渤中19-6 復雜斷塊構造地應力分布規律試驗研究

周長所，耿亞楠，雷 楊，何英明

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.國網能源研究院有限公司，北京 102209）

渤中19-6 氣田是近年來渤海地區發現的我國東部最大凝析氣田，該氣田的高效開發建設對華北地區的清潔能源供給具有重要意義。渤中19-6 氣田處于渤中凹陷構造，受復雜斷塊及構造影響[1]，探井在鉆探過程中，表現出頻繁的井壁失穩現象，部分井甚至出現了埋鉆具，最終導致井眼報廢的情況，可以說，本氣田地質構造及地應力分布規律的復雜性導致的井壁穩定性問題，是本氣田高效開發的主要制約因素之一。

地應力的分布規律對井位選擇、鉆井軌道設計、確定鉆井液密度及保持井壁穩定性具有重要意義。對于渤海區域，通常認為受正斷層構造影響，地應力大小分布規律常表現為上覆巖層壓力（σv）＞水平最大地應力（σH）＞水平最小地應力（σh）。然而在對渤中19-6 構造應力場模式、裂縫走向的分析中發現，該區域的主控構造類型、地應力分布規律與以往經驗認識不同，雖然區域構造內發育有大量的正斷層，但這些正斷層相對整個構造僅為次級構造，而整個區域又受近南北走向的走滑斷裂活動的影響。針對這種受復雜斷塊構造影響的區域，需借助試驗分析及測井資料來確定地應力的分布規律。因此，為提高后續開發井鉆井作業安全及效率，針對渤中19-6 構造開展了地層破裂試驗，并進行了井下電成像測井。基于上述試驗結果及資料，對構造區域內的地應力大小及方向的分布規律進行了計算分析，依據試驗結果計算得到了區域構造應力系數，并建立了構造北部沿深度的地應力剖面，為后續鉆井作業提供了技術支撐。

1 研究區地質構造及地層破裂試驗分析

1.1 研究區地質構造特征

渤中凹陷19-6 構造位于渤中凹陷西南部，分為南北兩個主要含油氣構造。該構造又被南北走向的郯廬斷裂切割成東、西兩部分，并進一步被近東西向次級斷裂切割成復雜斷塊。渤中19-6 構造主要經歷了4 個階段的演化，第一階段為印支期，也就是燕山擠壓逆沖成山階段；第二階段為燕山中期拉張斷塊隆升階段；第三階段為燕山晚期反轉褶隆抬升階段；第四階段為喜馬拉雅期改造埋藏定型階段[2]。對應4 個主要構造演化階段，渤中凹陷主要發育早期伸展斷裂、中期走滑伸展斷裂、晚期走滑斷裂和長期活動斷裂4 種斷裂類型。

圖1 渤中凹陷構造應力場模式及裂縫走向示意圖

斷裂走向方位主要有NNE 向、NE 向、近EW 向和NW-NWW 向。在第四系沉積時期，主要受郯廬斷裂走滑活動的影響，構造晚期發生右旋走滑（伸展）運動，多為主走滑斷層，是渤中凹陷油氣成藏的主控斷層類型之一[3]。根據區域構造時期及階段可見，渤中19-6 構造主要受晚期的走滑運動影響，主走滑斷層為主控構造因素，同時區域內發育有大量的次級蓋層正斷層。渤中凹陷晚期構造應力方向、應力場模式及裂縫走向（見圖1）。

1.2 地層破裂試驗及地應力分析

鑒于研究區地質構造復雜，多種構造因素同時存在，因此需要借助試驗手段來分析區域地應力分布規律。目前開展地應力試驗研究主要手段有地層破裂試驗、巖石聲發射凱澤爾（Kaiser）效應測定。其中現場地層破裂試驗確定地應力的方法準確度更高。因此，對渤中19-6 構造北部探井（4 井和9 井）開展了井下地層破裂試驗。兩個井區開展試驗的基礎參數（見表1）。其中4 井區試驗深度選擇依據為表層套管鞋以下5 m 左右，9 井區試驗深度為技術套管鞋以下5 m 左右，通過兩個不同深度的試驗，互相印證試驗結果。

以時間為自變量，以0.01 m3～0.04 m3為步進逐步向井筒內泵入鉆井液。兩個井區地層破裂試驗過程及結果（見圖2、圖3）。

表1 4、9 井區井下地層破裂試驗基礎條件與參數

圖2 4 井地層破裂試驗數據與結果

圖3 9 井地層破裂試驗數據與結果

以試驗結果數據為基礎，根據式（1）～（4）可計算得到兩個井區的主地應力大小：

式中：σH、σh、σv-最大水平地應力、最小水平地應力、上覆巖層壓力，MPa；Gz-地層密度，kg/m3；H-地層深度，m；Pp-地層孔隙壓力，MPa；Pf-地層破裂壓力，MPa；α-有效應力系數；St-地層抗拉強度，MPa；Ps-瞬時停泵壓力，MPa；Pr-裂縫重張壓力，MPa。

