地應(yīng)力對頁巖儲層開發(fā)的影響與對策

張金才，亓原昌

(中國石化 休斯頓研究開發(fā)中心，美國 休斯頓 TX 77056)

水平井多級大規(guī)模水力壓裂技術(shù)在北美的成功極大地改變了該地區(qū)油氣的供求局面，并對全球油氣的供需格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，世界其他地方力圖重復(fù)北美成功的努力迄今收效有限。造成這種局面有多種原因，但是地質(zhì)條件的差別不可否認(rèn)是主要因素之一。盡管目前水力壓裂已經(jīng)成為一種較成熟的技術(shù)，其應(yīng)用大多數(shù)是在地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造相對簡單、脆性較高的頁巖以及致密巖層中。該技術(shù)大面積應(yīng)用于地應(yīng)力復(fù)雜或塑性較強(qiáng)的頁巖時(shí)仍然存在許多技術(shù)難點(diǎn)，主要原因是在這些復(fù)雜條件下，地應(yīng)力對水力壓裂裂縫擴(kuò)展與壓裂效果的影響開始上升為主導(dǎo)作用。復(fù)雜地應(yīng)力包括在高地應(yīng)力地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造下的逆斷層或走滑斷層應(yīng)力條件，例如四川盆地的川西坳陷。在這些地應(yīng)力條件下，壓裂經(jīng)常產(chǎn)生水平或低角度裂縫，導(dǎo)致水平井的儲層改造效果不佳。另外，四川盆地與美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)儲層相比具有較高的最小水平主應(yīng)力，這說明四川儲層的破裂壓力比美國同類儲層高[1]，加之四川盆地復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造[2]，水平鉆井方向經(jīng)常偏離最小水平主應(yīng)力方向、水平井鉆遇脆性及地質(zhì)目標(biāo)層位的百分比低等多種不利因素，導(dǎo)致了該地區(qū)高產(chǎn)井的比例偏低，嚴(yán)重影響了大規(guī)模效益開發(fā)。下面將通過地質(zhì)力學(xué)分析說明這些問題。

1 地應(yīng)力的主要特征

1.1 地應(yīng)力的3種狀態(tài)

地應(yīng)力控制著壓裂裂縫擴(kuò)展與壓裂效果。地應(yīng)力不僅取決于巖性和地層孔隙壓力，而且還取決于地質(zhì)構(gòu)造與沉積環(huán)境。通常假設(shè)地應(yīng)力由3個(gè)相互正交的主應(yīng)力組成，即垂向應(yīng)力(上覆巖層壓力，σV，MPa)、最大水平主應(yīng)力 (σH，MPa)與最小水平主應(yīng)力(σh，MPa)[3]。地應(yīng)力有以下3種應(yīng)力狀態(tài)。

1) 正斷層應(yīng)力狀態(tài)。在這種狀態(tài)下的垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，即σV≥σH≥σh。這是應(yīng)力值最小的地應(yīng)力狀態(tài)。

2) 走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)。在這種情況下，垂向應(yīng)力為中間主應(yīng)力，即σH≥σV≥σh。

3) 逆斷層應(yīng)力狀態(tài)。主要發(fā)生在強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，例如四川省汶川地區(qū)。在這種情況下，垂向應(yīng)力是最小主應(yīng)力，即σH≥σh≥σV。這是地應(yīng)力值最高的地應(yīng)力狀態(tài)，在此種應(yīng)力狀態(tài)的儲層中壓裂時(shí)會產(chǎn)生對儲層改造不利的水平裂縫，但是多數(shù)的儲層屬于前2種應(yīng)力狀態(tài)。以下的討論則主要針對于正斷層與走滑斷層應(yīng)力條件。

1.2 地應(yīng)力控制著人工裂縫的起裂

水力壓裂的施工壓力取決于地層的破裂壓力，因?yàn)槭┕毫π枰哂诘貙拥钠屏褖毫Σ拍軌洪_巖層，而破裂壓力取決于地應(yīng)力與巖層的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)典的破裂壓力公式是由Haimson 和 Fairhurst提出[4]，但是，一些室內(nèi)壓裂試驗(yàn)顯示他們的公式低估了實(shí)際的破裂壓力?？紤]到巖層抗拉強(qiáng)度對壓裂有更大的影響而提出了改進(jìn)的破裂壓力公式[5]:

pb=3σmin-σmax-pp+kT0

(1)

