖1），構造上是一個狹長的北東向凸起，西側緊鄰遼西凹陷中洼，東側毗鄰遼中凹陷中、北洼。太古界潛山是其主力產層之一，主要分布于構造東高點，上覆沙三段泥巖，屬風化體塊狀儲集層地貌潛山，該油田是目前渤海海域投入開發規模最大的變質巖潛山油藏［5-7］。

1 裂縫面（斷面）壓力確定原理

童亨茂（1998）利用斷面正壓力和流體壓力耦合關系，建立了描述斷裂（裂縫）面開啟或閉合的定量數學模型［8］。斷面壓力是指斷面所承受的凈壓力值，與斷面正壓力和孔隙流體壓力（地層壓力）有關。

斷面正壓力主要受上覆巖石重力作用和水平構造應力作用影響。根據巖石非線性彈性變形假設，可以確定上覆巖石重力作用引起的垂向應力σgv和水平方向應力σgh［8］：

圖1 錦州X油田區域位置圖（據周心懷 等，2005）

式中：ρs——上覆巖石平均密度，g／cm3；h——儲層埋深，m；g——重力加速度m／s2；μ——泊松比，無量綱；n——與非線性壓縮有關的常數，一般巖石采用0.67。

考慮地殼內普遍存在的水平構造應力，得出地殼內某一點上所受的水平方向應力（σh1、σh2）為［8］：

式中：σh1、σh2——分別為水平方向的兩個總應力，MPa；σta，σti——分別為水平方向構造應力，MPa。

根據斷面壓力定義，利用作用在斷面上的垂向應力σgv和水平方向應力σh1、σh2，計算斷面正壓力σn［8］：σn＝

式中：θ——裂縫傾角，°；φ——裂縫走向與水平構造最大主應力夾角，°。

當孔隙流體壓力（地層壓力）為Pw時，斷面壓力Pf可表示為：

理論上在完全彈性條件下，當斷面正壓力大于孔隙流體壓力，即斷面壓力Pf大于0時，斷面會處于閉合狀態，而當孔隙流體壓力大于斷面正壓力，即Pf小于0時，斷面會處于開啟狀態。實際上，由于斷面兩側巖石具有變形特性，當斷面壓力處于上述兩種狀態時，斷面也不一定處于開啟、閉合狀態。對于斷面開啟的斷層，即使斷面正壓力大于孔隙流體壓力，但斷面壓力不能克服巖石變形強度時，斷層仍將處于開啟狀態，只有當斷面壓力Pf大于或等于巖石變形強度后，斷面兩側巖石發生破裂、變形，進而使斷面閉合。相反，對于斷面閉合的斷層，除需要克服斷面正壓力，還必須克服巖石變形強度，斷面才能開啟［9］。

上述討論未考慮斷層巖體在長期應力作用下發生蠕變，進而使斷面逐漸閉合的因素。由于本文討論的是在油藏開發過程中地層壓力發生變化時，短時期內儲層裂縫的狀態變化及對儲層滲透性帶來的影響，因此可忽略巖石長期蠕變對裂縫開啟狀態的影響。

2 錦州X潛山油藏裂縫開啟、閉合狀態分析

汪周華等（2006）、周 文等（2008）和李勇明等（2009），通過物理模擬方法研究發現儲層巖石的孔滲性會隨巖層圍壓、地層壓力等升降而發生變化，特別是裂縫系統滲透性受地層壓力變化的影響尤其明顯［9-11］。因此，有必要對錦州X 南潛山油藏開發過程中，地層壓力變化與裂縫開啟狀態間的關系進行分析和估算。

2.1 裂縫面壓力預測參數

從斷面正壓力計算公式（5）可以看出，分析、估算裂縫面正壓力需要以下參數：儲層埋深、上覆巖層平均密度、裂縫傾角、走向、構造應力值和主應力方向以及巖石力學參數等。

2.1.1 儲層埋深及上覆巖層平均密度

根據探井及開發井實際鉆遇情況，錦州X 潛山油藏儲層構造幅度中部埋深約1 800 m。上覆巖層平均密度采用研究區內沙河街組一口采油井的測井解釋成果的平均值，約2.26 g／cm3，由于該層段位于潛山上覆巖層下部，壓實作用較強，因此該值較實際平均密度要大。

