基于疊前巖石力學(xué)參數(shù)反演的三維地應(yīng)力預(yù)測(cè)研究
——以長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣為例

金文輝,井 翠,文 冉,宋修艷,陳珂磷,李雪松,張 奎

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,成都 610051;2.北京普瑞斯安能源科技有限公司,北京 100085)

0 引言

地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力,地表發(fā)生的一切板塊運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造變形都是地應(yīng)力作用的結(jié)果[1]。地應(yīng)力的大小和方向是隨著空間和時(shí)間變化的,因而是一個(gè)非均質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)。在油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,地應(yīng)力的大小和方向控制著油氣的生成、運(yùn)移和聚集,同時(shí),天然裂縫和壓裂縫的展布、地層破裂與坍塌、井網(wǎng)布置與優(yōu)化、儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)等都與地應(yīng)力密切相關(guān)[2],其研究工作是油氣勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,同時(shí)也是溝通地質(zhì)與工程的重要橋梁[3],在非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)中更是如此。以頁(yè)巖氣為例,超低孔、特低滲的儲(chǔ)層物性嚴(yán)重制約了天然氣的流動(dòng)性,因此需要通過(guò)人工干預(yù)手段將頁(yè)巖儲(chǔ)層改造為縫網(wǎng)系統(tǒng),從而改善頁(yè)巖的滲流能力[4]。解決上述一系列問(wèn)題的前提是精確了解地下的地應(yīng)力狀態(tài)。目前,深部地層地應(yīng)力大小和方向預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。

前人在早期的礦山工程建設(shè)中對(duì)地應(yīng)力有了初步認(rèn)識(shí),同時(shí)發(fā)展了地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。最早的原位地應(yīng)力測(cè)量起始于上世紀(jì)30年代[5],至今已有近百年歷史。目前,地應(yīng)力研究方法多達(dá)二十余種。常用的方法有水壓致裂法、巖石聲發(fā)射法、測(cè)井資料估算法、差應(yīng)變法、應(yīng)力解除法等[6-11]。但這些方法多依賴(lài)于定點(diǎn)取芯試驗(yàn)或鉆井測(cè)井資料,均為點(diǎn)數(shù)據(jù),只能代表井點(diǎn)或井周有限范圍內(nèi)的地應(yīng)力狀態(tài),不能有效反映井場(chǎng)或區(qū)域地應(yīng)力分布特征,故需要探索新方法開(kāi)展區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布特征研究。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者們就基于地震方法的地應(yīng)力預(yù)測(cè)開(kāi)展了探索性研究,該方法能夠得到目標(biāo)區(qū)連續(xù)的地應(yīng)力剖面,反映三維空間內(nèi)任一位置的地應(yīng)力分布特征。Dilien[12]通過(guò)研究地震反射系數(shù)與地應(yīng)力大小的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力三維預(yù)測(cè)提供了可能;Tigrek[13]在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了進(jìn)一步研究,利用地震反射系數(shù)獲得巖石力學(xué)動(dòng)態(tài)參數(shù),通過(guò)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換,建立地質(zhì)力學(xué)模型,從而獲得地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果;Hunt[14]通過(guò)地震數(shù)據(jù)計(jì)算曲率和楊氏模量等,對(duì)地應(yīng)力分布進(jìn)行了預(yù)測(cè);何英[15]利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬,通過(guò)計(jì)算曲率預(yù)測(cè)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng);宗兆云[16]利用地層裂縫的相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)三維地應(yīng)力;馬妮[17]基于正交各向異性介質(zhì)理論,提出了利用方位疊前地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)地應(yīng)力的方法;熊曉軍[18]等通過(guò)疊前彈性參數(shù)反演,獲得計(jì)算地應(yīng)力分布的巖石力學(xué)參數(shù)。

