地應力在油氣勘探開發中的應用

馬睿

摘 要：隨著油氣勘探開發技術的日趨成熟以及對地應力研究認識的逐漸深入，人們發現在油氣勘探開發過程中眾多的問題都與地應力有著密切的關系，油氣勘探開發對地應力研究的需求也越來越大，但地應力在油氣勘探開發過程中的應用仍不夠廣泛和深入。該文通過介紹地應力的研究現狀以及在油田勘探開發中的應用，主要闡述了地應力在油田勘探開發過程中對注采井網部署、壓裂設計優化、油氣富集區域預測等方面的影響，以此說明地應力在油田勘探開發過程中的重要性。

關鍵詞：地應力 井網 壓裂 油氣富集

中圖分類號：TE21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0055-02

地應力是存在于地殼中的天然應力，在油田開發過程中，地應力的大小及其變化是控制著油氣富集區域的分布、儲層裂縫的展布、地層破裂壓力、坍塌壓力等多項參數的重要因素之一，也是油氣勘探開發過程中方案制定和工程設計必不可少的依據。因此，在油藏整個開發過程地應力都具有著極其重要的作用。

1 研究現狀

地應力的研究距今已有百余年歷史，研究范圍涉及地質、礦山、地震、冶金、鐵路、建筑、水利水電及石油、天然氣等方面。隨著地應力在各行各業廣泛的應用研究，地應力的測量方法與技術也得到不斷的改進與發展。在石油工業方面，地應力的測量技術始于60-70年代，到目前已廣泛應用于石油工程的多個領域。在開發井網的布置、鉆井過程井壁的穩定性分析、地層破裂壓力的預測、定向井及水平井井身軌跡的設計與控制、油層改造措施中裂縫的方位與幾何尺寸的預側、油水井套管損壞的預測及預防、油水井防砂等方面有著重要的應用[1]。

2 地應力在油氣勘探開發中的應用

隨著地應力研究的深入，人們發現在油氣勘探開發過程中，地應力對采注井網的布置、注水開發設計、油氣富集區預測、射孔方案確定、油井壓裂設計、開采過程中油井出砂問題、鉆井套管的變形問題、井壁的穩定性等方面都有重要影響[2]。因此在油氣勘探開發過程中對地應力進行研究，對提高油田采收率、少打評價井節省投資以及實現油田可持續發展都具有重要意義。

2.1 井網優化布置

對于一個油田來說，特別是新開發的低滲油田，研究地應力場對于井網的合理布置十分重要。通常在相對均質的油藏中，一般滲透率高且各向差異不大，油藏向井筒滲流的等壓線是圓形的，正方形井網即可滿足油田開發。但是，在低滲透油藏中，滲透率低且各向差異較大，油藏向井筒滲流的等壓線是橢圓形，此時沿最大水平應力主方向上只有采用矩形井網才能滿足油田開發。在矩形井網中，矩形長寬比可簡化為最大與最小主滲透率比值。多數情況下，也可用最大與最小水平主應力值之比。

當井距最小時，在最大水平主應力方向上，一般會出現兩種油水井排列方式：相間排列和不相間排列。油水井相間排列時，注水開發中一般會出現注入水沿天然裂縫和水力裂縫突進，造成油井暴性水淹。而不相間排列時，注入水將緩慢推進，波及體積大，采收率高，注水開發效果好。由此可見，當井距較小時，在最大水平主應力方向上，油水井應采用不相間排列。而當油水井相間排列，油水井連線與最大水平主應力方向平行時，則需要加大井距。

在油田開發中砂巖油藏最常采用五點法和反九點法井網，五點法井網注水系統的注采強度和采油速度都高于反九點法，但油田開發初期井網系統的選擇還需考慮到開發后期的井網調整，反九點法井網相比五點法井網又具有較高的靈活性。以五點法井網開發油田，注水井排與最大滲透率方向，即最大主應力方向夾角為0°情況下，開發效果最好，見水時間晚，波及系數高，45°時效果最差。以七點法井網開發油田，注水井排與最大水平主應力方向夾角0°最佳，22.5°最差。以反九點法井網開發油田，注水井排與最大水平主應力方向夾角45°最佳，0°最差。在油田實際開發過程中，注采井網的選擇以及布置方式需要考慮油藏類型、砂體走向、地應力分布狀態等具體情況[3]。

2.2 油層壓裂設計

油層壓裂是開發低滲油藏的主要手段之一。地應力的分布狀態決定著壓裂產生的人工裂縫的延伸方向以及裂縫形態，同時，地應力大小也是支撐劑強度及壓裂方式選擇的重要依據[4]。通常，人工裂縫總是沿著阻力最小的方向擴展和延伸，即裂縫面總是垂直于最小主應力軸向。但實際地應力場在油田開發活動中會引起改變，從而改變人工裂縫擴展方位。因此，在油田開采后期，為提高水力壓裂的效果，必須對地應力進行測量和計算并對其值進行檢驗和修正，從而優化壓裂設計[5]。

