Wei Li, Xiaowei Gong, Kelin Wang, Jin ZhouSchool of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang

2Exploration Division, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang

3Oil and Gas Engineering Research Institute, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang

Abstract

Keywords

1.前言

在水力壓裂過(guò)程中，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到掌握天然裂縫方向的重要性。水力壓裂不僅能夠提高老油田的產(chǎn)量，也是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣有效開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段之一。而水力壓裂能否形成復(fù)雜裂縫，是評(píng)價(jià)其能否成功的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。水力裂縫能否形成復(fù)雜裂縫的影響因素有很多，如工程上的主觀因素以及儲(chǔ)層中的客觀因素，其中天然裂縫對(duì)水力裂縫的形態(tài)、擴(kuò)展延伸方向等都有重要的影響。因此，研究天然裂縫的方向?qū)?chǔ)層改造以及開(kāi)發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，研究天然裂縫方向的評(píng)價(jià)方法主要有6種[1]：① 通過(guò)鉆井取心的方式，直接觀察天然裂縫；② 聲波測(cè)井的方法；③ 利用探井和注水開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)資料；④ 施工過(guò)程中微地震波測(cè)量；⑤ 滯彈性應(yīng)變恢復(fù)；⑥ 三維CT掃描。上述技術(shù)方法難度系數(shù)相對(duì)較大，且成本較高。為此，筆者利用聲發(fā)射試驗(yàn)和古地磁相結(jié)合確定天然裂縫方向的方法，通過(guò)先確定地應(yīng)力方向，進(jìn)而確定天然裂縫的方向，解決了大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)扶余油層中天然裂縫方向的評(píng)價(jià)問(wèn)題。

2.基本原理

主要利用聲發(fā)射試驗(yàn)中的Kaiser效應(yīng)，測(cè)標(biāo)志線相對(duì)于地應(yīng)力的方向。材料在受到外載荷作用時(shí)裂紋增加，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放，產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。巖石對(duì)所受載荷的最大值具有“記憶”效應(yīng)，只有當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)先前所施加的最大應(yīng)力后，才會(huì)產(chǎn)生大量聲發(fā)射，這就是Kaiser效應(yīng)。結(jié)合單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試巖石Kaiser效應(yīng)特征，從而確定巖石地應(yīng)力，進(jìn)而得出標(biāo)志線相對(duì)于地應(yīng)力的方向[2][3][4][5]。

巖石或沉積物中鐵磁礦物具有記錄和保存地磁方向的能力。地磁場(chǎng)長(zhǎng)期作用的結(jié)果使地球具有軸向地心偶極子磁場(chǎng)性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)磁清洗(退磁方法)，可獲得巖心定向所需的原生剩磁、天然剩磁和次生剩磁等磁矢量。現(xiàn)代地磁場(chǎng)作用下，疊加的黏滯剩磁(VRM)屬于次生剩磁，現(xiàn)代地磁場(chǎng)的水平分量與地理北極之問(wèn)存在一個(gè)地區(qū)性磁偏角，在大慶長(zhǎng)垣附近，該磁偏角約為10? (中科院地球物理所，1987)。因此，在獲得VRM矢量后，即可將巖心進(jìn)行定向[6][7][8][9]。

3.試驗(yàn)巖樣的制備

首先，在巖樣的圓柱面上畫(huà)一條有方向的標(biāo)志線(標(biāo)志線是聲發(fā)射試驗(yàn)和古地磁法測(cè)量共同的參考線)，并將標(biāo)志線的方向順延到巖樣斷面上，在斷面上畫(huà)出平行于該條線的一組平行線，如圖1所示。然后，將取完心的巖樣制成直徑為25 mm、高為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。具體的過(guò)程是：將帶有標(biāo)志線的巖樣放在切割機(jī)上固定好，進(jìn)行切割，切成直徑為25 mm、高為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

Figure 1.The preparation of acoustic emission and paleomagnetic rock samples圖1.聲發(fā)射和古地磁巖樣的準(zhǔn)備

對(duì)于一個(gè)巖樣來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射法求出的應(yīng)力分量，就是巖樣加載方向的正應(yīng)力分量。從巖心庫(kù)中取出一塊巖心(直井段)，假設(shè)一個(gè)主應(yīng)力的方向?yàn)榇怪狈较颍庸r樣的方向?yàn)榇怪狈较颍M(jìn)行垂直主應(yīng)力測(cè)試。通常只有在水平面內(nèi)取出3個(gè)方向以上的巖樣，才可用聲發(fā)射法測(cè)出水平內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。該次研究由于巖樣有限，只取了3個(gè)方向的巖樣，分別為0?、45?和90?，其中0?為標(biāo)志線方向。由于巖樣偏小，為了便于進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，探頭能夠順利安裝，設(shè)計(jì)了2個(gè)剛性試件，如圖2所示。

