徐深氣田A區(qū)塊巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力分析

吳云龍

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

儲層的巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力特征與儲層中裂縫的分布情況有著密切關(guān)系，是油氣田勘探、鉆井完井工程、開發(fā)方案設(shè)計(jì)及儲層保護(hù)與改造等方面的主要依據(jù)[1-3]。巖石力學(xué)性質(zhì)可由巖石力學(xué)參數(shù)來表征，其參數(shù)的求取方法與應(yīng)用受到國內(nèi)外眾多巖石力學(xué)專家的廣泛關(guān)注[3-5]。地應(yīng)力主要由地殼運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖層自身重量施加的靜巖應(yīng)力、孔隙流體壓力以及熱應(yīng)力等組成，在地質(zhì)學(xué)中主要關(guān)注的是構(gòu)造應(yīng)力與靜巖應(yīng)力[6-7]。其中，構(gòu)造應(yīng)力是指在靜巖應(yīng)力狀態(tài)之上所附加的一種應(yīng)力狀態(tài)，是形成各種地質(zhì)構(gòu)造的主要作用力，而構(gòu)造形變的強(qiáng)弱程度則由應(yīng)力差控制。地應(yīng)力方向的確定是當(dāng)前地應(yīng)力研究中的最為重要和實(shí)用的內(nèi)容之一，在現(xiàn)今地應(yīng)力場中，水平最大主應(yīng)力方向控制著油氣的主要滲流方向，且與天然裂縫發(fā)育情況有著密切關(guān)系[7-8]。

徐深氣田A區(qū)塊位于松遼盆地北部徐家圍子斷陷徐中構(gòu)造帶南部，下白堊統(tǒng)營城組儲層主要發(fā)育營一段火山巖，構(gòu)造整體表現(xiàn)為北高南低、中部高、東西兩側(cè)低，向南傾的鼻狀構(gòu)造，斷裂主要分布在工區(qū)北部，且火山巖儲層天然裂縫較為發(fā)育，平均原始地層壓力為37.98 MPa，屬于巖性—構(gòu)造氣藏。目前針對工區(qū)火山巖的巖石力學(xué)與地應(yīng)力場等相關(guān)研究資料較為匱乏，為了更加準(zhǔn)確掌握火山巖儲層的巖石力學(xué)參數(shù)及明確地應(yīng)力的方向與展布特征，為油田后期開發(fā)井網(wǎng)部署、水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂方案制定等方案提供依據(jù)，急需開展火山巖的巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力的相關(guān)研究。

1 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)主要指巖石的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，反映了巖石在外力作用下所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)，其測量方法主要有2種：①靜態(tài)法，測量巖石在載荷作用下的縱橫向應(yīng)變，然后計(jì)算力學(xué)參數(shù)；②動態(tài)法，利用測井曲線計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)。動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)和靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)在數(shù)值上是不同的，但二者具有一定的相關(guān)關(guān)系[9-10]。

1.1 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)測試

本次測試的實(shí)驗(yàn)樣品是取自徐深氣田A區(qū)塊深層營城組火山巖的巖心樣品。巖石力學(xué)參數(shù)測試、波速各向異性測試以及聲發(fā)射測試的樣品是同一井相同深度的一組樣品，共鉆取樣品20組，每組為1個大樣（?100 mm×H50 mm）和8個小樣（?25 mm×H50 mm），其中，角礫巖樣品有3組，凝灰?guī)r樣品有11組，集塊巖樣品有2組，流紋巖樣品有1組，礫巖樣品有3組（沉積巖），典型巖心照片如圖1所示。

巖石力學(xué)參數(shù)測試采用MTS巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，將巖石樣品制備成直徑為25 mm，高度為50 mm的圓柱形試樣（每組4個），選擇10 MPa、20 MPa、30 MPa、37 MPa（目的層深度圍壓）4個等級圍壓，以0.05 MPa/s的加荷速度施加圍壓至預(yù)定圍壓值，并使圍壓在實(shí)驗(yàn)過程中始終保持為常數(shù)，設(shè)備加熱系統(tǒng)將巖石加熱至135 ℃，并保持溫度恒定，以軸向變形0.002 mm/s的速度加軸壓，直至試樣破壞，讀取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的荷載和變形值。根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以計(jì)算出彈性模量和泊松比，計(jì)算公式如下：

