地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)方法及其地質(zhì)與工程意義

賴錦，白天宇，肖露，趙飛，李棟，李紅斌，王貴文，張榮虎

［1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023］

地應(yīng)力是指地殼巖石在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中形成的天然內(nèi)應(yīng)力［1-5］。地應(yīng)力受控于上覆巖層重力以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，是巖性、埋深、巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的綜合反映［3，6-11］。地應(yīng)力場(chǎng)既包括方向，也包括大小，對(duì)巖層而言，既受到垂向地應(yīng)力控制，又有水平地應(yīng)力影響，因此描述地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)應(yīng)考慮地應(yīng)力場(chǎng)方向和不同方向上的地應(yīng)力大小［12-13］。地應(yīng)力研究對(duì)地質(zhì)與工程均有重要的意義［2，5-6，11，14-15］。地質(zhì)上，地應(yīng)力場(chǎng)控制了巖石的變形以及油氣的運(yùn)移與聚集，同時(shí)決定了儲(chǔ)集層品質(zhì)和裂縫有效性［6，14，16-17］。工程上，地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)井網(wǎng)布置、鉆完井設(shè)計(jì)和工程壓裂改造至關(guān)重要［6-8，14，18］。在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中，水平井鉆井、壓裂等工程需求突出，因而地應(yīng)力研究重要性凸顯［11，15，18-19］。

地應(yīng)力場(chǎng)大小可通過(guò)地應(yīng)力室內(nèi)試驗(yàn)和礦場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試等途徑獲取，但受到樣品、礦場(chǎng)條件以及分析測(cè)試成本的限制，難以獲得單井連續(xù)的地應(yīng)力場(chǎng)特征變化，因而利用地球物理測(cè)井資料分析與評(píng)價(jià)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律成為地質(zhì)與工程研究必不可少的內(nèi)容［5-6，20-21］。通過(guò)地球物理測(cè)井資料可實(shí)現(xiàn)古應(yīng)力場(chǎng)的恢復(fù)，現(xiàn)今地應(yīng)力方向判別以及現(xiàn)今地應(yīng)力大小計(jì)算，具有縱向分辨率高、連續(xù)性好且價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。因此可通過(guò)測(cè)井資料來(lái)分析評(píng)價(jià)應(yīng)力場(chǎng)方向和大小，這將為油氣分布規(guī)律等地質(zhì)研究提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也將為開發(fā)井網(wǎng)布置、壓裂開采措施等工程研究提供技術(shù)支撐［5，15，19，22］。

本研究系統(tǒng)歸納總結(jié)了地應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成以及地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)井響應(yīng)機(jī)理。古構(gòu)造應(yīng)力可通過(guò)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，并利用電阻率、聲波時(shí)差測(cè)井和裂縫密度實(shí)現(xiàn)最大古構(gòu)造應(yīng)力測(cè)井恢復(fù)。從地應(yīng)力方向和大小的角度描述現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)特征，并利用聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)以及水力壓裂法評(píng)價(jià)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)大小。依托成像測(cè)井井壁崩落和誘導(dǎo)縫以及聲波測(cè)井橫波分裂特征實(shí)現(xiàn)現(xiàn)今地應(yīng)力方向判別?；诮M合彈簧模型等通過(guò)聲波、密度等測(cè)井資料計(jì)算由垂向應(yīng)力、水平最大和最小主應(yīng)力構(gòu)成的三軸應(yīng)力剖面。通過(guò)地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)井恢復(fù)與評(píng)價(jià)可分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)，為儲(chǔ)層質(zhì)量以及裂縫有效性評(píng)價(jià)提供支撐，并實(shí)現(xiàn)油氣藏分布預(yù)測(cè)。此外，地應(yīng)力場(chǎng)分析對(duì)于非常規(guī)油氣壓裂改造同樣具有指導(dǎo)意義。研究成果能夠更好地為地質(zhì)與工程領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 地應(yīng)力場(chǎng)及其測(cè)井響應(yīng)機(jī)理

1.1 地應(yīng)力場(chǎng)

地應(yīng)力場(chǎng)一般包括古應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)，其中，地質(zhì)歷史時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為古應(yīng)力場(chǎng)，其結(jié)果為在巖石當(dāng)中形成不同的變形和斷裂形跡（褶皺、斷裂和節(jié)理）；現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)則泛指第四紀(jì)中更新世以來(lái)的地應(yīng)力［23］，是古應(yīng)力場(chǎng)的延續(xù)或繼承［14］。

