杜瑋暄，張紅玲

劉廣峰，王建國 （中國石油大學(xué) （北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

現(xiàn)今地應(yīng)力控制著儲(chǔ)層天然裂縫的開度和滲透率，影響著儲(chǔ)層非均質(zhì)性和流體滲流規(guī)律。其對水力裂縫擴(kuò)展方位及延伸長度也起著重要的控制作用，進(jìn)而也影響著開發(fā)井網(wǎng)的部署及調(diào)整。

合水地區(qū)屬超低滲儲(chǔ)層，生產(chǎn)井均需壓裂并配合注水進(jìn)行生產(chǎn)。動(dòng)態(tài)分析發(fā)現(xiàn)滲透率存在較強(qiáng)方向性，巖心觀察發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層存在天然裂縫。受此影響，該地區(qū)井網(wǎng)部署和整體壓裂規(guī)劃難度較大。為實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)與壓裂裂縫的最優(yōu)配合，需對儲(chǔ)層地應(yīng)力分布及其對壓裂和儲(chǔ)層物性的影響進(jìn)行研究。有限元數(shù)值模擬方法在研究區(qū)域地應(yīng)力分布方面表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)越性[1]，因而該次研究采用其作為主要研究方法，并結(jié)合地應(yīng)力實(shí)測手段，針對合水地區(qū)莊19井區(qū)長82儲(chǔ)層開展地應(yīng)力模擬，以期獲得高精度的現(xiàn)今地應(yīng)力場的平面分布特征，為該地區(qū)井網(wǎng)部署和壓裂措施提供參考。

1 地應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬原理

地應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬方法以相似性原理為基礎(chǔ)[2]。首先將實(shí)際地層轉(zhuǎn)化為均勻連續(xù)的彈性單元體集合，各單元體之間以節(jié)點(diǎn)相互連接，以實(shí)際儲(chǔ)層巖石力學(xué)屬性分布為參照，賦予不同單元體不同的彈性參數(shù)，形成模擬所需的地質(zhì)力學(xué)模型。其次確定模擬時(shí)所參照的反演準(zhǔn)則。應(yīng)力場模擬是由已知推求未知并進(jìn)行驗(yàn)證的正反演交替進(jìn)行的過程，反演準(zhǔn)則就是判斷最終模擬結(jié)果是否合理的參照。最后根據(jù)研究區(qū)地層的實(shí)際情況確定模擬過程中的邊界條件，包括模型邊界的約束和載荷情況。

模擬時(shí)，對地質(zhì)模型進(jìn)行加載，將每個(gè)單元體的受力和變形情況進(jìn)行分別計(jì)算，之后把各單元體的應(yīng)力及應(yīng)變通過節(jié)點(diǎn)傳遞，模型的總應(yīng)變是各節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變量的疊加，模型內(nèi)的應(yīng)力分布為各節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力組成的應(yīng)力場，如此得到整個(gè)地質(zhì)模型的應(yīng)力和應(yīng)變場分布。

確定邊界條件的過程是有限元應(yīng)力場模擬的主要過程，它是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的試算過程。

2 現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬

根據(jù)莊19井區(qū)長82儲(chǔ)層地勢較平緩，傾角小，無斷層，地層厚度變動(dòng)小的特征，計(jì)算時(shí)選用了二維平面模型來進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。在建立力學(xué)模型時(shí)，依據(jù)巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對地質(zhì)模型不同區(qū)域的單元體賦以不同的力學(xué)參數(shù)。

此次模擬采用實(shí)測的地應(yīng)力大小和方向作為反演準(zhǔn)則。反演準(zhǔn)則的確定 （即現(xiàn)今地應(yīng)力大小和方向的確定）應(yīng)用了小型測試壓裂資料分析、成像測井資料分析以及井下微地震裂縫監(jiān)測的方法，獲取了莊19井區(qū)一些井點(diǎn)處的現(xiàn)今主應(yīng)力大小及方向，部分結(jié)果如表1所示。

如前所述，應(yīng)力場模擬是一個(gè)需要反復(fù)試算的過程。模擬時(shí)通過不斷地調(diào)整邊界條件，然后對比計(jì)算區(qū)內(nèi)地應(yīng)力測量點(diǎn)的模擬值 （包括大小和方向）與實(shí)測值，使其達(dá)到最佳擬合 （表1），從而得到整個(gè)研究區(qū)的應(yīng)力場分布。

