一種特低滲砂巖氣藏地應力研究的新方法

樊愛彬

（中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津300450）

一種特低滲砂巖氣藏地應力研究的新方法

樊愛彬

（中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津300450）

某構造位于海上大型凹陷，為低滲、特低滲氣藏，天然氣儲量巨大。為了更好的進行低滲砂巖氣藏的壓裂儲層改造，需要分析清地應力的大小和方向。采用成像測井鉆井誘導縫和井壁崩落進行地應力方向的判斷，并引入世界地應力庫數據進行佐證，確定工區(qū)最大水平主應力為近東西向。采用測井密度、聲波等資料計算三應力的大小，確定該區(qū)域屬于正斷層應力機制。摸清了該地區(qū)地應力方向和大小，并以單井為例，建立單井地應力模型。為優(yōu)化射孔，規(guī)避斷層和水體提供了技術指導，為后續(xù)水平井水平段部署提供了技術依據，對類似砂巖氣藏的勘探開發(fā)有重要的指導意義。

地應力；世界應力庫；成像測井；低滲

該構造為一低幅度背斜構造，其上部為完整背斜構造，下部為被斷層復雜化的背斜構造，最大頂面構造面積86.3 km2，構造幅度最大為240 m。近幾年通過三維地震資料，對該構造進行了詳細的圈閉評價和低滲氣藏潛力分析，主要油氣來源為凹陷深部PH組暗色泥巖和煤系地層。鉆探顯示該區(qū)油氣顯示普遍，發(fā)育多套含氣層段，砂體具有厚度大、分選好等特點。HG組下段位于埋深3 200 m～3 900 m，PH組埋深3 900 m～4 500 m或者更深，由于埋藏較深儲層受壓實作用影響較大，儲層物性差。HG組下段孔隙度介于1.9%～14.7%，滲透率介于0.02 mD～1.65 mD；PH組孔隙度介于1.6%～11.9%，滲透率介于0.02 mD～0.65 mD，主要為低滲、特低滲儲層。常規(guī)射孔、負壓射孔、氮氣氣舉等措施均難以實現低滲、特低滲氣田的商業(yè)開發(fā)。為了實現低滲、特低滲氣藏的商業(yè)開采，必須要進行儲層壓裂改造。

儲層壓裂改造的關鍵就是對地應力的研究，地應力不僅影響壓裂裂縫的延伸方向、裂縫展布情況，也影響上下隔層對縫高的封隔遮擋能力，防止壓裂縫上下串層，可見地應力研究是壓裂儲層改造高產、穩(wěn)產的基礎。通過調研，目前國內外常用巖心實驗數據測量地應力大小，用多傾角測井資料計算地應力方向。巖心實驗難以及時完成，海上鉆井日費用較高難以實現。多傾角測井資料常受地層倒轉、褶皺影響，難以準確計算地應力方向。筆者通過調研他人研究成果以及其他低滲氣田勘探開發(fā)現狀，形成了一種適合海上地應力研究的新方法。采用成像測井鉆井誘導縫和井壁崩落數據來讀取地應力方向，同時用世界地應力庫中的地應力資料進一步佐證。采用聲波測井、密度測井等資料及時計算地應力大小，增強時效性。該方法旨在摸清該構造的地應力大小和方向，為后期壓裂儲層改造、水平井井軌跡部署提供指導［1-4］。

1　成像測井識別地應力方位

目前常用的地應力方位求取方法是采用多傾角測井資料。由于多傾角測井收到地層倒轉、褶皺等影響，所以采用成像測井資料進行地應力方位的計算［5］。

在低滲砂巖儲層中成像測井主要應用鉆井誘導縫和井壁崩落來確定地應力方位，由于地應力的影響鉆井誘導縫的走向平行于最大水平主應力。鉆井誘導縫常和井壁崩落一起出現，二者走向相差90°，即井壁崩落方位平行于最小水平主應力，垂直于最大水平主應力［6，7］。

鉆井誘導縫從上至下呈“倒八字”形態(tài)。鉆井誘導縫（見圖1-a），井壁崩落（見圖1-b），該工區(qū)以鉆井誘導縫為主，井壁崩落較少。共識別鉆井誘導張性裂縫550條（相對較多），平均方位N100/N280°（見圖2-a）。共識別井壁崩落特征48個，統計平均方位為N12/ N192°（見圖2-b）。誘導縫方位與井壁崩落方位基本垂直。

圖1　a.鉆井誘導縫，b.井壁崩落Fig.1 a.drilling induced crack，b.wellbore caving

2　區(qū)域地應力方位分析

為了進一步落實工區(qū)地應力方位，本次研究專門引用了世界應力庫中的地應力資料來進一步研究該工區(qū)。

根據世界應力庫分析該工區(qū)地應力方位與上述單井地應力方向研究結論基本一致，綜合單井地應力方向研究成果及世界應力數據庫數據，判斷工區(qū)現今最大水平主地應力方位為N100/N280°，近東西方向。最小水平主應力為N10/N190°，為近南北向（見圖3-a、3-b）。壓裂縫延伸方向平行于最大水平主應力，為近東西向，這一結論為射孔優(yōu)化、水平井部署提供了理論指導。