對(duì)于特定地質(zhì)體而言，其受到的地應(yīng)力可以分解為3個(gè)相互垂直的主應(yīng)力，即三軸向應(yīng)力［4］，包括垂向應(yīng)力、現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力（SHmax，MPa）和現(xiàn)今水平最小主應(yīng)力（Shmin，MPa），其中垂向應(yīng)力主要由上覆巖層重力構(gòu)成，而水平兩向應(yīng)力則受到巖層重力及構(gòu)造擠壓應(yīng)力等影響［2，6，10，15，24-28］。

1.2 地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)井響應(yīng)機(jī)理

地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：①地應(yīng)力場(chǎng)方向；②地應(yīng)力大小。能夠反映或評(píng)價(jià)現(xiàn)今地應(yīng)力方向的測(cè)井序列包括成像測(cè)井、陣列聲波測(cè)井、雙側(cè)向測(cè)井以及地層傾角測(cè)井，這些都是帶有方位信息的測(cè)井資料［29］。

成像測(cè)井具有分辨率高以及定向的特征，可以通過(guò)拾取井壁崩落、鉆井誘導(dǎo)縫等特征實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力方向評(píng)價(jià)［30-31］。陣列聲波測(cè)井則通過(guò)探測(cè)快、慢橫波方位，實(shí)現(xiàn)井周各向異性計(jì)算從而確定水平主應(yīng)力方位［6］。地層傾角測(cè)井可以用雙井徑識(shí)別井壁崩落或橢圓井眼，再結(jié)合1號(hào)極板方向確定井壁崩落方向，指示水平最小主應(yīng)力方向［5，25］。常規(guī)測(cè)井對(duì)地應(yīng)力大小響應(yīng)比較靈敏的主要為泥巖聲波時(shí)差和電阻率測(cè)井，地應(yīng)力增大導(dǎo)致巖石內(nèi)導(dǎo)電孔隙流體逐漸減少，電阻率增大，而由于巖石變得致密，聲波速度增加，因而聲波時(shí)差變?。?，16，20］。

目前沒有直接能夠測(cè)量地應(yīng)力的測(cè)井序列，巖石的三軸應(yīng)力往往需要通過(guò)測(cè)井曲線間接評(píng)價(jià)或計(jì)算，MDT模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試器，可在測(cè)試過(guò)程中測(cè)量地層壓力等參數(shù)，用于刻度測(cè)井資料［32］。

2 最大古構(gòu)造應(yīng)力測(cè)井恢復(fù)方法

古應(yīng)力場(chǎng)方向可根據(jù)天然裂縫走向確定，裂縫走向分布指示古應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)期次，目前成像測(cè)井可以拾取天然裂縫面的形態(tài)并計(jì)算裂縫參數(shù)，因此在分析古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)用效果顯著［33-34］。古應(yīng)力大小則在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)巖心樣品等分析測(cè)試獲取，當(dāng)然想要獲取井段連續(xù)的古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，需要利用不同測(cè)井序列對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)。

2.1 基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)的古構(gòu)造應(yīng)力分析

古構(gòu)造應(yīng)力大小，一般可利用巖石所經(jīng)歷的最大古構(gòu)造應(yīng)力（σmax，MPa）來(lái)進(jìn)行表征，且σmax可通過(guò)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得［34-35］。聲發(fā)射法是依據(jù)Kaiser效應(yīng)而提出的古構(gòu)造應(yīng)力測(cè)量方法，德國(guó)科學(xué)家Kaiser于1959年發(fā)現(xiàn)了多晶金屬具有聲發(fā)射特性，即對(duì)多晶金屬加載應(yīng)力時(shí)，當(dāng)加載的應(yīng)力值達(dá)到最大應(yīng)力值時(shí)材料內(nèi)部會(huì)發(fā)出彈性波，并被外部接收到［34］。在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷復(fù)雜構(gòu)造變動(dòng)的巖石同樣也具有凱撒效應(yīng)［34-35］，因此可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得地下巖石的Kaiser點(diǎn)，恢復(fù)地質(zhì)歷史時(shí)期巖石所經(jīng)歷的最大主應(yīng)力值［5，14，34］。需要說(shuō)明的是，巖石若經(jīng)歷多期次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)疊加改造，則在聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中也可對(duì)應(yīng)多個(gè)Kaiser點(diǎn)，通過(guò)Kaiser 點(diǎn)個(gè)數(shù)及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值可獲得應(yīng)力期次及大?。?4，33，36］。

