楊向同，王倩，劉洪濤，陳朝偉，巴旦，項德貴（.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 84000；.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 006）

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基于地質(zhì)力學(xué)的裂縫性儲層水平井井眼方位優(yōu)化

楊向同1，王倩2，劉洪濤1，陳朝偉2，巴旦1，項德貴2
（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206）

由于裂縫性儲層裂縫發(fā)育，裂縫性儲層水平井與常規(guī)儲層水平井相比，優(yōu)化水平井井眼方位需要考慮的因素更多，也更為復(fù)雜。文中以地質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，在優(yōu)選裂縫性儲層水平井井眼方位的同時，考慮天然裂縫分布、天然裂縫的激發(fā)和井眼穩(wěn)定性，從地質(zhì)、鉆井和壓裂的角度出發(fā)，采用理論研究和數(shù)值模擬，形成了裂縫性儲層水平井井眼方位優(yōu)化方法。首先，根據(jù)井壁成像數(shù)據(jù)對天然裂縫分布進行統(tǒng)計分析，選擇天然裂縫發(fā)育的方位；其次，通過建立天然裂縫面的應(yīng)力模型，計算在一定壓裂壓力下容易滑動的天然裂縫方位；最后，通過建立裂縫性儲層的井眼穩(wěn)定模型，計算出在確定的方位范圍內(nèi)井眼相對穩(wěn)定的方位作為優(yōu)選的水平井方位。優(yōu)選的裂縫性儲層井眼穩(wěn)定方位既有利于壓裂裂縫與天然裂縫溝通，又相對容易激發(fā)天然裂縫，且井眼相對穩(wěn)定，對于提高單井產(chǎn)量、減少工程復(fù)雜有重要作用。

天然裂縫；滲透性；水平井；井眼方位

1　研究現(xiàn)狀

塔里木盆地山前庫車坳陷天然氣儲層具有目的層段埋深大、巖性致密、基質(zhì)孔隙不發(fā)育、裂縫發(fā)育的特征，屬于致密裂縫性儲層［1］。張文波等［2］從地質(zhì)和工程角度出發(fā)，根據(jù)儲層裂縫產(chǎn)狀、分布和井眼穩(wěn)定規(guī)律設(shè)計鉆井方位，提高裂縫的鉆遇率，優(yōu)選井眼最穩(wěn)定的方位鉆進。葉成林［3］以現(xiàn)有地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對蘇53區(qū)塊目的層地應(yīng)力分布特征進行了模擬計算。根據(jù)巖石力學(xué)特點，結(jié)合水平段方位與最大主應(yīng)力方向匹配關(guān)系的方案模擬結(jié)果，認(rèn)為在蘇53區(qū)塊，水平段方位與最大主應(yīng)力方向保持垂直較為合理。金衍等［4-5］選用弱面模型，進行了裂縫性地層直井、斜井穩(wěn)定性分析，討論了天然裂縫走向、傾角等因素對井壁穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為地層走向、地層傾角、井斜方位和井斜角不同，其井壁穩(wěn)定性也不同，可采用合理的井眼軌跡進行大斜度鉆井維持井壁穩(wěn)定。金衍等［6］針對裂縫性儲層水平井試油過程中井底壓力選擇不當(dāng)會引起井壁坍塌的問題，開展了天然裂縫性儲層水平井井壁穩(wěn)定問題研究，考慮了天然裂縫產(chǎn)狀、井斜方位、地應(yīng)力、地層強度與孔隙壓力的聯(lián)合影響。通過分析天然裂縫分布特征，結(jié)合壓裂施工過程中的裂縫滲透性和鉆井過程中的井眼穩(wěn)定性，得出合理的水平井井眼方位。

以上研究中，有些是從鉆井試油過程中的井眼穩(wěn)定性入手，對裂縫性儲層水平井井眼方位進行優(yōu)化。這種方法過于片面。井眼穩(wěn)定性雖然是工程上確定水平井方位的一個重要因素，但是若不結(jié)合壓裂施工，可能得出不適當(dāng)甚至相悖的結(jié)論。有些研究結(jié)合儲層裂縫產(chǎn)狀分布和井眼穩(wěn)定規(guī)律設(shè)計鉆井方位，雖然提高了裂縫鉆遇率，但是若不考慮利用天然裂縫的滲透性與水力壓裂裂縫溝通形成縫網(wǎng)來提高產(chǎn)能，顯然也不是最佳方法。所以，在優(yōu)化裂縫性儲層水平井井眼方位的時候，需要綜合考慮鉆采過程中的井眼穩(wěn)定性、儲層裂縫產(chǎn)狀分布、激發(fā)天然裂縫等3個方面，達(dá)到減少鉆完井復(fù)雜、提高水平井產(chǎn)能的目的。