表2 4、9 井區地應力計算結果

兩個井區的地應力計算結果（見表2）。由表2 可見，根據實際試驗計算得到的地應力，表現為水平最大地應力＞上覆巖層壓力＞水平最小地應力的分布特征。由此可見，雖然渤中19-6 構造范圍內發育有大量的正斷層，但受構造范圍內晚期走滑斷裂的影響，正斷層并非主控地質構造因素，區域內地應力大小規律與走滑斷裂相關。因此，若采用常規判斷地應力大小的方法，其結果會與實際產生較大誤差。

2 地應力方向分析

由本文第1 部分分析結果可知，渤中19-6 構造受晚期走滑斷裂的影響，其地應力符合走滑斷層控制下的分布規律，因此，構造區域地應力方向無法通過斷層走向來進行準確判斷。為了給后續井網布置及鉆井軌道優化設計提供設計基礎，對3 口井進行了井下電成像測井。電成像測井結果（見圖4）。

由電成像測井圖像可見，北部構造的4、7 井誘導裂縫分布在西北-東南方向，角度在NE100°～110°范圍內。南部構造的2 井誘導裂縫分布方向接近東西向，角度約為NE90°。根據誘導裂縫與地應力關系可知，鉆井誘導縫的走向為最大水平主應力方向[4，5]。因此可以判斷渤中19-6 構造不同井區最大水平地應力方向（見表3）。

由表3 可見，渤中19-6 構造范圍內，不同井區的地應力方向分布范圍在NE90°～110°，其中4、7 井區水平最大地應力分布方向在NE100°～110°，2 井區水平最大地應力分布方向在NE90°，與周圍含油氣構造角度存在較大差異（相差約30°），在進行開發井網部署時，應考慮地應力方向差異帶來的影響[6，7]。

圖4 井下電成像測井結果

表3 渤中19-6 構造及周圍含油氣構造地應力方向

3 研究區構造應力系數及地應力剖面建立

利用地層破裂試驗數據法求取了區域構造的單點地應力大小，然而為了建立地層的其他直接用于鉆井設計的壓力剖面，如地層破裂壓力剖面、地層坍塌壓力剖面等，必須建立沿深度分布的地應力剖面。目前已發展出多種基于力學理論及測井數據的計算地應力的公式法，其中由我國學者提出的黃氏模型[8]在渤海地區應用效果良好。本文基于地層破裂試驗數據，利用測井資料建立了研究區北部構造的地應力剖面。黃氏模型計算主要地應力公式如下所示。

式中：σv、σH、σh-上覆巖層壓力、最大、最小水平主地應力，MPa；μs-地層的靜態泊松比值；β、γ-構造應力系數。

在利用式（5）～（7）計算地應力之前，需利用地層破裂試驗數據反算構造應力系數。構造應力系數計算公式如式（8）、（9）所示：

將本文1.2 節計算得到的地應力代入式（8）、（9）中，可計算得到研究區北部構造應力系數（見表4）。

由構造應力系數計算結果可見，研究區北部構造不同井區的構造應力系數非常接近，證明4、9 井區同屬于一個局部構造，這與地質認識與區塊劃分相符。以計算得到的構造應力系數為基礎，利用式（5）～（7）計算可得渤中19-6 北部構造地應力剖面（見圖5）。由計算得到的地應力剖面與實測地應力大小規律相同，區域內表現出走滑斷層主控的地應力分布規律（σH＞σv＞σh），最小水平主地應力當量密度在1.56 g/cc～1.87 g/cc，進入儲層后，因潛山地層低孔隙度及滲透率，有效應力系數減小，導致地應力當量密度有一個較明顯的降低；最大水平主地應力當量密度在2.15 g/cc～2.54 g/cc；與實測得到的地應力數據點相比，建立的地應力剖面與實測數據點吻合度良好，能夠為后續其他地層壓力剖面的建立提供良好的數據基礎。

表4 由地層破裂試驗計算得到的區域構造應力系數

圖5 渤中19-6 北部構造地應力剖面

4 結論與建議

（1）通過地層破裂試驗及分析，確定了渤中凹陷19-6 復雜斷塊構造地應力的分布規律，證實了渤中19-6 構造區域內走滑斷層為主控構造因素，地應力表現為水平最大地應力＞上覆巖層壓力＞水平最小地應力的分布特征；

（2）研究表明，與周圍含油氣構造地應力方向不同，渤中19-6 構造區域內最大水平地應力方向為NE90°～110°，不同井區地應力方向分布略有差異，在井網設計、定向井軌道設計中應考慮地應力方向的影響；

（3）建立了渤中19-6 北部構造（4、9 井區）地應力剖面，為后續井壁穩定分析、鉆井液密度優化提供了設計依據。