2.2 最大古構(gòu)造應(yīng)力測(cè)井恢復(fù)

2.2.1 泥巖聲波時(shí)差與電阻率測(cè)井

可以根據(jù)巖心聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)獲得σmax，并建立測(cè)井曲線與σmax對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而利用測(cè)井曲線計(jì)算σmax。當(dāng)埋藏較淺、地應(yīng)力相對(duì)較弱時(shí)，即在地應(yīng)力松弛地區(qū)或?qū)佣?，巖石將保持較高孔隙度，此時(shí)電阻率難以反映地應(yīng)力變化，但聲波時(shí)差則對(duì)地應(yīng)力響應(yīng)靈敏。而在強(qiáng)擠壓應(yīng)力區(qū)，電阻率對(duì)地應(yīng)力響應(yīng)靈敏，因此可通過(guò)電阻率曲線計(jì)算地應(yīng)力［6，14，20］。

2.2.2 古應(yīng)力與天然裂縫關(guān)系

天然裂縫產(chǎn)狀、組合特征及裂縫參數(shù)往往與古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)，因此可根據(jù)裂縫參數(shù)恢復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)［37］。其中天然裂縫的產(chǎn)狀及組合特征反映了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向及期次，而裂縫密度等參數(shù)則與應(yīng)力大小密切相關(guān)［37-38］。古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了天然裂縫的形成和發(fā)育程度，但因裂縫張開度和孔隙度常受現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)和成巖流體改造影響，因此通?？刹捎昧芽p密度來(lái)反推巖石所受古構(gòu)造應(yīng)力大小［25，37，39］。

3 現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)方向測(cè)井評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)分析如波速各向異性方法（巖石中微裂縫沿垂直最大主應(yīng)力方向優(yōu)勢(shì)分布導(dǎo)致不同方向上聲波傳播速度不同）等可以用于確定現(xiàn)今地應(yīng)力方向［40-41］。

目前，確定水平地應(yīng)力方向的測(cè)井方法很多，最常用的方法包括：①基于聲、電成像測(cè)井解釋的井壁崩落法及鉆井誘導(dǎo)縫推斷法；②陣列聲波測(cè)井橫波分裂法（快橫波方位）等；③地層傾角測(cè)井雙井徑曲線法［12，30，42-44］。

3.1 井壁崩落和誘導(dǎo)縫

聲、電成像測(cè)井可以拾取井壁崩落和鉆井誘導(dǎo)縫，其中井壁崩落平行于Shmin方向［5，10，43，45-48］。在SHmax方向上，切向正應(yīng)力最小，當(dāng)鉆井液或者泥漿柱壓力較大時(shí)，該處剪切應(yīng)力將變成負(fù)值，即壓性應(yīng)力變成張性應(yīng)力，因此在該方向上的井壁會(huì)產(chǎn)生拉張應(yīng)力，如果拉張應(yīng)力超過(guò)巖石最大承受能力，則巖石破裂，產(chǎn)生重泥漿壓裂縫。鉆井過(guò)程中鉆具的震動(dòng)將形成細(xì)小的呈羽毛狀或雁行分布的鉆具振動(dòng)微裂縫。對(duì)于應(yīng)力比較集中的地層，鉆開后構(gòu)造應(yīng)力將逐漸釋放，產(chǎn)生雁列狀分布的應(yīng)力釋放裂縫，誘導(dǎo)裂縫方位均指示SHmax方向［5，10，45-46］。

3.2 橫波分裂

在應(yīng)力不均衡或者裂縫發(fā)育的各向異性地層中，橫波傳播時(shí)將分裂成快、慢橫波（橫波分裂）［6，10］。由于質(zhì)點(diǎn)垂直于水平最大地應(yīng)力方向振動(dòng)比沿井軸向上傳播的橫波速度快，因此快橫波平行于SHmax方向［15，41-42，45，48-51］。