2.2.1 地應力與支撐劑

支撐劑是一種具有一定粒度和級配的天然砂或人造高強陶瓷顆粒。它的作用是保持壓裂后形成的裂縫開啟，在壓裂開的巖層中形成具有高導流能力的支撐裂縫帶。通常最小主應力低于41.37 MPa可選石英砂做支撐劑；大于68.95 MPa需選用高強度的支撐劑；介于兩者之間時則可選陶粒做支撐劑[6]。

油層和隔層的最小水平主應力在垂向剖面上的大小變化直接影響支撐裂縫在油層中的位置，而支撐裂縫在油層中的位置又是確定壓裂后能否增產的關鍵因素。當油層處于地應力區時，油層在支撐裂縫中的位置主要有四種：油層處于低應力區上部、中部、下部（此時油層全部在支撐剖面里面）以及整個低應力區（支撐剖面全部在油層內，裂縫高等于油層厚度），其中油層處于地應力去上部時，壓裂增產效果最差。當油層處于高應力區時，油層難以壓開，且壓裂后很少能有增產效果。當油層處于較高應力區時，其下部有低應力區（即油層將會在支撐剖面上部）則增產效果差，若其上部有低應力區（即油層在支撐剖面下部），則增產效果較好。當油層處于高低應力區交界處時，油層處于低應力區上部（即壓開油層部分將在支撐剖面上部）則增產效果差，反之處于低應力區下部（即壓開油層部分將在支撐剖面下部）則增產效果好。

2.2.2 地應力與射孔endprint

在油田開發中，射孔是油井完井的基本方式之一。它包括孔眼直徑、射孔密度、彈型、穿透深度、射孔孔眼的相位和方位、隔層及遮擋層的選擇等，這些因素對油井的產量有著不可忽視的影響。地應力剖面的研究對射孔方案中射孔井段、隔層、遮擋層的選擇的確定有重要的指導意義。在滿足開發方式和采油工藝技術措施的要求下選擇合理射孔井段，應將最小水平主應力分層剖面與地質分層剖面相結合，使射開油層井段處于地應力段，隔層和遮擋層處于高應力段，且隔層應力必須大于設開層位的應力[7]。

井筒周圍的應力集中是孔眼方位與最大水平主應力方向的函數，破裂壓力、射孔孔眼附近的節流皮表效應及流體流入的流動效率也是這兩個變量的函數。射孔孔眼方位的選擇有三種情況：孔眼方位平行于或垂直于射孔井段的最大水平主應力方位、孔眼方位與射孔井段的最大水平主應力方向之間形成角度。當射孔孔眼方位與最大水平主應力方位平行時，節流表皮效應小，流體流動效應高且油井產能高，壓裂時破裂壓力低且不易砂堵，生產時不易出砂，套管不易變形，屬于最佳射孔孔眼方位。

2.3 地應力預測油氣富集區域

地應力是控制油氣運移、聚集的重要因素之一。地殼在地應力的作用下發生構造運動和巖石變形，使巖層內流體空隙壓力增加或減少，產生壓力梯度或勢差，從而推動流體在巖層內流動，在流動過程中，遇到合適的構造部位和應力環境，油氣就會聚集形成油氣藏。構造地應力不僅直接或間接影響著油氣形成、運移、聚集，而且對已形成的油氣藏也有著一定影響和改造。因此研究成藏期構造應力場，有助于揭示油氣分布規律，預測油氣富集區。地應力在油氣勘探開發領域的研究成果表明：生油凹陷區一般是應力高值區，構造高部位是應力低值區。在地應力作用下，生油巖中的油氣在地應力驅動下，向著適宜應力環境的構造部位聚集。一般油氣由高勢區向低勢區運移，由壓應力區、壓扭應力區向張應力區和張扭應力區運移、聚集。

3 結語

地應力在油田勘探開發的過程中有著重要意義，并不局限于本文討論到的方面，還涉及地層破裂壓力的預測、油水井套管損壞的預測及預防、水平井完井設計等領域。目前，我國多數油田在勘探開發過程中，對地應力的認識還在宏觀的、區域的范圍，對地應力在油田中的應用也不夠廣泛深入。因此，建議今后加強局部的、開發單元的、單井的、平面的、剖面的、分層的特殊微觀應力分布及應力場的狀態研究。油田的開發是一個動態過程，因此，對動態應力場的分析研究也是相當重要的。

參考文獻

[1] 王宏偉.海拉爾油田不同區塊地應力綜合解釋方法研究[D].大慶石油學院， 2007.

[2] 張強，李啓香，穆俊祥，等.地應力在低滲透油田開發中的應用[J].青海石油， 2008，26（3）：41-42.

[3] 李志明.地應力與油氣勘探開發[M].1版.石油工業出版社，1997.

[4] 劉澤凱，陳耀林，唐汝眾.地應力技術在油田開發中的應用[J].油氣采收率技術，1994，1（1）：49-50.

[5] 樓一珊.地應力在油氣田開發中的應用[J].石油鉆探技術，1997，25（3）：58-59.

[6] 艾鑫.徐深地區地應力評價在油田開發中的應用[D].東北石油大學，2013.

[7] 羅美娥.X3地區地應力特征研究及應用[D].浙江大學，2010.

[8] 陳濤華.地應力研究在油田開發中的應用[J].內江科技，2012（2）：109-119.endprint