從上式可知，破裂壓力呈3倍的最小水平主應(yīng)力值線性增加，因此，裂縫易于在最小水平主應(yīng)力較小及抗拉強(qiáng)度較低的巖層中起始并擴(kuò)展。因?yàn)楫?dāng)最小水平主應(yīng)力低時(shí)，需要的破裂壓力較小，巖層更易被壓裂。

1.3 最小水平主應(yīng)力取決于巖性

無論是常規(guī)還是非常規(guī)油氣層，最大和最小水平主應(yīng)力都具有依賴于巖性的特點(diǎn)，即砂巖中的最小水平主應(yīng)力小于其臨近頁巖的最小水平主應(yīng)力(圖1a)。現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，砂巖的最小水平主應(yīng)力比頁巖的低很多[7](圖1b)。例如圖1b中在深度2 163 m附近被兩層頁巖夾在中間的砂巖，如果在此砂巖層中進(jìn)行水力壓裂，裂縫將被限制在砂巖中并且主要在此層中擴(kuò)展，此時(shí)的頁巖(最小水平主應(yīng)力較大的巖層)成為裂縫擴(kuò)展的阻隔層，這是因?yàn)樗毫蚜芽p易于發(fā)生在最小水平主應(yīng)力較低的層位。但是，如果在頁巖中壓裂，裂縫則很易擴(kuò)展到最小主應(yīng)力較低的砂巖中。

圖1 正斷層與走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下地應(yīng)力與巖性的關(guān)系Fig.1 Relation of in-situ stresses and lithology under normal and strike-slip faulting stress regimes a.水平主應(yīng)力與巖性示意圖；b.科羅拉多州Piceance盆地直井中實(shí)測的地應(yīng)力

最小水平主應(yīng)力可以從鉆孔壓裂測量中的閉合壓力獲得。例如，小型壓裂試驗(yàn)(mini-frac)、漏失測試(LOT)與診斷性壓裂試驗(yàn) (DFIT)。對于各向同性巖層也可用下式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：σt，min為沿最小水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力，MPa；εH，εh分別為沿最大與最小水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)變，無量綱；E為巖石的楊氏模量，MPa；ν是泊松比,可以由聲波測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到。

公式(2)右側(cè)的第一項(xiàng)與巖性有關(guān)，第一項(xiàng)與第二項(xiàng)是由上覆巖層壓力與地層壓力造成的，而第三項(xiàng)或公式(3)與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)。

當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力難于確定時(shí)，可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：

σt,min=bσV[8]

(4)

式中：b為與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)的最小水平主應(yīng)力系數(shù)，可以從鄰井的觀測數(shù)據(jù)反算得到。

從公式(2)可以看出，由于不同巖層或巖性的泊松比不同(例如砂巖具有較小的泊松比，而頁巖具有較大的泊松比)，因此，每一層的最小水平主應(yīng)力也不同(圖1)，這是最小水平主應(yīng)力取決于巖性的主要原因。

2 地應(yīng)力對頁巖儲層改造的控制作用

2.1 地應(yīng)力控制人工裂縫的起裂和擴(kuò)展

Hubbert和Willis最早系統(tǒng)地研究了人工裂縫的力學(xué)行為與擴(kuò)展機(jī)理[9]。他們得出的結(jié)論是裂縫的擴(kuò)展取決于原始地應(yīng)力狀態(tài)。裂縫總體上在垂直于最小主應(yīng)力的兩個(gè)方向擴(kuò)展。在正斷層與走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下，裂縫沿最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力方向擴(kuò)展而形成窄長的垂直裂縫。然而在逆斷層應(yīng)力狀態(tài)則非常不同,裂縫沿最大與最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展而形成水平裂縫，這對水平井壓裂增產(chǎn)非常不利。