4 現(xiàn)今地應(yīng)力大小測(cè)井評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)除了方向外，應(yīng)力大小評(píng)價(jià)同樣重要［15，18，21］?，F(xiàn)今應(yīng)力大小可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r心等樣品測(cè)量，或由井場(chǎng)測(cè)試獲得，同時(shí)也可依托地球物理測(cè)井資料進(jìn)行計(jì)算［15，18，21］?，F(xiàn)今地應(yīng)力大小測(cè)量方法包括：①直接測(cè)量法，包括巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量和井場(chǎng)測(cè)量，巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量又可分為聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)測(cè)定以及波速各向異性判斷地應(yīng)力方向，而井場(chǎng)測(cè)量主要是水力壓裂法，可以獲得水平最小主應(yīng)力大小，并進(jìn)一步計(jì)算得到水平最大主應(yīng)力大小；②地球物理測(cè)井資料評(píng)價(jià)，通過(guò)實(shí)測(cè)資料作刻度的地球物理測(cè)井資料可以連續(xù)計(jì)算現(xiàn)今地應(yīng)力大小，建立連續(xù)地應(yīng)力剖面［15，18，21，25］。

4.1 井場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

4.1.1 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)確定三軸應(yīng)力大小

聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中的Kaiser點(diǎn)可以用來(lái)確定巖石古應(yīng)力大小及期次［5，40，52］。地應(yīng)力聲發(fā)射測(cè)試有單軸聲發(fā)射和三軸聲發(fā)射測(cè)試兩種方法。單軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法是在單軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并測(cè)定其單向應(yīng)力，該實(shí)驗(yàn)巖樣常在Kaiser點(diǎn)出現(xiàn)之前就發(fā)生破壞，采集到的信號(hào)不一定是Kaiser效應(yīng)信號(hào)，有可能是巖樣破裂信號(hào)，因此，需要增加圍壓，通過(guò)三軸聲發(fā)射方法確定地應(yīng)力。

三軸聲發(fā)射地應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，要求全直徑巖心，整體連續(xù)，長(zhǎng)度不小于15.0 cm，同時(shí)不發(fā)育宏觀裂縫［52］。在全直徑巖心中，沿垂直方向選取一塊柱塞樣（直徑2.5 cm），沿水平方向選取3塊柱塞樣開展三軸地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，可以計(jì)算垂向、水平最大和最小地應(yīng)力大?。?6］。需要說(shuō)明的是，該地應(yīng)力數(shù)值通常反映的也是古應(yīng)力值［44］。但由于現(xiàn)今應(yīng)力往往是古應(yīng)力值的延續(xù)與繼承，因此也可通過(guò)該實(shí)驗(yàn)獲得三軸應(yīng)力值，并與測(cè)井計(jì)算的現(xiàn)今三軸應(yīng)力場(chǎng)相互驗(yàn)證與刻度［25，53］。

4.1.2 水力壓裂法確定Shmin大小

Fairhurst在1964年提出的水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量法為應(yīng)用最普遍的方法之一［54］。當(dāng)向井孔中注入流體時(shí)，會(huì)引起孔隙流體壓力迅速升高，巖石發(fā)生破裂，該峰值壓力對(duì)應(yīng)破裂壓力（pf，MPa）。隨后水力壓裂裂縫將逐漸擴(kuò)展，在裂縫擴(kuò)展的過(guò)程中流體壓力將逐漸下降，趨于穩(wěn)定后的流體壓力為裂縫延伸壓力（pr，MPa）。然后在裂縫擴(kuò)展后一段時(shí)間內(nèi)（5 min）停止注水，那么流體壓力將迅速下降，然后發(fā)生小幅度反彈，反彈的峰值壓力則為裂縫閉合壓力（pFCP，MPa），裂縫閉合壓力等于Shmin［14，55］。