筆者在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上,充分利用三維地震資料的優(yōu)勢(shì),采用井震結(jié)合方法,利用構(gòu)造解釋得到的構(gòu)造信息(層位與斷層)和地震預(yù)測(cè)得到的地層信息(速度與密度)、地質(zhì)力學(xué)信息(楊氏模量與泊松比),對(duì)地應(yīng)力方向、最大和最小水平主應(yīng)力大小及應(yīng)力差異系數(shù)及進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)開(kāi)展長(zhǎng)寧區(qū)塊區(qū)域應(yīng)力機(jī)制研究,并對(duì)3口水平井的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,從而驗(yàn)證了本文地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性,在頁(yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)中應(yīng)用效果良好,具有一定的推廣應(yīng)用意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

我國(guó)有較為豐富的頁(yè)巖氣資源,近年來(lái)頁(yè)巖氣藏勘探取得了重大進(jìn)展。川南長(zhǎng)寧地區(qū)五峰-龍馬溪組深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖分布穩(wěn)定、保存條件好,早期開(kāi)發(fā)的寧201井區(qū)頁(yè)巖氣勘探取得良好效果,頁(yè)巖氣勘探潛力大[19-22]。

長(zhǎng)寧區(qū)塊構(gòu)造位于四川盤(pán)地與云貴高原結(jié)合部,川南古坳中隆低陡構(gòu)造和滇黔北坳陷婁山褶皺帶之間(圖1)。長(zhǎng)寧區(qū)塊構(gòu)造以南由婁山褶皺帶控制,以北則主要受川南低褶帶構(gòu)造演化的影響,以東受四川盆地北東向邊界延伸的影響,以西主要由華鎣山斷裂帶控制,整體表現(xiàn)出縱橫錯(cuò)落的構(gòu)造格局。研究區(qū)埋深適中,在2 100 m ～3 500 m。主力產(chǎn)氣層位于下志留統(tǒng)龍馬溪組和五峰組,可劃分為五峰組、龍一11、龍一21、龍一31、龍一41共5個(gè)小層,主體厚度穩(wěn)定分布在30 m～50 m,是中國(guó)重要的頁(yè)巖氣建產(chǎn)區(qū)之一[23-24]。

圖1 長(zhǎng)寧地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃與研究區(qū)位置圖Fig.1 Structural zoning and study area location map of Changning area

2 地應(yīng)力預(yù)測(cè)

本次研究采用的三維地應(yīng)力預(yù)測(cè)技術(shù)是在地層壓力預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上,借助井筒巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和水力壓裂等數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控分析,并優(yōu)化了應(yīng)力計(jì)算模型,具體研究路線見(jiàn)圖2。

圖2 地應(yīng)力預(yù)測(cè)流程圖Fig.2 Flow chart of ground stress prediction

1)三維地層壓力預(yù)測(cè):通過(guò)井筒實(shí)測(cè)的DIFT地層壓力數(shù)據(jù)和測(cè)井資料,建立多種方法的地層壓力預(yù)測(cè)模型,在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出最佳的地層壓力預(yù)測(cè)模型。關(guān)鍵步驟包括:①利用測(cè)井資料和速度場(chǎng)建立3D地層速度模型,通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換,將疊前反演得到的時(shí)間域縱波速度、密度、楊氏模量、泊松比等成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至深度域;②利用測(cè)井資料擬合Amoco系數(shù),補(bǔ)充淺層密度缺失段,拼接高精度密度反演數(shù)據(jù)體,求取密度積分,得到上覆地層壓力;③基于有效應(yīng)力理論,獲取垂直有效應(yīng)力與地層速度(高精度速度反演體)之間的關(guān)系,通過(guò)對(duì)比井上實(shí)測(cè)壓力資料,對(duì)地層壓力模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,預(yù)測(cè)孔隙流體壓力和地層壓力系數(shù)。這一環(huán)節(jié)的目標(biāo)是獲得上覆地層壓力Sv、孔隙壓力Pp,從而為計(jì)算由上覆地層泊松效應(yīng)產(chǎn)生的地應(yīng)力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬:利用構(gòu)造解釋層位獲取地層的幾何信息,利用儲(chǔ)層反演獲取地層巖性信息(包括厚度、速度和密度),基于廣義胡克定律和薄板理論,求得層位面的地應(yīng)力參數(shù),包括地層面的曲率張量、變形張量和應(yīng)力場(chǎng)張量,最終得到主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力,進(jìn)而獲取目的層應(yīng)力場(chǎng)展布特征[25-26]。這一環(huán)節(jié)的目標(biāo)是預(yù)測(cè)地應(yīng)力方向,同時(shí)獲取沿著最大、最小水平主應(yīng)變,從而計(jì)算構(gòu)造應(yīng)力及殘余應(yīng)力。地應(yīng)力大小最終結(jié)果來(lái)自泊松效應(yīng)、構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力的總和。