2.2 最小水平主應(yīng)力對裂縫擴(kuò)展的阻隔作用

最小水平主應(yīng)力決定著巖層的破裂壓力，并且控制著巖層的起裂層位。當(dāng)最小水平主應(yīng)力較低時(shí)，巖層的起裂壓力較小[公式(1)]，巖層更易被壓裂，即裂縫易于在最小主應(yīng)力最低的巖層產(chǎn)生。圖2顯示裂縫在最小水平主應(yīng)力較小的巖層擴(kuò)展，終止于最小水平主應(yīng)力較高的巖層。圖2a中被兩層頁巖夾在中間的砂巖，其最小水平主應(yīng)力比頁巖低很多。當(dāng)在此砂巖層中壓裂時(shí)，裂縫將被限制在砂巖中并且主要在此層中擴(kuò)展，而其上部與下部的頁巖由于具有較高的最小水平主應(yīng)力則成為裂縫擴(kuò)展的阻隔層。但是，如果在頁巖中壓裂(圖2b)，裂縫則很易擴(kuò)展到最小主應(yīng)力較低的砂巖或其他的頁巖中，這是頁巖儲層壓裂的不利條件之一。

圖2 裂縫(HF)擴(kuò)展與最小水平主應(yīng)力(σh)的關(guān)系Fig.2 Relationship of hydraulic fracture propagation(HF) and the minimum horizontal principal stress(σh) a.在兩層頁巖中間的砂巖中壓裂；b.在兩層砂巖中間的頁巖中壓裂

圖3是美國俄克拉荷馬州伍德福德頁巖水平井中壓裂實(shí)測的瞬時(shí)關(guān)泵壓力(圖3a的紅點(diǎn)，即ISIP，近似于最小水平主應(yīng)力)、粘土和干酪根所占的比例、裂縫加砂量與微地震事件(圖3b)的關(guān)系?？梢钥闯?，只有在最小水平主應(yīng)力較低的區(qū)間才能加進(jìn)支撐砂并且有較多的微地震事件。而在最小水平主應(yīng)力大的區(qū)間加砂量幾乎為零并且微地震事件很少，說明壓裂裂縫主要在最小水平主應(yīng)力低的部位產(chǎn)生并擴(kuò)展。另外，在圖3a中可以看出，粘土和干酪根含量高的巖層對應(yīng)著較大的最小水平主應(yīng)力，這是最小水平主應(yīng)力取決于巖性結(jié)果。

圖3 美國俄克拉荷馬州伍德福德頁巖儲層水平井中的實(shí)測結(jié)果[10]Fig.3 Measured instantaneous shut-in pressure(ISIP),placed proppant amount(a) and measured microseismic events(b) in a horizontal well of the Woodford shale in Oklahoma[10] a.粘土和干酪根所占的比例、瞬時(shí)關(guān)泵壓力(ISIP)與裂縫加砂量；b.微地震事件 (a圖中壓裂段號碼顏色與b圖相應(yīng)段的微地震事件對應(yīng)。)

2.3 水平主應(yīng)力差決定著裂縫擴(kuò)展

當(dāng)最大與最小水平主應(yīng)力差很大時(shí)，水力壓裂形成簡單的、方向性較強(qiáng)且較長的平面型裂縫(例如巴肯頁巖儲層最小水平主應(yīng)力梯度為18 MPa/km，應(yīng)力梯度差較大為3.58 MPa/km[11])；相反則形成復(fù)雜的、方向性較差的裂縫(例如中國的涪陵與美國的巴奈特頁巖)。例如，巴奈特頁層在不同地區(qū)有不同的地應(yīng)力，通常水平應(yīng)力差異很小，但是變化較大。文獻(xiàn)報(bào)道了巴奈特頁巖氣一口水平井水力壓裂過程中觀察到的微地震事件[12]。在壓裂段1和段2中，應(yīng)力梯度差相對較大 (段1中σH-σh=1.58 MPa/km，在段2中σH-σh=2.26 MPa/km),而段3(σH-σh=0.9 MPa/km)和段4(σH-σh=0.68 MPa/km)的應(yīng)力梯度差較小。微地震測量可知，在段1和段2產(chǎn)生了方向性較強(qiáng)的平面型簡單裂縫。然而，在段3和段4產(chǎn)生了不規(guī)則、復(fù)雜的裂縫，這主要是因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)力差小的原因。由于裂縫的擴(kuò)展不僅取決于應(yīng)力差，而且還取決于巖層的抗拉強(qiáng)度，因此我們提出用裂縫擴(kuò)展系數(shù)R來描述裂縫的擴(kuò)展：