4.2 測(cè)井地應(yīng)力計(jì)算

利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力具有成本低廉、資料容易獲取且能夠連續(xù)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)［12，21，56］。通過(guò)測(cè)井評(píng)價(jià)地應(yīng)力大小的模型很多，歸納起來(lái)主要有兩種：①根據(jù)井壁崩落的位置和崩落的寬度進(jìn)行計(jì)算，Nikolaevskiy等［57］和印興耀等［5］指出可通過(guò)成像測(cè)井求得井壁崩落寬度，進(jìn)一步依據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)，可計(jì)算最大、最小水平主應(yīng)力，但由于相關(guān)的公式太復(fù)雜，而且該方法適用性不強(qiáng)，因此推廣應(yīng)用較難；②通過(guò)測(cè)井曲線計(jì)算泊松比、楊氏模量等巖石力學(xué)參數(shù)，并通過(guò)一維巖石力學(xué)模型進(jìn)行三軸應(yīng)力剖面計(jì)算，該方法得到廣泛推廣應(yīng)用［18］。

4.2.1 垂向應(yīng)力

20世紀(jì)初，瑞士地質(zhì)學(xué)家Heim認(rèn)為垂向應(yīng)力主要由上覆巖層重量引起［58］。在有連續(xù)采集的密度測(cè)井資料的情況下，垂向地應(yīng)力可以很方便地求得，計(jì)算公式為：

式中：Sv為垂向應(yīng)力，MPa；z為埋藏深度，m；ρ為巖石密度（密度測(cè)井曲線獲得），kg/m3；g為重力加速度，取值9.8 m/s2［27，59-60］。

4.2.2 水平兩向應(yīng)力大小

水平主應(yīng)力有最大、最小和平均主應(yīng)力之分，計(jì)算模型主要有兩種模式：一種是兩個(gè)水平主應(yīng)力相等的單軸應(yīng)變模式，主要有Heim模型［58，61］、Matthews &Kelly模型［62］、Terzaghi模型［61，63］以及Anderson模型［64］等。由于以上模式?jīng)]考慮到水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，不符合實(shí)際情況，這里不做重點(diǎn)闡述。另外一種是考慮到構(gòu)造應(yīng)力對(duì)水平主應(yīng)力影響的分層計(jì)算模式，主要有黃榮樽模型和組合彈簧模型等［61，65］。

1） 黃榮樽模型（黃氏模型）

該模型指出水平地應(yīng)力由兩部分組成：①由于重力作用，水平主應(yīng)力一部分為Sv和泊松比的函數(shù)，即；②由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力在兩個(gè)方向上通常都存在，而且是不相等的［18，65］。

黃榮樽等（1995）［65］在進(jìn)行地層破裂壓力預(yù)測(cè)時(shí)建立的水平方向上的兩個(gè)構(gòu)造應(yīng)力分量的黃氏模型在油田得到推廣應(yīng)用，其模型如下：

式中：ν為泊松比，無(wú)量綱；Sv為垂向應(yīng)力，MPa；pp為孔隙流體壓力，MPa；α為Biot彈性系數(shù)，無(wú)量綱；A和B分別為最大水平應(yīng)力方向和最小水平應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，常數(shù)［18，41］。

巖石力學(xué)參數(shù)可根據(jù)由陣列聲波測(cè)井得到的縱橫波時(shí)差和密度測(cè)井進(jìn)行計(jì)算。因此測(cè)井資料獲取的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)需要與靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)相互刻度標(biāo)定，從而提高解釋的精度［12，45，66-68］。Biot彈性系數(shù)，也稱巖石孔彈性系數(shù)，通常與應(yīng)力、孔隙壓力密切相關(guān)，為衡量孔隙壓力對(duì)有效應(yīng)力作用程度的一個(gè)重要參數(shù)［18］。孔隙流體壓力測(cè)井計(jì)算的方法有等效深度法、Bowers法、有效應(yīng)力法和伊頓法等［18，56］。

2） 組合彈簧模型

考慮到水平主應(yīng)力有最大、最小之分，眾多專家學(xué)者提出了組合彈簧模型［2，15，69］［公式（4）和公式（5）］。組合彈簧模型適用于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較劇烈的前陸盆地等地區(qū)，其中水平方向地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力影響較大。

式中：εH和εh分別為最大應(yīng)力校正系數(shù)和最小應(yīng)力校正系數(shù)，無(wú)量綱，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和井場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試分析與標(biāo)定獲得［5，70-72］；E為楊氏模量，GPa。