3)地應(yīng)力計(jì)算模型方法優(yōu)選與參數(shù)擬合:結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征與演化,結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)(包含巖心綜合實(shí)驗(yàn)、水壓致裂法等地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果),分析研究區(qū)的區(qū)域地應(yīng)力機(jī)制,選取適合本區(qū)的地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)模型,并利用實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)刻度模型中的未知參數(shù),比如奧特系數(shù)、構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)等。利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的高精度巖石力學(xué)參數(shù)泊松比、楊氏模量數(shù)據(jù),結(jié)合三維地層壓力預(yù)測(cè)得到的上覆地層壓力Sv、孔隙壓力Pp和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬得到的最大、最小水平主應(yīng)變成果,計(jì)算本區(qū)三維地應(yīng)力大小。

2.1 地應(yīng)力方向預(yù)測(cè)

應(yīng)力場(chǎng)研究,即研究地應(yīng)力分布的規(guī)律性。地應(yīng)力方向預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)是構(gòu)造力學(xué)[27-30],應(yīng)力場(chǎng)模擬需要較為理想的模型:假設(shè)地層介質(zhì)是均勻連續(xù)、各向同性且完全彈性的,地層的構(gòu)造變形完全由地應(yīng)力所致。通常發(fā)生彎曲變形地層的寬度和長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度,因此用薄板彎曲理論可以模擬構(gòu)造面附近的應(yīng)力狀態(tài)[31-33],前人基于薄板理論預(yù)測(cè)應(yīng)力方向的研究與應(yīng)用較多,筆者不再贅述其原理方法。

本次研究共收集到長(zhǎng)寧區(qū)塊6口探井的FMI成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)研究區(qū)地應(yīng)力方向數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):研究區(qū)地應(yīng)力方向在不同區(qū)域內(nèi)變化較大,NW向、NWW向、近EW向均有分布,反映出本區(qū)地應(yīng)力的復(fù)雜多變性(表1)。

表1 長(zhǎng)寧區(qū)塊最大水平主應(yīng)力方向預(yù)測(cè)符合情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table for prediction of maximum horizontal principal stress direction in Changning Block

基于構(gòu)造力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬理論中指出,按構(gòu)造位置的不同,構(gòu)造縫發(fā)育程度與方向存在較大的差異性,具體表現(xiàn)為:褶皺頂部受拉張應(yīng)力,底部受擠壓應(yīng)力,頂部(淺層)拉張縫較為發(fā)育,底部(深層)構(gòu)造縫不發(fā)育。在外部擠壓應(yīng)力作用下,背斜頂部拉張縫發(fā)育,方向垂直于最大主應(yīng)力;向斜構(gòu)造縫相對(duì)不發(fā)育,方向平行于最大主應(yīng)力[34-37]。

應(yīng)用應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法,得到了目的層地應(yīng)力方向分布特征和構(gòu)造縫分布特征,見(jiàn)圖3。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果顯示:長(zhǎng)寧區(qū)塊目的層五峰組～龍馬溪組在外部擠壓應(yīng)力作用下,最大水平主應(yīng)力方向與井筒所在構(gòu)造位置(圖4)及是否位于斷層附近有關(guān):以D井區(qū)為代表的背斜(隆起區(qū))最大主應(yīng)力方向與構(gòu)造縫方向垂直。以A井、B井、F井區(qū)為代表的向斜(低洼區(qū))最大主應(yīng)力多與構(gòu)造縫方向平行,靠近斷裂區(qū)域最大水平主應(yīng)力多與構(gòu)造縫方向垂直。

