洛帶蓬萊鎮(zhèn)組地應(yīng)力特征及壓裂應(yīng)用研究

劉其明 黃建智

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石油青海油田井下作業(yè)公司測(cè)試隊(duì)，青海 海西州 816400）

0 引言

洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層致密，孔隙度平均為11.2%，滲透率平均為2.0×10-3μm2，自然產(chǎn)能低，需通過(guò)水力壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能，但壓后評(píng)估發(fā)現(xiàn)效果差別較大；由于地應(yīng)力特征影響著水力壓裂施工所產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)狀等參數(shù)，在壓裂液及支撐劑的選擇上也需考慮地應(yīng)力特征，因此，要科學(xué)、合理、高效開(kāi)發(fā)該氣藏，實(shí)施合理的水力壓裂增產(chǎn)措施，開(kāi)展地應(yīng)力特征研究是十分必要的。

1 地應(yīng)力剖面的建立

實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定地應(yīng)力，測(cè)量數(shù)量有限，不能得到連續(xù)的地應(yīng)力剖面，而測(cè)井資料具有連續(xù)性好，分辨率高的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)井資料可以獲得連續(xù)的地應(yīng)力剖面。目前計(jì)算地應(yīng)力剖面常用的模型有黃氏模型和彈簧組合模型［1］。黃氏模型即：

β1和β2為系數(shù)，在同一構(gòu)造為常數(shù)，該模式多適用于構(gòu)造平緩地區(qū)。

彈簧組合模型是在分析黃氏模式存在不足的基礎(chǔ)上，假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性體，并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，地層和地層之間不發(fā)生相對(duì)位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。由廣義虎克定律得到：

式中，εH、εh分別為最大、最小水平地應(yīng)力方向的應(yīng)變，在同一構(gòu)造為常數(shù)；E、μ分別為巖石的彈性模量和泊松比。當(dāng)不同巖層發(fā)生相同應(yīng)變時(shí)，最大和最小水平應(yīng)力均隨彈性模量的增大而增大，該模型主要適用于構(gòu)造變形強(qiáng)的地區(qū)。

垂向地應(yīng)力是由上覆地層重力引起的，它是隨著地層密度和深度而變化的，因此可用密度測(cè)井資料來(lái)求出垂向地應(yīng)力：

式中，g 為重力加速度，m／s2；ΔDi為第i段地層厚度，m；ρi為密度測(cè)井曲線(xiàn)上第i段的平均體積密度，g／cm3。

參數(shù)的確定：彈性模量和泊松比是將大量巖心實(shí)驗(yàn)成果在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)上標(biāo)定、交匯建立關(guān)系式，然后通過(guò)關(guān)系式利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立彈性模量和泊松比連續(xù)剖面。εH、εh是將地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)或水力壓裂資料確定的地應(yīng)力大小代入彈簧組合模型反算獲得的。

2 地應(yīng)力剖面特征

對(duì)地應(yīng)力剖面分析發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)層段與上下圍巖相對(duì)致密程度的不同，導(dǎo)致儲(chǔ)層段與上下圍巖地應(yīng)力大小關(guān)系各異。根據(jù)儲(chǔ)層與上下圍巖關(guān)系可以將洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組地應(yīng)力剖面分為3 類(lèi)：高低高型、高低低型、低高低型。

2.1 高低高型

該類(lèi)型剖面特征表現(xiàn)為儲(chǔ)層處于低應(yīng)力段，上下圍巖地應(yīng)力明顯大于儲(chǔ)層段，一般差值在3～5 MPa 以上。如龍40 井JP23儲(chǔ)層段最小水平主應(yīng)力在10 MPa左右，上部圍巖（721～7 724 m）最小水平主應(yīng)力在15～18 MPa 左右，下部圍巖（738～741 m）最小水平主應(yīng)力在15～25 MPa 左右，儲(chǔ)層段最小水平主應(yīng)力比上下圍巖地應(yīng)力低5～8 MPa，應(yīng)力差值較大（圖1）。

2.2 高低低型

該類(lèi)剖面特征是儲(chǔ)層處于相對(duì)低應(yīng)力段，上部圍巖地應(yīng)力大于儲(chǔ)層段，下部圍巖地應(yīng)力比儲(chǔ)層段小或相近。如龍1 井JP23儲(chǔ)層段最小水平主應(yīng)力在7～9 MPa 左右，上部圍巖最小水平主應(yīng)力為15～20 MPa，比儲(chǔ)層段高8 MPa以上，下部圍巖最小水平主應(yīng)力在3～8 MPa 左右，儲(chǔ)層段和下部圍巖應(yīng)力大小差不多（圖2）。

2.3 低高低型

特點(diǎn)為儲(chǔ)層處于相對(duì)高應(yīng)力段，上下圍巖地應(yīng)力明顯小于儲(chǔ)層段。如龍10井JP34儲(chǔ)層段地應(yīng)力比上下圍巖高6 MPa 以上（圖3），儲(chǔ)層段最小水平地應(yīng)力在24～30 MPa 左右，上下圍巖最小水平地應(yīng)力在18～24 MPa左右，儲(chǔ)層段地應(yīng)力比圍巖段高。