黃氏模型沒有考慮最大主應(yīng)力方向和最小主應(yīng)力方向的應(yīng)變量影響，因此對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力區(qū)塊地應(yīng)力的計(jì)算也存在偏差。而組合彈簧模型地應(yīng)力計(jì)算模型考慮了最大主應(yīng)力和最小應(yīng)力校正系數(shù)，因此在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用（圖1）［71-72］。

圖1 塔里木盆地庫(kù)車坳陷白堊系巴什基奇克組三軸應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)及對(duì)應(yīng)鏡下薄片特征 ［25］Fig.1 Logging evaluation of in-situ stress magnitude and related thin section images of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Kuqa Depression， Tarim Basin［25］

5 地應(yīng)力場(chǎng)研究地質(zhì)與工程意義

5.1 分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)

根據(jù)Anderson斷層成因模式，通常在正斷層形成時(shí)，最大主應(yīng)力（σ1，MPa）直立，中間主應(yīng)力（σ2，MPa）和最小主應(yīng)力（σ3，MPa）水平［73］。在逆斷層形成時(shí)，σ3直立，σ1和σ2水平。在走滑斷層形成時(shí)，σ2直立，σ1和σ3水平［2，5，27，74］。而地球物理測(cè)井資料可以分別計(jì)算三軸地應(yīng)力大小，根據(jù)Sv，SHmax和Shmin的大小，可以判別地層的應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行斷層屬性的分析［5，74］。

因此當(dāng)測(cè)井計(jì)算的三軸應(yīng)力滿足Sv＞SHmax＞Shmin時(shí)（對(duì)應(yīng)σ1直立），對(duì)應(yīng)正斷層形成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)SHmax＞Sv＞Shmin時(shí)（對(duì)應(yīng)σ2直立），為走滑斷層形成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算的三軸應(yīng)力滿足SHmax＞Shmin＞Sv時(shí)（對(duì)應(yīng)σ3直立），為逆斷層形成時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)［2，5，25，74］。

5.2 評(píng)價(jià)儲(chǔ)層質(zhì)量與預(yù)測(cè)油氣分布

地應(yīng)力場(chǎng)在使地下巖石變形的同時(shí)，同時(shí)還影響流體勢(shì)分布，并改變巖石孔滲性能［6，16］。圖1中不同地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的鏡下觀察表明，水平兩向應(yīng)力差較高（Δσ=SHmax-Shmin）的層段，巖石往往易于因壓實(shí)而致密，而相對(duì)水平兩向應(yīng)力差值較小的層段，巖石原生孔隙能得到一定程度的保留，當(dāng)然部分巖石如果本身顆粒粒度細(xì)或者分選差，則抗壓實(shí)能力弱，同樣會(huì)被壓實(shí)并變得致密［25，51，75-76］（圖1）。

庫(kù)車前陸盆地總體擠壓應(yīng)力較強(qiáng)，但也表現(xiàn)壓中有張，張中有壓的特征，同時(shí)在膏泥巖、煤系地層等滑脫層的影響下造就了構(gòu)造樣式控制下應(yīng)力分布的多層次性［20，71］。庫(kù)車坳陷白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)集層孔隙度隨著水平兩向應(yīng)力差與垂向應(yīng)力比值（Δσ/Sv）的增大，呈明顯減小的趨勢(shì)，也體現(xiàn)了地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層孔隙度發(fā)育的影響［6，16，75］（圖2）。

圖2 塔里木盆地庫(kù)車坳陷白堊系巴什基奇克組孔隙度與Δσ/Sv關(guān)系Fig.2 Cross plot of porosity vs.Δσ/Sv of the Cretaceous Bashijiqike reservoirs in Kuqa Depression， Tarim Basin

5.3 判斷裂縫有效性

對(duì)裂縫有效性而言，古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了裂縫延伸方位［34］，而現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)則控制了裂縫張開度［25，77］。古、今應(yīng)力場(chǎng)的研究，對(duì)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育規(guī)律預(yù)測(cè)以及裂縫有效性評(píng)價(jià)具有重要意義［32-33，78-82］。通常當(dāng)裂縫的走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向基本一致或夾角較小（＜ 30°）時(shí)裂縫張開度大，開啟性好［83-84］，而與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向有一定夾角的裂縫則有效性差［25］。