2　裂縫性儲層水平井方位優(yōu)化方法

2.1天然裂縫分布特征

天然裂縫作為油氣儲集空間和滲流通道，優(yōu)選水平井方位時應(yīng)該考慮天然裂縫分布狀態(tài)。選擇天然裂縫發(fā)育的方位，有利于提高裂縫鉆遇率。

首先，根據(jù)井壁成像數(shù)據(jù)對井壁天然裂縫特征進行識別。天然裂縫受多期構(gòu)造運動形成，又遭受地下水溶蝕和沉淀作用的改造，所以分布不規(guī)則，成像顯示為正弦曲線。通過刻畫天然裂縫，記錄天然裂縫的形態(tài)與特征，包括天然裂縫深度、傾角、方位等信息。在識別天然裂縫的基礎(chǔ)上，對天然裂縫分布進行統(tǒng)計分析，得出天然裂縫的主要分布方位。

2.2水力壓裂過程中天然裂縫滲透性分析

優(yōu)選水平井方位時還應(yīng)該考慮天然裂縫的滲透性，選擇容易發(fā)生滑動的天然裂縫方位，在水平井壓裂中能夠激發(fā)天然裂縫，有利于形成縫網(wǎng)。

原場地應(yīng)力表示成主應(yīng)力S1，S2，S3（S1＞S2＞S3），用張量表示為［7］

通過原場地應(yīng)力坐標(biāo)系統(tǒng)與地理坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，得到地理坐標(biāo)系下的應(yīng)力：

式中：α為地理坐標(biāo)系X軸（北向）旋轉(zhuǎn)到原場地應(yīng)力坐標(biāo)系xs軸的角度（°）；β為地理坐標(biāo)系Y軸（東向）旋轉(zhuǎn)到原場地應(yīng)力坐標(biāo)系ys軸的角度（°）；γ為地理坐標(biāo)系Z軸（向下）旋轉(zhuǎn)到原場地應(yīng)力坐標(biāo)系zs軸的角度（°）。

利用張量變換計算裂縫面坐標(biāo)系中的應(yīng)力張量［8］：

其中

式中：str表示裂縫走向；dip表示裂縫傾角。

如果Sf（3，2）＞0，且Sf（3，1）＞0，則滑動向量的前角）；如果Sf（3，2）＞0，且Sf（3，1）＜0，則；如果Sf（3，2）＜0，且Sf（3，1）＞0，則）；如果Sf（3，2）＜0，且Sf（3，1）＜0，則

裂縫面滑動方向的正應(yīng)力σ＝Sf（3，3），剪應(yīng)力τ＝Sr（3，3）。

在有效正應(yīng)力-剪應(yīng)力坐標(biāo)系中繪制原場地應(yīng)力的有效應(yīng)力（3個莫爾圓）。在此地應(yīng)力狀態(tài)下的裂縫應(yīng)力都分布在莫爾圓之間，通過應(yīng)力零點作摩擦線，使其斜率等于摩擦因數(shù)。在平常地應(yīng)力狀態(tài)下，天然裂縫都處于摩擦線之下，表明裂縫都沒有滑動（見圖1a）。壓裂過程中，在一定的壓裂壓力下，有效應(yīng)力產(chǎn)生變化，有些天然裂縫會出現(xiàn)在摩擦線以上，表明這些裂縫發(fā)生滑動，具有了滲透性（見圖1b）。圖中應(yīng)力均以鉆井液相對密度數(shù)值表征。

圖1　天然裂縫滑動莫爾圓

2.3裂縫性地層井眼穩(wěn)定性分析

水平井優(yōu)選方位時還應(yīng)該考慮鉆井、采油等工程作業(yè)中的井眼穩(wěn)定情況，選擇井眼較穩(wěn)定的方位，能夠減少工程復(fù)雜。

與上述方法相同，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地理坐標(biāo)系下的原地應(yīng)力Sg，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到井眼坐標(biāo)系中的應(yīng)力張量［9］：

式中：δ為井眼方位，（°）；φ為井斜角，（°）。

從而得出井壁應(yīng)力狀態(tài)：

式中：σzz，σθθ，σrr，τθz分別為井壁垂向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，MPa；σ11，σ22，σ33，σ12，σ23，σ13分別為矩陣中不同位置的應(yīng)力張量，MPa；θ為井壁與最大水平地應(yīng)力方位夾角，（°）；Δp為井眼壓力，MPa。進而推導(dǎo)出井壁3個主應(yīng)力：

式中：σtmax，σtmin分別為井壁最大、 最小切向應(yīng)力，MPa。

設(shè)裂縫面法向與最大主應(yīng)力的夾角為η，裂縫面的黏聚力為Sw。據(jù)Coulomb準(zhǔn)則，裂縫面的滑動條件為

式中：τ為裂縫面上的剪應(yīng)力，MPa；μw為裂縫面的內(nèi)摩擦因數(shù)；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa。