圖3 五峰組之上30 m構(gòu)造縫及最大水平主應(yīng)力方向疊合圖Fig.3 Overlapping map of 30 m structural joints and maximum horizontal principal stress direction above Wufeng Formation

圖4 五峰組底面構(gòu)造特征Fig.4 Structural characteristics of the bottom of Wufeng Formation

同時(shí),應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬還可反映應(yīng)力環(huán)境的相對(duì)強(qiáng)弱,圖3中藍(lán)-深藍(lán)色區(qū)域代表拉張應(yīng)力環(huán)境,應(yīng)力強(qiáng)度較小,地應(yīng)力非均質(zhì)性較弱,對(duì)井筒壓裂的影響相對(duì)較小;綠-黃-紅-粉紅區(qū)域代表擠壓應(yīng)力環(huán)境,應(yīng)力強(qiáng)度隨著色標(biāo)由冷變暖而逐漸變大,地應(yīng)力對(duì)井筒壓裂的影響也逐漸增強(qiáng),在水平井軌跡設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮粉紅色強(qiáng)應(yīng)力環(huán)境對(duì)井筒的影響,盡量避開(kāi)強(qiáng)應(yīng)力環(huán)境區(qū)域。

研究區(qū)地應(yīng)力預(yù)測(cè)方向與FMI成像測(cè)井識(shí)別方向吻合情況見(jiàn)表1,研究區(qū)6口探井的地應(yīng)力預(yù)測(cè)方向基本與井筒FMI識(shí)別的最大水平主應(yīng)力方向一致。研究區(qū)各井地應(yīng)力方向多以NWW、NW向?yàn)橹?個(gè)別井位受局部多組應(yīng)力共同作用影響,地應(yīng)力方向呈現(xiàn)多簇特征。地應(yīng)力方向預(yù)測(cè)符合率整體較高,證明該方法預(yù)測(cè)地應(yīng)力方向具較高的可靠性。

2.2 地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)

2.2.1 地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)原理及方法

地應(yīng)力預(yù)測(cè)是在一定的假設(shè)條件下,利用地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立相對(duì)簡(jiǎn)單的地應(yīng)力計(jì)算模型,并結(jié)合地球物理和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算分析的一種方法,所建立的計(jì)算模型在一定程度上直接影響計(jì)算結(jié)果。目前業(yè)內(nèi)計(jì)算地應(yīng)力的模型主要有:①基于地層處于剪切破壞臨界狀態(tài)這一假設(shè),結(jié)合最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力之間的關(guān)系提出的Mohr-Columb模式。②單軸應(yīng)變模式,具有代表性的計(jì)算模型有:Matthews &Kelly模型(1967)、Anderson模型(1973)等。③黃榮樽模式(1984):該模式可以解釋水平應(yīng)力大于垂向應(yīng)力的現(xiàn)象,同時(shí)也考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響;④組合彈簧模式(1988年),又稱(chēng)斯倫貝謝模式,在其開(kāi)發(fā)的地應(yīng)力預(yù)測(cè)商業(yè)軟件中廣泛應(yīng)用;⑤多孔彈性水平應(yīng)變模型[28-30]。