表1 地應(yīng)力模擬值與實(shí)測值對比

3 模擬結(jié)果及應(yīng)用

圖1為莊19井區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力模擬結(jié)果等值線圖 （箭頭代表其方位；“zh”為 “莊”拼音聲母；“xi”為 “西”拼音）。莊19井區(qū)最大主應(yīng)力值為35.7～45.2MPa，高低值區(qū)差別較為明顯。西171井－西205井、莊75－26井－莊66－23井－莊59－23井之間的條帶區(qū)應(yīng)力值較大；最大值集中在西205井周圍。該區(qū)最大主應(yīng)力方位為NE72°～NE80°，統(tǒng)計(jì)顯示優(yōu)勢方位為NE75°，局部方位有不同程度的偏轉(zhuǎn)。圖2為莊19井區(qū)差應(yīng)力分布圖。該區(qū)差應(yīng)力最高可達(dá)9.8MPa。莊63－27井～西205井之間的條帶、莊77－30井周圍以及莊66－23井周圍屬于差應(yīng)力高值區(qū)，均達(dá)到了9MPa。

主應(yīng)力方位分布的不一致性，對整個(gè)區(qū)塊的壓裂措施和井網(wǎng)部署均有較大的影響。在布置注采井網(wǎng)時(shí)，需要考慮水力裂縫可能的延伸方位，將油水井排按合理的方向布置，以達(dá)到較好的整體壓裂效果。根據(jù)理論分析，水力裂縫是沿阻力最小的方位擴(kuò)展，由現(xiàn)場測試看其基本垂直于最小主應(yīng)力的方向。模擬結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)主應(yīng)力方向在不同位置上相對于優(yōu)勢方位均有所偏轉(zhuǎn)。觀察油田實(shí)際布井情況，井排方向統(tǒng)一不變，這樣在壓裂后生產(chǎn)時(shí)，某些地區(qū)就有可能出現(xiàn)注入水竄流，油井過早水淹的情況。以380單位×150單位的五點(diǎn)井網(wǎng)為例，油水井連線與井排之間夾角約為38°。若井排方向與最大主應(yīng)力方向偏角為15°，那么水力裂縫與油水井連線夾角則僅有23°。壓裂時(shí)水力裂縫會(huì)受天然裂縫的影響而轉(zhuǎn)向[3]，這樣裂縫末端延伸方向會(huì)進(jìn)一步向油水井連線逼近。再加上水井處天然裂縫在注水過程中極易開啟，隨注入壓力升高其開啟方位 （與主應(yīng)力方向的夾角）也向油水井連線逼近。這些情況很容易導(dǎo)致天然裂縫和水力裂縫貫通，注入水沿連通的裂縫系統(tǒng)直接到達(dá)油井，造成其水淹。所以在儲(chǔ)層各向異性強(qiáng)烈、應(yīng)力場復(fù)雜的地區(qū)部署井網(wǎng)需要謹(jǐn)慎，特別是要進(jìn)行壓裂措施的井網(wǎng)區(qū)，傳統(tǒng)的大面積布置同一種井網(wǎng)的方法并非好的方案，而是應(yīng)該根據(jù)主應(yīng)力方位的變動(dòng)對應(yīng)的改變井網(wǎng)模式或者井排方向。布置好了井網(wǎng)，在壓裂施工時(shí)也要注意利用和控制地應(yīng)力帶來的影響[3]，避免裂縫擴(kuò)展方向與井排方向偏角不合理導(dǎo)致裂縫將油水井溝通。同時(shí)注水也要嚴(yán)格控制注入壓力，避免開啟與井排方向偏角較大的天然裂縫。

根據(jù)最小主應(yīng)力的大小還可以估算儲(chǔ)層巖石的破裂壓力等，為注水井工作制度和壓裂施工設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。破裂壓力估算可在最小主應(yīng)力的基礎(chǔ)上加上實(shí)驗(yàn)所測的巖石抗張強(qiáng)度進(jìn)行。

圖1 莊19井區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力分布

圖2 莊19井區(qū)差應(yīng)力和井位分布

較大的差應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鉆井時(shí)井壁坍塌卡鉆、完井后套管損壞、地層出砂等現(xiàn)象 （高產(chǎn)油井、氣井）。根據(jù)差應(yīng)力分布情況，可以針對性地提前做好事故預(yù)防措施和井筒維護(hù)工作，幫助鉆井任務(wù)準(zhǔn)確、高效、安全地完成。如對處在差應(yīng)力高值區(qū)的生產(chǎn)井，固井時(shí)應(yīng)提高套管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，生產(chǎn)過程中應(yīng)定期檢測。產(chǎn)氣井打開儲(chǔ)層時(shí)應(yīng)盡量避免在最小主應(yīng)力方向上射孔，以防出砂。鉆井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮井壁坍塌的可能性，選擇適當(dāng)?shù)你@進(jìn)方式及合適的鉆井液。此外，差應(yīng)力較小的區(qū)域，壓裂時(shí)水力裂縫走向主要受儲(chǔ)層非均質(zhì)性和天然裂縫的影響，擴(kuò)展方向不定[4]。

