李清

（中石化華東分公司非常規(guī)勘探開發(fā)指揮部，江蘇 南京 210011）

頁巖氣是以游離態(tài)儲(chǔ)存在頁巖孔隙和天然裂縫中，以吸附態(tài)存在于干酪根和黏土顆粒表面，或以溶解態(tài)存在于干酪根和瀝青質(zhì)中的天然氣［1］。頁巖既是烴源巖，又是儲(chǔ)集層，具有就近賦存的特點(diǎn)。頁巖氣藏的孔隙度和滲透率相對(duì)較低，孔隙度主要分布在0.01%～5%，滲透率約為0.00001～10mD，且頁巖的孔隙度和滲透率之間沒有明顯關(guān)系［2，3］。

通過水力壓裂形成大規(guī)模復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，制造一定規(guī)模的可解吸滲流區(qū)域，是在具有超低滲透性的頁巖儲(chǔ)層中獲得工業(yè)性氣流的關(guān)鍵途徑之一。讓頁巖儲(chǔ)層形成相對(duì)復(fù)雜的縫網(wǎng)體系的外因是地應(yīng)力的分布，內(nèi)因是巖石的脆性。水平井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，就是確定地應(yīng)力場(chǎng)的分布。地應(yīng)力的方向?qū)τ谟筒氐木W(wǎng)布局、水平井的設(shè)計(jì)部署、水力壓裂設(shè)計(jì)以及水力壓裂裂縫的延伸方向等起著重要的作用［4］，但測(cè)定難度較大。本文嘗試?yán)枚喾N方法進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算，并以此為依據(jù)優(yōu)化水平井軌跡設(shè)計(jì)，為頁巖儲(chǔ)層體積改造做鋪墊。

1 地應(yīng)力分布的定義與巖石破裂準(zhǔn)則

1.1 地應(yīng)力分布的定義

地下某一深度下的巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)可以用垂直主應(yīng)力σz、最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh三組力進(jìn)行分解表示。地層的垂直主應(yīng)力σz由上覆地層的壓力P0確定?？紫读黧w壓力產(chǎn)生的應(yīng)力為球應(yīng)力，等于流體的壓力Pp乘以系數(shù)α。重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙流體壓力共同作用于地層骨架和孔隙流體，根據(jù)各向同性物體的廣義胡克定律，可得到描述地層三向地層應(yīng)力的數(shù)學(xué)公式:

式中，δ代表水平骨架應(yīng)力非平衡因子，等于沿著最大、最小主應(yīng)力方向的水平骨架應(yīng)力比值。

1.2 巖石破裂準(zhǔn)則

巖石的破裂類型主要是張性破裂和剪切破裂。張性破裂準(zhǔn)則:σh＝－St（St為地層抗拉強(qiáng)度）。

對(duì)于巖石剪切破裂，主要依據(jù)摩爾 －庫倫準(zhǔn)則［5］。巖石抵抗剪切破壞的能力不僅同作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān)，而且還與作用于該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。假設(shè)發(fā)生剪切破裂時(shí)巖石的臨界剪切應(yīng)力為τ，則:

式中，φ表示內(nèi)摩擦角，（°）；τ0表示黏聚力，MPa；σn表示垂直于平面的法向應(yīng)力，MPa。該內(nèi)摩擦角在水平井壓裂時(shí)，與地應(yīng)力的分布方位、射孔方位有關(guān)系。選擇合適的鉆井方位和射孔方位，能減小巖石破裂時(shí)的臨界剪切應(yīng)力，在相對(duì)較小的破裂壓力下獲得較為豐富的裂縫系統(tǒng)。

2 水平井水力壓裂后的裂縫形態(tài)和壓裂效果

2.1 水平井壓裂形成的裂縫形態(tài)