式中σ表示主應(yīng)力差，MPa；σ1表示軸壓，MPa；σ3表示圍壓，MPa；E表示彈性模量，MPa；v表示泊松比，無量綱 ；（σ1-σ3）（50）表示主應(yīng)力差 50%的應(yīng)力值，MPa ；εl（50）表示在（σ1-σ3）（50）時的軸向應(yīng)變，無量綱；（σ1-σ3）（50）表示在時的徑向應(yīng)變，無量綱。

圖1 營城組火山巖典型巖心照片

內(nèi)聚力C，MPa）與內(nèi)摩擦角（單位°）的求取方式為：在剪應(yīng)力與正應(yīng)力坐標(biāo)軸上以為圓心，以為半徑繪制莫爾圓，然后做這些圓的公切線得到強(qiáng)度包絡(luò)線，求出包絡(luò)線的斜率m和在軸上的截距b，得到C=b，tan=m，求反切得到。

完成工區(qū)11口井營城組火山巖20組巖石力參數(shù)測試，主要分析37 MPa圍壓（目的層圍壓）的測試結(jié)果（表1），得知工區(qū)營城組火山巖的峰值強(qiáng)度介于236.83～531.85 MPa，平均值為425.40 MPa；彈性模量介于50.08～65.25 GPa，平均值為56.07 GPa；泊松比介于0.175～0.314，平均值為0.25；內(nèi)聚力介于6.27～78.11 MPa，平均值為27.67 MPa；內(nèi)摩擦角介于35.96°～53.75°，平均值為48.54°?；鹕綆r的彈性模量隨著圍壓的增加而增加，呈明顯正相關(guān)關(guān)系（圖2a），而泊松比隨圍壓的增加無明顯變化規(guī)律（圖2b）。從不同巖性上來看，彈性模量為流紋巖最大，其次為角礫巖、凝灰?guī)r及集塊巖相當(dāng)，礫巖最小，泊松比為流紋巖最大，集塊巖次之，再次為礫巖與凝灰?guī)r相當(dāng)，角礫巖最小，可見火山巖中流紋巖的力學(xué)參數(shù)最大，其他巖性相差不大，測試中流紋巖只有1個樣品，不具統(tǒng)計(jì)意義。從深度上來看，火山巖的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力均隨著深度的增加有增大的趨勢（圖3）。

總之，火山巖的巖石力學(xué)參數(shù)受巖性、圍壓及深度等影響，整體表現(xiàn)為隨著深度增加呈增大趨勢；不同巖性之間巖石力學(xué)參數(shù)具有一定差異性，火山巖的力學(xué)參數(shù)相比礫巖較大，在相同施工條件下，火山巖壓裂施工難度較礫巖大些。

1.2 動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)彈性力學(xué)理論，利用陣列聲波測井曲線中的縱、橫波時差及密度資料，可求取巖石的動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，計(jì)算公式如下：

表1 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)測試統(tǒng)計(jì)表（圍壓37 MPa）

圖2 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)與圍壓關(guān)系圖

圖3 靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)與深度關(guān)系圖

式中Ed表示動態(tài)彈性模量，MPa；μd表示動態(tài)泊松比；表示vp縱波速度，m/μs；vps表示橫波速度，m/μs；ρ表示密度，kg/m3。

公式（4）、（5）所求巖石彈性參數(shù)是動態(tài)的，反映的是地層在瞬間加載時的力學(xué)性質(zhì)，與地下地層實(shí)際上長時間所受到的靜載荷有一定差別[11]。

