渤南油田低滲透儲(chǔ)集層巖性對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響

李志鵬，劉顯太，楊勇，卜麗俠

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營(yíng) 257015）

0 引言

地應(yīng)力是賦存于巖體中的應(yīng)力狀態(tài)，不僅是影響地質(zhì)工程合理設(shè)計(jì)及施工的重要參數(shù)[1-2]，也是油氣藏水力壓裂設(shè)計(jì)及低滲透油氣藏井網(wǎng)部署過(guò)程中所考慮的基礎(chǔ)參數(shù)[3-6]。低滲透油藏（一般埋深大于2 000 m）儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)主要研究低滲透油藏儲(chǔ)集層中的地應(yīng)力狀態(tài)，是隨著國(guó)內(nèi)外低滲透油藏開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)行，特別是近年興起的致密油氣藏非常規(guī)開(kāi)發(fā)[7-10]而興起的，其理論傳承了部分構(gòu)造應(yīng)力理論。在構(gòu)造應(yīng)力理論的指導(dǎo)下，油藏儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)研究注重油藏構(gòu)造特征的刻畫(huà)，油藏地質(zhì)體等效為均質(zhì)力學(xué)參數(shù)體，只對(duì)斷層帶內(nèi)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)處理，得出的結(jié)論往往是油藏（一般面積為0.5～3.0 km2）儲(chǔ)集層地應(yīng)力的分布受構(gòu)造特征的控制，應(yīng)力方向基本為均一方向，變化不大，應(yīng)力大小主要受埋藏深度的控制[11-13]。部分學(xué)者意識(shí)到受沉積及成巖作用等影響，巖石的巖性、礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)等方面均存在差異，可以劃分為不同的巖石類(lèi)型，且不同巖石的力學(xué)性質(zhì)差別較大[14-17]。這種力學(xué)性質(zhì)的差異結(jié)合構(gòu)造的復(fù)雜性會(huì)引起油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力的強(qiáng)非均質(zhì)性，目前公開(kāi)報(bào)道巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)地應(yīng)力影響的文獻(xiàn)較少，尚處于探索階段。景鋒等[18]通過(guò)對(duì)沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖地應(yīng)力的研究，發(fā)現(xiàn)不同巖石其地應(yīng)力大小與埋深的關(guān)系不同。秦向輝等[19]、裴啟濤等[20]先后利用室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈性模量、體積模量等力學(xué)參數(shù)影響地應(yīng)力的大小。TEUFEL L W[21]通過(guò)對(duì)科羅拉多州皮西斯盆地Mesaverde群平緩、致密氣藏和邊界泥巖地層中的應(yīng)力測(cè)量表明，水平應(yīng)力大小不隨深度線性增加，而與巖性關(guān)系密切，基于此提出了巖性是影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力非均質(zhì)的重要因素。祖克威等[22]利用有限元模擬方法探討了砂體與泥巖力學(xué)參數(shù)的差異對(duì)砂體內(nèi)地應(yīng)力的影響。目前的研究主要是通過(guò)各種測(cè)量手段、數(shù)學(xué)模擬去直接揭示在巖石不同的情況下、其對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力狀態(tài)不同這種現(xiàn)象，未深入剖析巖石不同會(huì)造成地應(yīng)力狀態(tài)差異的影響機(jī)制。而認(rèn)識(shí)巖石如何影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力，揭示其影響機(jī)制，可豐富油藏儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)理論，為更清晰地理解和應(yīng)用巖相不同、地應(yīng)力狀態(tài)也不同這一地質(zhì)現(xiàn)象提供理論基礎(chǔ)。

