錦州X 潛山油藏裂縫應(yīng)力狀態(tài)分析及開啟狀態(tài)預(yù)測(cè)

高智梁，柴世超，李恩林，孟向麗，張 寧，羅 珊

（1.中海石油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司，天津塘沽300450；2.中海石油有限公司天津分公司）

目前渤海變質(zhì)巖潛山油藏的勘探開發(fā)已顯示出巨大潛力［1］。由于變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層是典型雙重孔隙介質(zhì)，其裂縫系統(tǒng)和巖塊系統(tǒng)具備不同滲流特征和驅(qū)替機(jī)理。裂縫系統(tǒng)作為常規(guī)方法開采的主要對(duì)象，其可采儲(chǔ)量占總可采儲(chǔ)量的70%以上，而巖塊系統(tǒng)儲(chǔ)量難以得到有效利用［2-3］。油藏降壓開采是提高巖塊系統(tǒng)儲(chǔ)量動(dòng)用程度、增大巖塊系統(tǒng)貢獻(xiàn)量的有效途徑［4］，但是，降壓開采過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)裂縫閉合現(xiàn)象，降低儲(chǔ)層整體滲透性，影響油田開發(fā)效果。本文以錦州X 潛山油藏為例，通過(guò)斷面（裂縫面）應(yīng)力狀態(tài)分析，確定其地層壓力變化對(duì)裂縫面開啟狀態(tài)的影響程度，指導(dǎo)本油田及類似潛山裂縫油藏的勘探開發(fā)。

錦州X 油田位于渤海遼東灣遼西凸起中北段（圖1），構(gòu)造上是一個(gè)狹長(zhǎng)的北東向凸起，西側(cè)緊鄰遼西凹陷中洼，東側(cè)毗鄰遼中凹陷中、北洼。太古界潛山是其主力產(chǎn)層之一，主要分布于構(gòu)造東高點(diǎn)，上覆沙三段泥巖，屬風(fēng)化體塊狀儲(chǔ)集層地貌潛山，該油田是目前渤海海域投入開發(fā)規(guī)模最大的變質(zhì)巖潛山油藏［5-7］。

1 裂縫面（斷面）壓力確定原理

童亨茂（1998）利用斷面正壓力和流體壓力耦合關(guān)系，建立了描述斷裂（裂縫）面開啟或閉合的定量數(shù)學(xué)模型［8］。斷面壓力是指斷面所承受的凈壓力值，與斷面正壓力和孔隙流體壓力（地層壓力）有關(guān)。

斷面正壓力主要受上覆巖石重力作用和水平構(gòu)造應(yīng)力作用影響。根據(jù)巖石非線性彈性變形假設(shè)，可以確定上覆巖石重力作用引起的垂向應(yīng)力σgv和水平方向應(yīng)力σgh［8］：

圖1 錦州X油田區(qū)域位置圖（據(jù)周心懷 等，2005）

式中：ρs——上覆巖石平均密度，g／cm3；h——儲(chǔ)層埋深，m；g——重力加速度m／s2；μ——泊松比，無(wú)量綱；n——與非線性壓縮有關(guān)的常數(shù)，一般巖石采用0.67。

考慮地殼內(nèi)普遍存在的水平構(gòu)造應(yīng)力，得出地殼內(nèi)某一點(diǎn)上所受的水平方向應(yīng)力（σh1、σh2）為［8］：

