地應(yīng)力在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

馬睿

摘 要：隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的日趨成熟以及對(duì)地應(yīng)力研究認(rèn)識(shí)的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)在油氣勘探開發(fā)過程中眾多的問題都與地應(yīng)力有著密切的關(guān)系，油氣勘探開發(fā)對(duì)地應(yīng)力研究的需求也越來越大，但地應(yīng)力在油氣勘探開發(fā)過程中的應(yīng)用仍不夠廣泛和深入。該文通過介紹地應(yīng)力的研究現(xiàn)狀以及在油田勘探開發(fā)中的應(yīng)用，主要闡述了地應(yīng)力在油田勘探開發(fā)過程中對(duì)注采井網(wǎng)部署、壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化、油氣富集區(qū)域預(yù)測(cè)等方面的影響，以此說明地應(yīng)力在油田勘探開發(fā)過程中的重要性。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力 井網(wǎng) 壓裂 油氣富集

中圖分類號(hào)：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（a）-0055-02

地應(yīng)力是存在于地殼中的天然應(yīng)力，在油田開發(fā)過程中，地應(yīng)力的大小及其變化是控制著油氣富集區(qū)域的分布、儲(chǔ)層裂縫的展布、地層破裂壓力、坍塌壓力等多項(xiàng)參數(shù)的重要因素之一，也是油氣勘探開發(fā)過程中方案制定和工程設(shè)計(jì)必不可少的依據(jù)。因此，在油藏整個(gè)開發(fā)過程地應(yīng)力都具有著極其重要的作用。

1 研究現(xiàn)狀

地應(yīng)力的研究距今已有百余年歷史，研究范圍涉及地質(zhì)、礦山、地震、冶金、鐵路、建筑、水利水電及石油、天然氣等方面。隨著地應(yīng)力在各行各業(yè)廣泛的應(yīng)用研究，地應(yīng)力的測(cè)量方法與技術(shù)也得到不斷的改進(jìn)與發(fā)展。在石油工業(yè)方面，地應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)始于60-70年代，到目前已廣泛應(yīng)用于石油工程的多個(gè)領(lǐng)域。在開發(fā)井網(wǎng)的布置、鉆井過程井壁的穩(wěn)定性分析、地層破裂壓力的預(yù)測(cè)、定向井及水平井井身軌跡的設(shè)計(jì)與控制、油層改造措施中裂縫的方位與幾何尺寸的預(yù)側(cè)、油水井套管損壞的預(yù)測(cè)及預(yù)防、油水井防砂等方面有著重要的應(yīng)用[1]。

2 地應(yīng)力在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

隨著地應(yīng)力研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在油氣勘探開發(fā)過程中，地應(yīng)力對(duì)采注井網(wǎng)的布置、注水開發(fā)設(shè)計(jì)、油氣富集區(qū)預(yù)測(cè)、射孔方案確定、油井壓裂設(shè)計(jì)、開采過程中油井出砂問題、鉆井套管的變形問題、井壁的穩(wěn)定性等方面都有重要影響[2]。因此在油氣勘探開發(fā)過程中對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行研究，對(duì)提高油田采收率、少打評(píng)價(jià)井節(jié)省投資以及實(shí)現(xiàn)油田可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

2.1 井網(wǎng)優(yōu)化布置

對(duì)于一個(gè)油田來說，特別是新開發(fā)的低滲油田，研究地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于井網(wǎng)的合理布置十分重要。通常在相對(duì)均質(zhì)的油藏中，一般滲透率高且各向差異不大，油藏向井筒滲流的等壓線是圓形的，正方形井網(wǎng)即可滿足油田開發(fā)。但是，在低滲透油藏中，滲透率低且各向差異較大，油藏向井筒滲流的等壓線是橢圓形，此時(shí)沿最大水平應(yīng)力主方向上只有采用矩形井網(wǎng)才能滿足油田開發(fā)。在矩形井網(wǎng)中，矩形長(zhǎng)寬比可簡(jiǎn)化為最大與最小主滲透率比值。多數(shù)情況下，也可用最大與最小水平主應(yīng)力值之比。