自2012年以來(lái)，勝利油田通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力并非均質(zhì)，其展布非常復(fù)雜，絕不僅是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的局部特征，因此儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)與區(qū)域構(gòu)造力學(xué)一定要區(qū)別對(duì)待。本文旨在以濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷渤南油田為例，利用三軸壓縮試驗(yàn)分析巖石力學(xué)性質(zhì)的差異性，探討巖石力學(xué)性差異對(duì)儲(chǔ)集層地應(yīng)力的影響機(jī)制及影響規(guī)律，以期為油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供一定指導(dǎo)，能夠引起相關(guān)學(xué)者對(duì)油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力非均質(zhì)性的討論和重視，加強(qiáng)油藏儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)非均質(zhì)性研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南油田位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷中部，地層自上而下依次發(fā)育第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系沙河街組、孔店組。渤南五區(qū)位于渤南油田東南部（見(jiàn)圖1），區(qū)域上被近東西走向的“V”字形斷層所切割。渤南油田五區(qū)古近系沙河街組三段9砂層組為典型的斷陷湖盆濁積扇沉積，油藏中部埋藏深度約3 200 m，平均地層溫度為92 ℃，主要發(fā)育東、西兩個(gè)水系，西部水系濁積水道砂體發(fā)育，以細(xì)砂巖沉積為主，東部水系濁積水道發(fā)育差，以湖相泥巖沉積為主（見(jiàn)圖2）。儲(chǔ)集層平均滲透率為20.5×10-3μm2，是沾化凹陷典型的低滲透油藏。

濟(jì)陽(yáng)坳陷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量地應(yīng)力測(cè)試資料發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力關(guān)系為“垂向應(yīng)力最大，水平最大主應(yīng)力次之，水平最小主應(yīng)力最小”，為典型的拉張型應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)1997年的世界地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)資料顯示，濟(jì)陽(yáng)坳陷受太平洋板塊運(yùn)動(dòng)的影響，現(xiàn)今區(qū)域水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向。

圖1 渤南油田區(qū)域構(gòu)造圖

圖2 渤南五區(qū)濁積扇沉積微相連井剖面（SP—自然電位，mV；Es39-1：古近系沙河街組三段9砂層組1小層；Es39-2：古近系沙河街組三段9砂層組2小層；Es39-3：古近系沙河街組三段9砂層組3小層；Es39-4：古近系沙河街組三段9砂層組4小層）

2 巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)的影響

2.1 巖石力學(xué)性質(zhì)的差異性

本文利用三軸壓縮實(shí)驗(yàn)分析不同巖性的力學(xué)性質(zhì)差異。此次實(shí)驗(yàn)樣品的取樣是在相同巖性、相近深度（深度差異小于200 m）鉆取4～7塊直徑為25 mm、長(zhǎng)度大于50 mm的巖樣。通過(guò)巖樣巖石薄片觀察，巖石組分以石英、長(zhǎng)石和巖屑為主，為巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖或長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖。利用美國(guó)GCTS公司的RTX高溫高壓巖石三軸儀進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。為了使實(shí)驗(yàn)條件更接近地下油藏地質(zhì)條件，將巖樣飽和水[23]，再用密封薄膜將巖樣密封，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖心中的流體不外溢。溫度對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)有一定影響，據(jù)李小雙[24]對(duì)粗砂巖的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在100 ℃時(shí)，粗砂巖縱波速度遞減率僅3%左右，渤南油田低滲透儲(chǔ)集層地層溫度為92 ℃左右，因此溫度對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響不大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為室溫條件，三軸圍壓為32 MPa[25]，對(duì)相同巖性的樣品進(jìn)行分別實(shí)驗(yàn)，得到油藏條件下巖樣的彈性模量及泊松比（見(jiàn)表1）。選擇32 MPa是因?yàn)橥ㄟ^(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，渤南油田低滲透砂巖在圍壓大于25 MPa后力學(xué)參數(shù)變化不大[26]。