(5)

式中：裂縫擴(kuò)展系數(shù)R越大越易形成簡單裂縫，而R越小越易形成復(fù)雜裂縫。可以根據(jù)儲層的地應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度與裂縫擴(kuò)展特征得出儲層的R值。

2.4 生產(chǎn)導(dǎo)致的水平應(yīng)力降低與裂縫擴(kuò)展

生產(chǎn)井生產(chǎn)后造成儲層孔隙壓力下降，從而造成最小水平主應(yīng)力降低，其下降值與儲層壓力下降值成正比，可以由下式估算：

(6)

式中：Δσh，Δpp分別為最小水平主應(yīng)力降低值和儲層壓力降低值，MPa；α為Biot有效應(yīng)力系數(shù)，無量綱。

生產(chǎn)井導(dǎo)致其周圍的最小水平主應(yīng)力下降，對加密井或鄰井的壓裂造成負(fù)面影響，尤其是近間距鉆進(jìn)新井時(shí)，這是由于壓裂裂縫趨于向最小水平主應(yīng)力小的區(qū)域擴(kuò)展。這種影響主要有兩個(gè)方面：一是新井壓裂裂縫非對稱擴(kuò)展或單翼向生產(chǎn)井方向擴(kuò)展[11]，造成裂縫發(fā)育不充分，壓裂效果不佳；另外當(dāng)井的間距很小時(shí)會造成井間干擾(例如井間裂縫連通)。因此，距生產(chǎn)井近距離布設(shè)加密井時(shí)需要考慮這種影響，并且要分析最小水平主應(yīng)力的下降幅度及可能對壓裂的影響。

3 地應(yīng)力與水平井方位對壓裂和產(chǎn)能的影響

3.1 沿方位井和偏方位井對產(chǎn)能的影響

頁巖儲層水平井最佳的布井方式是沿最小水平主應(yīng)力方向，這樣可以使壓裂裂縫在垂直于井筒的方向擴(kuò)展，這是因?yàn)榱芽p在最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力方向擴(kuò)展需要的能量最低，所以此方向是裂縫容易擴(kuò)展的方向。對于沿最小水平主應(yīng)力方向布設(shè)的水平井(沿方位井，圖4a右側(cè)的井筒)，人工裂縫將沿垂直于井筒的方向擴(kuò)展而不發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)。而偏離最小水平主應(yīng)力方向的水平井(偏方位井)中裂縫的擴(kuò)展模式和方向則與沿方位井不同(例如圖4a左側(cè)的3個(gè)井筒)。因?yàn)槠轿痪纳淇字挟a(chǎn)生了較多剪應(yīng)力，所以裂縫發(fā)生扭曲，從而阻礙支撐劑的運(yùn)送，影響壓裂效果。統(tǒng)計(jì)馬塞勒斯頁巖氣475口井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明[13]，沿方位井的產(chǎn)量最高，當(dāng)水平井偏離最小水平主應(yīng)力方向40° 時(shí)，其最終產(chǎn)量(EUR)減少0.25×108m3,相當(dāng)于總產(chǎn)量減少了27.2%(圖4b，據(jù)文獻(xiàn)[13]的數(shù)據(jù)繪制)；而當(dāng)水平井偏離最小水平主應(yīng)力方向90° 時(shí)，則產(chǎn)量最低。在其他頁巖儲層也有類似的現(xiàn)象。

圖4 馬塞勒斯頁巖沿方位井與偏方位井裂縫擴(kuò)展與產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Hydraulic fracture propagation vs.gas production of on-azimuth and off-azimuth horizontal wells in the Marcellus shale gas play a.井的方位與裂縫擴(kuò)展;b.最終單井產(chǎn)量減少量與減少的百分比和水平井偏離最小水平主應(yīng)力方向的關(guān)系

3.2 偏方位井對破裂壓力的不利影響

偏方位井的另一個(gè)不利因素是其造成地層破裂壓力增大，導(dǎo)致巖層難于壓裂。例如由于偏方位水平井偏離最小水平主應(yīng)力方向，井筒的遠(yuǎn)場產(chǎn)生了剪應(yīng)力，如圖5所示。同時(shí)偏方位井中射孔的遠(yuǎn)場應(yīng)力也不同于方位井中的情形，這將造成破裂壓力增加。下面將討論偏方位水平井中射孔的2種情況：

