地應(yīng)力分析在鄂西渝東地區(qū)頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用

張 斌 楊佳玲 解 琪 劉 煒 黃曉凱

(1.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)

0 引言

在油氣層壓裂改造中，地應(yīng)力狀態(tài)、地層巖石的力學(xué)性質(zhì)決定著水力裂縫的形態(tài)、方位、高度和寬度，影響著壓裂的增產(chǎn)效果，而地應(yīng)力剖面分析則對水平井井眼方位、射孔井段、施工規(guī)模、施工工藝等參數(shù)的確定具有指導(dǎo)意義。近年來，江漢油田在鄂西渝東地區(qū)頁巖氣的壓裂改造方面取得了突破，一個很重要的因素是地應(yīng)力測量為壓裂改造技術(shù)提供了支撐，通過分析地應(yīng)力分量之間的關(guān)系，可以確定產(chǎn)生水力壓裂裂縫的形態(tài)，也為鉆井、壓裂改造以及氣井的生產(chǎn)管理提供了依據(jù)。通過地應(yīng)力方向測量，明確了地應(yīng)力與天然裂縫、水力裂縫的關(guān)系，為壓裂改造方案的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。因此，加強地應(yīng)力剖面的分析研究，是進一步提高頁巖氣勘探開發(fā)中壓裂工藝成功率、措施效果、效益和技術(shù)水平的基礎(chǔ)。

1 鄂西渝東地區(qū)地應(yīng)力剖面的建立

由于地層間或?qū)觾?nèi)的不同巖性巖石的物理特性、力學(xué)特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力分布的非均勻性。因為層間應(yīng)力差對水力裂縫的擴展起著重要的約束作用，所以描述裂縫擴展必須考慮層間地應(yīng)力的變化規(guī)律。結(jié)合測井資料和分層地應(yīng)力解釋模型，可分析層內(nèi)或?qū)娱g地應(yīng)力大小。石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)室黃榮樽教授等人假設(shè)地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力與水平方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，且水平方向的構(gòu)造應(yīng)力與上覆壓力成正比，該模式考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響，但沒有考慮剛性地層和巖性對地應(yīng)力的影響，這就是早期的六五模式[1]:

式中:

σH—最小水平地應(yīng)力，MPa;

σz—上覆壓力，MPa;

ω1、ω2—應(yīng)力構(gòu)造系數(shù);

μs—地層靜態(tài)泊松比;

α—畢奧特常數(shù);

Pp—孔隙壓力，MPa。

在六五模式的基礎(chǔ)上，假設(shè)地層為均質(zhì)各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質(zhì)構(gòu)造運動過程中，地層與地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)，則得到七五模式:

式中:

ξ1、ξ2—由彈性模量引起的地應(yīng)力變化系數(shù);

Es—地層靜態(tài)彈性模量，MPa。

七五模式意味著地應(yīng)力不但與泊松比有關(guān)，也與地層的彈性模量有關(guān)。

綜上所述，在充分考慮地層特性的基礎(chǔ)上，假定在沉積后期地質(zhì)構(gòu)造運動過程中，井眼穿越構(gòu)造單元層系內(nèi)地層與地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)，則鄂西渝東地區(qū)最小水平地應(yīng)力預(yù)測模型可在上述模式的基礎(chǔ)上發(fā)展為:

式中:

εx—應(yīng)力構(gòu)造系數(shù);

σ—構(gòu)造應(yīng)力，MPa。

2 地應(yīng)力分析在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 地應(yīng)力方向與水平井井眼方位

水平井井眼方位直接決定了后期壓裂改造的效果，而人工裂縫的形態(tài)取決于氣藏現(xiàn)今地應(yīng)力的大小和方向，當(dāng)井筒水平延伸方向與地層最小主應(yīng)力方向一致時，將形成一系列垂直于井筒的平行裂縫串;當(dāng)井筒水平延伸方向與地層最小主應(yīng)力方向垂直時，將形成一條雙翼的平行于水平井筒的裂縫[2，3]。因此，要根據(jù)所需的裂縫形態(tài)和地應(yīng)力方向來設(shè)計井眼方位。

從電成像測井分析地應(yīng)力方向，F(xiàn)MI圖像還可直觀顯示誘導(dǎo)縫(圖1)，由井周切向應(yīng)力分析可知，在最大水平主應(yīng)力方向上有最小的井周切向應(yīng)力，當(dāng)泥漿柱壓力大到一定程度時，該最小井周切向應(yīng)力將變?yōu)樨撝?，即由壓性?yīng)力變?yōu)閺埿詰?yīng)力，一旦該張性應(yīng)力超過該巖石抗張強度，就在井壁產(chǎn)生張性的誘導(dǎo)縫，所以鉆井誘導(dǎo)縫的走向或壓裂縫方向可以指示井區(qū)附近現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向。