表1 渤南油田低滲透油藏不同巖相力學(xué)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，渤南油田古近系沙河街組三段9砂層組不同巖相在油藏條件下（油藏壓力及巖石飽含水）巖石力學(xué)參數(shù)存在較大差異（見(jiàn)表1）?？傮w上隨著粒度變細(xì)泊松比增加，彈性模量降低。油藏條件下不同巖性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也存在較大差異（見(jiàn)圖3），特別是砂巖與泥巖之間，砂巖在巖石破裂之前以線彈性形變?yōu)橹?，而泥巖線彈性段很短，高壓塑性變形段明顯，表現(xiàn)為彈-塑性變形特征。

圖3 巖石室內(nèi)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2 巖石力學(xué)性質(zhì)差異影響地應(yīng)力的力學(xué)機(jī)制探討

2.2.1 巖性界面處額外應(yīng)力存在的證據(jù)

統(tǒng)計(jì)渤南油田正交多極子聲波計(jì)算的古近系沙河街組三段9砂層組上、下緊鄰的泥巖與砂巖的水平最大主應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)兩者的水平最大主應(yīng)力值存在明顯差異，差值為3～5 MPa，且與埋深無(wú)關(guān)（見(jiàn)圖4）。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，將飽和水的25 mm細(xì)砂巖與飽和水的25 mm泥巖拼接在一起，利用美國(guó)GCTS公司的RTX高溫高壓巖石三軸儀，在室溫、圍壓32 MPa、軸壓60 MPa的條件下對(duì)其進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量巖性界面處的軸向應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖性界面軸向應(yīng)力為64.63 MPa，比實(shí)驗(yàn)軸向應(yīng)力額外增加了4.63 MPa。多極子聲波計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的額外增加的這部分應(yīng)力，本文將其定義為“額外應(yīng)力”，用β表示。

圖4 砂巖-泥巖水平最大主應(yīng)力值差值與埋深關(guān)系

2.2.2 額外應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制探討

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，泥巖、砂巖的實(shí)驗(yàn)條件是相同的，只是兩者的力學(xué)性質(zhì)不同。正交多極子測(cè)量過(guò)程中泥巖與砂巖的測(cè)量條件及計(jì)算方法也是相同的，同時(shí)上下近鄰的泥巖與砂巖的構(gòu)造特征、地層溫度、上覆地層壓力亦是基本相同的，存在差異的也主要是泥巖與砂巖的力學(xué)性質(zhì)。綜上，室內(nèi)試驗(yàn)及正交多極子聲波發(fā)現(xiàn)的泥巖與砂巖之間的應(yīng)力差異，只可能是兩者巖石力學(xué)性質(zhì)差異所造成的。該結(jié)論亦可從多極子聲波資料統(tǒng)計(jì)的應(yīng)力值差值與埋藏深度無(wú)關(guān)這方面得到佐證。

油藏地質(zhì)體相對(duì)整個(gè)盆地沉積體而言是十分有限的，地質(zhì)體的變形邊界條件是受限的，因此可以近似為剛性邊界條件。根據(jù)圖3，相同應(yīng)力下，泥巖變形量大，必然擠壓砂巖，在兩者界面處產(chǎn)生一對(duì)相對(duì)于邊界地應(yīng)力之外的作用力與反作用力，作用力就是本文的“額外應(yīng)力”。額外應(yīng)力指向砂巖，反作用力指向泥巖。對(duì)由泥巖與砂巖組成的整個(gè)區(qū)域，這對(duì)作用力與反作用力為內(nèi)力，但對(duì)砂巖額外應(yīng)力是外力是不應(yīng)該被忽視的，因此本文認(rèn)為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力與油藏的儲(chǔ)集層地應(yīng)力是不同的，額外應(yīng)力不會(huì)影響構(gòu)造應(yīng)力的狀態(tài)，但會(huì)對(duì)儲(chǔ)集層內(nèi)的地應(yīng)力狀態(tài)造成影響。油藏條件下額外應(yīng)力產(chǎn)生的物理本質(zhì)是復(fù)雜地質(zhì)體間力學(xué)性質(zhì)的差異造成地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)界面，不連續(xù)界面兩側(cè)地質(zhì)體變形特征、變形量不同產(chǎn)生額外應(yīng)力，這與斷層帶減小彈性模量，增加泊松比后，斷層帶內(nèi)應(yīng)力與周?chē)鷳?yīng)力存在明顯差異的道理是相同的。以上是本文目前對(duì)額外應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制的一些初步認(rèn)識(shí)，并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示其機(jī)理，因此額外應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制有待進(jìn)一步的證實(shí)和研究。

