基于疊前巖石力學參數反演的三維地應力預測研究
——以長寧區塊頁巖氣為例

金文輝,井 翠,文 冉,宋修艷,陳珂磷,李雪松,張 奎

(1.四川長寧天然氣開發有限責任公司,成都 610051;2.北京普瑞斯安能源科技有限公司,北京 100085)

0 引言

地應力是存在于地層中的天然應力,地表發生的一切板塊運動、構造變形都是地應力作用的結果[1]。地應力的大小和方向是隨著空間和時間變化的,因而是一個非均質的應力場。在油氣田勘探開發過程中,地應力的大小和方向控制著油氣的生成、運移和聚集,同時,天然裂縫和壓裂縫的展布、地層破裂與坍塌、井網布置與優化、儲層壓裂設計等都與地應力密切相關[2],其研究工作是油氣勘探開發的關鍵環節之一,同時也是溝通地質與工程的重要橋梁[3],在非常規油氣勘探開發中更是如此。以頁巖氣為例,超低孔、特低滲的儲層物性嚴重制約了天然氣的流動性,因此需要通過人工干預手段將頁巖儲層改造為縫網系統,從而改善頁巖的滲流能力[4]。解決上述一系列問題的前提是精確了解地下的地應力狀態。目前,深部地層地應力大小和方向預測技術已經成為油氣勘探開發領域的一大技術難題。

前人在早期的礦山工程建設中對地應力有了初步認識,同時發展了地應力測量技術。最早的原位地應力測量起始于上世紀30年代[5],至今已有近百年歷史。目前,地應力研究方法多達二十余種。常用的方法有水壓致裂法、巖石聲發射法、測井資料估算法、差應變法、應力解除法等[6-11]。但這些方法多依賴于定點取芯試驗或鉆井測井資料,均為點數據,只能代表井點或井周有限范圍內的地應力狀態,不能有效反映井場或區域地應力分布特征,故需要探索新方法開展區域應力場分布特征研究。

近年來,國內外學者們就基于地震方法的地應力預測開展了探索性研究,該方法能夠得到目標區連續的地應力剖面,反映三維空間內任一位置的地應力分布特征。Dilien[12]通過研究地震反射系數與地應力大小的關系,為實現地應力三維預測提供了可能;Tigrek[13]在此基礎上開展了進一步研究,利用地震反射系數獲得巖石力學動態參數,通過動靜態轉換,建立地質力學模型,從而獲得地應力預測結果;Hunt[14]通過地震數據計算曲率和楊氏模量等,對地應力分布進行了預測;何英[15]利用構造應力場模擬,通過計算曲率預測區域構造應力場;宗兆云[16]利用地層裂縫的相關參數預測三維地應力;馬妮[17]基于正交各向異性介質理論,提出了利用方位疊前地震數據預測地應力的方法;熊曉軍[18]等通過疊前彈性參數反演,獲得計算地應力分布的巖石力學參數。

筆者在結合前人研究成果的基礎上,充分利用三維地震資料的優勢,采用井震結合方法,利用構造解釋得到的構造信息(層位與斷層)和地震預測得到的地層信息(速度與密度)、地質力學信息(楊氏模量與泊松比),對地應力方向、最大和最小水平主應力大小及應力差異系數及進行了預測。通過開展長寧區塊區域應力機制研究,并對3口水平井的微地震監測結果進行分析,從而驗證了本文地應力預測結果的合理性,在頁巖氣水平井開發中應用效果良好,具有一定的推廣應用意義。

1 區域地質背景

我國有較為豐富的頁巖氣資源,近年來頁巖氣藏勘探取得了重大進展。川南長寧地區五峰-龍馬溪組深水陸棚相優質頁巖分布穩定、保存條件好,早期開發的寧201井區頁巖氣勘探取得良好效果,頁巖氣勘探潛力大[19-22]。

