王修朝

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

2012年，國(guó)土資源部公布中國(guó)陸域頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3，可采資源潛力為25×1012m3(不含青藏高原)，其中，川渝黔地區(qū)是中國(guó)頁(yè)巖氣資源較大的地區(qū)[1]。2014年，川南某頁(yè)巖氣區(qū)塊先后完鉆了2口頁(yè)巖氣專(zhuān)項(xiàng)評(píng)價(jià)直井，現(xiàn)場(chǎng)巖心含氣量測(cè)試和巖心地質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)塊具有良好的頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)基礎(chǔ)；直井段壓裂測(cè)試顯示，評(píng)價(jià)井的日產(chǎn)氣量為0.74×104～1.40×104m3/d，證實(shí)了該區(qū)塊具有良好的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力。地應(yīng)力研究是地質(zhì)力學(xué)研究的一部分，是對(duì)頁(yè)巖地層進(jìn)行水平井鉆井軌跡設(shè)計(jì)和壓裂的基礎(chǔ)，開(kāi)展研究區(qū)地應(yīng)力預(yù)測(cè)，對(duì)于提高開(kāi)發(fā)水平具有重要作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大寨頁(yè)巖氣研究區(qū)位于四川臺(tái)坳川南低陡構(gòu)造帶南緣，區(qū)塊整體呈歪斜傾伏褶皺構(gòu)造，構(gòu)造傾角變化較大，為0～25 °。區(qū)內(nèi)頁(yè)巖層主要發(fā)育在下志留系龍馬溪組和上奧陶系五峰組，其中龍馬溪組一段一亞段和五峰組地層為主要優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段，為深水陸棚沉積，富含筆石，有機(jī)碳含量、總含氣量、有效孔隙度、脆性礦物含量等頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)顯示較優(yōu)，黏土礦物含量較低，地層整體埋深小于2 500 m，為有利的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)層段。

2 地應(yīng)力預(yù)測(cè)方法

以測(cè)井、鉆井、錄井及測(cè)試數(shù)據(jù)為背景，在一維垂直主應(yīng)力的基礎(chǔ)上，計(jì)算地層孔隙壓力，繼而考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層橫向各向同性、縱向各向異性的特點(diǎn)[2]，采用Suárez-Rivera橫向各向同性模型[3-4]，進(jìn)行一維水平主應(yīng)力計(jì)算，并將一維水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力通過(guò)井震結(jié)合，推廣到三維空間，進(jìn)行三維地應(yīng)力精細(xì)建模[5-7]，刻畫(huà)儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)。

2.1 垂直主應(yīng)力計(jì)算

基于密度測(cè)井曲線(xiàn)，計(jì)算測(cè)井曲線(xiàn)部分地層密度，未測(cè)井井段地層密度采用推算方法獲得。將測(cè)井部分與未測(cè)井部分密度曲線(xiàn)進(jìn)行拼接并積分，即可得到井上垂直應(yīng)力：

(1)

式中：σv為垂直主應(yīng)力，MPa；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；ρb(h)為地層密度，g/cm3；dh為地層內(nèi)某一單元深度，m；D為地層埋深，m。

三維空間密度計(jì)算與一維方法類(lèi)似，將密度反演體和基于Miller公式得到的密度體進(jìn)行拼接并積分，即可得到空間垂直主應(yīng)力。

2.2 地層孔隙壓力計(jì)算

采用Eaton方法[8]計(jì)算地層孔隙壓力。Eaton方法綜合考慮了壓實(shí)作用、生烴作用、構(gòu)造擠壓和水熱增壓等多種高壓形成機(jī)制[9-11]，基于地層壓實(shí)理論、有效應(yīng)力理論和均衡理論，通過(guò)建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)，從正常壓力出發(fā)，根據(jù)泥巖地層實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)的程度來(lái)計(jì)算地層孔隙壓力梯度?？紤]上覆地層正常壓實(shí)情況下，利用求取的地層孔隙壓力梯度折算出地層孔隙壓力：

pf=pov-(pov-pw)(v/vnormal)n

(2)

式中：pf為地層孔隙壓力梯度，MPa/m；pov為上覆地層壓力梯度，MPa/m；pw為靜液柱壓力梯度，取值為0.010 3 MPa/m；v為地層實(shí)際層速度，m/s；vnormal為地層正常壓實(shí)層速度，m/s；n為伊頓指數(shù)，由地層測(cè)試壓力折算或鉆井液比重平衡方式確定。

求取三維孔隙壓力時(shí)，利用一維孔隙壓力模型，求取三維空間上覆地層壓力梯度、靜水壓力梯度和正常壓實(shí)趨勢(shì)，得到地層孔隙壓力梯度在三維空間的分布，利用三維地層孔隙壓力梯度折算得到三維地層孔隙壓力。