由裂縫滑動時滿足Coulomb準(zhǔn)則得［10］

η→π/2，即裂縫趨近于最大主應(yīng)力方向時，σ1-σ3→∞。當(dāng)η→tan-1μw=φ時，即η趨近裂縫面的內(nèi)摩擦角，σ1-σ3→∞。因此，破壞一般在φ＜η＜π/2區(qū)間發(fā)生。

η取某些值時，巖石并不一定從弱面破壞。設(shè)完整巖石的內(nèi)聚力為S0，內(nèi)摩擦因數(shù)為μ0，當(dāng)然要求S0＞Sw，μ0＞μw。巖石破壞時滿足：

式中：σ1max為完整巖石破壞最大主應(yīng)力，MPa。

結(jié)合完整巖石破壞準(zhǔn)則、裂縫面破壞準(zhǔn)則和水平井井壁應(yīng)力分析，可計算出井眼穩(wěn)定的鉆井方位。

通過以上分析，綜合考慮天然裂縫發(fā)育、天然裂縫激發(fā)、井眼穩(wěn)定3個方面的因素可優(yōu)選水平井方位。這種確定裂縫性水平井井眼方位的方法，既有利于鉆井、采油等工程中井眼的穩(wěn)定，又有利于壓裂施工中形成縫網(wǎng)，提高單井產(chǎn)量。

3　實例分析

3.1裂縫分布及統(tǒng)計分析

對塔里木庫車坳陷某井5 720～5 830 m井段的成像測井?dāng)?shù)據(jù)進行分析，識別天然裂縫分布情況（見圖2）。圖3的蝌蚪圖顯示了裂縫的傾角和方位。圖3a中藍(lán)色線為地層孔隙壓力，紅色線為最小水平地方應(yīng)力，綠色線為垂直地應(yīng)力，橘色線為最大水平地應(yīng)力。

圖2　成像測井識別天然裂縫

圖3　天然裂縫分布統(tǒng)計分析

從圖2、圖3可以看出，裂縫傾角范圍為30～80°，裂縫方位分布廣泛，在N180°E—N360°E方位，裂縫較為發(fā)育，但是由于范圍太大，無法確定水平井朝哪個方位鉆進比較合理，只能提供一個參考范圍。

3.2水力壓裂過程中天然裂縫激發(fā)分析

利用上述天然裂縫滲透性分析方法，分析以上井深范圍、不同水力壓裂壓力下各個天然裂縫的滑動情況，得到在適當(dāng)?shù)膲毫褖毫Ψ秶鷥?nèi)能夠滑動的裂縫方位。水力壓裂當(dāng)量密度為2.13，2.73，2.93 g/cm3時的天然裂縫滑動情況如圖4所示。

圖4　不同壓裂壓力下的裂縫滑動情況

從圖4可以看出，在壓裂壓力較小時，天然裂縫滑動的數(shù)量很少。壓裂當(dāng)量密度達(dá)到2.73 g/cm3時，即正常水力壓裂時，N200°E—N270°E方位的天然裂縫基本全部滑動。壓裂壓力達(dá)到很大時，沒有更多的天然裂縫滑動，說明其他方位的天然裂縫在正常壓裂的情況下是無法滑動的。所以，應(yīng)該選擇裂縫容易滑動的N200°E—N270°E方位作為水平井優(yōu)選方位。

3.3鉆井采油過程中井眼穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述鉆井采油過程中井眼穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合地層巖石具體參數(shù)確定井眼穩(wěn)定方位。表1為庫車坳陷區(qū)塊某井5 746 m地層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖5為不同井眼流體壓力下，井眼方位分別為N200°E，N220°E，N240°E，N270°E的井眼穩(wěn)定分析結(jié)果。

表1　塔里木庫車凹陷某井井眼優(yōu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

從圖5可以看出，方位N200°E時井眼垮塌最嚴(yán)重，N220°E時坍塌情況有所緩減，N240°E時的情況和N220°E時基本相當(dāng)，N270°E時坍塌情況明顯減小。綜合以上裂縫發(fā)育、裂縫滑動情況和井眼穩(wěn)定情況可以得出，應(yīng)該選擇N240°E左右的水平井井眼方位。