2.2.3 額外應(yīng)力的估算方法

根據(jù)巖石力學(xué)理論，假設(shè)：①邊界變形條件為剛性條件；②砂巖與泥巖的應(yīng)力邊界條件相同；③儲(chǔ)集層埋深較大，上覆壓力大。設(shè)自由邊界條件下，應(yīng)力為σ時(shí)，泥巖形變量為εm，砂巖形變量為εs。

自由邊界條件下相同受力狀態(tài)時(shí)泥巖形變量大，砂巖形變量小，但剛性變形條件下，泥巖的實(shí)際形變量與砂巖的形變量是相近的。因此剛性變形條件下，砂巖阻礙了泥巖的形變，結(jié)果造成了泥巖形變量減小了Δε：

Δε對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是泥巖作用到砂巖的額外應(yīng)力β：

因此額外應(yīng)力β的大小主要受巖石形變量差異程度的影響，形變量差異越大，額外應(yīng)力β越大。

泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有時(shí)不符合典型的線彈性關(guān)系，即泥巖在不同應(yīng)力下彈性模量不同，此時(shí)可以根據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線估算額外應(yīng)力的大小。渤南油田古近系沙河街組三段9砂層組根據(jù)5組聲發(fā)射法測(cè)得的水平最大主應(yīng)力平均為63 MPa。首先根據(jù)細(xì)砂巖與泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，利用圖解法得出63 MPa時(shí)細(xì)砂巖與泥巖在實(shí)驗(yàn)條件下的形變量差值Δε（見(jiàn)圖5a），然后將Δε投到泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，此時(shí)可以得出Δε對(duì)應(yīng)的額外應(yīng)力β（見(jiàn)圖5b）。利用上述圖解法估算得出渤南油田古近系沙河街組三段9砂層組額外應(yīng)力約為5 MPa，與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測(cè)值相差0.37 MPa，與多極子聲波資料得出的最高值相近。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系估算額外應(yīng)力示意圖

2.2.4 額外應(yīng)力影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力的力學(xué)機(jī)制探討

油藏地質(zhì)體受沉積及后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響巖石分布形態(tài)復(fù)雜，利用巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力之間的關(guān)系可抽象成巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力垂直、平行及斜交3種情況（見(jiàn)圖6）。在不考慮構(gòu)造形態(tài)對(duì)地應(yīng)力的影響情況下：當(dāng)巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力垂直時(shí)（見(jiàn)圖6a），受巖性界面處額外應(yīng)力的影響，儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)大小發(fā)生變化，應(yīng)力場(chǎng)方向并不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖6b）；當(dāng)巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力平行時(shí)，即與邊界水平最小主應(yīng)力垂直（見(jiàn)圖6c），額外應(yīng)力較小時(shí)，儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)方向不發(fā)生變化，水平最小主應(yīng)力增加（見(jiàn)圖6d）；當(dāng)額外應(yīng)力足夠大時(shí)，可能使水平應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生90°轉(zhuǎn)向，水平最大主應(yīng)力在砂體內(nèi)變成了水平最小主應(yīng)力。當(dāng)巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力存在一定夾角時(shí)（見(jiàn)圖6e），額外應(yīng)力的存在，在邊界水平主應(yīng)力面上形成剪切應(yīng)力，同時(shí)水平主應(yīng)力大小增加（見(jiàn)圖6g），根據(jù)應(yīng)力主坐標(biāo)系中垂直主應(yīng)力的面上不存在剪切應(yīng)力的定義，可以斷定此時(shí)儲(chǔ)集層內(nèi)應(yīng)力主坐標(biāo)系已經(jīng)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，儲(chǔ)集層內(nèi)主應(yīng)力大小也發(fā)生了變化，形成了新的地應(yīng)力場(chǎng)（見(jiàn)圖6h）。