長寧區塊構造位于四川盤地與云貴高原結合部,川南古坳中隆低陡構造和滇黔北坳陷婁山褶皺帶之間(圖1)。長寧區塊構造以南由婁山褶皺帶控制,以北則主要受川南低褶帶構造演化的影響,以東受四川盆地北東向邊界延伸的影響,以西主要由華鎣山斷裂帶控制,整體表現出縱橫錯落的構造格局。研究區埋深適中,在2 100 m ～3 500 m。主力產氣層位于下志留統龍馬溪組和五峰組,可劃分為五峰組、龍一11、龍一21、龍一31、龍一41共5個小層,主體厚度穩定分布在30 m～50 m,是中國重要的頁巖氣建產區之一[23-24]。

圖1 長寧地區構造區劃與研究區位置圖Fig.1 Structural zoning and study area location map of Changning area

2 地應力預測

本次研究采用的三維地應力預測技術是在地層壓力預測基礎上,借助井筒巖石力學實驗和水力壓裂等數據進行質控分析,并優化了應力計算模型,具體研究路線見圖2。

圖2 地應力預測流程圖Fig.2 Flow chart of ground stress prediction

1)三維地層壓力預測:通過井筒實測的DIFT地層壓力數據和測井資料,建立多種方法的地層壓力預測模型,在此基礎上優選出最佳的地層壓力預測模型。關鍵步驟包括:①利用測井資料和速度場建立3D地層速度模型,通過時深轉換,將疊前反演得到的時間域縱波速度、密度、楊氏模量、泊松比等成果數據轉換至深度域;②利用測井資料擬合Amoco系數,補充淺層密度缺失段,拼接高精度密度反演數據體,求取密度積分,得到上覆地層壓力;③基于有效應力理論,獲取垂直有效應力與地層速度(高精度速度反演體)之間的關系,通過對比井上實測壓力資料,對地層壓力模型參數進行優化,預測孔隙流體壓力和地層壓力系數。這一環節的目標是獲得上覆地層壓力Sv、孔隙壓力Pp,從而為計算由上覆地層泊松效應產生的地應力提供基礎數據。

2)構造應力場模擬:利用構造解釋層位獲取地層的幾何信息,利用儲層反演獲取地層巖性信息(包括厚度、速度和密度),基于廣義胡克定律和薄板理論,求得層位面的地應力參數,包括地層面的曲率張量、變形張量和應力場張量,最終得到主曲率、主應變和主應力,進而獲取目的層應力場展布特征[25-26]。這一環節的目標是預測地應力方向,同時獲取沿著最大、最小水平主應變,從而計算構造應力及殘余應力。地應力大小最終結果來自泊松效應、構造應力和殘余應力的總和。

3)地應力計算模型方法優選與參數擬合:結合區域構造特征與演化,結合實測地應力數據(包含巖心綜合實驗、水壓致裂法等地應力測量結果),分析研究區的區域地應力機制,選取適合本區的地應力大小預測模型,并利用實測地應力數據刻度模型中的未知參數,比如奧特系數、構造應力系數等。利用地質統計學反演得到的高精度巖石力學參數泊松比、楊氏模量數據,結合三維地層壓力預測得到的上覆地層壓力Sv、孔隙壓力Pp和構造應力場模擬得到的最大、最小水平主應變成果,計算本區三維地應力大小。

2.1 地應力方向預測

應力場研究,即研究地應力分布的規律性。地應力方向預測的理論基礎是構造力學[27-30],應力場模擬需要較為理想的模型:假設地層介質是均勻連續、各向同性且完全彈性的,地層的構造變形完全由地應力所致。通常發生彎曲變形地層的寬度和長度都遠遠大于其厚度,因此用薄板彎曲理論可以模擬構造面附近的應力狀態[31-33],前人基于薄板理論預測應力方向的研究與應用較多,筆者不再贅述其原理方法。

本次研究共收集到長寧區塊6口探井的FMI成像測井數據,統計研究區地應力方向數據發現:研究區地應力方向在不同區域內變化較大,NW向、NWW向、近EW向均有分布,反映出本區地應力的復雜多變性(表1)。