利用上式計(jì)算巖樣的動態(tài)彈性參數(shù)，分析動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果可知，工區(qū)營城組火山巖動態(tài)彈性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值為62.21 GPa，動態(tài)泊松比介于0.166～0.267，平均值為0.216（表2），都屬于正常范圍。將樣品的動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合分析，得出火山巖動靜態(tài)彈性模量關(guān)系式（圖4a）和動靜態(tài)泊松比關(guān)系式（圖4b）。結(jié)果表明徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖的靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量相關(guān)性一般，靜態(tài)泊松比和動態(tài)泊松比相關(guān)性較差。

2 地應(yīng)力特征

地應(yīng)力是存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，它是由地殼構(gòu)造運(yùn)動而引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力[12]。地應(yīng)力的方向是決定巖石中裂縫走向的主要因素，地應(yīng)力的大小是決定巖石破裂延伸所需壓力，準(zhǔn)確的地應(yīng)力參數(shù)對于火山巖氣藏的勘探開發(fā)具有重要的意義[13-15]。

表2 動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)測試統(tǒng)計(jì)表

圖4 動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)擬合圖

2.1 地應(yīng)力方向

目前，確定地應(yīng)力方向的研究方法較多，主要包括波速各向異性測試、有限元數(shù)值模擬法與微地震測量法，還可利用測井資料、天然地震資料以及天然裂縫走向確定應(yīng)力方向[16-18]。筆者主要應(yīng)用波速各項(xiàng)異性結(jié)合古地磁測試確定地應(yīng)力方向，并用測井資料來評價地力方向，并對二者進(jìn)行對比分析，為氣田后期開發(fā)以及儲層壓裂改造等提供參考依據(jù)。

波速各向異性測試采用RSM-SY5（T）非金屬聲波檢測儀進(jìn)行聲波測試。將樣品制作成直徑100 mm，高50 mm的全直徑巖心試樣（每組1個），沿全直徑巖心周長每隔15°劃出聲速測定標(biāo)志線，利用聲波檢測儀將超聲波探頭緊貼于巖心側(cè)面上，依次對準(zhǔn)每條聲速測定標(biāo)志線，測定沿直徑方向縱波傳播所用時間，結(jié)合巖心直徑計(jì)算縱波傳播速度，依據(jù)縱波速度最大、最小值確定地應(yīng)力相對方向。

古地磁巖心定向測試采用2G755-4KU-Channel超導(dǎo)磁力儀和交變退磁儀系統(tǒng)。巖樣制備時首先在全直徑巖心側(cè)面上畫一條平行于巖心軸線的標(biāo)志線（巖心波速各向異性試驗(yàn)的0°標(biāo)志線），并標(biāo)好上下方向，將標(biāo)志線延伸到巖心橫截面上，然后在橫截面上畫幾條與標(biāo)志線箭頭方向一致的平行線。將畫有標(biāo)志線的全直徑巖心加工制成直徑25 mm，高22 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣（每組4個），再將端面上的平行標(biāo)志線通過軸心繪于圓柱面上。用超導(dǎo)磁力儀逐一測量樣品的天然剩磁，獲得樣品的天然剩磁數(shù)據(jù)，設(shè)置16個磁場強(qiáng)度（10，20，30，40，50，60，90，120，150，180，210，300，450，600，750 和900GS）進(jìn)行交變退磁，并測量樣品每一磁場強(qiáng)度對應(yīng)的剩余磁性。測試結(jié)果采用F統(tǒng)計(jì)分析及磁偏角修正（工區(qū)地磁偏角為西偏10°），獲得標(biāo)志線方向。

波速各向異性測試結(jié)果可以用波速各向異性差異度來描述，大量實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)波速各向異性差異度大于等于3%時，其反映為地應(yīng)力作用所致[19]。由測試結(jié)果（表3）可知，工區(qū)樣品波速各項(xiàng)異性差異度介于7.7%～49.07%，均大于3%，表明巖石的波速各向異性是由地應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的。