圖1 建111井FMI成像測井解釋圖

通過地應(yīng)力方向分析，鄂西渝東地區(qū)東岳廟段頁巖儲層的現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向一般為(70°～100°) ～(250°～280°)范圍內(nèi)，近東-西向，因此，根據(jù)水平井井眼方位的設(shè)計原則，設(shè)計建頁HF-1井的井眼軌跡如圖2所示，綜合考慮天然裂縫及應(yīng)力方向，設(shè)計建頁HF-1井方位角為352.5°，即井眼軌跡方向垂直于最大水平主應(yīng)力方向。

圖2 建頁HF-1井井眼軌跡設(shè)計平面圖

2.2 地應(yīng)力分析與壓裂工程參數(shù)

在實際壓裂施工中，裂縫高度的延伸是動態(tài)變化的，在不同的施工壓力條件下，裂縫高度的延伸狀況主要受壓裂層段上最小主應(yīng)力的分布情況控制。鄂西渝東區(qū)兩口頁巖氣井建111井和河頁1井從射孔井段、合理壓裂工藝的確定、應(yīng)用全三維壓裂模擬軟件進行壓裂工程參數(shù)優(yōu)化到現(xiàn)場施工的指導(dǎo)，地應(yīng)力分析都發(fā)揮了積極的作用。

(1)射孔方案優(yōu)化

根據(jù)應(yīng)力剖面、結(jié)合儲層的巖性特征和油氣顯示，確定射孔井段和相應(yīng)的施工工藝。圖3是通過Gohfer2007壓裂軟件[3]計算河頁1井志留系龍馬溪組-五峰組應(yīng)力剖面圖。

常規(guī)的射孔方案就是在儲層中部一次射孔壓裂，而利用特殊測井模型建立的地應(yīng)力剖面分析發(fā)現(xiàn)，儲層上部和下部都處于高應(yīng)力區(qū)可作為遮擋層，且下部應(yīng)力要明顯高于上部，因此在優(yōu)化射孔方案時，確定分兩簇靠近儲層中下部射孔壓裂。從微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果來看，裂縫主要向儲層上部延伸，這與應(yīng)力剖面分析結(jié)果相一致。

(2)施工規(guī)模優(yōu)化

為了準確掌握單井縱向上的地應(yīng)力分布規(guī)律，室內(nèi)需要對不同層段的巖心進行巖石力學(xué)試驗，如果對于措施井普遍進行多個非產(chǎn)層段測定應(yīng)力是不合算的，因此建立一個地區(qū)的分層地應(yīng)力分析模型是必要的，且需要室內(nèi)巖石力學(xué)試驗、現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)及測井?dāng)?shù)據(jù)分析等多方面共同支持。以鄂西渝東地區(qū)建111井為例，首先對該井產(chǎn)層?xùn)|岳廟段巖心進行了巖石力學(xué)試驗，初步掌握各層段的巖石力學(xué)特征，表1給出了產(chǎn)層660m的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗結(jié)果。

圖3 河頁1井頁巖段應(yīng)力剖面圖

表1 建111井地應(yīng)力大小測試結(jié)果

從表1中結(jié)果可以看出，垂向主應(yīng)力要大于水平主應(yīng)力，因此，在壓裂過程中，裂縫以垂直縫為主，通過Gohfer2007壓裂軟件模擬的建111井東岳廟段應(yīng)力剖面和壓裂裂縫圖(圖4)可以看到，從測井曲線及應(yīng)力分析圖中可以發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的分布情況與單井的GR值有較大的相關(guān)性。儲層應(yīng)力明顯要高于其上部應(yīng)力，通過模擬壓裂裂縫也明顯往儲層上部低應(yīng)力區(qū)竄，由于該層位上部距離水層較近，而且該井屬于淺井，因此，在綜合分析其應(yīng)力剖面、裂縫走向、裂縫形態(tài)等參數(shù)情況下，應(yīng)該適當(dāng)?shù)亟档褪┕ひ?guī)模及施工排量(頁巖氣壓裂施工排量一般大于10m3/min)。

圖4 建111井頁巖段應(yīng)力剖面及壓裂裂縫模擬情況

通過軟件模擬優(yōu)化，實際施工總液量為2000m3，砂量65m3，最高砂比10%，施工排量9m3/min，模擬動態(tài)縫高 33.7m(縫高頂界 608m，縫高底界641.7m)，壓裂后獲得3361m3/d的工業(yè)氣流，目前建111井穩(wěn)產(chǎn)2100m3/d。

(3)支撐劑優(yōu)選

在支撐裂縫中，支撐劑所承受的壓力與最小主應(yīng)力之間有如下的關(guān)系:

式中:

Pa—為支撐劑所承受的壓力，MPa;

Pwf—為井底流動壓力MPa;

δh—為最小水平主應(yīng)力MPa。

實際上，在裂縫中不同位置處，支撐劑所承受的壓力是不一樣的，上式只是一個平均的概念?？梢钥闯?，在井底流壓一定時，最小主應(yīng)力越大，支撐劑所承受的壓力也越大，對支撐劑強度及導(dǎo)流能力等的要求也越高。

通過對建111井小型壓裂測試結(jié)果分析，得到天然裂縫閉合壓力為10.83MPa，主裂縫的閉合壓力10.21MPa，設(shè)計中選擇的支撐劑是40/70目石英砂，其抗壓強度達到35MPa，能夠滿足施工要求。

2.3 地應(yīng)力與裂縫形態(tài)

實際壓裂施工中，裂縫的高度不是一個固定的高度，而是在沿最大水平主應(yīng)力方向推進的過程中，在縱向上受最小水平主應(yīng)力的變化而變化的動態(tài)高度。因此，研究最小水平主應(yīng)力在縱向上的分布規(guī)律，這對于壓裂的真三維模擬，在壓裂施工中，裂縫有三種形態(tài)(圖 5)[1，5，6]:正交橫向縫、縱向縫、水平縫，水力裂縫的起裂縫是先在地層最小水平主應(yīng)力剖面的最低應(yīng)力段開始，裂縫的高度也是先在最低應(yīng)力段擴展，裂縫高度升高和降低的動態(tài)變化是隨著地層剖面最小水平主應(yīng)力的變化而變化的，剖面上每段應(yīng)力的差異都影響著裂縫縫高的變化，當(dāng)裂縫中的壓力值大于某一段的最小水平主應(yīng)力值時，裂縫將穿透這一段;當(dāng)裂縫中的壓力值小于某一段的最小水平主應(yīng)力值時，這一段將起到遮擋層的作用，裂縫不能穿透這一層。由此可見，儲層和隔層的最小水平主應(yīng)力在垂向剖面上的大小變化，直接影響著裂縫的高度。

圖5 裂縫形態(tài)與應(yīng)力關(guān)系圖

由于壓裂縫走向基本平行最大水平主應(yīng)力方向，針對頁巖氣的壓裂必須同時考慮地應(yīng)力方向和天然裂縫的走向特征。若在壓裂過程中采取同步壓裂技術(shù)，通過兩口井地應(yīng)力的互相誘導(dǎo)作用，可以促使兩口井形成比單獨壓裂更多的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加水力壓裂網(wǎng)絡(luò)的密度，或增加壓裂作業(yè)產(chǎn)生的泄氣面積。

3 結(jié)論與建議

(1)鄂西渝東地區(qū)頁巖氣的開發(fā)應(yīng)用地應(yīng)力剖面分析結(jié)果非常必要，應(yīng)力分析模型中各相關(guān)系數(shù)的確定可以依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力的試驗結(jié)果;或者利用小型壓裂分析中的數(shù)據(jù)擬合方法進行相關(guān)參數(shù)的校正。

(2)針對頁巖氣水平井鉆探，利用測井資料判斷地層現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向和裂縫走向已成為鄂西渝東地區(qū)水平井方位設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要因素;設(shè)計水平井井方位跡應(yīng)與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向垂直或斜交，以提高水平井開發(fā)效果。

(3)鄂西渝東地區(qū)頁巖氣的開發(fā)尚處于起步階段，如何利用地應(yīng)力測量技術(shù)建立相應(yīng)的地應(yīng)力剖面，利用地應(yīng)力的分析更好地優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，有待進一步的實踐研究以增強壓裂設(shè)計的科學(xué)性和針對性。

(4)壓裂過程中裂縫的形態(tài)直接影響到壓裂效果和壓后分析，建議加強裂縫監(jiān)測技術(shù)研究，同時應(yīng)加強縱向上和平面上地應(yīng)力的分布規(guī)律研究，這對于壓裂軟件的模擬校正，對于壓裂施工中裂縫實際形態(tài)的控制都具有重要意義。

1 劉向君，羅平亞.巖石力學(xué)與石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社，2004:101-102.

2 Hudson P J.Hydraulic fracturing in horizontal wellbores[J].SPE23950，1992.

3 趙群，王紅巖.世界頁巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及我國勘探前景[J].天然氣技術(shù)，2008，2(03):11-14.

4 龐飛.水力壓裂模擬研究[D].北京:石油大學(xué)，1999.

5 張廣清，陳勉.水平井水力裂縫非平面擴展研究[J].石油學(xué)報，2005，26(3):95-97.

6 陳治喜.水力壓裂機理和力學(xué)研究[D].北京:石油大學(xué)(北京)，1997.