表1 長寧區塊最大水平主應力方向預測符合情況統計Tab.1 Statistical table for prediction of maximum horizontal principal stress direction in Changning Block

基于構造力學的應力場數值模擬理論中指出,按構造位置的不同,構造縫發育程度與方向存在較大的差異性,具體表現為:褶皺頂部受拉張應力,底部受擠壓應力,頂部(淺層)拉張縫較為發育,底部(深層)構造縫不發育。在外部擠壓應力作用下,背斜頂部拉張縫發育,方向垂直于最大主應力;向斜構造縫相對不發育,方向平行于最大主應力[34-37]。

應用應力場數值模擬方法,得到了目的層地應力方向分布特征和構造縫分布特征,見圖3。構造應力場模擬結果顯示:長寧區塊目的層五峰組～龍馬溪組在外部擠壓應力作用下,最大水平主應力方向與井筒所在構造位置(圖4)及是否位于斷層附近有關:以D井區為代表的背斜(隆起區)最大主應力方向與構造縫方向垂直。以A井、B井、F井區為代表的向斜(低洼區)最大主應力多與構造縫方向平行,靠近斷裂區域最大水平主應力多與構造縫方向垂直。

圖3 五峰組之上30 m構造縫及最大水平主應力方向疊合圖Fig.3 Overlapping map of 30 m structural joints and maximum horizontal principal stress direction above Wufeng Formation

圖4 五峰組底面構造特征Fig.4 Structural characteristics of the bottom of Wufeng Formation

同時,應力場數值模擬還可反映應力環境的相對強弱,圖3中藍-深藍色區域代表拉張應力環境,應力強度較小,地應力非均質性較弱,對井筒壓裂的影響相對較小;綠-黃-紅-粉紅區域代表擠壓應力環境,應力強度隨著色標由冷變暖而逐漸變大,地應力對井筒壓裂的影響也逐漸增強,在水平井軌跡設計時,應重點考慮粉紅色強應力環境對井筒的影響,盡量避開強應力環境區域。

研究區地應力預測方向與FMI成像測井識別方向吻合情況見表1,研究區6口探井的地應力預測方向基本與井筒FMI識別的最大水平主應力方向一致。研究區各井地應力方向多以NWW、NW向為主,個別井位受局部多組應力共同作用影響,地應力方向呈現多簇特征。地應力方向預測符合率整體較高,證明該方法預測地應力方向具較高的可靠性。

2.2 地應力大小預測

2.2.1 地應力大小預測原理及方法

地應力預測是在一定的假設條件下,利用地應力實測數據建立相對簡單的地應力計算模型,并結合地球物理和測井數據進行地應力計算分析的一種方法,所建立的計算模型在一定程度上直接影響計算結果。目前業內計算地應力的模型主要有:①基于地層處于剪切破壞臨界狀態這一假設,結合最大主應力、最小主應力之間的關系提出的Mohr-Columb模式。②單軸應變模式,具有代表性的計算模型有:Matthews &Kelly模型(1967)、Anderson模型(1973)等。③黃榮樽模式(1984):該模式可以解釋水平應力大于垂向應力的現象,同時也考慮了構造應力的影響;④組合彈簧模式(1988年),又稱斯倫貝謝模式,在其開發的地應力預測商業軟件中廣泛應用;⑤多孔彈性水平應變模型[28-30]。

近年來業內應用較多的是組合彈簧模型和多孔彈性水平應變模型。二者綜合考慮了巖石力學、孔隙流體壓力及構造作用等因素對地應力的影響。模型首先假設巖石為各向同性的均質體,且是滿足線彈性的連續地層,并假設在沉積及后期地質構造運動過程中地層和地層之間無相對位移,地層兩水平方向的應變為常數。本次研究采用的地應力大小預測方法主要依據這兩種理論進行融合與優化,共考慮了3種效應對現今地應力大小的影響,分別是:泊松效應、水平構造應力和殘余應力。其中泊松效應是指上覆地層受地心引力作用對下伏地層產生的應力,又稱重力應力;水平構造應力是指原巖中存在的促使水平方向發生構造運動的應力;殘余應力是古構造應力的殘余場,其作用釋放緩慢,對現今地層仍會產生一定應變影響[31]。與前人采用的地應力模型相比[33-38],筆者增加了殘余應變對現今地應力的影響,在計算公式中增設了構造形變和殘余應力影響因子,可提升受多期構造運動影響較大的研究區塊地應力預測結果的精確度。本次研究采用的預測模型其計算模型如下:

圖5公式中σh為最小水平應力,σH為最大水平應力,σv為上覆地層壓力,α為Biot系數,Pp為孔隙壓力,v為泊松比,E為楊氏模量,εh為水平最小主應變,εH為水平最大主應變,A和B分別為最小、最大構造應力系數,a和b分別為最小、最大構造應力系數,D為深度值。

圖5 采用的地應力大小計算公式Fig.5 The formula for calculating the magnitude of in-situ stress is adopted in this paper

式中α為多孔彈性系數,又稱比奧特(Boit)系數,一般高滲巖心為0.9～1;中滲巖芯為0.8～0.9;低滲為0.6～0.75。一般滿足:孔隙度<α<1,同樣孔隙度的灰巖,其比奧特系數明顯大于同孔隙度的砂巖。骨架結構越穩定,比奧特系數越小。

式中A、B分別為最小和最大主應力方向的應力系數,a、b分別為殘余最小和最大應變系數,均需要鉆井巖心實驗得到的水平應力數據刻度,而水平應力測量數據的常見獲取方式分為兩種:一種來自水力壓裂試驗,該方法可獲得最小水平主應力,再根據胡克定律和Zoback應力多邊形,可推導出最大水平主應力計算模型,也需要工程或實驗室數據進行刻度;另一種為聲發射實驗,利用Kaiser方法可測定最小和最大水平主應力。

圖6中展示了利用前人地應力模型[33-38],即只考慮泊松效應和水平方向構造應力效應的預測結果,和筆者采用的考慮殘余應變對現今地應力的影響后地應力預測結果。二者對比可知,后者在全區橫向地應力變化特征的刻畫上精度更高,更能精確地反映地應力大小的局部變化特征,同時可進一步提高預測結果的符合率,筆者采用的地應力大小預測模型符合率較前人使用模型符合率提高約3%(表2)。

表2 長寧區塊考慮殘余應力前、后最小水平主應力大小預測符合率統計表Tab.2 Statistical table of prediction coincidence rate of minimum horizontal principal stress before and after considering the residual stress in Changning Block

圖6 增設殘余應力前后最小水平主應力預測結果對比Fig.6 The comparison of prediction results of minimum horizontal principal stress model before and after adding residual stress

2.2.2 地應力大小預測結果

針對區域應力機制研究,筆者采用了基于Zoback應力多邊形理論的Anderson模型(如圖5(a)):當垂向應力最大,最小水平主應力足夠小的時候(NF:Shmin

本次研究對長寧區塊巖心綜合實驗獲取的10口井Kaiser實驗數據(包含鄰區4口井,共計25個樣點)進行對比分析,結果表明:長寧區塊五峰組～龍馬溪組最大水平主應力、最小水平主應力、垂向應力的大小排序關系為:SHmax>SV>Shmin,即上覆地層壓力大小處于最大、最小水平主應力之間,為典型的走滑斷層模式(圖7(b))。

圖7 Anderson三種應力環境斷層模式圖及長寧區塊應用結果Fig.7 Anderson three kinds of stress environment fault pattern diagram and Changning Block application results

地應力模型以研究區內6口探井實測地應力數據(Kaiser實驗)為依據,精細刻度了龍馬溪組～五峰組各個地應力計算模型參數,即公式(1)、(2)中的比奧特系數α、構造應力系數a和b、局部應變系數A和B,最終得到最小、最大水平主應力預測結果(圖8、圖9)。

