川西彭州地區(qū)雷四段地層區(qū)域應力場分布規(guī)律及應用

歐彪, 吳雪鋒, 彭紅利, 劉其明, 鐘敬敏, 李皋*

(1.中石化西南油氣分公司工程技術研究院, 德陽 618000; 2.西南石油大學石油與天然氣工程學院, 成都 610500)

地應力研究在油氣勘探開發(fā)過程中有著十分重要的作用,研究結果可為地層三壓力剖面的建立提供重要依據(jù),同時為解決井壁失穩(wěn)等問題奠定基礎[1-3]。川西彭州地區(qū)中三疊統(tǒng)雷四段發(fā)現(xiàn)多個天然氣藏,成為繼普光和元壩氣田之后的又一重要氣田[4-6]。然而,區(qū)域地應力分布特征認識不清,卡鉆、井壁失穩(wěn)等問題頻發(fā)。因此,開展彭州地區(qū)雷四段地應力研究是保證油氣資源高效開發(fā)的重要工作。

目前根據(jù)試驗方法測出來的地應力具有一定的離散性,測量結果不能用來表征區(qū)域地應力的分布規(guī)律[7-9]。同時,區(qū)域地應力分布規(guī)律還受到褶皺和斷層等的影響。對此,相關研究者開展了在斷層影響下地應力場分布規(guī)律的研究。李靜等[10]利用COMSOL有限元軟件確定了準噶爾盆地西部車排子地區(qū)石炭系地應力主要受斷層走向、數(shù)量等因素的影響;王珂等[11]利用Ansys有限元軟件建立地質模型,對大北氣田進行了地應力場的數(shù)值模擬,得到了地應力場的展布規(guī)律和應力場對裂縫和產能的影響。徐珂等[12]對高深北區(qū)的三維應力場進行了預測,得到了影響地應力場的主要因素是斷層與巖石力學參數(shù)。劉建等[13]根據(jù)單井的地應力特征、儲層特點和巖石力學參數(shù),建立了三維非均質地質模型,利用Ansys有限元軟件得到了長6儲層的地應力分布模型;梁利喜等[14]結合地質資料與構造模型建立了三維地質模型,再利用有限元方法反演了該地區(qū)的三維地應力場。川西彭州地區(qū)雷四段地層的斷層發(fā)育規(guī)模大且數(shù)量多,通過有限元數(shù)值模擬方法能夠弄清斷層對地應力的影響,以及較為準確地獲取區(qū)域應力場的分布規(guī)律。

現(xiàn)基于地震解釋成果建立區(qū)域三維地質模型,通過室內實驗和測井資料確定模型的巖石力學參數(shù),運用有限元方法模擬川西彭州地區(qū)雷四段地應力場,得出應力場的分布規(guī)律,為井壁穩(wěn)定性評價提供數(shù)據(jù)支撐。研究結果對彭州地區(qū)雷四段氣藏高效開發(fā)具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)主體位于龍門山前構造帶南部,夾持于關口和彭縣兩條大規(guī)模逆斷層之間[4],如圖1所示。其中,彭縣斷層位于研究區(qū)東南翼,關口斷層位于研究區(qū)西北翼,兩者都呈北東走向[15]。此外,區(qū)域內還發(fā)育較多層間小斷層,這些斷層共同組成研究區(qū)網(wǎng)狀輸導體系。龍門山前構造帶自印支晚期開始發(fā)育、燕山期進一步發(fā)展,最終在喜馬拉雅時期定型,區(qū)域內發(fā)育金馬—鴨子河和石羊場兩個完整的次級局部構造,研究區(qū)處于高構造部位,有利于油氣資源的儲集。

圖1 研究區(qū)位置及構造Fig.1 Location and structure of the study area

2 地應力場數(shù)值模擬

2.1 地質模型的建立

合理準確的地質模型是構造應力場數(shù)值模擬的關鍵?；诘卣鸾忉尦晒捎肅OMSOL軟件構建了研究區(qū)域雷四段地層三維地質模型,如圖2所示。該模型考慮了23條主要斷層,研究區(qū)域從東北到西南約37 km,從西北到東南約13.7 km。為了減少邊界效應對計算的影響,在模擬過程中,研究區(qū)域與覆蓋層和基底隔離。

圖2 川西彭州地區(qū)雷四段地層三維地質模型Fig.2 Three dimensional geological model of Lei-4 formation in Pengzhou area, western Sichuan

2.2 力學模型的建立

基于測井資料,利用式(1)、式(2)計算得到了川西彭州地區(qū)雷四段的動態(tài)巖石力學參數(shù)[16-17]。

(1)

(2)