圖6 巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響機(jī)制示意圖

綜上，在不考慮構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的影響時(shí)，巖性界面處額外應(yīng)力的存在會(huì)造成砂體內(nèi)水平主應(yīng)力大小和方向發(fā)生變化，大小變化程度及方向偏轉(zhuǎn)程度都受巖性界面兩邊巖石力學(xué)性質(zhì)差異程度及巖性界面與主應(yīng)力夾角兩個(gè)因素的綜合協(xié)同影響。

2.3 額外應(yīng)力影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力的應(yīng)力橢圓分析

巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角對(duì)儲(chǔ)集層應(yīng)力場(chǎng)的影響，可以利用應(yīng)力橢圓進(jìn)行分析。巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角從0°至90°，可以認(rèn)為巖性界面沿邊界應(yīng)力橢圓的第一象限旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖7）。依據(jù)幾何關(guān)系可以得出，巖性界面處產(chǎn)生的額外應(yīng)力β在任意邊界水平應(yīng)力σ上的分量βσ為：

根據(jù)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程，設(shè)邊界應(yīng)力橢圓的方程為：

由此得：

邊界應(yīng)力橢圓上任意應(yīng)力σ大小的可以表示為：

根據(jù)（3）式、（4）式經(jīng)過(guò)三角函數(shù)變化得：

將（3）式經(jīng)三角函數(shù)變換可得：

據(jù)（5）式和（6）式可以得出任意應(yīng)力σ大小與α的關(guān)系為：

根據(jù)（1）式和（7）式聯(lián)立可以得出受巖石力學(xué)性質(zhì)差異影響形成的儲(chǔ)集層內(nèi)應(yīng)力橢圓上任意應(yīng)力σ′為：

圖7 應(yīng)力橢圓示意圖

由（10）式可以看出，在不考慮構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響條件下，儲(chǔ)集層應(yīng)力場(chǎng)受邊界應(yīng)力條件（σH、σh）、額外應(yīng)力（β）及巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角（θ）的綜合影響。在油藏埋藏深度跨度不大的條件下，油藏的邊界應(yīng)力條件可以認(rèn)為是一定的，此時(shí)儲(chǔ)集層應(yīng)力場(chǎng)的橢圓形態(tài)主要受巖石力學(xué)性質(zhì)差異程度及巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角的綜合影響，此結(jié)論與地質(zhì)力學(xué)分析得出的認(rèn)識(shí)是相同的。

綜合力學(xué)機(jī)制分析及應(yīng)力橢圓數(shù)學(xué)解析，巖石力學(xué)性質(zhì)差異程度影響額外應(yīng)力（β）的大小，額外應(yīng)力改變儲(chǔ)集層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，這就是巖石力學(xué)性質(zhì)差異影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)制。

3 巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律

3.1 應(yīng)力橢圓分析變化規(guī)律

依據(jù)（11）式，在確定邊界應(yīng)力條件的情況下，可以討論巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角（θ）及巖石力學(xué)性質(zhì)差異（額外應(yīng)力β）對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。根據(jù)濟(jì)陽(yáng)凹陷低滲透油藏埋藏深度與水平應(yīng)力大小的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

此次應(yīng)力橢圓分析為了看清楚橢圓形態(tài)，邊界水平最大主應(yīng)力取80 MPa，邊界水平最小主應(yīng)力σh取60 MPa，討論巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力角θ為0°、30°、45°、60°及90°時(shí)，β＜Δσ、β=Δσ和β＞Δσ等3種情況下應(yīng)力橢圓的變化形態(tài)（見(jiàn)圖8）。