1) 垂直井筒走向的垂向射孔

偏方位水平井中的垂向射孔橫截面上形成了與原始地應(yīng)力不同的遠(yuǎn)場應(yīng)力(包括剪應(yīng)力τ，圖5)，假設(shè)原井筒開挖對射孔端部的應(yīng)力影響較小，則射孔上的遠(yuǎn)場應(yīng)力可以從文獻(xiàn)[14]中的公式(A1)得到。據(jù)圖5a,b結(jié)合公式(1)的推導(dǎo)過程可以得到下式，其可以用于近似計(jì)算偏方位井中垂向射孔的破裂壓力：

pb≈(4cos2β-1)σh-(4cos2β-3)σH-pp+kT0

(7)

式中:β是水平井的方向與最小水平主應(yīng)力方向的角度，(°)，0°≤β≤45°。

2) 垂直井筒走向的水平射孔

對于偏方位水平井中的水平射孔，其橫截面上形成的遠(yuǎn)場應(yīng)力如圖5c所示，與公式(7)同樣的推導(dǎo)過程可以得到如下的破裂壓力：

圖5 偏方位水平井(a)及其垂向射孔橫截面(b)與水平射孔橫截面(c)上的遠(yuǎn)場應(yīng)力Fig.5 The far-field stresses in an off-azimuth horizontal well(a) and on the cross sections of vertical(b) and horizontal perforations(c)

pb=3(σhcos2β+σHsin2β)-σV-pp+kT0

(8)

式中： 0°≤β≤90°。

從公式(7)和(8)可知，β越大，破裂壓力越大，巖層越難壓裂，即偏方位井中的射孔更難于起裂。表1為據(jù)公式(7)和(8)計(jì)算的涪陵頁巖水平井在3個(gè)不同偏方位角時(shí)的破裂壓力。計(jì)算中假設(shè)垂深為2 410 m,σV=57 MPa，σh=53 MPa,σH=59 MPa,pp=38 MPa,k=1.41,T0=3 MPa。計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)水平井的方向偏離最小水平主應(yīng)力方向較大時(shí)(例如β=45°)，破裂壓力增幅較大：垂向射孔達(dá)18%，水平射孔達(dá)13%。當(dāng)β≤15°時(shí)對破裂壓力的影響很小。

表1 偏方位井與方位井破裂壓力計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparisons of the calculated breakdown pressures in on-azimuth and off-azimuth wells

4 地應(yīng)力對四川盆地頁巖氣開發(fā)的影響

4.1 四川盆地頁巖氣水平主應(yīng)力的特點(diǎn)

受印度板塊撞擊并且持續(xù)擠壓歐亞板塊的影響，青藏高原與四川盆地產(chǎn)生了較高的壓縮位移。2017年的GPS觀測結(jié)果表明，在龍門山斷裂帶處產(chǎn)生的水平位移可達(dá)1～3 mm/a；由此導(dǎo)致的在龍門山斷裂帶(與四川盆地西部交界)處的水平壓應(yīng)變每年達(dá)(40～50)×10-9[15]，此構(gòu)造應(yīng)變從四川盆地的西部到東部逐漸減小。如果假設(shè)四川盆地西部每年的最大構(gòu)造應(yīng)變?yōu)棣臜=2×10-9～20×10-9，最小構(gòu)造應(yīng)變?yōu)棣舎=0，楊氏模量E=30 GPa，泊松比ν= 0.25，則根據(jù)公式(3)沿最小水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力為σt,min=16～160 Pa。如果從印度板塊開始撞擊并且持續(xù)擠壓歐亞板塊的5千萬年期間應(yīng)力沒有釋放，則累計(jì)最大構(gòu)造應(yīng)力可達(dá):σt，min=800～8 000 MPa。而觀測結(jié)果表明，地層中的水平應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此計(jì)算結(jié)果，說明地質(zhì)過程中應(yīng)力集中到某一時(shí)刻會以地震或形成斷層的形式釋放。因此，四川盆地(尤其是其西部)是構(gòu)造活動區(qū)，具有較高的構(gòu)造應(yīng)力與水平主應(yīng)力。

