渤中19-6 復(fù)雜斷塊構(gòu)造地應(yīng)力分布規(guī)律試驗(yàn)研究

周長(zhǎng)所，耿亞楠，雷 楊，何英明

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209）

渤中19-6 氣田是近年來(lái)渤海地區(qū)發(fā)現(xiàn)的我國(guó)東部最大凝析氣田，該氣田的高效開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)華北地區(qū)的清潔能源供給具有重要意義。渤中19-6 氣田處于渤中凹陷構(gòu)造，受復(fù)雜斷塊及構(gòu)造影響[1]，探井在鉆探過(guò)程中，表現(xiàn)出頻繁的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，部分井甚至出現(xiàn)了埋鉆具，最終導(dǎo)致井眼報(bào)廢的情況，可以說(shuō)，本氣田地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力分布規(guī)律的復(fù)雜性導(dǎo)致的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題，是本氣田高效開(kāi)發(fā)的主要制約因素之一。

地應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)井位選擇、鉆井軌道設(shè)計(jì)、確定鉆井液密度及保持井壁穩(wěn)定性具有重要意義。對(duì)于渤海區(qū)域，通常認(rèn)為受正斷層構(gòu)造影響，地應(yīng)力大小分布規(guī)律常表現(xiàn)為上覆巖層壓力（σv）＞水平最大地應(yīng)力（σH）＞水平最小地應(yīng)力（σh）。然而在對(duì)渤中19-6 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模式、裂縫走向的分析中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的主控構(gòu)造類(lèi)型、地應(yīng)力分布規(guī)律與以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)不同，雖然區(qū)域構(gòu)造內(nèi)發(fā)育有大量的正斷層，但這些正斷層相對(duì)整個(gè)構(gòu)造僅為次級(jí)構(gòu)造，而整個(gè)區(qū)域又受近南北走向的走滑斷裂活動(dòng)的影響。針對(duì)這種受復(fù)雜斷塊構(gòu)造影響的區(qū)域，需借助試驗(yàn)分析及測(cè)井資料來(lái)確定地應(yīng)力的分布規(guī)律。因此，為提高后續(xù)開(kāi)發(fā)井鉆井作業(yè)安全及效率，針對(duì)渤中19-6 構(gòu)造開(kāi)展了地層破裂試驗(yàn)，并進(jìn)行了井下電成像測(cè)井?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果及資料，對(duì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力大小及方向的分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，并建立了構(gòu)造北部沿深度的地應(yīng)力剖面，為后續(xù)鉆井作業(yè)提供了技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及地層破裂試驗(yàn)分析

1.1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征

渤中凹陷19-6 構(gòu)造位于渤中凹陷西南部，分為南北兩個(gè)主要含油氣構(gòu)造。該構(gòu)造又被南北走向的郯廬斷裂切割成東、西兩部分，并進(jìn)一步被近東西向次級(jí)斷裂切割成復(fù)雜斷塊。渤中19-6 構(gòu)造主要經(jīng)歷了4 個(gè)階段的演化，第一階段為印支期，也就是燕山擠壓逆沖成山階段；第二階段為燕山中期拉張斷塊隆升階段；第三階段為燕山晚期反轉(zhuǎn)褶隆抬升階段；第四階段為喜馬拉雅期改造埋藏定型階段[2]。對(duì)應(yīng)4 個(gè)主要構(gòu)造演化階段，渤中凹陷主要發(fā)育早期伸展斷裂、中期走滑伸展斷裂、晚期走滑斷裂和長(zhǎng)期活動(dòng)斷裂4 種斷裂類(lèi)型。

圖1 渤中凹陷構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模式及裂縫走向示意圖

斷裂走向方位主要有NNE 向、NE 向、近EW 向和NW-NWW 向。在第四系沉積時(shí)期，主要受郯廬斷裂走滑活動(dòng)的影響，構(gòu)造晚期發(fā)生右旋走滑（伸展）運(yùn)動(dòng)，多為主走滑斷層，是渤中凹陷油氣成藏的主控?cái)鄬宇?lèi)型之一[3]。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造時(shí)期及階段可見(jiàn)，渤中19-6 構(gòu)造主要受晚期的走滑運(yùn)動(dòng)影響，主走滑斷層為主控構(gòu)造因素，同時(shí)區(qū)域內(nèi)發(fā)育有大量的次級(jí)蓋層正斷層。渤中凹陷晚期構(gòu)造應(yīng)力方向、應(yīng)力場(chǎng)模式及裂縫走向（見(jiàn)圖1）。

