新疆七中區(qū)塊克下組油藏地應(yīng)力場分布特征研究

張其星， 林伯韜, 李歡龍, 于會(huì)永， 何小東， 宋夏琳

1中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中國石油長慶油田分公司第九采油廠3中國石油新疆油田工程技術(shù)研究院 4中國石油渤海鉆探管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司

1 研究區(qū)域概況

克拉瑪依油田七中區(qū)塊克下組油藏處于準(zhǔn)噶爾盆地。油藏北西被A斷裂切割、南東被B斷裂所圍、北東有C小逆斷裂，西南以D小逆斷裂為界。儲(chǔ)層的傾角2°～30°，且下傾方向逐漸變陡，油藏埋深1 000～1 500 m。中部油藏以礫巖、砂巖為主，泥巖夾層較為發(fā)育，以中等疏松的孔隙式膠結(jié)類型為主。儲(chǔ)層劃分為S6和S7兩個(gè)砂層組，并可細(xì)分為12個(gè)單層，主力油層為S72、S73、S74。R6泥巖段全區(qū)分布較穩(wěn)定，可作為標(biāo)志層。

七東1區(qū)塊克下組礫巖油藏建設(shè)規(guī)模30×104t，全區(qū)總井?dāng)?shù)277口，新井209口(油井147口)，預(yù)計(jì)動(dòng)用S72+3+4地質(zhì)儲(chǔ)量820×104t，新鉆油井全部采用壓裂投產(chǎn)，壓裂效果直接決定了聚合物前緣水驅(qū)效果。然而，克下組油藏目標(biāo)層位小層多且隔夾層發(fā)育，油層縱向跨度較大，導(dǎo)致地應(yīng)力分布復(fù)雜。地應(yīng)力分布復(fù)雜造成了壓裂裂縫形態(tài)不清楚，分層壓裂實(shí)施難度大。因此，為了預(yù)測裂縫形態(tài)和指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂施工設(shè)計(jì)，亟需針對區(qū)域地層開展三維地應(yīng)力場的精細(xì)描述，獲得油藏地應(yīng)力場分布。

2 單井地應(yīng)力剖面計(jì)算

為計(jì)算區(qū)域三維地應(yīng)力場，首先通過測井和巖心實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)計(jì)算151口單井的孔隙壓力和地應(yīng)力剖面。對于有密度測井?dāng)?shù)據(jù)的井段，上覆巖層壓力Sv運(yùn)用巖石密度積分，地層孔隙壓力pp采用Eaton法[1]，水平最大地應(yīng)力SHmax和最小地應(yīng)力Shmin選用黃榮樽法(六五模型)[2]：

(1)

(2)

式中:ξH和ξh—地層構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；α—比奧系數(shù),E—楊氏模量，GPa;μ—泊松比。

SHmax和Shmin單井剖面計(jì)算較為復(fù)雜。首先由現(xiàn)場取心進(jìn)行力學(xué)性能參數(shù)及地應(yīng)力測試，結(jié)合測井資料制作區(qū)域巖性圖版。根據(jù)三軸剪切巖心實(shí)驗(yàn)，擬合每種巖性對應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，并提供巖石力學(xué)參數(shù)；結(jié)合小型壓裂測試數(shù)據(jù)和巖心Kaiser實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合油藏區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)獲取單井的pp和地應(yīng)力剖面。

2.1 動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換

研究過程中通過聲波測井?dāng)?shù)據(jù)以及密度資料，經(jīng)過聲波數(shù)據(jù)縱橫波轉(zhuǎn)換，求取巖石的彈性模量和泊松比[3]。在三軸下進(jìn)行靜態(tài)同步測試，結(jié)果表明動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)呈線性關(guān)系[4]。

μs=A1+K1μd

(3)

Es=A2+K2Ed

(4)