當(dāng)井距最小時(shí)，在最大水平主應(yīng)力方向上，一般會(huì)出現(xiàn)兩種油水井排列方式：相間排列和不相間排列。油水井相間排列時(shí)，注水開發(fā)中一般會(huì)出現(xiàn)注入水沿天然裂縫和水力裂縫突進(jìn)，造成油井暴性水淹。而不相間排列時(shí)，注入水將緩慢推進(jìn)，波及體積大，采收率高，注水開發(fā)效果好。由此可見，當(dāng)井距較小時(shí)，在最大水平主應(yīng)力方向上，油水井應(yīng)采用不相間排列。而當(dāng)油水井相間排列，油水井連線與最大水平主應(yīng)力方向平行時(shí)，則需要加大井距。

在油田開發(fā)中砂巖油藏最常采用五點(diǎn)法和反九點(diǎn)法井網(wǎng)，五點(diǎn)法井網(wǎng)注水系統(tǒng)的注采強(qiáng)度和采油速度都高于反九點(diǎn)法，但油田開發(fā)初期井網(wǎng)系統(tǒng)的選擇還需考慮到開發(fā)后期的井網(wǎng)調(diào)整，反九點(diǎn)法井網(wǎng)相比五點(diǎn)法井網(wǎng)又具有較高的靈活性。以五點(diǎn)法井網(wǎng)開發(fā)油田，注水井排與最大滲透率方向，即最大主應(yīng)力方向夾角為0°情況下，開發(fā)效果最好，見水時(shí)間晚，波及系數(shù)高，45°時(shí)效果最差。以七點(diǎn)法井網(wǎng)開發(fā)油田，注水井排與最大水平主應(yīng)力方向夾角0°最佳，22.5°最差。以反九點(diǎn)法井網(wǎng)開發(fā)油田，注水井排與最大水平主應(yīng)力方向夾角45°最佳，0°最差。在油田實(shí)際開發(fā)過程中，注采井網(wǎng)的選擇以及布置方式需要考慮油藏類型、砂體走向、地應(yīng)力分布狀態(tài)等具體情況[3]。

2.2 油層壓裂設(shè)計(jì)

油層壓裂是開發(fā)低滲油藏的主要手段之一。地應(yīng)力的分布狀態(tài)決定著壓裂產(chǎn)生的人工裂縫的延伸方向以及裂縫形態(tài)，同時(shí)，地應(yīng)力大小也是支撐劑強(qiáng)度及壓裂方式選擇的重要依據(jù)[4]。通常，人工裂縫總是沿著阻力最小的方向擴(kuò)展和延伸，即裂縫面總是垂直于最小主應(yīng)力軸向。但實(shí)際地應(yīng)力場(chǎng)在油田開發(fā)活動(dòng)中會(huì)引起改變，從而改變?nèi)斯ち芽p擴(kuò)展方位。因此，在油田開采后期，為提高水力壓裂的效果，必須對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算并對(duì)其值進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，從而優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)[5]。

2.2.1 地應(yīng)力與支撐劑

支撐劑是一種具有一定粒度和級(jí)配的天然砂或人造高強(qiáng)陶瓷顆粒。它的作用是保持壓裂后形成的裂縫開啟，在壓裂開的巖層中形成具有高導(dǎo)流能力的支撐裂縫帶。通常最小主應(yīng)力低于41.37 MPa可選石英砂做支撐劑；大于68.95 MPa需選用高強(qiáng)度的支撐劑；介于兩者之間時(shí)則可選陶粒做支撐劑[6]。

油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支撐裂縫在油層中的位置，而支撐裂縫在油層中的位置又是確定壓裂后能否增產(chǎn)的關(guān)鍵因素。當(dāng)油層處于地應(yīng)力區(qū)時(shí)，油層在支撐裂縫中的位置主要有四種：油層處于低應(yīng)力區(qū)上部、中部、下部（此時(shí)油層全部在支撐剖面里面）以及整個(gè)低應(yīng)力區(qū)（支撐剖面全部在油層內(nèi)，裂縫高等于油層厚度），其中油層處于地應(yīng)力去上部時(shí)，壓裂增產(chǎn)效果最差。當(dāng)油層處于高應(yīng)力區(qū)時(shí)，油層難以壓開，且壓裂后很少能有增產(chǎn)效果。當(dāng)油層處于較高應(yīng)力區(qū)時(shí)，其下部有低應(yīng)力區(qū)（即油層將會(huì)在支撐剖面上部）則增產(chǎn)效果差，若其上部有低應(yīng)力區(qū)（即油層在支撐剖面下部），則增產(chǎn)效果較好。當(dāng)油層處于高低應(yīng)力區(qū)交界處時(shí)，油層處于低應(yīng)力區(qū)上部（即壓開油層部分將在支撐剖面上部）則增產(chǎn)效果差，反之處于低應(yīng)力區(qū)下部（即壓開油層部分將在支撐剖面下部）則增產(chǎn)效果好。