1.2 地層破裂試驗(yàn)及地應(yīng)力分析

鑒于研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，多種構(gòu)造因素同時(shí)存在，因此需要借助試驗(yàn)手段來(lái)分析區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律。目前開(kāi)展地應(yīng)力試驗(yàn)研究主要手段有地層破裂試驗(yàn)、巖石聲發(fā)射凱澤爾（Kaiser）效應(yīng)測(cè)定。其中現(xiàn)場(chǎng)地層破裂試驗(yàn)確定地應(yīng)力的方法準(zhǔn)確度更高。因此，對(duì)渤中19-6 構(gòu)造北部探井（4 井和9 井）開(kāi)展了井下地層破裂試驗(yàn)。兩個(gè)井區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)（見(jiàn)表1）。其中4 井區(qū)試驗(yàn)深度選擇依據(jù)為表層套管鞋以下5 m 左右，9 井區(qū)試驗(yàn)深度為技術(shù)套管鞋以下5 m 左右，通過(guò)兩個(gè)不同深度的試驗(yàn)，互相印證試驗(yàn)結(jié)果。

以時(shí)間為自變量，以0.01 m3～0.04 m3為步進(jìn)逐步向井筒內(nèi)泵入鉆井液。兩個(gè)井區(qū)地層破裂試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果（見(jiàn)圖2、圖3）。

表1 4、9 井區(qū)井下地層破裂試驗(yàn)基礎(chǔ)條件與參數(shù)

圖2 4 井地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

圖3 9 井地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

以試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式（1）～（4）可計(jì)算得到兩個(gè)井區(qū)的主地應(yīng)力大?。?/p>

式中：σH、σh、σv-最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力、上覆巖層壓力，MPa；Gz-地層密度，kg/m3；H-地層深度，m；Pp-地層孔隙壓力，MPa；Pf-地層破裂壓力，MPa；α-有效應(yīng)力系數(shù)；St-地層抗拉強(qiáng)度，MPa；Ps-瞬時(shí)停泵壓力，MPa；Pr-裂縫重張壓力，MPa。

表2 4、9 井區(qū)地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

兩個(gè)井區(qū)的地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）。由表2 可見(jiàn)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)計(jì)算得到的地應(yīng)力，表現(xiàn)為水平最大地應(yīng)力＞上覆巖層壓力＞水平最小地應(yīng)力的分布特征。由此可見(jiàn)，雖然渤中19-6 構(gòu)造范圍內(nèi)發(fā)育有大量的正斷層，但受構(gòu)造范圍內(nèi)晚期走滑斷裂的影響，正斷層并非主控地質(zhì)構(gòu)造因素，區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力大小規(guī)律與走滑斷裂相關(guān)。因此，若采用常規(guī)判斷地應(yīng)力大小的方法，其結(jié)果會(huì)與實(shí)際產(chǎn)生較大誤差。

2 地應(yīng)力方向分析

由本文第1 部分分析結(jié)果可知，渤中19-6 構(gòu)造受晚期走滑斷裂的影響，其地應(yīng)力符合走滑斷層控制下的分布規(guī)律，因此，構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力方向無(wú)法通過(guò)斷層走向來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。為了給后續(xù)井網(wǎng)布置及鉆井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)3 口井進(jìn)行了井下電成像測(cè)井。電成像測(cè)井結(jié)果（見(jiàn)圖4）。

由電成像測(cè)井圖像可見(jiàn)，北部構(gòu)造的4、7 井誘導(dǎo)裂縫分布在西北-東南方向，角度在NE100°～110°范圍內(nèi)。南部構(gòu)造的2 井誘導(dǎo)裂縫分布方向接近東西向，角度約為NE90°。根據(jù)誘導(dǎo)裂縫與地應(yīng)力關(guān)系可知，鉆井誘導(dǎo)縫的走向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向[4，5]。因此可以判斷渤中19-6 構(gòu)造不同井區(qū)最大水平地應(yīng)力方向（見(jiàn)表3）。