根據(jù)圖8，發(fā)現(xiàn)巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)影響存在以下規(guī)律。①當(dāng)θ=0°時(shí)：β＜Δσ的儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)不發(fā)生明顯的變化，水平最大主應(yīng)力大小變化不大，水平最小主應(yīng)力大小明顯增加；β=Δσ的儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生較大的方向偏轉(zhuǎn)，水平最大主應(yīng)力值稍有增加，水平最小主應(yīng)力值明顯增加，水平應(yīng)力值差值很??；β＞Δσ的儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了90°轉(zhuǎn)向，邊界水平最大主應(yīng)力方向變成了水平最小主應(yīng)力方向，水平最小主應(yīng)力與邊界水平最大主應(yīng)力大小相近。②當(dāng)θ=90°時(shí)，不管β與Δσ的關(guān)系如何，儲(chǔ)集層內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)的方向都不發(fā)生明顯的變化，隨著β的增加水平最大主應(yīng)力值不斷增大，水平最小主應(yīng)力值變化不大，與邊界水平最小主應(yīng)力相近。③當(dāng)0＜θ＜90°、β與Δσ的關(guān)系一定時(shí)，儲(chǔ)集層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的水平最大、最小主應(yīng)力大小都較邊界水平最大、最小主應(yīng)力有不同程度的增加，方向也發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)；總體上，隨著θ的增加，應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度先增后減，水平最大主應(yīng)力值增加，水平最小主應(yīng)力值減小。④當(dāng)0＜θ＜90°、θ不變時(shí)，隨著β增加，儲(chǔ)集層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度不斷增大，水平最大、最小主應(yīng)力值增加，水平最大、最小主應(yīng)力值的差值不斷減小。

3.2 數(shù)值模擬分析變化規(guī)律

在應(yīng)力橢圓分析基礎(chǔ)上，選擇濟(jì)陽(yáng)坳陷渤南油田低滲透油藏作為具體事例，利用Ansys有限元模擬軟件的平板模型（見(jiàn)圖9），進(jìn)一步研究巖石力學(xué)性質(zhì)差異及巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響程度。圍巖選用渤南油田低滲透油藏泥巖的力學(xué)參數(shù)，彈性模量取15.97 GPa，泊松比取0.366，選擇彈塑性材料。河道的彈性模量及泊松比依次取中粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖的平均力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1），泥質(zhì)砂巖彈性模量取22 GPa，泊松比取0.32，河道取線彈性材料。邊界水平最大主應(yīng)力取80 MPa，邊界水平最小主應(yīng)力取60 MPa，設(shè)模型邊界為剛性，按壓力系數(shù)為1.0，孔隙壓力取32 MPa。

分析巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響時(shí)，邊界水平最大主應(yīng)力與河道走向保持在40°左右，只將河道內(nèi)單元的力學(xué)參數(shù)設(shè)為相應(yīng)巖性的彈性模量及泊松比，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 Ansys模擬平板模型