天然裂縫頁巖中存在的未發(fā)生明顯位移的斷裂，既是頁巖氣的儲(chǔ)集空間，也是滲流通道。當(dāng)?shù)涂?、低滲、富有機(jī)質(zhì)的頁巖發(fā)育足夠的天然裂縫或者巖石內(nèi)的微裂縫和納米級(jí)孔隙及裂縫，經(jīng)過壓裂后進(jìn)一步溝通，將直接影響頁巖氣藏的開發(fā)效益和產(chǎn)量［6，7］。裂縫從成因、產(chǎn)狀、幾何形態(tài)、破裂性質(zhì)等方面分類［8－10］，可劃分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫2大類，主要包括剪切裂縫、構(gòu)造壓溶縫合線、垂向載荷裂縫、成巖收縮裂縫、成巖壓溶縫合線、超壓裂縫、熱收縮裂縫、溶蝕裂縫、風(fēng)化裂縫等。這類裂縫寬度變化較大，延伸長(zhǎng)短不一，裂縫面凹凸有別，但是在區(qū)域上具有方向性和規(guī)律性。

人工裂縫水力壓裂后，人工裂縫方位與最大主應(yīng)力方位基本一致。依據(jù)水平井筒方位與最小主應(yīng)力方位的關(guān)系，水平井壓裂后的水力裂縫形態(tài)具有3種類型:橫向裂縫、縱向裂縫、復(fù)雜裂縫［11］。水平井壓裂后形成的裂縫形態(tài)，取決于地應(yīng)力狀態(tài)與水平井井筒方位的相互關(guān)系。如果井筒與最小主應(yīng)力方向垂直，則產(chǎn)生與井筒方向延伸平行的縱向裂縫 （見圖1 （a））；如果井筒平行最小主應(yīng)力方向，則產(chǎn)生與井筒相垂直的橫向裂縫 （見圖1 （b））。在現(xiàn)實(shí)壓裂中，由于地應(yīng)力方位的復(fù)雜性以及射孔長(zhǎng)度、排量規(guī)模等參數(shù)的變化，對(duì)裂縫的形態(tài)會(huì)造成一定影響。實(shí)際生產(chǎn)中，水平井井筒方位很難做到與最小主應(yīng)力方向平行或垂直，往往存在一定夾角［11－13］。

圖1 水平井筒方位與主應(yīng)力方位不同夾角條件下壓裂后裂縫的形態(tài)示意圖

2.2 裂縫形態(tài)與壓裂效果的對(duì)比

水平井水力壓裂后，初始形成的裂縫并不聯(lián)通，而是形成一組稍有重疊的非連通裂縫群組成的非平面裂縫［11］。非平面裂縫幾何形狀諸如多條縫、T型縫、轉(zhuǎn)向縫取決于井筒在地應(yīng)力場(chǎng)中的方向。主要有以下幾種情況［13］:當(dāng)井筒方向與最大水平主應(yīng)力的方向夾角為0～50°時(shí)，將在井筒附近產(chǎn)生多條裂縫。一般裂縫形態(tài)較為單一，以延伸較長(zhǎng)、縫寬較小的單縫為主；當(dāng)井筒方向與最大水平主應(yīng)力的方向夾角為50～70°時(shí)，將產(chǎn)生較為復(fù)雜的裂縫形態(tài)。一般會(huì)在井筒附近產(chǎn)生多條單一的、狹長(zhǎng)的裂縫，由于應(yīng)力與壓力的相互消持，在遠(yuǎn)離井筒延伸過程中由于轉(zhuǎn)向產(chǎn)生相互靠近的多條縫；當(dāng)井筒方向與最大水平主應(yīng)力的方向夾角為70～90°時(shí)，將產(chǎn)生T型裂縫。由于水平井鉆探方位不同，鉆遇地層復(fù)雜，水平井應(yīng)力分布、裂縫起裂、裂縫延伸規(guī)律等差別明顯。在不同的地應(yīng)力狀態(tài)和井筒方位下，水平井壓裂形成的裂縫形態(tài)也不同。