波速各向異性測試確定出的水平最大主應(yīng)力方向是相對于標(biāo)志線的方向，結(jié)合古地磁定向確定的標(biāo)志線的地理方位，最終確定出水平最大主應(yīng)力的地理方位，結(jié)果見表3。對測量結(jié)果進(jìn)行分析表明，工區(qū)營城組火山巖的水平最大主應(yīng)力方向介于NE83.4～129.6°，平均值為NE106.1°，將測試結(jié)果制作成玫瑰花圖投到平面上，分析認(rèn)為工區(qū)各井地應(yīng)力方向整體變化不大，一致性比較好，為近東西向（圖5a）。

此外，對工區(qū)營城組16口井的測井資料進(jìn)行處理分析，將結(jié)果制作成玫瑰花圖投到平面上，得到現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向的分布情況（圖5b）。結(jié)果表明，營城組水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，局部有一定差異，在工區(qū)北部A5井和A17井處水平最大主應(yīng)力方向呈近東西向，中部稍有變化，表現(xiàn)為北東東—南西西向（A26井、A23井）、北西西—南東東向（A27井）、近東西向（A8井、A33井）均有，至南部又轉(zhuǎn)為近東西向（A35井），其差異性成因與徐家圍子斷陷的徐中斷裂發(fā)育有關(guān)。

波速各向異性測試與測井資料解釋地應(yīng)力方向結(jié)果基本一致，兩者在A8井、A1井處方向完全一致，在A5井、A6井、A10井、A4井處方向相差很小小，綜合以上研究認(rèn)為工區(qū)營城組現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，取值為106.1°。

2.2 地應(yīng)力大小

地應(yīng)力大小確定有多種方法，主要包括試驗(yàn)測試法、壓裂法、數(shù)值模擬法和測井資料計(jì)算法等，地應(yīng)力測試是獲得地應(yīng)力大小的直接手段，理論上比其他方法具有更高的精度[20-22]。根據(jù)巖石對所受載荷的最大值具有“記憶”效應(yīng)，將取自地下的巖樣在實(shí)驗(yàn)室條件下單軸加載，測出巖石在受載過程中內(nèi)部所發(fā)出的聲波信號，在軸向加載過程中聲發(fā)射信號突然增大的點(diǎn)（即Kaiser點(diǎn)）對應(yīng)著的軸向應(yīng)力就是沿該巖樣鉆取方向曾經(jīng)承受過的最大壓應(yīng)力[23-24]，利用彈性理論可計(jì)算測點(diǎn)處的地應(yīng)力大小。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)組成，加載系統(tǒng)為數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司研制的DISP聲發(fā)射測試系統(tǒng)。在全直徑巖心上沿垂直于軸線水平面內(nèi)增量為45°方向鉆取3塊巖樣，沿軸線方向鉆取1塊巖樣，加工成直徑25 mm，高度50 mm的試樣（每組4個）。設(shè)置基準(zhǔn)線（標(biāo)志線）定為0°方向，與此相間45°間隔的分別為45°、90°方向，安裝巖樣保證與探頭緊密接觸，設(shè)置RMT加載速度為0.000 5 m/s，聲發(fā)射監(jiān)測的采樣間隔為50 μs，采集門檻為45 dB進(jìn)行試驗(yàn)，同時采集所需數(shù)據(jù)，待巖樣破壞后停止。

表3 營城組地應(yīng)力方向測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖5 水平最大主應(yīng)力方向示意圖

由AE法求取應(yīng)力值，根據(jù)Kaiser效應(yīng)，由各個試件測得的應(yīng)力值是加載方向的正應(yīng)力分量，在水平面內(nèi)滿足以下測量方程：

式中σθ表示θ方向的正應(yīng)力分量；σx，σy，σxy分別表示，以x，y為坐標(biāo)軸的地應(yīng)力分量。

因此以x軸為基準(zhǔn)（0°方向），將θ巖樣方向的3個測量值分別代入上式中，可以求取出σx，σy，σxy。根據(jù)彈性理論，用如下公式求取水平最大主應(yīng)力（σH）和水平最小主應(yīng)力（σh）：