式中:Ed為動態(tài)彈性模量,GPa;μ為泊松比;ρ為巖石密度,g/cm3;Δtp為縱波時差,μs/m;Δts為橫波時差,μs/m。

但是,在構造應力場數(shù)值模擬中,需要采用能夠真實反映地層巖石力學性質的靜態(tài)力學參數(shù)。根據(jù)室內巖石力學實驗結果,確定了動靜態(tài)彈性模量之間的轉化關系,如圖3所示。對此,以測井資料計算并轉換得到的靜態(tài)彈性模量以及巖石力學實驗得到的密度和泊松比作為雷四段的巖石力學參數(shù)。斷層帶與地層之間存在差異,會影響數(shù)值模擬的結果,因此需要定義斷層帶的巖石力學參數(shù)。一般將斷裂帶定義為過渡帶,其巖石力學參數(shù)與圍巖有關。根據(jù)許多油田的實踐,斷裂帶的泊松比稍大于對應的地層,彈性模量一般為周圍介質的60%[18]。因此,確定模型的巖石力學參數(shù)如表1所示。

圖3 動靜態(tài)彈性模量轉換關系Fig.3 Conversion relationship between dynamic and static elastic modulus

表1 模型設置的巖石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters set by the model

2.3 邊界條件的確定

施加在模型邊界上的作用力包括水平構造應力、上覆地層壓力以及自身重力。模型的重力由巖石密度和重力加速度計算得到。同時,為了容易施加約束并消除邊界效應,在研究區(qū)域外使用了邊界載荷,從而將水平構造應力垂直施加到邊界上。根據(jù)井壁崩落分析結果確定了最小水平主應力為近南北向,方位角為172°;最大水平主應力為近東西向,方位角為77°左右,由此可以確定模型邊界載荷的方向。模型的深度方向為Z軸,向上為正,X軸指向東,Y軸指向北。經(jīng)過反復試算確定了模型的邊界條件,如圖4所示,即在近東西向施加180 MPa壓力,在近南北向施加130 MPa壓力。同時,X、Y和Z方向的約束分別施加在模型的近東西、近南北和底部邊界上。

圖4 模型的邊界條件Fig.4 Boundary conditions of the model

3 地應力場分布規(guī)律及應用

3.1 數(shù)值模擬結果驗證

在分析研究區(qū)目的層地應力場分布規(guī)律前,需要對數(shù)值模擬結果進行驗證。將數(shù)值模擬結果與研究區(qū)目的層實測的地應力大小進行對比,如表2所示。結果表明:最大水平主應力平均絕對百分比誤差為6.41%,最小水平主應力平均絕對百分比誤差8.35%,說明了本次數(shù)值模擬結果的準確度較高,可以進一步對川西彭州地區(qū)雷四段地應力場的分布規(guī)律展開分析。

3.2 地應力場分布規(guī)律

彭州地區(qū)雷四段地應力場分布如圖5所示。從圖5中可以看出,區(qū)域的西南部和背斜兩翼構造深度較深,導致三向應力值相對較大,區(qū)域的中部屬于背斜核部,構造深度較淺,其三向應力值相對較小。斷層的存在會影響斷層及周圍的地應力分布,與斷層相比,連續(xù)地層地應力展布穩(wěn)定,斷層區(qū)域發(fā)生了應力釋放和巖石斷裂,使得斷層內應力值較小。由于斷層擾動了周圍地應力,使得斷層周圍的巖石發(fā)生了相應的變形但未破碎,在該區(qū)域出現(xiàn)了應力集中的現(xiàn)象。結合圖中幾處斷層的交匯點可以發(fā)現(xiàn),斷層交匯點處的應力值更小。上述分析表明,區(qū)域應力場分布規(guī)律受構造深度和斷層等多因素的影響。研究區(qū)中部背斜的差應力較高,區(qū)域東北部的差應力較低。在高差應力區(qū)域布置井位時,應該考慮井漏、失穩(wěn)和套管損害等問題;在低差應力區(qū)域布置井位時,應該考慮壓裂時儲層非均質性的問題[17],根據(jù)差應力分布特征,有針對性地做好預防措施,提高油氣開發(fā)的效率。

表2 數(shù)值模擬結果與實測結果對比Table 2 Inspection and comparison of horizontal principal stress numerical simulation results

進一步分析了有斷層和無斷層的區(qū)域地應力分布范圍,如圖6所示。從圖6中可以看出,如果不考慮斷層,最小水平主應力主要分布在110～130 MPa,最大水平主應力主要分布在150～180 MPa。然而,當考慮斷層時,最小水平主應力中有19.2%的應力值小于110 MPa,最大水平主應力中有10%的應力值小于150 MPa。這說明了斷層內的地應力發(fā)生了應力釋放,導致區(qū)域水平主應力分布更加分散。此外,斷層的存在使得最大水平主應力中大于180 MPa的百分比從1.8%增加到7.6%,而最小水平主應力中大于130 MPa的百分比從3.1%減少到1.2%,使得部分區(qū)域差應力增大,而在鉆遇高差應力區(qū)域時需要注意井壁失穩(wěn)等問題。