式中:μs—靜態(tài)泊松比;μd—?jiǎng)討B(tài)泊松比;Es—靜態(tài)楊氏模量;Ed—?jiǎng)討B(tài)楊氏模量。

根據(jù)現(xiàn)場提供巖心進(jìn)行三軸剪切實(shí)驗(yàn)計(jì)算靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)擬合，如圖1所示。動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)之間呈線性關(guān)系，但每種巖性之間的擬合線段斜率和截距都存在一定差異。針對這一結(jié)果，本文認(rèn)為該模型在計(jì)算過程中忽略了巖石的孔隙度和比奧系數(shù)的影響。

圖1 各巖性動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

為了彌補(bǔ)此不足，首先劃分巖性，對不同的巖性采用不同的動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。尋找克下組遠(yuǎn)離斷層控制區(qū)域，且地層相對較為平緩、沒有風(fēng)化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的地層缺失情況的標(biāo)志井。根據(jù)標(biāo)志井的測井和巖性劃分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場巖心等信息制作克下組巖性劃分圖版如圖2，主要?jiǎng)澐譃樯皫r、泥巖和礫巖三種。

圖2 七中區(qū)塊克下組巖性圖版

依托三軸剪切實(shí)驗(yàn)和測井解釋結(jié)果，針對三種巖性開展動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算，可獲得轉(zhuǎn)換模型系數(shù)。

2.2 構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算

工程經(jīng)驗(yàn)表明，地層連續(xù)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)通常是一個(gè)常數(shù)，七中區(qū)塊克下組油藏中部連續(xù)，四周被斷層切割，因此在油藏中部構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。由“六五模型”可以看出，結(jié)合pp、Sv、ζH、ζh和巖石力學(xué)參數(shù)能計(jì)算出主應(yīng)力剖面。現(xiàn)場小型壓裂試驗(yàn)、巖心Kaiser室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等能直接計(jì)算出區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。小型壓裂試驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確的獲得該深度段的最小水平主應(yīng)力，但最大水平主應(yīng)力的測量精度受到地層影響較大。本次研究采用應(yīng)力約束模型(圖3)，約束獲得這一深度最大水平主應(yīng)力的數(shù)值為29.61 MPa。但是小型壓裂測試成本高，代價(jià)昂貴。因此，需要補(bǔ)充一定數(shù)量的巖心進(jìn)行Kaiser實(shí)驗(yàn)計(jì)算該參數(shù)。

圖3 小型壓裂測試應(yīng)力約束模型

根據(jù)小型壓裂測試和Kaiser實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合“黃榮樽六五模型”，對該區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算和校正，最終獲得構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為ξH=0.69×10-3，ξh=0.49×10-3。

2.3 地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)剖面

以W1井為例，計(jì)算獲得的W1井地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)剖面，如圖4所示。在該單井地應(yīng)力剖面中，在A深度段，SHmax>Sv>Shmin，傾向于出現(xiàn)垂直縫；在B深度段，Sv>SHmax>Shmin，傾向于造垂直縫，并需要結(jié)合隔夾層厚度分析壓裂增產(chǎn)措施實(shí)施時(shí)是否能產(chǎn)生穿層；在C深度段，SHmax>Shmin>Sv，以水平縫為主。預(yù)測結(jié)果與微地震監(jiān)測結(jié)果一致，在對應(yīng)深度段均只產(chǎn)生水平縫。

圖4 W1井巖性劃分與地應(yīng)力剖面圖

3 區(qū)域三維地應(yīng)力場計(jì)算

3.1 地質(zhì)體建模及插值計(jì)算

根據(jù)油藏三維地質(zhì)體建模并導(dǎo)入計(jì)算地應(yīng)力剖面后，應(yīng)力呈現(xiàn)離散狀態(tài)。需要采用克里金插值方法計(jì)算整個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。假設(shè)研究區(qū)域a上應(yīng)力變量Z(х)，在點(diǎn)xi∈A(i=1，2…，n)處應(yīng)力值為Z(xi)，則待插點(diǎn)xi∈A處的應(yīng)力值Z(x0)的插值結(jié)果Z*(x0)是已知采樣點(diǎn)應(yīng)力值的加權(quán)和[5]，即：