2.1.2 儲層裂縫發育特征

根據錦州X 南7 口探井鉆井取心和旋轉井壁取心分析，區內潛山變質巖儲層在區域構造應力下，發育了多組裂縫。裂縫線密度以50～150條／m 為主，裂縫有效面孔率一般為0.2%～3.41%，裂縫平均寬度為0.3～1.2 mm，以0.5～1.0mm 為主。裂縫傾角為15°～80°，其中，以45°～60°高角度斜交縫為主，裂縫走向主要有兩組：北東- 南西向（NE40°）、北北西-南南東向（NE150°）［6-7］（圖2）。

圖2 錦州X潛山油藏裂縫發育方位（據鄧強，2007）

2.1.3 巖石力學特性

巖石的泊松比、楊氏模量及抗壓強度等力學性質直接影響儲層裂縫面壓力和兩壁巖石的變形特性，與裂縫面的開啟與閉合密切相關。研究區內潛山儲層巖石未進行相關力學實驗，參考李行船等（2001）進行埕北30潛山油藏儲層裂縫預測研究時所做的儲層片麻巖力學特性參數［12］，確定巖石力學特性：非斷層（裂縫）處巖石抗壓強度252 MPa，楊氏模量53.95 GPa，泊松比0.28。斷層（裂縫）處巖石力學參數值是非斷層（裂縫）處的60%［13］。

2.1.4 現今構造應力值及主應力方向

研究區處于下遼河盆地范圍內，其現今構造應力場可借鑒下遼河盆地區域應力場。石盛昌等（1999）、馬寅生（2004）等研究下遼河盆地區域應力場演化時，采用井壁崩落法、聲發射法、水壓致裂法等地應力場分析方法，確定了下遼河盆地及鄰區現代應力場為NW-SE向拉張應力，區域最大主壓應力方向80°～100°，平均82°，最大主壓應力大小約45 MPa，最小主壓應力大小約31 MPa［14-15］。綜上所述，裂縫面壓力預測參數見表1。

表1 裂縫面壓力計算參數

2.2 裂縫面應力狀態

根據裂縫不同傾角和不同方位，按照式（5）試算四組不同組合下的裂縫面正壓力σn，結果見表2。

表2 錦州X潛山儲層裂縫面正壓力計算結果

從中可以看出，錦州X 油田不同產狀裂縫面正壓力σn范圍在52～72 MPa之間，且主要受裂縫傾角影響，傾角較小的裂縫面正壓力較大，與前人認識相符［16］。目前潛山油藏地層壓力Pw約10.5 MPa，因此根據式（6）計算儲層裂縫面壓力Pf范圍在41.5～61.5 MPa之間。同時根據討論，只有在裂縫面壓力超過兩壁處巖石變形強度后，裂縫面閉合、開啟狀態才會發生變化。儲層裂縫處巖石力學參數可取非裂縫處巖石抗壓強度的60%［13］，即裂縫兩壁處巖石變形強度σz為：151.2 MPa

2.3 油田裂縫面開啟、閉合狀態分析

由以上預測的裂縫面各應力狀態分布范圍可以看到，裂縫兩壁處巖石變形強度σz明顯大于裂縫面壓力Pf，裂縫面壓力尚未達到使兩壁巖石發生變形的程度，不能造成裂縫面開啟或閉合狀態的變化。地層壓力值與另外兩者差值相比明顯偏小，因此，地層壓力變化不能明顯影響裂縫面的閉合或開啟狀態。即錦州X 油田開發過程中地層壓力由原始值17 MPa下降到目前的10.5 MPa，對裂縫面的開啟或閉合影響很小，地層壓力下降不會引起儲層裂縫閉合。同時，上述結果是根據裂縫面兩壁處巖石變形強度取非裂縫處的60%計算的結果，當儲層裂縫十分發育時，裂縫面兩壁處巖石變形強度可能更小，此時裂縫面正壓力σn就會與裂縫兩壁處巖石變形強度σz相當。這種情況下，地層壓力變化就會對裂縫的閉合與否產生明顯影響。值得說明的是，上述預測多項重要參數，均由參考同區域（下遼河盆地）變質巖油藏實測數據得出，與油田實際情況存在差異，上述分析需要與油田實際生產情況互相印證。

3 油井產液指數與地層壓力關系

根據錦州X 潛山油藏投入開發后地層靜壓、流壓和產液情況，繪制油井地層壓力水平與產液指數關系圖（圖3）。從中可以看出在生產的9 口油井中，除A25h和A30h外，其余7口油井地層壓力下降對油井產液指數影響較小，儲層滲透性隨地層壓力下降變化不明顯，即裂縫開啟程度與狀態受地層壓力變化影響不明顯。A25h和A30h兩口井初期產液指數較大，隨地層壓力下降，產液指數明顯減小，分析認為是兩口油井的儲層裂縫較為發育，使其初期產液能力強，同時也因裂縫較為發育的情況下裂縫兩壁巖石變形強度小，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響較明顯，地層壓力下降造成產液指數大幅降低。在部分裂縫閉合后，產液指數逐漸與其余井相當。總體來說，從錦州X 潛山油藏油井產液指數與地層壓力關系可以看出，地層壓力下降后裂縫基本未發生閉合。