天然裂縫的存在對(duì)水平井壓力后產(chǎn)生的人工縫也有一定影響。壓裂后的裂縫在近井筒位置延伸方向可能與天然裂縫一致或貫通，但在井筒遠(yuǎn)端位置，裂縫往往會(huì)延向最小主應(yīng)力方位。為了取得頁巖其藏的最大化改造，選取與最小水平主應(yīng)力方位一致的方位進(jìn)行水平井鉆探，能在水平經(jīng)分段壓裂時(shí)獲得較好的改造效果 （見圖2）。

圖2 不同地應(yīng)力方位和水平井方位夾角下的壓裂效果平面圖 （1ft＝0.3048m）［14］

3 水平井設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

四川盆地東南緣由于受到雪峰隆起和四川盆地的影響，整個(gè)區(qū)內(nèi)存在多套壓力系統(tǒng)，地應(yīng)力分布不均衡。區(qū)內(nèi)地應(yīng)力分布無資料可循，因此水平井的設(shè)計(jì)采用多種方法確定地應(yīng)力。

3.1 多種方法確定地應(yīng)力

1）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的定性分析工區(qū)內(nèi)曾經(jīng)歷過2期主要的構(gòu)造演化事件:早期構(gòu)造以NE向線性構(gòu)造為主要特征，晚期疊加NW向斷裂構(gòu)造。從河流走向、地層切割關(guān)系可以確定NW走向斷裂的形成時(shí)間晚于NE向斷裂。沉積物中磷灰石裂變徑跡分析得出，區(qū)內(nèi)中新世存在應(yīng)力場(chǎng)由NW轉(zhuǎn)向NE的現(xiàn)象。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)條件分析，燕山期由于雪峰隆起的影響，工區(qū)受到來自SE方向的擠壓應(yīng)力，傳導(dǎo)方向?yàn)镾E到NW；喜山期由于印支板塊向歐亞大陸NE向擠壓拼合，導(dǎo)致來自青藏高原的擠壓應(yīng)力沿著金沙、松潘、紅河等多條近NW向斷裂向東傳遞，同時(shí)受到華北板塊的阻擋，在工區(qū)內(nèi)形成了NE－SE向的擠壓應(yīng)力。因此定性地認(rèn)為區(qū)內(nèi)晚期地應(yīng)力方向發(fā)生過由NW－NE的轉(zhuǎn)變。在鄰區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果顯示，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向?yàn)?5～60°，整體表現(xiàn)為NE－SW向擠壓的應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)。

2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的定量分析根據(jù)A水平井多數(shù)誘導(dǎo)縫方位頻率圖的統(tǒng)計(jì)，該向斜近井筒位置誘導(dǎo)縫的走向方位基本一致，傾向NE50～75°（見圖3）。此外裂縫產(chǎn)狀分析也表明，地層系統(tǒng)內(nèi)裂縫發(fā)育走向以NE－SW為主，方位約為30～70°，傾向NW－SE向，傾角約為28～90°。高阻縫走向NE－SW，傾向SE，傾角約為14～86°。綜合分析認(rèn)為該井目的層現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方位約為65°，最小水平主應(yīng)力方位為155°。

3.2 地應(yīng)力大小的計(jì)算

1）垂直主應(yīng)力 根據(jù)應(yīng)力計(jì)算模型計(jì)算原地垂直主應(yīng)力:

式中，P0表示垂向壓力，MPa；H 表示計(jì)算垂深，m；表示巖石密度，g／cm3。據(jù)此推算出A水平井目的層垂直主應(yīng)力大小約為26～38MPa。

2）水平主應(yīng)力 地層孔隙壓力在此采用聲波測(cè)井的等效深度法確定。頁巖正常的壓實(shí)趨勢(shì)線可以通過統(tǒng)計(jì)的方法得出。根據(jù)Wyllie公式，地層的孔隙壓力為:

式中，Pp表示p點(diǎn)的地層孔隙壓力；G0表示上覆巖層壓力梯度，MPa／m；Gn表示靜水柱壓力梯度，MPa／m；H 表示超壓地層深度，m；He表示等效深度，m。