2.2.2 地應(yīng)力與射孔endprint

在油田開發(fā)中，射孔是油井完井的基本方式之一。它包括孔眼直徑、射孔密度、彈型、穿透深度、射孔孔眼的相位和方位、隔層及遮擋層的選擇等，這些因素對(duì)油井的產(chǎn)量有著不可忽視的影響。地應(yīng)力剖面的研究對(duì)射孔方案中射孔井段、隔層、遮擋層的選擇的確定有重要的指導(dǎo)意義。在滿足開發(fā)方式和采油工藝技術(shù)措施的要求下選擇合理射孔井段，應(yīng)將最小水平主應(yīng)力分層剖面與地質(zhì)分層剖面相結(jié)合，使射開油層井段處于地應(yīng)力段，隔層和遮擋層處于高應(yīng)力段，且隔層應(yīng)力必須大于設(shè)開層位的應(yīng)力[7]。

井筒周圍的應(yīng)力集中是孔眼方位與最大水平主應(yīng)力方向的函數(shù)，破裂壓力、射孔孔眼附近的節(jié)流皮表效應(yīng)及流體流入的流動(dòng)效率也是這兩個(gè)變量的函數(shù)。射孔孔眼方位的選擇有三種情況：孔眼方位平行于或垂直于射孔井段的最大水平主應(yīng)力方位、孔眼方位與射孔井段的最大水平主應(yīng)力方向之間形成角度。當(dāng)射孔孔眼方位與最大水平主應(yīng)力方位平行時(shí)，節(jié)流表皮效應(yīng)小，流體流動(dòng)效應(yīng)高且油井產(chǎn)能高，壓裂時(shí)破裂壓力低且不易砂堵，生產(chǎn)時(shí)不易出砂，套管不易變形，屬于最佳射孔孔眼方位。

2.3 地應(yīng)力預(yù)測(cè)油氣富集區(qū)域

地應(yīng)力是控制油氣運(yùn)移、聚集的重要因素之一。地殼在地應(yīng)力的作用下發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖石變形，使巖層內(nèi)流體空隙壓力增加或減少，產(chǎn)生壓力梯度或勢(shì)差，從而推動(dòng)流體在巖層內(nèi)流動(dòng)，在流動(dòng)過程中，遇到合適的構(gòu)造部位和應(yīng)力環(huán)境，油氣就會(huì)聚集形成油氣藏。構(gòu)造地應(yīng)力不僅直接或間接影響著油氣形成、運(yùn)移、聚集，而且對(duì)已形成的油氣藏也有著一定影響和改造。因此研究成藏期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，有助于揭示油氣分布規(guī)律，預(yù)測(cè)油氣富集區(qū)。地應(yīng)力在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的研究成果表明：生油凹陷區(qū)一般是應(yīng)力高值區(qū)，構(gòu)造高部位是應(yīng)力低值區(qū)。在地應(yīng)力作用下，生油巖中的油氣在地應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下，向著適宜應(yīng)力環(huán)境的構(gòu)造部位聚集。一般油氣由高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移，由壓應(yīng)力區(qū)、壓扭應(yīng)力區(qū)向張應(yīng)力區(qū)和張扭應(yīng)力區(qū)運(yùn)移、聚集。

3 結(jié)語

地應(yīng)力在油田勘探開發(fā)的過程中有著重要意義，并不局限于本文討論到的方面，還涉及地層破裂壓力的預(yù)測(cè)、油水井套管損壞的預(yù)測(cè)及預(yù)防、水平井完井設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。目前，我國(guó)多數(shù)油田在勘探開發(fā)過程中，對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)還在宏觀的、區(qū)域的范圍，對(duì)地應(yīng)力在油田中的應(yīng)用也不夠廣泛深入。因此，建議今后加強(qiáng)局部的、開發(fā)單元的、單井的、平面的、剖面的、分層的特殊微觀應(yīng)力分布及應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)研究。油田的開發(fā)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的分析研究也是相當(dāng)重要的。

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