圖10 巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響

研究發(fā)現(xiàn)，隨著巖石粒度越粗，河道內(nèi)水平最大主應(yīng)力及水平最小主應(yīng)力都有所增加，這與彈性模量越大，越易賦存應(yīng)力的規(guī)律相吻合，也與理論分析相吻合。河道內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)角度不斷增加（見(jiàn)圖10a）。以上規(guī)律都印證了巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)制及影響規(guī)律。分析巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響時(shí)，邊界條件及力學(xué)參數(shù)保持不變，只改變河道的走向。研究發(fā)現(xiàn)，河道內(nèi)水平應(yīng)力場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)角度（見(jiàn)圖10b）隨著巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角的增大而增加，到某一角度時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大，隨后隨著巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角的繼續(xù)增大而變?。ㄒ?jiàn)圖10b），巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力垂直時(shí)，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度基本為0（見(jiàn)圖10b）。河道內(nèi)巖性粒度越細(xì)，其力學(xué)性質(zhì)與圍巖越相近，水平應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度最大時(shí)的巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角越大（見(jiàn)圖10b）。巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角相同時(shí)，河道內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)與圍巖越相近，應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度越?。ㄒ?jiàn)圖10b）。同一巖性的水平最大主應(yīng)力大小隨著巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角的增加而增加，且增加速度變快（見(jiàn)圖10c）。不同巖性、相同巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角條件下，巖石粒度越粗，水平最大主應(yīng)力值越大（見(jiàn)圖10c）。同一巖性的水平最小主應(yīng)力大小隨著巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角的增加而減?。ㄒ?jiàn)圖10d），相同巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角條件下，巖石粒度越粗，水平最小主應(yīng)力值越大（見(jiàn)圖10d）。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)渤南油田古近系沙河街組三段9砂層組正交多極子聲波測(cè)井、水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)、井壁崩落及聲速各向異性等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水平最大主應(yīng)力方向在東、西兩水系內(nèi)發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。東部水系水平最大主應(yīng)力方向?yàn)?2.3°～86.4°，平均值為77.2°，西部水系水平最大主應(yīng)力方向?yàn)?13.7°～135.0°，平均值為123.6°，東、西水系水平最大主應(yīng)力方向夾角為46.4°（見(jiàn)圖11）。根據(jù)以上研究認(rèn)識(shí)，在考慮構(gòu)造特征及巖石力學(xué)性質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，對(duì)渤南油田5區(qū)古近系沙河街組三段9砂層組的地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元模擬（見(jiàn)圖11）。

圖11 渤南五區(qū)古近系沙河街組三段9砂層組儲(chǔ)集層水平最大主應(yīng)力展布

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東西部水系儲(chǔ)集層內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向發(fā)生了變化，與鉆井實(shí)測(cè)資料相吻合（見(jiàn)表2），但根據(jù)前面研究發(fā)現(xiàn)，渤南油田巖石力學(xué)性質(zhì)差異最大可改變應(yīng)力方向約30°，而實(shí)測(cè)東、西水系水平最大主應(yīng)力方向夾角為46.4°，說(shuō)明南北斷層的“V”字形分布的斷裂系（見(jiàn)圖1）與東、西水系的巖性變化是共同造成了東西水系水平最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)。

表2 渤南五區(qū)水平最大主應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

綜上，受地質(zhì)體復(fù)雜展布、巖石力學(xué)性質(zhì)差異及構(gòu)造特征等的影響，儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)的分布是非常復(fù)雜的，應(yīng)該引起足夠的重視和關(guān)注。目前大部分商業(yè)軟件利用有限元、有限差分等數(shù)值模擬技術(shù)正演地應(yīng)力場(chǎng)的分布，受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及運(yùn)算方式等的影響，地質(zhì)框架模型注重構(gòu)造形態(tài)刻畫(huà)，但對(duì)于不同力學(xué)性質(zhì)地質(zhì)體的展布形態(tài)刻畫(huà)不足，力學(xué)參數(shù)模型大部分采用了層內(nèi)均質(zhì)模型，造成模擬的水平最大應(yīng)力方向基本與區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力方向一致，應(yīng)力方向在整個(gè)油藏內(nèi)變化較小，這種模擬方式對(duì)于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力模擬是適用的，但是對(duì)于油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力模擬是不適合的，無(wú)法充分表征儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)的非均質(zhì)特征。其結(jié)果一定程度上誤導(dǎo)了低滲透油氣藏，特別是致密油氣藏井網(wǎng)部署、水平井設(shè)計(jì)及鉆井、壓裂工藝設(shè)計(jì)等，給現(xiàn)場(chǎng)工程師帶來(lái)了誤解。因此對(duì)地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)差異會(huì)造成儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)的變化要有充分的認(rèn)識(shí)，保證以上各項(xiàng)工程順利、安全實(shí)施。油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力模擬應(yīng)首先要利用巖心室內(nèi)測(cè)試，明晰不同地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)的差異，地質(zhì)模型要著重刻畫(huà)不同地質(zhì)體空間展布形態(tài)，對(duì)砂泥巖油氣藏，著重要刻畫(huà)砂體的展布形態(tài)，對(duì)不同的地質(zhì)體選用不同的力學(xué)參數(shù)建立力學(xué)參數(shù)模型，有條件的情況下，甚至可以建立力學(xué)參數(shù)的三維非均質(zhì)模型，并對(duì)不同地質(zhì)體選擇合理的本構(gòu)方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元或有限差分的地應(yīng)力場(chǎng)模擬，得到油氣藏儲(chǔ)集層的非均質(zhì)地應(yīng)力場(chǎng)，為油田的油藏工程設(shè)計(jì)、鉆井工程設(shè)計(jì)及壓裂設(shè)計(jì)等提供盡可能準(zhǔn)確的借鑒。