測試結(jié)果見表4，工區(qū)營城組火山巖的水平最大主應(yīng)力介于83.8～96.1 MPa，平均值為87.0 MPa，水平最小主應(yīng)力在63.9～79.9 MPa之間，平均值為71.2 MPa?？v向上看，水平最大、最小主應(yīng)力均隨深度的增加而增大，主應(yīng)力與深度相關(guān)關(guān)系式如圖6所示，式中斜率為應(yīng)力梯度，水平最大主應(yīng)力梯度值為0.022 3 MPa/m（圖6a），水平最小主應(yīng)力梯度值為0.018 2 MPa/m（圖6b）。

平面上看，水平最大主應(yīng)力從研究區(qū)西南部到東北部逐漸減小，沿A12井—A20井—A11井—A3井—A2井呈分隔帶，西南部明顯高于東北部，高值區(qū)位于A6井處，低值區(qū)位于A9井處（圖7a）。水平最小主應(yīng)力整體變化不大，研究區(qū)南部和西部值較大，往中部逐漸減小，高值區(qū)位于A6井處，低值區(qū)位于A4井處（圖7b）。

3 地應(yīng)力與水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖儲層以低孔、低滲為主，物性普遍較差，非均質(zhì)性強(qiáng)，且單井自然產(chǎn)能低，屬于致密氣范疇，只有實(shí)施水平井開發(fā)，并配合大規(guī)模縫網(wǎng)壓裂改造，才能獲得較高產(chǎn)能。因此，在水平井部署過程中，水平井軌跡延伸方向設(shè)計(jì)應(yīng)垂直于水平最大主應(yīng)力方向，即以SN方向?yàn)橹?，且井網(wǎng)部署過程中應(yīng)適當(dāng)增加WE向井距以擴(kuò)大井網(wǎng)控制范圍。由于工區(qū)裂縫展布方向?yàn)楸蔽飨蚝捅睎|向的共軛發(fā)育，與水平最大主應(yīng)力方向存在一定的夾角，因此，在儲層壓裂改造過程中，施工壓裂應(yīng)大于水平主應(yīng)力87 MPa，更易形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲層連通性，進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量。

表4 營城組地應(yīng)力大小測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖6 水平主應(yīng)力與深度關(guān)系圖

圖7 水平主應(yīng)力等值線圖

4 結(jié)論

1）徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖的巖石力學(xué)參數(shù)明顯高于沉積巖，且火山巖中不同巖性測得的實(shí)驗(yàn)參數(shù)存在差異性。靜態(tài)巖彈性模量為50.08～65.25 GPa，泊松比為0.175～0.314，彈性模量隨著圍壓的增加而增加，并且彈性模量、泊松比及內(nèi)摩擦角隨著深度的增加有增大的趨勢。

2）基于縱橫波速度，計(jì)算巖石動態(tài)彈性模量和泊松比，分析動靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，工區(qū)內(nèi)火山巖動態(tài)彈性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值為62.21 GPa，動態(tài)泊松比介于0.166～0.267，平均值為0.216。靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量相關(guān)性一般，靜態(tài)泊松比和動態(tài)泊松比相關(guān)性較差。

3）波速各向異性結(jié)合古地磁測試結(jié)果表明，徐深氣田A區(qū)塊營城組水平最大主應(yīng)力方向在NE 83.4°～129.6°，平均值為106.1°，地應(yīng)力方向整體變化不大。此外，利用測井資料評價工區(qū)營城組現(xiàn)今水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，表明波速各向異性測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4）徐深氣田A區(qū)塊營城組水平最大主應(yīng)力介于83.8～96.1 MPa，水平最小主應(yīng)力介于63.9～79.9 MPa。根據(jù)研究成果，該區(qū)部署水平井軌跡延伸方向設(shè)計(jì)應(yīng)為SN方向，井網(wǎng)部署過程中應(yīng)適當(dāng)增加WE向井距以擴(kuò)大井網(wǎng)控制范圍，儲層壓裂改造過程中施工壓裂應(yīng)大于87 MPa，更易形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)。