由表3 可見(jiàn)，渤中19-6 構(gòu)造范圍內(nèi)，不同井區(qū)的地應(yīng)力方向分布范圍在NE90°～110°，其中4、7 井區(qū)水平最大地應(yīng)力分布方向在NE100°～110°，2 井區(qū)水平最大地應(yīng)力分布方向在NE90°，與周?chē)蜌鈽?gòu)造角度存在較大差異（相差約30°），在進(jìn)行開(kāi)發(fā)井網(wǎng)部署時(shí)，應(yīng)考慮地應(yīng)力方向差異帶來(lái)的影響[6，7]。

圖4 井下電成像測(cè)井結(jié)果

表3 渤中19-6 構(gòu)造及周?chē)蜌鈽?gòu)造地應(yīng)力方向

3 研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)及地應(yīng)力剖面建立

利用地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)法求取了區(qū)域構(gòu)造的單點(diǎn)地應(yīng)力大小，然而為了建立地層的其他直接用于鉆井設(shè)計(jì)的壓力剖面，如地層破裂壓力剖面、地層坍塌壓力剖面等，必須建立沿深度分布的地應(yīng)力剖面。目前已發(fā)展出多種基于力學(xué)理論及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的計(jì)算地應(yīng)力的公式法，其中由我國(guó)學(xué)者提出的黃氏模型[8]在渤海地區(qū)應(yīng)用效果良好。本文基于地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用測(cè)井資料建立了研究區(qū)北部構(gòu)造的地應(yīng)力剖面。黃氏模型計(jì)算主要地應(yīng)力公式如下所示。

式中：σv、σH、σh-上覆巖層壓力、最大、最小水平主地應(yīng)力，MPa；μs-地層的靜態(tài)泊松比值；β、γ-構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

在利用式（5）～（7）計(jì)算地應(yīng)力之前，需利用地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)反算構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算公式如式（8）、（9）所示：

將本文1.2 節(jié)計(jì)算得到的地應(yīng)力代入式（8）、（9）中，可計(jì)算得到研究區(qū)北部構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)（見(jiàn)表4）。

由構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，研究區(qū)北部構(gòu)造不同井區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)非常接近，證明4、9 井區(qū)同屬于一個(gè)局部構(gòu)造，這與地質(zhì)認(rèn)識(shí)與區(qū)塊劃分相符。以計(jì)算得到的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為基礎(chǔ)，利用式（5）～（7）計(jì)算可得渤中19-6 北部構(gòu)造地應(yīng)力剖面（見(jiàn)圖5）。由計(jì)算得到的地應(yīng)力剖面與實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小規(guī)律相同，區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出走滑斷層主控的地應(yīng)力分布規(guī)律（σH＞σv＞σh），最小水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度在1.56 g/cc～1.87 g/cc，進(jìn)入儲(chǔ)層后，因潛山地層低孔隙度及滲透率，有效應(yīng)力系數(shù)減小，導(dǎo)致地應(yīng)力當(dāng)量密度有一個(gè)較明顯的降低；最大水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度在2.15 g/cc～2.54 g/cc；與實(shí)測(cè)得到的地應(yīng)力數(shù)據(jù)點(diǎn)相比，建立的地應(yīng)力剖面與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合度良好，能夠?yàn)楹罄m(xù)其他地層壓力剖面的建立提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表4 由地層破裂試驗(yàn)計(jì)算得到的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)

圖5 渤中19-6 北部構(gòu)造地應(yīng)力剖面

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)地層破裂試驗(yàn)及分析，確定了渤中凹陷19-6 復(fù)雜斷塊構(gòu)造地應(yīng)力的分布規(guī)律，證實(shí)了渤中19-6 構(gòu)造區(qū)域內(nèi)走滑斷層為主控構(gòu)造因素，地應(yīng)力表現(xiàn)為水平最大地應(yīng)力＞上覆巖層壓力＞水平最小地應(yīng)力的分布特征；

（2）研究表明，與周?chē)蜌鈽?gòu)造地應(yīng)力方向不同，渤中19-6 構(gòu)造區(qū)域內(nèi)最大水平地應(yīng)力方向?yàn)镹E90°～110°，不同井區(qū)地應(yīng)力方向分布略有差異，在井網(wǎng)設(shè)計(jì)、定向井軌道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮地應(yīng)力方向的影響；

（3）建立了渤中19-6 北部構(gòu)造（4、9 井區(qū)）地應(yīng)力剖面，為后續(xù)井壁穩(wěn)定分析、鉆井液密度優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。