圖7為川西彭州地區(qū)雷四段地層的主應力方向的分布特征。從圖7中可以看出,最小水平主應力方向大致為近南北向,最大水平主應力方向主要為近東西向。但是,受斷層影響,斷層區(qū)域的地應力方向發(fā)生了較大程度的偏轉,在斷層的端部和交匯點發(fā)生較大的偏轉,在斷層中部偏轉程度較小;同時地應力方向偏轉還受斷層走向的影響,斷層走向越接近地應力方向,偏轉程度越小。

圖7 川西彭州地區(qū)雷四段地層水平主應力方向Fig.7 Horizontal principal stress direction of Lei-4 Formation in Pengzhou Area, Western Sichuan

為了深入了解川西彭州地區(qū)雷四段地層應力場分布特征,沿模型中部繪制了AB截線,如圖8所示,該截線貫穿了六條斷層,研究該截線上應力值大小的變化特征,更能清晰認識到斷層對地應力值的影響規(guī)律。繪制了截線路徑上的主應力分布,如圖9所示,在無斷層時,應力值主要受構造的影響;當存在斷層時,區(qū)域整體的主應力值受到了擾動,其中較為明顯的六條斷層對應波谷,應力值急劇降低。

圖8 川西彭州地區(qū)雷四段地層應力在截線(A-B)Fig.8 Formation stress of Lei-4 Member in Pengzhou Area, West Sichuan, at Section (A-B)

3.3 井壁穩(wěn)定性分析

川西彭州地區(qū)雷四段儲層鉆探施工過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā),嚴重影響了雷四段氣藏勘探開發(fā)進度。因此,結合川西彭州地區(qū)雷四段地應力分布特征,開展了井壁失穩(wěn)性分析。以研究區(qū)7-1D井為例,對該井井壁穩(wěn)定性進行了評價。7-1D井位于構造轉換端,裂縫發(fā)育明顯,鉆井液密度為1.45～1.55 g/cm3,遠低于破裂壓力梯度2.3 MPa/100 m。根據(jù)地應力預測結果、巖石力學參數(shù),采用庫倫-摩爾強度準則,得到坍塌壓力計算模型[19-20]為

(3)

(4)

式中:ρm為鉆井液密度,g/cm3;C為巖石內聚力,MPa;φ為巖石內摩擦角,(°);η為非線性校正系數(shù);Pp為地層壓力,MPa;α為biot系數(shù);H為井深,m;σH、σh分別為水平最大、最小主應力,MPa。

圖9 川西彭州地區(qū)雷四段地層應力在截線(A-B)上的 水平主應力分布情況Fig.9 Horizontal principal stress distribution of Lei-4 Member stratum stress on section (A-B) in Pengzhou Area, West Sichuan

如圖10所示,PZ7-1D井鉆進方位為34°,雷四段位置的井斜角為78.12°,根據(jù)上述坍塌壓力計算模型,結合地應力模擬結果、巖石力學參數(shù),預測研究區(qū)雷四段坍塌壓力為1.4 MPa/100 m。該井位于裂縫發(fā)育部分,鉆井液沿裂縫流入地層,鉆井液浸泡巖石,使得井周巖石強度降低,地層坍塌壓力增大,超過了實際鉆井液密度,導致井壁失穩(wěn)坍塌。

根據(jù)PZ7-1D的鉆井施工報告,雷四段地層的坍塌壓力接近地層孔隙壓力,沿最大水平主應力方向破裂壓力低,坍塌壓力高,井壁穩(wěn)定性最好,應增加鉆井液封堵性能,減小鉆井液進入地層。因此,開展川西彭州地區(qū)雷四段的地應力分布規(guī)律研究,能為雷四段地層井壁穩(wěn)定性評價提供指導意義。

圖10 PZ7-1井坍塌壓力隨井斜和方位變化圖Fig.10 Variation of collapse pressure of PZ7-1 well with well deviation and orientation

4 結論

(1)彭州地區(qū)雷四段地應力分布受構造位置和斷層控制,研究區(qū)西南部和背斜兩翼的應力較高,而中部背斜核部的應力較低;斷裂帶內部巖石較為破碎,應力得到釋放,應力值最低;斷裂帶周圍的巖石出現(xiàn)明顯變形但未破碎,表現(xiàn)為應力集中狀態(tài)。

(2)彭州地區(qū)雷四段最小水平主應力為近南北向,最大水平主應力為近東西向。斷層區(qū)域的地應力方向發(fā)生了偏轉,在斷層端部和交匯點處偏轉程度較大,在斷層中部偏轉程度較小,斷層走向越接近地應力方向,應力方向偏轉程度越小。

(3)結合地應力預測結果和巖石力學參數(shù),對井壁穩(wěn)定性進行評價,能及時采取預防措施來減少井下事故的發(fā)生,對鉆井施工具有重要的指導意義。