地應(yīng)力大小與裂縫參數(shù)耦合關(guān)系研究也表明，Δσ/Sv控制了裂縫有效性，隨著其增大，裂縫密度和裂縫開度均呈明顯下降趨勢(shì)（圖3）。因此除地應(yīng)力方向外，地應(yīng)力大小往往也是決定裂縫有效性的重要因素［75］。

圖3 塔里木盆地庫(kù)車坳陷白堊系巴什基奇克組裂縫參數(shù)與Δσ/Sv對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Cross plots of fracture parameters vs. Δσ/Sv of the Cretaceous Bashijiqike reservoirs in Kuqa Depression， Tarim Basin a. 裂縫開度；b.裂縫線密度

5.4 指導(dǎo)非常規(guī)油氣壓裂改造

非常規(guī)油氣藏需要鉆水平井以及采取壓裂改造等措施才能獲得工業(yè)油氣流，而壓裂過(guò)程中地應(yīng)力方向和大小評(píng)價(jià)至關(guān)重要［5，11，85-88］。在壓裂改造過(guò)程中，地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)決定了壓裂縫延伸方向，控制了壓裂的增產(chǎn)效果。

壓裂過(guò)程中，人工壓裂縫易于沿著SHmax方向擴(kuò)展［15，89-90］。為了獲得大體積的橫切裂縫系統(tǒng)，水平井一般沿Shmin方向或小于30°夾角鉆進(jìn)［91］，同時(shí)沿Shmin方向布井。這樣不僅能夠有效避免井壁失穩(wěn)、井塌等工程事故，而且能夠沿SHmax方向壓裂，提高壓裂效果［11，49］。

此外，地應(yīng)力大小也是決定壓裂方案設(shè)計(jì)以及壓裂層段優(yōu)選的重要因素，水平兩向應(yīng)力差在工程上影響著儲(chǔ)層改造時(shí)裂縫的形態(tài)，兩向應(yīng)力差越小越易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，這對(duì)油氣開采非常有利。相反，兩向應(yīng)力差異越大，壓裂后往往形成單組裂縫，不利于非常規(guī)油氣開采［11，92］（圖4）。

圖4 水平井鉆進(jìn)方向、人工壓裂縫形成方向及其與地應(yīng)力分布關(guān)系Fig.4 Horizontal drilling direction， hydraulic fracture propagation and in-situ stress field in unconventional hydrocarbon reservoirsa. 水平井井眼軌跡與地應(yīng)力關(guān)系；b. 三軸應(yīng)力分布特征；c. 壓裂縫分布特征；d. 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組壓裂層段與現(xiàn)今地應(yīng)力大小對(duì)應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)論

1） 三軸應(yīng)力剖面中，在最小主地應(yīng)力方向上，巖石受到的剪切應(yīng)力最強(qiáng)，最可能發(fā)生井眼崩落。在最大水平主應(yīng)力方向上，井壁所受的切向應(yīng)力最小，對(duì)應(yīng)誘導(dǎo)縫的形成。陣列聲波測(cè)井橫波分裂中的快橫波指示水平最大主應(yīng)力方向。

2） 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)可獲得古應(yīng)力場(chǎng)期次及大小，而電阻率、聲波時(shí)差測(cè)井和成像測(cè)井計(jì)算的裂縫密度可用于最大古構(gòu)造應(yīng)力測(cè)井恢復(fù)。

3） 現(xiàn)今應(yīng)力大小可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r心聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)等測(cè)量以及水力壓裂法井場(chǎng)測(cè)試獲取，同時(shí)也可依托地球物理測(cè)井資料進(jìn)行計(jì)算。垂向應(yīng)力、水平最大和最小主應(yīng)力三軸應(yīng)力剖面可以通過(guò)組合彈簧模型等利用聲波、密度等測(cè)井資料計(jì)算。

4） 地應(yīng)力場(chǎng)研究在地質(zhì)上可用于分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層質(zhì)量以及裂縫有效性。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層往往對(duì)應(yīng)水平兩向應(yīng)力差值較低的層段，而與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向平行的天然裂縫往往張開度大、有效性好。在工程上地應(yīng)力場(chǎng)分析能夠指導(dǎo)非常規(guī)油氣壓裂改造工作，水平井一般沿Shmin方向鉆進(jìn)，沿最大SHmax壓裂，同時(shí)優(yōu)選水平兩向應(yīng)力差較低的層段進(jìn)行壓裂。