近年來(lái)業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的是組合彈簧模型和多孔彈性水平應(yīng)變模型。二者綜合考慮了巖石力學(xué)、孔隙流體壓力及構(gòu)造作用等因素對(duì)地應(yīng)力的影響。模型首先假設(shè)巖石為各向同性的均質(zhì)體,且是滿(mǎn)足線彈性的連續(xù)地層,并假設(shè)在沉積及后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地層和地層之間無(wú)相對(duì)位移,地層兩水平方向的應(yīng)變?yōu)槌?shù)。本次研究采用的地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)方法主要依據(jù)這兩種理論進(jìn)行融合與優(yōu)化,共考慮了3種效應(yīng)對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力大小的影響,分別是:泊松效應(yīng)、水平構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力。其中泊松效應(yīng)是指上覆地層受地心引力作用對(duì)下伏地層產(chǎn)生的應(yīng)力,又稱(chēng)重力應(yīng)力;水平構(gòu)造應(yīng)力是指原巖中存在的促使水平方向發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力;殘余應(yīng)力是古構(gòu)造應(yīng)力的殘余場(chǎng),其作用釋放緩慢,對(duì)現(xiàn)今地層仍會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)變影響[31]。與前人采用的地應(yīng)力模型相比[33-38],筆者增加了殘余應(yīng)變對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力的影響,在計(jì)算公式中增設(shè)了構(gòu)造形變和殘余應(yīng)力影響因子,可提升受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大的研究區(qū)塊地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的精確度。本次研究采用的預(yù)測(cè)模型其計(jì)算模型如下:

圖5公式中σh為最小水平應(yīng)力,σH為最大水平應(yīng)力,σv為上覆地層壓力,α為Biot系數(shù),Pp為孔隙壓力,v為泊松比,E為楊氏模量,εh為水平最小主應(yīng)變,εH為水平最大主應(yīng)變,A和B分別為最小、最大構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),a和b分別為最小、最大構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),D為深度值。

圖5 采用的地應(yīng)力大小計(jì)算公式Fig.5 The formula for calculating the magnitude of in-situ stress is adopted in this paper

式中α為多孔彈性系數(shù),又稱(chēng)比奧特(Boit)系數(shù),一般高滲巖心為0.9～1;中滲巖芯為0.8～0.9;低滲為0.6～0.75。一般滿(mǎn)足:孔隙度<α<1,同樣孔隙度的灰?guī)r,其比奧特系數(shù)明顯大于同孔隙度的砂巖。骨架結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,比奧特系數(shù)越小。

式中A、B分別為最小和最大主應(yīng)力方向的應(yīng)力系數(shù),a、b分別為殘余最小和最大應(yīng)變系數(shù),均需要鉆井巖心實(shí)驗(yàn)得到的水平應(yīng)力數(shù)據(jù)刻度,而水平應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)的常見(jiàn)獲取方式分為兩種:一種來(lái)自水力壓裂試驗(yàn),該方法可獲得最小水平主應(yīng)力,再根據(jù)胡克定律和Zoback應(yīng)力多邊形,可推導(dǎo)出最大水平主應(yīng)力計(jì)算模型,也需要工程或?qū)嶒?yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度;另一種為聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),利用Kaiser方法可測(cè)定最小和最大水平主應(yīng)力。

圖6中展示了利用前人地應(yīng)力模型[33-38],即只考慮泊松效應(yīng)和水平方向構(gòu)造應(yīng)力效應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果,和筆者采用的考慮殘余應(yīng)變對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力的影響后地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果。二者對(duì)比可知,后者在全區(qū)橫向地應(yīng)力變化特征的刻畫(huà)上精度更高,更能精確地反映地應(yīng)力大小的局部變化特征,同時(shí)可進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)結(jié)果的符合率,筆者采用的地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)模型符合率較前人使用模型符合率提高約3%(表2)。

表2 長(zhǎng)寧區(qū)塊考慮殘余應(yīng)力前、后最小水平主應(yīng)力大小預(yù)測(cè)符合率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of prediction coincidence rate of minimum horizontal principal stress before and after considering the residual stress in Changning Block

圖6 增設(shè)殘余應(yīng)力前后最小水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.6 The comparison of prediction results of minimum horizontal principal stress model before and after adding residual stress

2.2.2 地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)結(jié)果

針對(duì)區(qū)域應(yīng)力機(jī)制研究,筆者采用了基于Zoback應(yīng)力多邊形理論的Anderson模型(如圖5(a)):當(dāng)垂向應(yīng)力最大,最小水平主應(yīng)力足夠小的時(shí)候(NF:Shmin