圖5　不同井眼流體壓力下井眼穩(wěn)定性分析結(jié)果

4　結(jié)論

1）在優(yōu)選裂縫性地層水平井井眼方位時需要同時考慮天然裂縫分布、天然裂縫滑動和井眼穩(wěn)定性。

2）建立了優(yōu)選裂縫性地層井眼方位的方法。首先，根據(jù)井壁成像數(shù)據(jù)識別井壁天然裂縫深度、傾角、方位等信息，對天然裂縫分布進行統(tǒng)計分析，選擇天然裂縫發(fā)育的方位；其次，通過建立天然裂縫面的應(yīng)力模型，計算在一定壓裂壓力下天然裂縫的滑動情況，選擇在合適的壓裂壓力范圍內(nèi)容易滑動的天然裂縫方位；最后，通過建立裂縫性地層的井眼穩(wěn)定模型，計算在以上選擇的方位范圍內(nèi)井眼相對穩(wěn)定的方位作為優(yōu)選的水平井方位。

3）建立的裂縫性地層井眼穩(wěn)定方位的方法既有利于壓裂裂縫與天然裂縫溝通，又相對容易激發(fā)天然裂縫，且井眼相對穩(wěn)定，對于提高單井產(chǎn)量、減少工程復(fù)雜有重要作用。

［1］曾聯(lián)波，周天偉.克拉美麗氣田裂縫性氣藏水平井鉆井方位優(yōu)化設(shè)計［J］.石油天然氣學(xué)報，2010，32（2）：296-298.

［2］張文波，周鵬高，康毅力，等.塔里木盆地庫車坳陷儲層裂縫分布規(guī)律［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（9）：23-25.

［3］葉成林.地應(yīng)力在蘇里格氣田水平井方位設(shè)計中的應(yīng)用：以蘇53區(qū)塊為例［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2013，36（3）：42-45.

［4］金衍，陳勉，陳治喜，等.弱面地層的直井井壁穩(wěn)定力學(xué)模型［J］.鉆采工藝，1999，22（3）：13-14.

［5］金衍，陳勉，柳貢慧，等.弱面地層斜井井壁穩(wěn)定性分析［J］.石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1999，23（4）：46-48.

［6］金衍，齊自立，陳勉，等.水平井試油過程裂縫性儲層失穩(wěn)機理［J］.石油學(xué)報，2011，32（2）：295-298.

［7］Peska P，Zoback M D.Compressive and tensile failure of inclined wellbores and determination of in situ stress and rock strength［J］. Journal of Geophysical Research，1995，100（B7）：12791-12811.

［8］Pollard D，F(xiàn)letcher R C.Fundamentals of structural geology［M］. Cambridge：Cambridge University Press，2005：1181-1204.

［9］Peska P，Zoback M D.Stress and failure of inclined boreholes SFIB v2.0［D］.Palo Alto：Stanford University，1996.

［10］Jaeger J C，Cook N G W.Fundamentals of rock mechanics［M］.2nd Edition.New York：Chapman and Hall，1979：221-229.

（編輯孫薇）

Horizontal wellbore azimuth optimization of fractured reservoir based on geomechanics

Yang Xiangtong1，Wang Qian2，Liu Hongtao1，Chen Zhaowei2，Ba Dan1，Xiang Degui2
（1.Oil and Gas Engineering Research Institute，Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla 841000，China；2.CNPC Drilling Research Institute，Beijing 102206，China）

Because of the development of fracture in fractured reservoir，the optimization of horizontal wellbore azimuth in fractured reservoir is more complicate than that in conventional reservoir.Based on geomechanics，the three factors such as natural fracture distribution，natural fracture stimulation，and wellbore stability，an optimization method of horizontal wellbore azimuth is proposed. From these perspectives of geology，drilling and hydraulic fracturing，the optimization of horizontal wellbore azimuth is developed by theoretical research and numerical simulation.First，analyzing the natural fracture distribution statistically according to image logging data，the azimuth of fracture growth is selected.Second，the azimuth of easy sliding natural fracture at certain hydraulic fracturing pressure is calculated through building stress model on natural fracture plate.Third，the stable azimuth in the above range is calculated as optimized azimuth through building wellbore stability model of fractured formation.The optimized horizontal wellbore azimuth in fractured formation is not only in favor of the communication between natural fracture and hydraulic fracture，but also in favor of stimulation of natural fracture and wellbore stability，which is important to improve per well production and reduce engineering complexity.

natural fracture；permeability；horizontal well；wellbore azimuth

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“鉆井工程設(shè)計和工藝軟件”（2011ZX05021-006）

TE312

A

10.6056/dkyqt201601022

2015-08-22；改回日期：2015-11-10。

楊向同，男，1972年生，高級工程師，1996年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）礦場地球物理專業(yè)，現(xiàn)主要從事完井改造方面的工作。E-mail：Yangxt-tlm@petrochina.com.cn。

引用格式：楊向同，王倩，劉洪濤，等.基于地質(zhì)力學(xué)的裂縫性儲層水平井井眼方位優(yōu)化［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：100-104.

Yang Xiangtong，Wang Qian，Liu Hongtao，et al.Horizontal wellbore azimuth optimization of fractured reservoir based on geomechanics［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：100-104.