圖8 長寧區塊五峰組之上30 m最小水平主應力預測圖Fig.8 Prediction of minimum horizontal principal stress at 30 m above Wufeng Formation in Changning Block

圖9 長寧區塊五峰組之上30 m最大水平主應力預測圖

五峰組之上20 m基本包含了長寧區塊頁巖氣主力產層:五峰組、龍一11和龍一21小層。由預測結果可知:平面上最小水平主應力系數分布范圍為57 MPa～83 MPa,最大水平主應力系數分布范圍為67 MPa～99 MPa,總體表現為西北和中東部高、中部偏西較低的特征。整體受埋深控制非常明顯(圖10):兩個西北(E井區)和中東部(B、F、C井區以南)向斜深埋區水平主應力較高,兩個高值區中間所夾的中西部條帶(D、A井區之間)淺埋區水平主應力較低。

圖10 長寧區塊五峰組底面埋深圖

研究區地應力大小與巖心實測地應力數據(Kaiser實驗)吻合情況見表3,最大、最小水平主應力的預測符合率均大于90%,證明該方法預測地應力大小具較高的可靠性。

表3 長寧區塊地應力大小預測符合率統計表Tab.3 Statistical table of prediction coincidence rate of in-situ stress in Changning Block

為了更好地表征頁巖地層壓裂改造效果,引入應力差異系數的概念:所謂應力差異系數是指最大與最小水平主應力差值與最小水平主應力的比值。該參數越小,表明地層壓裂后形成網狀縫的能力越強;該參數越大,表明地層壓裂后形成的壓裂縫方向較為單一,儲層改造效果差。利用預測得到的三維最大、最小水平主應力數據體計算應力差異系數,由圖11可知:應力差異系數整體較低,多在0.15～0.2之間,大部分地區的壓裂造縫能力較好。

圖11 長寧區塊五峰組之上30 m應力差異系數預測圖Fig.11 Prediction of stress difference coefficient at 30 m above Wufeng Formation in Changning Block

此外,結合同期裂縫預測研究成果對優質頁巖的可壓性做進一步分析。圖12給出了多尺度裂縫預測圖,圖中紅色代表大尺度裂縫,斷距>20 m,為構造解釋獲得的斷層結果;藍色代表中尺度裂縫,8 m≤斷距≤20 m,為利用地震資料進行機器學習得到的裂縫分布概率體;綠色代表小尺度裂縫,斷距<8 m,為利用地震資料計算的地層曲率體,往往與大中尺度裂縫相伴生,為大中尺度裂縫分支或分布于大中尺度裂縫周緣地區。結合圖11可知:應力差異系數的分布受斷裂及裂縫的控制較為明顯,表現為:斷裂(大、中尺度裂縫)發育區域內,應力差異系數為高值(圖中藍色區域),天然裂縫發育,方向較為單一,不易產生復雜壓裂網,壓裂改造效果受限;小尺度裂縫發育區的應力差異系數為中高值(圖中黃、綠色區域),壓裂可激活天然裂縫,且形成復雜縫網的能力適中,壓裂改造效果中等;多尺度裂縫欠發育區,水平應力差和應力差異系數低值(圖中紅色區域),弱應力區域有利于復雜壓裂縫網的形成,壓裂改造效果較好。

圖12 長寧區塊多尺度斷裂預測平面圖Fig.12 Multi-scale fracture prediction plane map of Changning Block

3 地應力預測應用

隨著石油工業的發展,非常規油氣資源逐漸成為各國油氣田的增產主體。頁巖氣藏在全球范圍有著廣泛的分布,與常規油氣藏相比,頁巖氣藏有著自生自儲、低孔低滲的特點,其實現大規模開采的關鍵在于水平井體積壓裂改造技術的應用。頁巖氣水平井開發,需要對目的層進行壓裂、造縫,能否將頁巖儲層壓裂成網狀縫是導致水平井能否增產的重要因素。

