劉其明 黃建智

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000；2.中國石油青海油田井下作業(yè)公司測試隊，青海 海西州 816400）

0 引言

洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲層致密，孔隙度平均為11.2%，滲透率平均為2.0×10-3μm2，自然產(chǎn)能低，需通過水力壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能，但壓后評估發(fā)現(xiàn)效果差別較大；由于地應力特征影響著水力壓裂施工所產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)狀等參數(shù)，在壓裂液及支撐劑的選擇上也需考慮地應力特征，因此，要科學、合理、高效開發(fā)該氣藏，實施合理的水力壓裂增產(chǎn)措施，開展地應力特征研究是十分必要的。

1 地應力剖面的建立

實驗方法測定地應力，測量數(shù)量有限，不能得到連續(xù)的地應力剖面，而測井資料具有連續(xù)性好，分辨率高的特點，通過測井資料可以獲得連續(xù)的地應力剖面。目前計算地應力剖面常用的模型有黃氏模型和彈簧組合模型［1］。黃氏模型即：

β1和β2為系數(shù)，在同一構(gòu)造為常數(shù)，該模式多適用于構(gòu)造平緩地區(qū)。

彈簧組合模型是在分析黃氏模式存在不足的基礎上，假設巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運動過程中，地層和地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應變均為常數(shù)。由廣義虎克定律得到：

式中，εH、εh分別為最大、最小水平地應力方向的應變，在同一構(gòu)造為常數(shù)；E、μ分別為巖石的彈性模量和泊松比。當不同巖層發(fā)生相同應變時，最大和最小水平應力均隨彈性模量的增大而增大，該模型主要適用于構(gòu)造變形強的地區(qū)。

垂向地應力是由上覆地層重力引起的，它是隨著地層密度和深度而變化的，因此可用密度測井資料來求出垂向地應力：

式中，g 為重力加速度，m／s2；ΔDi為第i段地層厚度，m；ρi為密度測井曲線上第i段的平均體積密度，g／cm3。

參數(shù)的確定：彈性模量和泊松比是將大量巖心實驗成果在測井數(shù)據(jù)上標定、交匯建立關系式，然后通過關系式利用測井數(shù)據(jù)建立彈性模量和泊松比連續(xù)剖面。εH、εh是將地應力實驗或水力壓裂資料確定的地應力大小代入彈簧組合模型反算獲得的。

2 地應力剖面特征

對地應力剖面分析發(fā)現(xiàn)，由于儲層段與上下圍巖相對致密程度的不同，導致儲層段與上下圍巖地應力大小關系各異。根據(jù)儲層與上下圍巖關系可以將洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組地應力剖面分為3 類：高低高型、高低低型、低高低型。

2.1 高低高型

該類型剖面特征表現(xiàn)為儲層處于低應力段，上下圍巖地應力明顯大于儲層段，一般差值在3～5 MPa 以上。如龍40 井JP23儲層段最小水平主應力在10 MPa左右，上部圍巖（721～7 724 m）最小水平主應力在15～18 MPa 左右，下部圍巖（738～741 m）最小水平主應力在15～25 MPa 左右，儲層段最小水平主應力比上下圍巖地應力低5～8 MPa，應力差值較大（圖1）。

2.2 高低低型

該類剖面特征是儲層處于相對低應力段，上部圍巖地應力大于儲層段，下部圍巖地應力比儲層段小或相近。如龍1 井JP23儲層段最小水平主應力在7～9 MPa 左右，上部圍巖最小水平主應力為15～20 MPa，比儲層段高8 MPa以上，下部圍巖最小水平主應力在3～8 MPa 左右，儲層段和下部圍巖應力大小差不多（圖2）。

2.3 低高低型

特點為儲層處于相對高應力段，上下圍巖地應力明顯小于儲層段。如龍10井JP34儲層段地應力比上下圍巖高6 MPa 以上（圖3），儲層段最小水平地應力在24～30 MPa 左右，上下圍巖最小水平地應力在18～24 MPa左右，儲層段地應力比圍巖段高。

圖1 龍40井地應力剖面圖

圖2 龍1井地應力剖面圖

圖3 龍10井地應力剖面圖

3 地應力在壓裂中的應用

3.1 支撐劑的選擇

在水力壓裂設計中，應根據(jù)單井應力情況選用相應的支撐劑，在滿足承壓能力的同時結(jié)合成本以達到優(yōu)化設計目的，提高油氣層改造的經(jīng)濟效益。支撐劑所承受的壓力與最小水平主應力之間有如下關系：