式中：σh1、σh2——分別為水平方向的兩個(gè)總應(yīng)力，MPa；σta，σti——分別為水平方向構(gòu)造應(yīng)力，MPa。

根據(jù)斷面壓力定義，利用作用在斷面上的垂向應(yīng)力σgv和水平方向應(yīng)力σh1、σh2，計(jì)算斷面正壓力σn［8］：σn＝

式中：θ——裂縫傾角，°；φ——裂縫走向與水平構(gòu)造最大主應(yīng)力夾角，°。

當(dāng)孔隙流體壓力（地層壓力）為Pw時(shí)，斷面壓力Pf可表示為：

理論上在完全彈性條件下，當(dāng)斷面正壓力大于孔隙流體壓力，即斷面壓力Pf大于0時(shí)，斷面會(huì)處于閉合狀態(tài)，而當(dāng)孔隙流體壓力大于斷面正壓力，即Pf小于0時(shí)，斷面會(huì)處于開啟狀態(tài)。實(shí)際上，由于斷面兩側(cè)巖石具有變形特性，當(dāng)斷面壓力處于上述兩種狀態(tài)時(shí)，斷面也不一定處于開啟、閉合狀態(tài)。對(duì)于斷面開啟的斷層，即使斷面正壓力大于孔隙流體壓力，但斷面壓力不能克服巖石變形強(qiáng)度時(shí)，斷層仍將處于開啟狀態(tài)，只有當(dāng)斷面壓力Pf大于或等于巖石變形強(qiáng)度后，斷面兩側(cè)巖石發(fā)生破裂、變形，進(jìn)而使斷面閉合。相反，對(duì)于斷面閉合的斷層，除需要克服斷面正壓力，還必須克服巖石變形強(qiáng)度，斷面才能開啟［9］。

上述討論未考慮斷層巖體在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變，進(jìn)而使斷面逐漸閉合的因素。由于本文討論的是在油藏開發(fā)過(guò)程中地層壓力發(fā)生變化時(shí)，短時(shí)期內(nèi)儲(chǔ)層裂縫的狀態(tài)變化及對(duì)儲(chǔ)層滲透性帶來(lái)的影響，因此可忽略巖石長(zhǎng)期蠕變對(duì)裂縫開啟狀態(tài)的影響。

2 錦州X潛山油藏裂縫開啟、閉合狀態(tài)分析

汪周華等（2006）、周 文等（2008）和李勇明等（2009），通過(guò)物理模擬方法研究發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石的孔滲性會(huì)隨巖層圍壓、地層壓力等升降而發(fā)生變化，特別是裂縫系統(tǒng)滲透性受地層壓力變化的影響尤其明顯［9-11］。因此，有必要對(duì)錦州X 南潛山油藏開發(fā)過(guò)程中，地層壓力變化與裂縫開啟狀態(tài)間的關(guān)系進(jìn)行分析和估算。

2.1 裂縫面壓力預(yù)測(cè)參數(shù)

從斷面正壓力計(jì)算公式（5）可以看出，分析、估算裂縫面正壓力需要以下參數(shù)：儲(chǔ)層埋深、上覆巖層平均密度、裂縫傾角、走向、構(gòu)造應(yīng)力值和主應(yīng)力方向以及巖石力學(xué)參數(shù)等。

2.1.1 儲(chǔ)層埋深及上覆巖層平均密度

根據(jù)探井及開發(fā)井實(shí)際鉆遇情況，錦州X 潛山油藏儲(chǔ)層構(gòu)造幅度中部埋深約1 800 m。上覆巖層平均密度采用研究區(qū)內(nèi)沙河街組一口采油井的測(cè)井解釋成果的平均值，約2.26 g／cm3，由于該層段位于潛山上覆巖層下部，壓實(shí)作用較強(qiáng)，因此該值較實(shí)際平均密度要大。

2.1.2 儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征

根據(jù)錦州X 南7 口探井鉆井取心和旋轉(zhuǎn)井壁取心分析，區(qū)內(nèi)潛山變質(zhì)巖儲(chǔ)層在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力下，發(fā)育了多組裂縫。裂縫線密度以50～150條／m 為主，裂縫有效面孔率一般為0.2%～3.41%，裂縫平均寬度為0.3～1.2 mm，以0.5～1.0mm 為主。裂縫傾角為15°～80°，其中，以45°～60°高角度斜交縫為主，裂縫走向主要有兩組：北東- 南西向（NE40°）、北北西-南南東向（NE150°）［6-7］（圖2）。