2.3 橫向各向同性介質(zhì)地應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得各種巖石在不同方位上的巖石彈性參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同種巖石在平行層理面和垂直層理面上的彈性參數(shù)相差較大[12]。根據(jù)頁(yè)巖具有在垂直層理面和平行層理面上的力學(xué)特性相差較大的特點(diǎn)，將巖石視為橫向各向同性、縱向各向異性介質(zhì)，即頁(yè)巖地層是細(xì)粒礦物組成的水平層狀巖層，根據(jù)固體力學(xué)理論，該地層可等效為具有垂直對(duì)稱(chēng)軸的橫向各向同性介質(zhì)，即VTI介質(zhì)[13-14]。基于Suárez-Rivera橫向各向同性介質(zhì)地應(yīng)力模型計(jì)算水平最大、最小主應(yīng)力：

(3)

(4)

式中：σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa；Eh為橫向楊氏模量，GPa；Ev為垂向楊氏模量，GPa；νv為垂向泊松比；νh為橫向泊松比；pp為地層孔隙壓力，MPa；εH為水平方向的構(gòu)造應(yīng)變。

通過(guò)式(3)、(4)，將橫向各向同性、縱向各向異性巖石力學(xué)模型拓展至空間場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)三維空間水平最大、水平最小地應(yīng)力的有效預(yù)測(cè)。

3 實(shí)例分析

以位于四川盆地南緣的大寨頁(yè)巖氣區(qū)塊為例，應(yīng)用Suárez- Rivera橫向各向同性介質(zhì)地應(yīng)力模型進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算(圖1)。由圖1可知，研究區(qū)水平最小主應(yīng)力為12～112 MPa，水平最大主應(yīng)力為30～130 MPa，應(yīng)力隨埋深增加而增大。A01、A02井區(qū)水平最小主應(yīng)力平均值為50 MPa，水平最大主應(yīng)力平均值為67 MPa。地應(yīng)力按照由大到小的順序依次為水平最大主應(yīng)力、垂直應(yīng)力、上覆壓力，3種應(yīng)力格局與該區(qū)形成擠壓走滑的構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制一致。

圖1 水平主應(yīng)力分布預(yù)測(cè)

結(jié)合孔隙壓力系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)該區(qū)開(kāi)展井位部署。A03井為該區(qū)在完成孔隙壓力預(yù)測(cè)后部署的1口水平井，該井完鉆后，進(jìn)行了單井地應(yīng)力預(yù)測(cè)(圖2)。由圖2可知，A03井垂直主應(yīng)力為55～60 MPa，平均為58 MPa；水平最小主應(yīng)力為45～55 MPa；水平最大主應(yīng)力為52～72 MPa，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合。

綜合地應(yīng)力預(yù)測(cè)、單井計(jì)算結(jié)果和頁(yè)巖靜態(tài)儲(chǔ)A03井壓裂施工時(shí)，地面瞬時(shí)停泵壓力為31 MPa，此時(shí)液柱壓力為22 MPa(圖3)。工程上最小主應(yīng)力上限等效于地面瞬時(shí)停泵壓力與液注壓力之和，即目標(biāo)段最小水平主應(yīng)力上限為55 MPa，與A03井最小水平主應(yīng)力為45～55 MPa相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

圖2 A03井三維地應(yīng)力預(yù)測(cè)和單井計(jì)算結(jié)果對(duì)比

層參數(shù)，A03井在壓裂過(guò)程中用液量為26 379 m3，加砂量為1 086.9t，施工排量為7.4～13.5 m3/min，排液27 d，共排液3 927 m3，返排率為14.9%；最高測(cè)試日產(chǎn)氣量為11.3×104m3/d，穩(wěn)定測(cè)試日產(chǎn)氣量為6.0×104～6.5×104m3/d，壓裂效果較好。

圖3A03井測(cè)試壓裂施工曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)于頁(yè)巖地層的地應(yīng)力預(yù)測(cè)，采用文中的計(jì)算模型方法是可行的，該計(jì)算模型為頁(yè)巖地應(yīng)力預(yù)測(cè)提供了一種較為實(shí)用的方法。

(2) 川南大寨地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用結(jié)果表明，Suárez-Rivera地應(yīng)力模型預(yù)測(cè)的最小水平主應(yīng)力與地層瞬時(shí)閉合壓力一致性高，適用于橫向各向同性縱向各向異性的特點(diǎn)的頁(yè)巖儲(chǔ)層地應(yīng)力預(yù)測(cè)。