由于四川盆地具有較高的最小水平主應(yīng)力，因此頁巖氣地層破裂壓力很高，難以壓裂(尤其是埋深較大時(shí))。美國馬塞勒斯與中國涪陵頁巖儲層的地質(zhì)與物性及脆性指數(shù)相近[16-23]，但是地應(yīng)力具有較大的差別，這可能是決定壓裂效果的主要因素。圖6為通過分析四川盆地部分氣田的地應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)得出的不同氣田的地應(yīng)力的關(guān)系?？梢钥闯?，自四川盆地西部的龍門山地區(qū)至須家河致密氣層、威遠(yuǎn)(威榮)頁巖氣田到焦石壩涪陵頁巖氣田水平主應(yīng)力逐漸減小，地應(yīng)力狀態(tài)也由不利于壓裂的逆斷層應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變到正斷層應(yīng)力區(qū)。受構(gòu)造應(yīng)力影響四川盆地的最小水平主應(yīng)力普遍較高，是垂向應(yīng)力的0.9～1倍；而馬塞勒斯頁巖的最小水平主應(yīng)力是垂向應(yīng)力的0.84倍。因此，據(jù)公式(1)四川盆地的地層破裂壓力更高，難于壓裂。自西向東，四川盆地的水平主應(yīng)力逐漸減小。威遠(yuǎn)(威榮)頁巖的最小、最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力有如下近似關(guān)系：σh=0.95σV,σH=1.25～1.3σh。而涪陵頁巖的最小、最大水平主應(yīng)力有所減小，與垂向應(yīng)力有如下關(guān)系：σh=0.93σV,σH=1.1σh。涪陵頁巖與馬塞勒斯頁巖均處于走滑斷層應(yīng)力區(qū)并且垂向應(yīng)力相近，而馬塞勒斯頁巖的最小水平主應(yīng)力較小(σh=0.84σV,σH最高可達(dá)1.7σh[24])。假設(shè)在垂深2 410 m處,σV=57 MPa，并且在地層壓力與抗拉強(qiáng)度相近的條件下，據(jù)公式(1)計(jì)算可知，涪陵頁巖的破裂壓力比馬塞勒斯頁巖的高出38 MPa。這表明涪陵頁巖需要更高的施工壓力，更難于壓裂。

圖6 四川盆地主要頁巖氣地層的地應(yīng)力關(guān)系(圖中地應(yīng)力為本文的分析結(jié)果，而構(gòu)造圖源自文獻(xiàn)[16])Fig.6 The in-situ stresses in different shale gas plays in the Sichuan Basin(the in-situ stresses are derived from this study; the structural figure from reference[16])

四川盆地另一個(gè)特點(diǎn)是不同區(qū)域的頁巖儲層最大最小水平主應(yīng)力差很不同。威榮和威遠(yuǎn)頁巖氣儲層的水平應(yīng)力差(σH-σh≈0.28σV)與馬塞勒斯頁巖水平主應(yīng)力差(σH-σh≈0.5σV)都較大。當(dāng)水平主應(yīng)力差較大時(shí)，壓裂將產(chǎn)生方向性很強(qiáng)且較長的平面型裂縫，即裂縫在水平方向擴(kuò)展的較遠(yuǎn)。如果需要產(chǎn)生復(fù)雜裂縫或多組裂縫，需要減小簇間距以充分壓裂儲層，但是也需要考慮這種密集壓裂可能對套管的損壞。而涪陵頁巖的水平應(yīng)力差較小(σH-σh≈0.1σV),遠(yuǎn)小于威遠(yuǎn)和威榮與馬塞勒斯頁巖的水平應(yīng)力差。因此，涪陵頁巖壓裂會產(chǎn)生方向性不強(qiáng)的復(fù)雜裂縫，這有利于人工裂縫在不同方向的擴(kuò)展，但是裂縫擴(kuò)展長度小，可能會限制儲層的改造效果。這也說明涪陵頁巖的井間距可以設(shè)計(jì)的比馬塞勒斯和威榮頁巖的井間距小。