圖2 錦州X潛山油藏裂縫發(fā)育方位（據(jù)鄧強(qiáng)，2007）

2.1.3 巖石力學(xué)特性

巖石的泊松比、楊氏模量及抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)直接影響儲(chǔ)層裂縫面壓力和兩壁巖石的變形特性，與裂縫面的開啟與閉合密切相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)潛山儲(chǔ)層巖石未進(jìn)行相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，參考李行船等（2001）進(jìn)行埕北30潛山油藏儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)研究時(shí)所做的儲(chǔ)層片麻巖力學(xué)特性參數(shù)［12］，確定巖石力學(xué)特性：非斷層（裂縫）處巖石抗壓強(qiáng)度252 MPa，楊氏模量53.95 GPa，泊松比0.28。斷層（裂縫）處巖石力學(xué)參數(shù)值是非斷層（裂縫）處的60%［13］。

2.1.4 現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力值及主應(yīng)力方向

研究區(qū)處于下遼河盆地范圍內(nèi)，其現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可借鑒下遼河盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。石盛昌等（1999）、馬寅生（2004）等研究下遼河盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)演化時(shí)，采用井壁崩落法、聲發(fā)射法、水壓致裂法等地應(yīng)力場(chǎng)分析方法，確定了下遼河盆地及鄰區(qū)現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)為NW-SE向拉張應(yīng)力，區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向80°～100°，平均82°，最大主壓應(yīng)力大小約45 MPa，最小主壓應(yīng)力大小約31 MPa［14-15］。綜上所述，裂縫面壓力預(yù)測(cè)參數(shù)見表1。

表1 裂縫面壓力計(jì)算參數(shù)

2.2 裂縫面應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)裂縫不同傾角和不同方位，按照式（5）試算四組不同組合下的裂縫面正壓力σn，結(jié)果見表2。

表2 錦州X潛山儲(chǔ)層裂縫面正壓力計(jì)算結(jié)果

從中可以看出，錦州X 油田不同產(chǎn)狀裂縫面正壓力σn范圍在52～72 MPa之間，且主要受裂縫傾角影響，傾角較小的裂縫面正壓力較大，與前人認(rèn)識(shí)相符［16］。目前潛山油藏地層壓力Pw約10.5 MPa，因此根據(jù)式（6）計(jì)算儲(chǔ)層裂縫面壓力Pf范圍在41.5～61.5 MPa之間。同時(shí)根據(jù)討論，只有在裂縫面壓力超過(guò)兩壁處巖石變形強(qiáng)度后，裂縫面閉合、開啟狀態(tài)才會(huì)發(fā)生變化。儲(chǔ)層裂縫處巖石力學(xué)參數(shù)可取非裂縫處巖石抗壓強(qiáng)度的60%［13］，即裂縫兩壁處巖石變形強(qiáng)度σz為：151.2 MPa

2.3 油田裂縫面開啟、閉合狀態(tài)分析

由以上預(yù)測(cè)的裂縫面各應(yīng)力狀態(tài)分布范圍可以看到，裂縫兩壁處巖石變形強(qiáng)度σz明顯大于裂縫面壓力Pf，裂縫面壓力尚未達(dá)到使兩壁巖石發(fā)生變形的程度，不能造成裂縫面開啟或閉合狀態(tài)的變化。地層壓力值與另外兩者差值相比明顯偏小，因此，地層壓力變化不能明顯影響裂縫面的閉合或開啟狀態(tài)。即錦州X 油田開發(fā)過(guò)程中地層壓力由原始值17 MPa下降到目前的10.5 MPa，對(duì)裂縫面的開啟或閉合影響很小，地層壓力下降不會(huì)引起儲(chǔ)層裂縫閉合。同時(shí)，上述結(jié)果是根據(jù)裂縫面兩壁處巖石變形強(qiáng)度取非裂縫處的60%計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)儲(chǔ)層裂縫十分發(fā)育時(shí)，裂縫面兩壁處巖石變形強(qiáng)度可能更小，此時(shí)裂縫面正壓力σn就會(huì)與裂縫兩壁處巖石變形強(qiáng)度σz相當(dāng)。這種情況下，地層壓力變化就會(huì)對(duì)裂縫的閉合與否產(chǎn)生明顯影響。值得說(shuō)明的是，上述預(yù)測(cè)多項(xiàng)重要參數(shù)，均由參考同區(qū)域（下遼河盆地）變質(zhì)巖油藏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出，與油田實(shí)際情況存在差異，上述分析需要與油田實(shí)際生產(chǎn)情況互相印證。