利用巖石泊松比、有效應(yīng)力系數(shù)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響系數(shù)、地層孔隙壓力和上覆巖層的壓力數(shù)據(jù)，可求得不同深度位置上的原地水平地應(yīng)力大小。根據(jù)巖石彈性力學(xué)理論，泊松比是縱橫波時(shí)差的函數(shù)。如果進(jìn)行了聲波全系列測(cè)井或偶極橫波測(cè)井項(xiàng)目，則利用公式:

求取巖石的泊松比。式中，μ是巖石泊松比；Δts、Δtc分別為地層的橫、縱波時(shí)差，μs／ft。

如果未開展全系列測(cè)井，則可按照Ericl R Hunt等建立的方法計(jì)算，公式為:

式中，φn是中子孔隙度，%；GR是自然伽馬，API。據(jù)此推算出A水平井目的層最大水平主應(yīng)力約為48～55MPa，最小水平主應(yīng)力大小為36～39MPa。

3.3 A水平井軌跡的設(shè)計(jì)

根據(jù)巖石人工裂縫與地應(yīng)力的分布方位在不同夾角下形成的裂縫形態(tài)，優(yōu)先選擇與最小水平主應(yīng)力方向一致的水平井鉆井方位。這樣由于最大水平主應(yīng)力和井眼軌跡垂直，從而在人工壓裂儲(chǔ)層造縫時(shí)，能夠形成復(fù)雜的T型縫網(wǎng)［13］。根據(jù)前述優(yōu)化方式，在目的層縱向選壓裂層段的基礎(chǔ)上，采用井筒附近目的層位置最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E65°，最小水平主應(yīng)力方向?yàn)?55°，確定最優(yōu)化的水平井鉆探方位為155°。同時(shí)為了規(guī)避水平段末端可能存在的疑似斷裂，對(duì)鉆探角度適當(dāng)調(diào)整，最終確定A水平井鉆探方位為170°。

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

1）通過不同的方法計(jì)算的地應(yīng)力方位、垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的大小結(jié)果較為一致。該方法計(jì)算最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的方位和大小與斯倫貝謝測(cè)井得出的應(yīng)力解釋結(jié)果 （作為參考值）誤差率約為2.3%～3.8%。盡管該方法存在誤差，但在低勘探程度區(qū)內(nèi)可以作為應(yīng)力分析的參考。

2）A水平井在分段壓裂過程中開展了微地震裂縫監(jiān)測(cè)，在此采用監(jiān)測(cè)結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)效果的評(píng)價(jià)參考。在水平段平均15m3／m的加砂規(guī)模條件下，微地震監(jiān)測(cè)描述的巖石裂縫走向一般為NE40～95°，平均為NE67°，延伸長(zhǎng)度100～280m不等。該結(jié)果與最優(yōu)化的裂縫方向夾角約為50°～5°，平均23°。如果考慮規(guī)避斷裂調(diào)整的15°夾角，則裂縫延伸的主方位與水平井鉆井方位夾角約為±8°，初步可認(rèn)為通過地應(yīng)力的測(cè)定優(yōu)化的水平井設(shè)計(jì)，在頁巖儲(chǔ)層規(guī)?；w積改造時(shí)，設(shè)計(jì)依據(jù)是相對(duì)合理的，一定程度上起到了積極作用。該水平井為中國(guó)海相頁巖氣第一口勘探突破井，獲得了3.8×104m3的初期日產(chǎn)，拉開了中國(guó)頁巖氣開發(fā)的序幕。

4 結(jié)論

1）較低工作程度地區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力方位可以通過多種方法確定。

2）基于巖石力學(xué)和常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以獲得較為理想的地應(yīng)力分析結(jié)果。

3）當(dāng)水平井鉆井方向與最小水平主應(yīng)力方位一致時(shí)，壓裂后容易形成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)，能獲得相對(duì)較好的儲(chǔ)層改造效果。

4）基于地應(yīng)力分析結(jié)果的水平井壓裂設(shè)計(jì)能獲得較為良好的增產(chǎn)效果。

5）頁巖氣藏開發(fā)方案井網(wǎng)部署方位需要考慮地應(yīng)力分布。

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