式中，pa為支撐劑所受的壓力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；pwf為井底流動壓力，MPa。

統(tǒng)計蓬萊鎮(zhèn)組主要目的層最小水平主應力發(fā)現(xiàn)，蓬萊鎮(zhèn)組儲層地應力分布在10～30 MPa 之間，且隨埋深增加而增大，在JP33及以上儲層最小水平主應力值小于27 MPa。根據(jù)石英砂受力破碎實驗，在小于27 MPa 條件下破碎率小于7%［2］，可用于最小主應力小于27 MPa 的儲層，由于石英砂較陶粒便宜得多，因此，JP33及以上儲層改造可選用石英砂作支撐劑，以降低施工成本，之下儲層可選低密度陶粒。

3.2 預測裂縫高度

洛帶蓬萊鎮(zhèn)組只極少數(shù)應力狀態(tài)為垂向應力最小，水力壓裂縫多為垂直縫，壓裂縫高主要與圍巖性質(zhì)、圍巖與儲層應力差、儲層厚度、壓裂施工工藝、規(guī)模等因素有關。根據(jù)周文教授的研究成果，氣層與圍巖應力差值在5 MPa 以上、圍巖厚度在5 m以上的穩(wěn)定隔層時，壓裂縫高度能有效控制，壓裂縫的穿層性弱［3］。據(jù)此，可根據(jù)洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組不同應力剖面模型預測裂縫高度，為施工優(yōu)化設計提供基礎數(shù)據(jù)。

高低高型儲層段應力明顯比上下圍巖低，只要厚度超過5 m，壓裂縫主要在儲層內(nèi)延伸，壓裂高度小于或等于儲層厚度；高低低型由于上部圍巖應力高，無法向上延伸，但向下延伸較大，直到高應力段，裂縫不全在儲層段，縫高較大。低高低型氣層一般很難壓開，裂縫主要在圍巖中延伸，所產(chǎn)生的裂縫縫高很高，必定穿過所有低應力區(qū)，當達到大于該油層的高應力值后，縫高才能停止增長。

3.3 優(yōu)選壓裂層位

氣層壓裂效果除與氣層厚度、含氣性、施工技術(shù)因素有關外，還與地應力剖面類型有很大關系。根據(jù)對儲層改造后的測試成果分析發(fā)現(xiàn)，測試獲得高產(chǎn)的氣層地應力剖面均表現(xiàn)為高低高型，這是因為壓裂縫高度得到有效控制，支撐劑全在油氣層內(nèi)，導流能力強，產(chǎn)量高，壓裂效果最好。

高低低型氣層因上部圍巖應力高，壓裂縫向上受限，但裂縫在下部圍巖低應力段擴展，裂高增大，部分支撐劑進入圍巖中，降低導流能力，壓裂效果較差，壓后測試產(chǎn)能多在幾千立方米。

低高低型氣層難以壓開，要想壓開需要進行大排量、高泵壓、大功率的大規(guī)模壓裂施工，所產(chǎn)生的裂縫縫高很高，支撐劑多在圍巖中，導流能力差，壓裂效果也差，洛帶蓬萊鎮(zhèn)組壓后未獲得產(chǎn)量的井層多表現(xiàn)為這類剖面。

總之，地應力剖面類型對壓裂效果影響較大，高低高型剖面由于能夠有效控制壓裂縫高度，支撐劑全在油氣層內(nèi)，導流能力強，改造后的效果較好，建議優(yōu)選這類剖面氣層進行儲層改造。

4 結(jié)論與建議

1）洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組地應力剖面有3 種類型：高低高型、高低低型、低高低型，其中高低高型因圍巖應力明顯大于儲層段，壓裂縫高度得以有效控制，改造后的效果好，建議優(yōu)選該類剖面氣層進行壓裂改造。

2）洛帶蓬萊鎮(zhèn)組地應力大小隨埋深增加而增大，在JP33及以上儲層最小水平主應力值小于27 MPa，為降低施工成本，可選用石英砂作支撐劑。

［1］胡湘，高德利.油氣井工程［M］.北京：中國石化出版社，2003：85-113.

［2］甘振維，王世澤，任山.致密砂巖氣藏儲層改造技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2012：90-98.

［3］周文，閆長輝，王世澤.油氣藏現(xiàn)今地應力場評價方法及應用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007：131-139.