本次研究對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊巖心綜合實(shí)驗(yàn)獲取的10口井Kaiser實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(包含鄰區(qū)4口井,共計(jì)25個(gè)樣點(diǎn))進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組～龍馬溪組最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂向應(yīng)力的大小排序關(guān)系為:SHmax>SV>Shmin,即上覆地層壓力大小處于最大、最小水平主應(yīng)力之間,為典型的走滑斷層模式(圖7(b))。

圖7 Anderson三種應(yīng)力環(huán)境斷層模式圖及長(zhǎng)寧區(qū)塊應(yīng)用結(jié)果Fig.7 Anderson three kinds of stress environment fault pattern diagram and Changning Block application results

地應(yīng)力模型以研究區(qū)內(nèi)6口探井實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)(Kaiser實(shí)驗(yàn))為依據(jù),精細(xì)刻度了龍馬溪組～五峰組各個(gè)地應(yīng)力計(jì)算模型參數(shù),即公式(1)、(2)中的比奧特系數(shù)α、構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)a和b、局部應(yīng)變系數(shù)A和B,最終得到最小、最大水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果(圖8、圖9)。

圖8 長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組之上30 m最小水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)圖Fig.8 Prediction of minimum horizontal principal stress at 30 m above Wufeng Formation in Changning Block

圖9 長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組之上30 m最大水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)圖

五峰組之上20 m基本包含了長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣主力產(chǎn)層:五峰組、龍一11和龍一21小層。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知:平面上最小水平主應(yīng)力系數(shù)分布范圍為57 MPa～83 MPa,最大水平主應(yīng)力系數(shù)分布范圍為67 MPa～99 MPa,總體表現(xiàn)為西北和中東部高、中部偏西較低的特征。整體受埋深控制非常明顯(圖10):兩個(gè)西北(E井區(qū))和中東部(B、F、C井區(qū)以南)向斜深埋區(qū)水平主應(yīng)力較高,兩個(gè)高值區(qū)中間所夾的中西部條帶(D、A井區(qū)之間)淺埋區(qū)水平主應(yīng)力較低。

圖10 長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組底面埋深圖

研究區(qū)地應(yīng)力大小與巖心實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)(Kaiser實(shí)驗(yàn))吻合情況見(jiàn)表3,最大、最小水平主應(yīng)力的預(yù)測(cè)符合率均大于90%,證明該方法預(yù)測(cè)地應(yīng)力大小具較高的可靠性。

表3 長(zhǎng)寧區(qū)塊地應(yīng)力大小預(yù)測(cè)符合率統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of prediction coincidence rate of in-situ stress in Changning Block

為了更好地表征頁(yè)巖地層壓裂改造效果,引入應(yīng)力差異系數(shù)的概念:所謂應(yīng)力差異系數(shù)是指最大與最小水平主應(yīng)力差值與最小水平主應(yīng)力的比值。該參數(shù)越小,表明地層壓裂后形成網(wǎng)狀縫的能力越強(qiáng);該參數(shù)越大,表明地層壓裂后形成的壓裂縫方向較為單一,儲(chǔ)層改造效果差。利用預(yù)測(cè)得到的三維最大、最小水平主應(yīng)力數(shù)據(jù)體計(jì)算應(yīng)力差異系數(shù),由圖11可知:應(yīng)力差異系數(shù)整體較低,多在0.15～0.2之間,大部分地區(qū)的壓裂造縫能力較好。

圖11 長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組之上30 m應(yīng)力差異系數(shù)預(yù)測(cè)圖Fig.11 Prediction of stress difference coefficient at 30 m above Wufeng Formation in Changning Block