4.2 水平主應(yīng)力對涪陵頁巖壓裂的影響

涪陵頁巖儲層龍馬溪組巖層自淺部向深部脆性礦物含量增高、脆性指數(shù)也增高、可壓性變好。原因之一是脆性巖石韌性低或臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子低，易于破裂。另一個(gè)原因是脆性高的巖石泊松比較小，因此從公式(2)可知其具有較低的最小水平主應(yīng)力。因此，據(jù)公式(1)，脆性高的巖石的破裂壓力更小更易壓裂。以圖7涪陵焦頁1井為例，在同一水平段中由于處于的層位(巖性)不同，破裂壓力相差最高可達(dá)29 MPa。該井水平段的趾部位于脆性較低的層位，因而此處的最小水平主應(yīng)力較大(見圖中紅色箭頭所指的部位)，從而造成破裂壓力增高、巖層難于開裂。因此，水平井準(zhǔn)確地鉆進(jìn)在有利層位對于壓裂效果與產(chǎn)量有重要的影響。假設(shè)圖7為沿方位井，如果在同樣的深度與層位鉆進(jìn)一口45°的偏方位井時(shí)，則對于此井中的垂向射孔，其破裂壓力會增加18%(表1)，此時(shí)的最大破裂壓力將會由圖7中的86 MPa增加到101 MPa，會導(dǎo)致巖層更難于壓裂。如果再考慮到此偏方位井中的水平射孔等其他因素造成的破裂壓力增加幅度，可能會導(dǎo)致儲層不能被壓開。因此，準(zhǔn)確確定水平段的方位、優(yōu)化布設(shè)水平井于有利層位對于提高壓裂效果具有非常重要的作用。

圖7 涪陵焦頁1H井地層破裂壓力與水平段的位置、最小水平主應(yīng)力和脆性指數(shù)的關(guān)系(據(jù)中國石化勘探分公司原圖修改)Fig.7 Formation breakdown pressure vs.well location,the minimum horizontal principal stress and rock brittleness index of Well Jiaoye-1H in the Fuling shale gas field(modified from a diagram by Sinopec Exploration Co.)

5 結(jié)論與建議

基于地應(yīng)力與巖性分析和美國頁巖儲層改造的成功經(jīng)驗(yàn)，對于四川盆地頁巖氣與相似的頁巖儲層開發(fā)給出以下結(jié)論與建議：

1) 地層破裂壓力與最小水平主應(yīng)力呈3倍的線性關(guān)系，因此，最小主應(yīng)力較高的儲層難于壓裂。

2) 準(zhǔn)確確定水平主應(yīng)力的大小與方向并將水平井布設(shè)在有利方位與有利層位，可以減小地應(yīng)力對壓裂的不利影響。

3) 四川盆地的最小水平主應(yīng)力普遍較高，是垂向應(yīng)力的0.9～1倍。因此，地層破裂壓力較高。這可能是一些頁巖氣儲層壓裂效果與產(chǎn)量不佳的原因之一。

4) 涪陵頁巖儲層的水平主應(yīng)力差較小，壓裂一般產(chǎn)生長度較短、高度較小的裂縫，因此可以考慮減小井間距，以充分壓裂儲層。

5) 威榮和威遠(yuǎn)頁巖儲層的水平主應(yīng)力差較大，壓裂一般產(chǎn)生較長的簡單裂縫。如果需要產(chǎn)生復(fù)雜裂縫或多組裂縫，需要減小簇間距及選擇適宜的壓裂液以充分壓裂儲層。

6) 最小水平主應(yīng)力取決于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力與巖性，不同巖層中人工裂縫開啟與擴(kuò)展模式可能非常不同。因此根據(jù)應(yīng)力與巖性分析，精細(xì)優(yōu)化水平井目標(biāo)層位并努力提高有利層的鉆遇率是有效開發(fā)的關(guān)鍵。

7) 相對于偏方位井，沿方位井具有較高的產(chǎn)能與更易于壓裂。應(yīng)努力確保水平井位于最小水平主應(yīng)力方向，或者偏離最小水平主應(yīng)力方向不大于15°。

8) 如果水平井在鉆井方位、鉆遇儲層和巖性上都有偏差，則這3個(gè)因素疊加結(jié)果將很可能導(dǎo)致壓裂失敗或低效完井。