5 結(jié)論

渤南油田砂巖彈性模量高，泊松比低，近似為線彈性材料，泥巖彈性模量低，泊松比高，為彈塑性材料。

渤南油田沙河街組三段泥巖與砂巖之間存在額外應(yīng)力，泥巖與砂巖力學(xué)性質(zhì)差異影響額外應(yīng)力大小，額外應(yīng)力及巖性界面與邊界主應(yīng)力夾角兩個(gè)因素綜合協(xié)同影響儲(chǔ)集層地應(yīng)力場(chǎng)。

相同邊界應(yīng)力條件下，巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角一定時(shí)，隨著巖石力學(xué)性質(zhì)差異程度加大，儲(chǔ)集層水平應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度增大，大小增加，水平最小主應(yīng)力大小增加，水平應(yīng)力值的差值減小；額外應(yīng)力一定時(shí)，巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角增加，儲(chǔ)集層水平地應(yīng)力場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角度先增后減，水平最大主應(yīng)力增加，水平最小主應(yīng)力減小。

相同邊界應(yīng)力條件，巖石粒度越粗，儲(chǔ)集層水平最大、最小主應(yīng)力越大，水平最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度越大；巖性界面與邊界水平最大主應(yīng)力夾角一定時(shí)，儲(chǔ)集層水平應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度越大，水平最大、最小主應(yīng)力越大。

油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力比區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，油藏儲(chǔ)集層地應(yīng)力不是區(qū)域構(gòu)造的局部特征。

符號(hào)注釋：

E——彈性模量，GPa；Em——泥巖彈性模量，GPa；t——以2σH、2σh為長(zhǎng)、短軸的橢圓三角函數(shù)表達(dá)中的角度參數(shù)，（°）；X——邊界水平最大主應(yīng)力方向，（°）；Y——邊界水平最小主應(yīng)力方向，（°）；α——任意邊界水平應(yīng)力與邊界水平最大主應(yīng)力的夾角，（°）；β——巖相界面處產(chǎn)生的額外應(yīng)力，MPa；βσ——額外應(yīng)力在任意邊界水平應(yīng)力上的分量，MPa；γ——邊界水平最大主應(yīng)力與額外應(yīng)力的合力，Mpa；σ——任意邊界水平應(yīng)力，MPa；σ′——任意儲(chǔ)集層水平應(yīng)力，MPa；σh——邊界水平最小主應(yīng)力，MPa；σH——邊界水平最大主應(yīng)力，MPa；Δσ——邊界水平最大、最小主應(yīng)力值的差值，MPa；σ′h——儲(chǔ)集層水平最小主應(yīng)力，MPa；σ′H——儲(chǔ)集層水平最大主應(yīng)力，MPa；εm——泥巖形變量，10-3；εs——砂巖形變量，10-3；Δε——相同應(yīng)力條件下，泥巖與砂巖變形量差值，10-3；θ——巖相界面與邊界水平最大主應(yīng)力的夾角，（°）。