4 地應(yīng)力與滲透率分布相關(guān)性分析

圖3為莊19井區(qū)滲透率分布圖。對比最大主應(yīng)力分布和差應(yīng)力分布圖來看，應(yīng)力出現(xiàn)高值的地區(qū)，滲透率也對應(yīng)的為高值區(qū)，其分布趨勢符合程度很高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 （圖4）顯示，主應(yīng)力值越高的區(qū)域，其滲透率高值 （K＞0.5×10－3μm2）區(qū)面積也越大。應(yīng)力值大于40MPa的區(qū)域其滲透率都在0.5×10－3μm2以上。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)得出的結(jié)果與分布趨勢對比得出的結(jié)論趨于一致。再對此地區(qū)生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析，很自然地發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)的井其產(chǎn)能也較其他井高。由此推測，儲(chǔ)層應(yīng)力場和滲透率分布之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。陳勉等[5，6]推導(dǎo)了滲透率與應(yīng)力之間的關(guān)系式，綜合分析認(rèn)為應(yīng)力的大小和作用方向均會(huì)對滲透率的分布產(chǎn)生影響。應(yīng)力作用于巖石骨架引起滲流通道變形進(jìn)而影響滲透率的大小，其對滲透率的控制程度同時(shí)受儲(chǔ)層巖石的力學(xué)性質(zhì)影響。認(rèn)為開發(fā)過程中巖石的力學(xué)參數(shù)變化不大，因而對于特定油藏，應(yīng)力大小對滲透率的影響趨勢是一定的。根據(jù)以上的對比和統(tǒng)計(jì)分析來看，莊19井區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力高值區(qū)滲透率高、油井產(chǎn)能高的現(xiàn)象，說明其滲透率和主應(yīng)力是正相關(guān)的關(guān)系。此外，結(jié)合該次模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢方位從大型地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)結(jié)束以來偏轉(zhuǎn)很小[7]。這種情況減少了因主應(yīng)力方位與天然裂縫展布方向夾角過大 （近垂直）而導(dǎo)致其閉合的現(xiàn)象，最大化保留了已經(jīng)產(chǎn)生的天然裂縫的導(dǎo)流能力，從而提升了儲(chǔ)層滲透率。

圖3 莊19井區(qū)滲透率分布

圖4 滲透率范圍與應(yīng)力范圍重合率統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1）應(yīng)力場有限元模擬方法可獲取較為準(zhǔn)確的應(yīng)力場分布狀況，為油田勘探開發(fā)提供儲(chǔ)層應(yīng)力方向和大小等背景資料。

2）研究區(qū)最大主應(yīng)力值為35.7～45.2MPa，方向?yàn)镹E72°～NE80°，優(yōu)勢方位NE75°。差應(yīng)力值為0～9.8MPa。

3）建議研究區(qū)在調(diào)整井網(wǎng)時(shí)，參照主應(yīng)力方向微調(diào)井排距，以使井排方向與水力裂縫方位盡量一致，達(dá)到較好的壓裂和水驅(qū)效果。

4）研究區(qū)應(yīng)力與滲透率的高值區(qū)對應(yīng)關(guān)系較好，可依此尋找儲(chǔ)層物性較好的潛力區(qū)。

[1]謝潤成，周文，陶瑩，等 .有限元分析方法在現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬中的應(yīng)用 [J].石油鉆探技術(shù)，2008，36（2）：60～63.

[2]蘇培東，秦啟榮，黃潤秋 .相似性原理在構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬中的應(yīng)用 [J].天然氣工業(yè)，2005，25（4）：57～60.

[3]Jeffrey R G，Zhang X，Thiercelin M.Hydraulic fracture offsetting in naturally fractured reservoirs：quantifying a long－recognized process[J].SPE119351－MS，2009.

[4]靳保軍 .天然裂縫研究及其在低滲油田開發(fā)中的應(yīng)用 [J].油氣采收率技術(shù)，1995，2（3）：59～65.

[5]陳勉，金衍，張廣清 .石油工程巖石力學(xué) [M].北京：科學(xué)出版社，2008.44～50.

[6]李志明，張金珠 .地應(yīng)力與油氣勘探開發(fā) [M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.330～334.

[7]徐黎明，周立發(fā)，張義楷，等 .鄂爾多斯盆地構(gòu)造應(yīng)力場特征及其構(gòu)造背景 [J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2006，30（4）：455～462.