圖3 錦州X潛山油井靜壓與產液指數關系

4 結論

（1）只有在上覆巖層重力作用和水平構造應力引起的裂縫面正壓力與裂縫兩壁處巖石變形強度相當時，地層壓力變化才會對裂縫閉合與否產生明顯影響。即當儲層埋深較大或儲層裂縫發育、兩壁巖石變形強度小時，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響明顯。

（2）預測得出的錦州X 潛山儲層裂縫面壓力明顯小于裂縫兩壁巖石變形強度，地層壓力下降基本不會引起裂縫閉合。受分析資料限制，預測的儲層裂縫面應力狀態存在誤差，需要在本油田取得實測數據后進一步研究。

（3）錦州X 潛山多數油井產液指數不隨地層壓力降低明顯減小，只有少數裂縫較為發育的油井，因裂縫兩壁巖石變形強度低，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響明顯，產液指數隨地層壓力下降大幅降低，但仍與其余油井產液指數相當，總之在地層壓力下降后儲層裂縫未發生大規模閉合，與預測結果相符。

（4）兩口油井產液指數大幅下降，證實了一定條件下地層壓力下降會引起油井產液能力大幅下降，造成儲層裂縫閉合，因此，對于潛山裂縫油藏降壓開采，需要進行儲層裂縫閉合壓力研究，防止地層壓力下降引起裂縫閉合。

［1］ 王毓俊.渤海古潛山石油勘探的重要進展［J］.中國海上油氣（地質），1996，10（4）：252-255.

［2］ 王西江.沈陽油田東勝堡變質巖潛山油藏滲流特征研究［J］.特種油氣藏，1995，2（1）：41-43.

［3］ 柏松章，唐飛.裂縫性潛山基巖油藏開發模式［M］.北京：石油工業出版社，1997.

［4］ 張繼春，張津海，楊延輝，等.潛山裂縫油藏降壓開采增油機理及現場試驗［J］.石油學報，2004，25（1）：52-55.

［5］ 汪利兵，童凱軍，馬時剛，等.變質巖潛山油藏儲層特征及高效開發建議［J］.特種油氣藏，2012，19（4）：29-32.

［6］ 鄧強.JZS低潛山帶儲集層特征及控制因素分析［J］.內蒙古石油化工，2007（12）：132-135.

［7］ 周心懷，項華，于水，等.渤海錦州南變質巖潛山油藏儲集層特征與發育控制因素［J］.石油勘探與開發，2005，32（6）：17-20.

［8］ 童亨茂.斷層開啟與封閉的定量分析［J］.石油與天然氣地質，1998，19（3）：215-218.

［9］ 周文，鄧虎成，單鈺銘，等.斷裂（裂縫）面的開啟及閉合壓力實驗研究［J］.石油學報，2008，29（2）：277-280.

［10］ 汪周華，郭平，周道勇，等.注采過程中巖石壓縮系數、孔隙度及滲透率的變化規律［J］.新疆石油地質，2006，27（2）：191-194.

［11］ 李勇明，陳勇.對碳酸鹽巖地層中基質、天然裂縫及人工裂縫的應力相關性滲透率的認識［J］.國外油田工程，2009，25（12）：27-30.

［12］ 李行船，謝桂學，孟祥和.古構造應力場反演在儲層裂縫預測中的應用-以埕北30 潛山油藏為例［J］.山東科技大學學報（自然科學版），2001，20（1）：74-76.

［13］ 張學汝，陳和平，張吉昌，等.變質巖儲集層構造裂縫研究技術［M］.北京：石油工業出版社，1999.

［14］ 石盛昌，夏懷寬，張先澤，等.下遼河盆地區域地應力場演化特征［J］.東北地震研究，1999，15（3）：57-60.

［15］ 馬寅生.燕山東段：下遼河盆地中新生代盆嶺構造及應力場演化［M］.北京：地質出版社，2004.

［16］ 楊新民.江蘇閔橋地區火山巖油藏裂縫閉合條件研究［J］.特種油氣藏，2003，10（1）：76-79.