此外,結(jié)合同期裂縫預(yù)測(cè)研究成果對(duì)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的可壓性做進(jìn)一步分析。圖12給出了多尺度裂縫預(yù)測(cè)圖,圖中紅色代表大尺度裂縫,斷距>20 m,為構(gòu)造解釋獲得的斷層結(jié)果;藍(lán)色代表中尺度裂縫,8 m≤斷距≤20 m,為利用地震資料進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)得到的裂縫分布概率體;綠色代表小尺度裂縫,斷距<8 m,為利用地震資料計(jì)算的地層曲率體,往往與大中尺度裂縫相伴生,為大中尺度裂縫分支或分布于大中尺度裂縫周緣地區(qū)。結(jié)合圖11可知:應(yīng)力差異系數(shù)的分布受斷裂及裂縫的控制較為明顯,表現(xiàn)為:斷裂(大、中尺度裂縫)發(fā)育區(qū)域內(nèi),應(yīng)力差異系數(shù)為高值(圖中藍(lán)色區(qū)域),天然裂縫發(fā)育,方向較為單一,不易產(chǎn)生復(fù)雜壓裂網(wǎng),壓裂改造效果受限;小尺度裂縫發(fā)育區(qū)的應(yīng)力差異系數(shù)為中高值(圖中黃、綠色區(qū)域),壓裂可激活天然裂縫,且形成復(fù)雜縫網(wǎng)的能力適中,壓裂改造效果中等;多尺度裂縫欠發(fā)育區(qū),水平應(yīng)力差和應(yīng)力差異系數(shù)低值(圖中紅色區(qū)域),弱應(yīng)力區(qū)域有利于復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)的形成,壓裂改造效果較好。

圖12 長(zhǎng)寧區(qū)塊多尺度斷裂預(yù)測(cè)平面圖Fig.12 Multi-scale fracture prediction plane map of Changning Block

3 地應(yīng)力預(yù)測(cè)應(yīng)用

隨著石油工業(yè)的發(fā)展,非常規(guī)油氣資源逐漸成為各國(guó)油氣田的增產(chǎn)主體。頁(yè)巖氣藏在全球范圍有著廣泛的分布,與常規(guī)油氣藏相比,頁(yè)巖氣藏有著自生自?xún)?chǔ)、低孔低滲的特點(diǎn),其實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采的關(guān)鍵在于水平井體積壓裂改造技術(shù)的應(yīng)用。頁(yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā),需要對(duì)目的層進(jìn)行壓裂、造縫,能否將頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂成網(wǎng)狀縫是導(dǎo)致水平井能否增產(chǎn)的重要因素。

選取研究區(qū)內(nèi)已壓裂投產(chǎn),且具有微地震資料的3口水平井:X1井、X2井、X3井,結(jié)合預(yù)測(cè)的地應(yīng)力結(jié)果,對(duì)主要產(chǎn)氣層的可壓性做定性分析。圖13中分別展示了X3井井周邊天然裂縫發(fā)育特征、地應(yīng)力方向分布特征、應(yīng)力差異系數(shù)分布特征和微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果:該X3井周邊發(fā)育多條過(guò)井天然裂縫,且天然裂縫發(fā)育分布較為均衡,井筒東西兩側(cè)、北段和南段不存在明顯的差異性。

圖13 X3井壓裂效果分析Fig.13 X3 well fracturing effect analysis

地應(yīng)力環(huán)境整體為拉張應(yīng)力,地應(yīng)力非均質(zhì)性較弱,弱應(yīng)力環(huán)境對(duì)壓裂造縫較為有利。地應(yīng)力方向總體與井軌跡方向垂直或高角度斜交,井軌跡設(shè)計(jì)較為合理,垂直于井筒方向地層易于壓開(kāi)。綜上所述,天然裂縫發(fā)育程度、地應(yīng)力環(huán)境均不是影響最終壓裂效果的主要因素。由微地震檢測(cè)結(jié)果可知:該井微地震事件在靠近北段數(shù)目更多,能量更大,而在靠近水平井南段和中段的微地震事件數(shù)目更少,能量較小,反映出水平段壓裂效果的差異性。由應(yīng)力差異系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果可知,該井在跟端及水平井中段的應(yīng)力差異系數(shù)較大(圖13c中藍(lán)色區(qū)域),高于0.2,不易產(chǎn)生網(wǎng)狀壓裂縫,這與微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合,進(jìn)一步印證了地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