(5)

以無偏為前提，克里金方差最小可得到求解待定權(quán)系數(shù)λi的方程組：

(6)

式中:λi—待定權(quán)重系數(shù)；C(xi，xj)—Z(xi)和Z(xj)的協(xié)方差函數(shù)。

將計(jì)算的151口單井地應(yīng)力剖面在三維地質(zhì)體模型中經(jīng)過復(fù)雜插值計(jì)算，最終分別獲得pp、Sv、SHmax、Shmin三維地應(yīng)力場云圖，如圖5。

圖5 克下組油藏三維地應(yīng)力場云圖

3.2 區(qū)域地應(yīng)力規(guī)律

七中克下組油藏東部和西部地應(yīng)力數(shù)值較大，中部數(shù)值較小，且最終數(shù)值大小主要集中在15～32 MPa之間。其中最大水平主應(yīng)力梯度范圍為2.0～2.6 MPa/100 m，最小水平主應(yīng)力梯度范圍為1.9～2.4 MPa/100 m，上覆巖層壓力梯度范圍為1.8～2.3 MPa/100 m。應(yīng)力大小關(guān)系由大小到主要是SHmax>Shmin>Sv，根據(jù)Anderson斷層模式可看出儲(chǔ)層主要受逆斷層控制，當(dāng)采用壓裂增產(chǎn)措施時(shí)，主要產(chǎn)生水平縫。

七中克下組由于油藏埋藏深度較淺，平均埋深1 150 m，壓力系數(shù)一般在1.0左右，變化不大，很少出現(xiàn)異常地層壓力。

參照大型真三軸[6]實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裂縫在不同水平應(yīng)力差下隔夾層擴(kuò)展規(guī)律研究，水平應(yīng)力差(Sv-Shmin)的數(shù)值越大，裂縫越容易穿過泥巖與砂巖界面形成穿層；且層間最小水平最小應(yīng)力差大于4～6 MPa時(shí)，可有效阻止裂縫穿層。

3.3 區(qū)域地應(yīng)力方向

在區(qū)域內(nèi)選取四口井開展微地震監(jiān)測，獲得相應(yīng)的區(qū)域SHmax方位如圖6所示。

圖6 克下組微地震監(jiān)測最大水平主應(yīng)力方位匯總和世界地應(yīng)力地圖

七中區(qū)塊克下組油藏最大水平主應(yīng)力方位范圍為NE 73°～NE 85°，平均方位為NE 79.25°，與世界應(yīng)力地圖[7]中所提供該區(qū)域的應(yīng)力方位(NE 75°)基本保持一致。

4 結(jié)論

(1)七中區(qū)塊克下組應(yīng)力主要呈現(xiàn)SHmax>Shmin>Sv的大小關(guān)系，儲(chǔ)層主要受逆斷層控制，當(dāng)采用壓裂增產(chǎn)措施時(shí)傾向于產(chǎn)生水平縫。油藏水平應(yīng)力差范圍在0.7～5 MPa，出現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)難度較大；層間應(yīng)力差范圍在0.4～5 MPa，油藏垂直縫區(qū)域裂縫都較難穿透隔夾層。此時(shí)，合理選擇射孔段位置有利于溝通砂巖和泥巖儲(chǔ)層，提升壓裂效果。

(2)七中區(qū)塊克下組油藏埋深800～1 200 m，綜合巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力條件，壓裂時(shí)建議前置液比例在30.0%左右，平均砂比控制在20.0%左右，施工排量2.0～2.5 m3/min。層間應(yīng)力差較小時(shí)建議采用排量上限(2.5 m3/min)，反之，采用排量下限(2.0 m3/min)，且降低前置液量的同時(shí)增加砂比。