Figure 2.The acoustic emission probe specimen圖2.聲發(fā)射探頭試件

4.數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)聲發(fā)射試驗(yàn)以及單軸壓縮試驗(yàn)，得出計(jì)數(shù)、載荷與時(shí)間的關(guān)系曲線。在數(shù)據(jù)處理中，將聲發(fā)射中計(jì)數(shù)的突變點(diǎn)作為地應(yīng)力Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。但是測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)了多個(gè)突變點(diǎn)，給Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的確定帶來(lái)了一定困難。為此，將所有巖樣的計(jì)數(shù)、載荷與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行綜合考慮，找出其規(guī)律性，將具有共同特征的突變點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)。圖3為同一樣品中，從不同方向(0?、45?和90?)取出的3個(gè)巖心試件的曲線圖。由圖3可見(jiàn)，0?方向的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為40 MPa，45?方向的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為36 MPa，90?方向的Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為35 MPa。然后將得到的應(yīng)力值代入公式(1)，得到不同方向的正應(yīng)力：

Figure 3.The relationship of stress and count changing with time of rock core specimen in different directions圖3.不同方向巖心試件的應(yīng)力、計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

式中：σθ為θ方向的正應(yīng)力(AE法的測(cè)量值)，MPa；θ為標(biāo)志線方向，(?)；σx、σy、τxy分別為X、Y、XY坐標(biāo)軸方向的地應(yīng)力分量，MPa。

將不同方向θ的測(cè)量值分別代入公式(1)，聯(lián)立方程組，即可求出以X、Y為坐標(biāo)軸的地應(yīng)力分量。根據(jù)彈性理論，將σx、σy、τxy代入公式(2)、(3)和(4)[10]，可得水平最大主應(yīng)力(σH)、水平最小主應(yīng)力(σh)及其作用方向(α，即為最大主應(yīng)力與標(biāo)志線的夾角)：

運(yùn)用Fisher統(tǒng)計(jì)方法處理古地磁試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，最終得出樣品的測(cè)試結(jié)果。利用黏滯剩磁定向測(cè)定的磁偏角可直接轉(zhuǎn)為地理北極方向(在鉆取巖心傾角很小情況下)，不考慮地質(zhì)年代、當(dāng)?shù)卮牌?。而磁傾角(垂直向量)取決于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋摼暥扰c磁傾角的關(guān)系式為[11]：

式中：I為黏滯剩磁磁傾角，(?)；L為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋??)。

因此，如取樣地點(diǎn)的緯度已知，可在相關(guān)溫度內(nèi)(低于350℃)，通過(guò)篩選向量矢量方法分離黏滯剩磁，其中總有某一個(gè)傾角接近于地球中心偶極(GAD)磁場(chǎng)值，然后校正向量偏角，由此確定巖心原始方位[11]。

5.試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)聲發(fā)射和古地磁試驗(yàn)得出了大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)3口井的地應(yīng)力狀況(天然裂縫分布情況)，結(jié)果見(jiàn)表 1、表 2。古地磁與聲發(fā)射測(cè)量結(jié)果表明：σH方向?yàn)?NE91.9?～NE112.9?。該結(jié)果與地層傾角測(cè)井曲線測(cè)得的結(jié)果較為一致，因此可以認(rèn)為在大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)儲(chǔ)層中，天然裂縫的方位為NE91.9?～NE112.9?，可為儲(chǔ)層改造以及開(kāi)發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇提供依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Table 2.The main stress measurement results of acoustic emission and paleomagnetism表2.聲發(fā)射與古地磁主應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

6.結(jié)語(yǔ)

利用聲發(fā)射與古地磁巖心定向測(cè)定了大慶長(zhǎng)恒南部地區(qū) 3口井的地應(yīng)力方向，天然裂縫的方位為NE91.9?～NE112.9?，與地層傾角測(cè)井曲線測(cè)得的結(jié)果接近。利用聲發(fā)射結(jié)合古地磁巖心定向的方法，能夠正確測(cè)出地層中三向應(yīng)力分布的方向，進(jìn)而得出天然裂縫的方位，對(duì)儲(chǔ)層改造以及開(kāi)發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。