3 油井產(chǎn)液指數(shù)與地層壓力關(guān)系

根據(jù)錦州X 潛山油藏投入開發(fā)后地層靜壓、流壓和產(chǎn)液情況，繪制油井地層壓力水平與產(chǎn)液指數(shù)關(guān)系圖（圖3）。從中可以看出在生產(chǎn)的9 口油井中，除A25h和A30h外，其余7口油井地層壓力下降對(duì)油井產(chǎn)液指數(shù)影響較小，儲(chǔ)層滲透性隨地層壓力下降變化不明顯，即裂縫開啟程度與狀態(tài)受地層壓力變化影響不明顯。A25h和A30h兩口井初期產(chǎn)液指數(shù)較大，隨地層壓力下降，產(chǎn)液指數(shù)明顯減小，分析認(rèn)為是兩口油井的儲(chǔ)層裂縫較為發(fā)育，使其初期產(chǎn)液能力強(qiáng)，同時(shí)也因裂縫較為發(fā)育的情況下裂縫兩壁巖石變形強(qiáng)度小，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響較明顯，地層壓力下降造成產(chǎn)液指數(shù)大幅降低。在部分裂縫閉合后，產(chǎn)液指數(shù)逐漸與其余井相當(dāng)?？傮w來(lái)說(shuō)，從錦州X 潛山油藏油井產(chǎn)液指數(shù)與地層壓力關(guān)系可以看出，地層壓力下降后裂縫基本未發(fā)生閉合。

圖3 錦州X潛山油井靜壓與產(chǎn)液指數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

（1）只有在上覆巖層重力作用和水平構(gòu)造應(yīng)力引起的裂縫面正壓力與裂縫兩壁處巖石變形強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，地層壓力變化才會(huì)對(duì)裂縫閉合與否產(chǎn)生明顯影響。即當(dāng)儲(chǔ)層埋深較大或儲(chǔ)層裂縫發(fā)育、兩壁巖石變形強(qiáng)度小時(shí)，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響明顯。

（2）預(yù)測(cè)得出的錦州X 潛山儲(chǔ)層裂縫面壓力明顯小于裂縫兩壁巖石變形強(qiáng)度，地層壓力下降基本不會(huì)引起裂縫閉合。受分析資料限制，預(yù)測(cè)的儲(chǔ)層裂縫面應(yīng)力狀態(tài)存在誤差，需要在本油田取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)一步研究。

（3）錦州X 潛山多數(shù)油井產(chǎn)液指數(shù)不隨地層壓力降低明顯減小，只有少數(shù)裂縫較為發(fā)育的油井，因裂縫兩壁巖石變形強(qiáng)度低，裂縫開啟程度受地層壓力變化影響明顯，產(chǎn)液指數(shù)隨地層壓力下降大幅降低，但仍與其余油井產(chǎn)液指數(shù)相當(dāng)，總之在地層壓力下降后儲(chǔ)層裂縫未發(fā)生大規(guī)模閉合，與預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

（4）兩口油井產(chǎn)液指數(shù)大幅下降，證實(shí)了一定條件下地層壓力下降會(huì)引起油井產(chǎn)液能力大幅下降，造成儲(chǔ)層裂縫閉合，因此，對(duì)于潛山裂縫油藏降壓開采，需要進(jìn)行儲(chǔ)層裂縫閉合壓力研究，防止地層壓力下降引起裂縫閉合。

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