圖2　a.鉆井誘導縫方位統計，b.井壁崩落方位統計Fig.2 a.induced crack azimuth statistics，b.borehole caving azimuth statistics

圖3　a.鉆井誘導縫分布，b.區(qū)域地應力方位Fig.3 a.drilling induced crack distribution，b.regional ground stress orientation

3　地應力大小分析

通過成像測井以及世界應力庫資料可以確定最大水平主地應力和最小水平主應力的方向，不能確定應力的大小。根據密度測井、聲波測井等資料可以計算地應力的大小。根據聲波測井、密度測井等資料計算楊氏模量、泊松比、內摩擦系數以及單軸強度等參數；根據密度積分法計算上覆巖層壓力，根據欠壓實理論計算地層孔隙壓力；綜合考慮上覆巖層壓力、地層孔隙壓力、構造應力三方面影響，結合地層漏失試驗求取較準確的最小水平主應力［8，9］。最小水平主應力的計算采用如下公式進行計算：

其中：Shmin-最小水平主應力，MPa；Sυ-上覆巖層壓裂，MPa；Pp-地層壓力，MPa；E-楊氏模量，GPa；υ-泊松比，無因次；α-Biot系數，研究取值0.9；εx和εy屬于構造應變，無因次，研究取值0.000 2和0.000 06。

該地區(qū)E3h7～E3h3的最小水平主應力壓力系數是1.6～1.9。最大水平主應力大小的計算是在已知井壁破損情況、巖石強度等，就可反演模擬現今最大水平主應力的大小，通過模擬得到具有典型誘導張性裂縫特征深度處最大水平主應力的大小為2.05～2.2SG。根據密度積分計算該地區(qū)垂向應力大小為2.2～2.3SG。

根據上述計算結果繪制了A井單井地應力模型（見圖4），該構造地應力滿足垂向應力＞最大水平主應力＞最小水平主應力，屬于正斷層應力機制，與該區(qū)域地應力機制和斷層性質吻合。根據壓裂起縫機理，壓裂后裂縫面總是垂直最小水平主應力，壓裂裂縫面呈近東西走向。

所以在優(yōu)選壓裂層位的過程中要重點考慮井眼東西兩側距離斷層或水體的距離，避免壓穿斷層或水體。如設計水平井進行分段壓裂，水平段井軌跡應平行于最小水平主應力（水平段應近南北向展布），這樣才能保證水平井分段壓裂后形成最大的裂縫網絡［10-13］。

圖4　A井地應力模型Fig.4 A borehole stress model

4　結論

（1）采用成像測井和世界地應力庫相結合的方法，可以準確得出工區(qū)地應力方向，最大水平主應力方位為N100/N280°，近東西向，最小水平主應力為N10/ N190°，近南北向。

（2）運用密度、聲波等測井資料可計算地應力大小，計算結果顯示，該地區(qū)垂向應力＞最大水平主應力＞最小水平主應力，屬于正斷層應力機制。

（3）壓裂后裂縫向近東西方向延伸，優(yōu)選壓裂層時要考慮避開東西兩側的斷層及水體，嘗試溝通天然裂縫發(fā)育區(qū)。

（4）水平井水平段井軌跡應平行于最小水平主應力（近南北向），后期水平井分段壓裂可最大范圍的溝通儲層，容易達到增產、穩(wěn)產的目的。

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A new method to study crustal stress of extra-low permeability sandstone gas reservoir

FAN Aibin
（China Oilfield Services Limited，Tianjin 300450，China）

One structure has a huge reserves located in offshore low-permeability gas reservoir.In order to obtain a better fracturing effect on sandstone reservoirs，it needs to analyze the magnitude and direction of land stress.Using imaging logging crack and borehole caving is to determine stress direction and prove work area's maximum horizontal principal stress as near east-west direction in the world stress data library.This paper calculates three stress values，and determines region's normal faulting stress mechanisms by density and acoustic logging，etc.By finding out reservoirs'stress direction and magnitude this paper establishes single well model.The study will provide technical support on perforation optimization，avoiding faults and water invasion，which is of great importance on gas reservoirs'exploration and development.

ground stress；world stress library；imaging logging；low-permeability

TE375

A

1673-5285（2016）10-0015-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.004

2016－08-15

樊愛彬，男（1988-），綜合地質工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學（北京）地質工程專業(yè)，一直從事低滲砂巖氣藏壓裂儲層改造方面的地質油藏工藝研究工作，郵箱：fanaibin@163.com。