選取研究區內已壓裂投產,且具有微地震資料的3口水平井:X1井、X2井、X3井,結合預測的地應力結果,對主要產氣層的可壓性做定性分析。圖13中分別展示了X3井井周邊天然裂縫發育特征、地應力方向分布特征、應力差異系數分布特征和微地震監測結果:該X3井周邊發育多條過井天然裂縫,且天然裂縫發育分布較為均衡,井筒東西兩側、北段和南段不存在明顯的差異性。

圖13 X3井壓裂效果分析Fig.13 X3 well fracturing effect analysis

地應力環境整體為拉張應力,地應力非均質性較弱,弱應力環境對壓裂造縫較為有利。地應力方向總體與井軌跡方向垂直或高角度斜交,井軌跡設計較為合理,垂直于井筒方向地層易于壓開。綜上所述,天然裂縫發育程度、地應力環境均不是影響最終壓裂效果的主要因素。由微地震檢測結果可知:該井微地震事件在靠近北段數目更多,能量更大,而在靠近水平井南段和中段的微地震事件數目更少,能量較小,反映出水平段壓裂效果的差異性。由應力差異系數預測結果可知,該井在跟端及水平井中段的應力差異系數較大(圖13c中藍色區域),高于0.2,不易產生網狀壓裂縫,這與微地震監測結果吻合,進一步印證了地應力預測結果的可靠性。

應用同樣的研究方法,對X2、X1井壓裂效果進行評價。X2井周邊發育多條過井天然裂縫,水平段北側和南側天然裂縫發育程度略高,中段天然裂縫欠發育;地應力環境整體為拉張應力,地應力非均質性較弱,弱應力環境對壓裂造縫較為有利;且地應力方向總體與井軌跡方向垂直或高角度斜交,井軌跡設計較為合理,垂直于井筒方向地層易于壓開;應力差異系數在中段較高(圖14c中藍色區域),高于0.2,不易產生網狀壓裂縫,而在北側和南側應力差異系數較低,易于產生網狀縫;該井微地震識別的SRV在北側和南側較高,而在水平井中段較低,反映出水平段壓裂效果的差異性。綜上所述,X2井和X3井的壓裂效果受天然裂縫和地應力雙因素控制。

圖14 X2井壓裂效果分析Fig.14 X2 well fracturing effect analysis

圖15分別展示了X1井周邊天然裂縫發育特征、地應力方向分布特征、應力差異系數分布特征和微地震監測結果:該井周邊天然裂縫發育較少,水平段北側天然裂縫發育程度略高于南側,中段天然裂縫欠發育;地應力環境整體為拉張應力,地應力非均質性較弱,弱應力環境對壓裂造縫較為有利;地應力方向總體與井軌跡方向中等角度斜交,考慮到水平段整體應力環境較弱,壓裂縫仍然大概率沿垂直于井筒方向擴展;應力差異系數在靠近北側和中段較高(圖15c中藍色區域),高于0.2,不易產生網狀壓裂縫。而在水平段南側,應力差異系數較低,壓易于產生網狀縫;該井微地震監測結果顯示:在水平段南側微地震事件更多,局部成團狀;而在中段和北段微地震事件相對南側減少,且呈現明顯的單一方向展布,與應力差異系數預測結果吻合。綜上所述,該井壓裂效果受天然裂縫和地應力雙因素控制。

圖15 X1井壓裂效果分析Fig.15 X1 well fracturing effect analysis

4 結論

筆者采用三維地應力預測技術成功在長寧區塊實際資料中進行了應用。長寧區塊最大/最小水平主應力均受埋深影響最大,呈現深埋區高應力,淺埋區低應力的特征。全區應力差異系數均受埋深(構造)和斷裂的雙重影響:深埋區、向斜中心部位及靠近斷裂區域內應力差異系數較大,地應力非均質性較高;淺埋區、向斜斜坡與斷隆部位及遠離斷裂部位應力差異系數較小,地應力非均質性較低,易于壓裂改造,且應力差異系數越小,越有利于形成壓裂縫網,有利于水平井壓裂改造。