應(yīng)用同樣的研究方法,對(duì)X2、X1井壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。X2井周邊發(fā)育多條過(guò)井天然裂縫,水平段北側(cè)和南側(cè)天然裂縫發(fā)育程度略高,中段天然裂縫欠發(fā)育;地應(yīng)力環(huán)境整體為拉張應(yīng)力,地應(yīng)力非均質(zhì)性較弱,弱應(yīng)力環(huán)境對(duì)壓裂造縫較為有利;且地應(yīng)力方向總體與井軌跡方向垂直或高角度斜交,井軌跡設(shè)計(jì)較為合理,垂直于井筒方向地層易于壓開(kāi);應(yīng)力差異系數(shù)在中段較高(圖14c中藍(lán)色區(qū)域),高于0.2,不易產(chǎn)生網(wǎng)狀壓裂縫,而在北側(cè)和南側(cè)應(yīng)力差異系數(shù)較低,易于產(chǎn)生網(wǎng)狀縫;該井微地震識(shí)別的SRV在北側(cè)和南側(cè)較高,而在水平井中段較低,反映出水平段壓裂效果的差異性。綜上所述,X2井和X3井的壓裂效果受天然裂縫和地應(yīng)力雙因素控制。

圖14 X2井壓裂效果分析Fig.14 X2 well fracturing effect analysis

圖15分別展示了X1井周邊天然裂縫發(fā)育特征、地應(yīng)力方向分布特征、應(yīng)力差異系數(shù)分布特征和微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果:該井周邊天然裂縫發(fā)育較少,水平段北側(cè)天然裂縫發(fā)育程度略高于南側(cè),中段天然裂縫欠發(fā)育;地應(yīng)力環(huán)境整體為拉張應(yīng)力,地應(yīng)力非均質(zhì)性較弱,弱應(yīng)力環(huán)境對(duì)壓裂造縫較為有利;地應(yīng)力方向總體與井軌跡方向中等角度斜交,考慮到水平段整體應(yīng)力環(huán)境較弱,壓裂縫仍然大概率沿垂直于井筒方向擴(kuò)展;應(yīng)力差異系數(shù)在靠近北側(cè)和中段較高(圖15c中藍(lán)色區(qū)域),高于0.2,不易產(chǎn)生網(wǎng)狀壓裂縫。而在水平段南側(cè),應(yīng)力差異系數(shù)較低,壓易于產(chǎn)生網(wǎng)狀縫;該井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:在水平段南側(cè)微地震事件更多,局部成團(tuán)狀;而在中段和北段微地震事件相對(duì)南側(cè)減少,且呈現(xiàn)明顯的單一方向展布,與應(yīng)力差異系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果吻合。綜上所述,該井壓裂效果受天然裂縫和地應(yīng)力雙因素控制。

圖15 X1井壓裂效果分析Fig.15 X1 well fracturing effect analysis

4 結(jié)論

筆者采用三維地應(yīng)力預(yù)測(cè)技術(shù)成功在長(zhǎng)寧區(qū)塊實(shí)際資料中進(jìn)行了應(yīng)用。長(zhǎng)寧區(qū)塊最大/最小水平主應(yīng)力均受埋深影響最大,呈現(xiàn)深埋區(qū)高應(yīng)力,淺埋區(qū)低應(yīng)力的特征。全區(qū)應(yīng)力差異系數(shù)均受埋深(構(gòu)造)和斷裂的雙重影響:深埋區(qū)、向斜中心部位及靠近斷裂區(qū)域內(nèi)應(yīng)力差異系數(shù)較大,地應(yīng)力非均質(zhì)性較高;淺埋區(qū)、向斜斜坡與斷隆部位及遠(yuǎn)離斷裂部位應(yīng)力差異系數(shù)較小,地應(yīng)力非均質(zhì)性較低,易于壓裂改造,且應(yīng)力差異系數(shù)越小,越有利于形成壓裂縫網(wǎng),有利于水平井壓裂改造。