圖1 龍40井地應(yīng)力剖面圖

圖2 龍1井地應(yīng)力剖面圖

圖3 龍10井地應(yīng)力剖面圖

3 地應(yīng)力在壓裂中的應(yīng)用

3.1 支撐劑的選擇

在水力壓裂設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)單井應(yīng)力情況選用相應(yīng)的支撐劑，在滿(mǎn)足承壓能力的同時(shí)結(jié)合成本以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，提高油氣層改造的經(jīng)濟(jì)效益。支撐劑所承受的壓力與最小水平主應(yīng)力之間有如下關(guān)系：

式中，pa為支撐劑所受的壓力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；pwf為井底流動(dòng)壓力，MPa。

統(tǒng)計(jì)蓬萊鎮(zhèn)組主要目的層最小水平主應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層地應(yīng)力分布在10～30 MPa 之間，且隨埋深增加而增大，在JP33及以上儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力值小于27 MPa。根據(jù)石英砂受力破碎實(shí)驗(yàn)，在小于27 MPa 條件下破碎率小于7%［2］，可用于最小主應(yīng)力小于27 MPa 的儲(chǔ)層，由于石英砂較陶粒便宜得多，因此，JP33及以上儲(chǔ)層改造可選用石英砂作支撐劑，以降低施工成本，之下儲(chǔ)層可選低密度陶粒。

3.2 預(yù)測(cè)裂縫高度

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組只極少數(shù)應(yīng)力狀態(tài)為垂向應(yīng)力最小，水力壓裂縫多為垂直縫，壓裂縫高主要與圍巖性質(zhì)、圍巖與儲(chǔ)層應(yīng)力差、儲(chǔ)層厚度、壓裂施工工藝、規(guī)模等因素有關(guān)。根據(jù)周文教授的研究成果，氣層與圍巖應(yīng)力差值在5 MPa 以上、圍巖厚度在5 m以上的穩(wěn)定隔層時(shí)，壓裂縫高度能有效控制，壓裂縫的穿層性弱［3］。據(jù)此，可根據(jù)洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組不同應(yīng)力剖面模型預(yù)測(cè)裂縫高度，為施工優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高低高型儲(chǔ)層段應(yīng)力明顯比上下圍巖低，只要厚度超過(guò)5 m，壓裂縫主要在儲(chǔ)層內(nèi)延伸，壓裂高度小于或等于儲(chǔ)層厚度；高低低型由于上部圍巖應(yīng)力高，無(wú)法向上延伸，但向下延伸較大，直到高應(yīng)力段，裂縫不全在儲(chǔ)層段，縫高較大。低高低型氣層一般很難壓開(kāi)，裂縫主要在圍巖中延伸，所產(chǎn)生的裂縫縫高很高，必定穿過(guò)所有低應(yīng)力區(qū)，當(dāng)達(dá)到大于該油層的高應(yīng)力值后，縫高才能停止增長(zhǎng)。

3.3 優(yōu)選壓裂層位

氣層壓裂效果除與氣層厚度、含氣性、施工技術(shù)因素有關(guān)外，還與地應(yīng)力剖面類(lèi)型有很大關(guān)系。根據(jù)對(duì)儲(chǔ)層改造后的測(cè)試成果分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)試獲得高產(chǎn)的氣層地應(yīng)力剖面均表現(xiàn)為高低高型，這是因?yàn)閴毫芽p高度得到有效控制，支撐劑全在油氣層內(nèi)，導(dǎo)流能力強(qiáng)，產(chǎn)量高，壓裂效果最好。

高低低型氣層因上部圍巖應(yīng)力高，壓裂縫向上受限，但裂縫在下部圍巖低應(yīng)力段擴(kuò)展，裂高增大，部分支撐劑進(jìn)入圍巖中，降低導(dǎo)流能力，壓裂效果較差，壓后測(cè)試產(chǎn)能多在幾千立方米。

低高低型氣層難以壓開(kāi)，要想壓開(kāi)需要進(jìn)行大排量、高泵壓、大功率的大規(guī)模壓裂施工，所產(chǎn)生的裂縫縫高很高，支撐劑多在圍巖中，導(dǎo)流能力差，壓裂效果也差，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組壓后未獲得產(chǎn)量的井層多表現(xiàn)為這類(lèi)剖面。

總之，地應(yīng)力剖面類(lèi)型對(duì)壓裂效果影響較大，高低高型剖面由于能夠有效控制壓裂縫高度，支撐劑全在油氣層內(nèi)，導(dǎo)流能力強(qiáng)，改造后的效果較好，建議優(yōu)選這類(lèi)剖面氣層進(jìn)行儲(chǔ)層改造。

4 結(jié)論與建議

1）洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組地應(yīng)力剖面有3 種類(lèi)型：高低高型、高低低型、低高低型，其中高低高型因圍巖應(yīng)力明顯大于儲(chǔ)層段，壓裂縫高度得以有效控制，改造后的效果好，建議優(yōu)選該類(lèi)剖面氣層進(jìn)行壓裂改造。

2）洛帶蓬萊鎮(zhèn)組地應(yīng)力大小隨埋深增加而增大，在JP33及以上儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力值小于27 MPa，為降低施工成本，可選用石英砂作支撐劑。

［1］胡湘，高德利.油氣井工程［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2003：85-113.

［2］甘振維，王世澤，任山.致密砂巖氣藏儲(chǔ)層改造技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2012：90-98.

［3］周文，閆長(zhǎng)輝，王世澤.油氣藏現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007：131-139.