李卓沛，聶 舟，井 翠，方 健，王子洪, 單 巍

(1中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司 3中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 4安東石油技術(shù)(集團)有限公司 5中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司)

頁巖氣勘探開發(fā)主要采用地質(zhì)工程一體化研究思路，而地應(yīng)力是地質(zhì)工程一體化研究思路中的重要考慮因素[1-3]。油氣井資料較為豐富，通過井資料建立地應(yīng)力模型較為容易實現(xiàn)，然而，由于井間僅有地震數(shù)據(jù)可供參考，給三維地應(yīng)力研究帶來很大挑戰(zhàn)。盡管前人在建立三維地應(yīng)力模型方面做了大量嘗試[4-7]，但很多研究認識還不能真正意義上轉(zhuǎn)化為可供頁巖氣借鑒的成果，主要存在以下兩個方面的問題：

(1)頁巖氣井通常采用“水平井+分段壓裂”工藝實現(xiàn)經(jīng)濟開采，對井間橫向應(yīng)力規(guī)律描述要求高，這要求充分利用地震資料，但傳統(tǒng)的有限元方法由于方法本身的限制，在利用地震數(shù)據(jù)對井間地應(yīng)力預(yù)測時存在一定困難。

(2)傳統(tǒng)三維地應(yīng)力建模技術(shù)利用資料類型不夠豐富，難以將有限元理論與地質(zhì)、地球物理、鉆井、壓裂、室內(nèi)巖心測試等數(shù)據(jù)進行融合分析。

本文提出了一種新的三維地應(yīng)力建模技術(shù)，采用該技術(shù)可以有效解決上述兩方面問題，同時，通過長寧氣田深層頁巖氣實際數(shù)據(jù)證實，該技術(shù)能夠很好的應(yīng)用于頁巖氣三維地應(yīng)力研究工作，對頁巖氣產(chǎn)量的提高具有重要的研究意義。

一、三維地應(yīng)力建模新方法

三維地應(yīng)力建模新方法，以單井地應(yīng)力模型為基礎(chǔ)，綜合考慮密度積分、欠壓實作用、有效應(yīng)力比及巖性建模等相關(guān)理論和方法，獲取描述三維地應(yīng)力及巖石力學(xué)模型的各個要素。描述三維地應(yīng)力模型的參數(shù)與傳統(tǒng)描述單井地應(yīng)力模型的參數(shù)[8]相同。獲取描述三維地應(yīng)力的模型參數(shù)，首先需要做的準備工作是建立研究區(qū)單井地應(yīng)力模型和三維地質(zhì)模型(構(gòu)造模型、巖相模型)，由于前人對單井地應(yīng)力模型[9-10]和地質(zhì)模型[11-12]的獲取方法討論較多，在此不再贅述。然后以構(gòu)造及巖相模型為三維地應(yīng)力建模提供模型邊界及屬性約束，以單井地應(yīng)力模型為三維地應(yīng)力建模提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)及檢驗依據(jù)，借助地震反演、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、有限元等相關(guān)理論，建立三維空間的地應(yīng)力模型。

各模型參數(shù)的獲取方法具體如下：

(1)上覆地層壓力模型。首先，根據(jù)測井資料擬合出Gardner系數(shù)，應(yīng)用地震層速度數(shù)據(jù)并借助Gardner公式求取密度;然后，再用測井密度校正地震密度;最后，進行地震密度反演得到密度數(shù)據(jù)體，根據(jù)三維體密度垂向積分原理，獲取上覆巖層壓力。

(2)地層孔隙壓力模型。首先，通過疊前或疊后高精度反演，得到精確的層速度體；然后，在單井孔隙壓力預(yù)測的基礎(chǔ)上，以層速度為核心，結(jié)合地震反演得到的上覆巖層壓力，使用Eaton法實現(xiàn)三維孔隙壓力的預(yù)測。三維孔隙壓力預(yù)測的精度取決于速度的精確度。

(3)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力模型。由于三維水平主應(yīng)力模型獲取難度較高，可以采用簡易實用的有效應(yīng)力比值原理計算水平主應(yīng)力。

(4)巖石力學(xué)參數(shù)模型。巖石力學(xué)參數(shù)一般可通過室內(nèi)測試方法獲取且具有較高的精度保障，但是，室內(nèi)測試方法也存在諸如測試點少、數(shù)據(jù)離散、成本高等缺點，對于直接應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)計或施工具有較大的局限性。由于井間資料類型少，巖石力學(xué)參數(shù)橫向變化不確定性較大，考慮到巖石力學(xué)參數(shù)主要受控于巖相因素，可以通過借助測井和地震資料，進行室內(nèi)測試結(jié)果約束下的力學(xué)建模工作。主要包括三個步驟：

(1)依據(jù)測井資料和室內(nèi)巖心測試資料實現(xiàn)不同巖石力學(xué)參數(shù)計算模型的優(yōu)選。

(2)利用地震資料進行高分辨率地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演約束下的精細巖相建模。

(3)通過區(qū)分巖相計算巖石力學(xué)參數(shù)并進行模型參數(shù)表征，如單軸抗壓強度、楊氏模量、泊松比、脆性指數(shù)等。

二、應(yīng)用實例

1. 工區(qū)概況

長寧區(qū)塊寧209井區(qū)構(gòu)造如圖1。寧209井區(qū)主要產(chǎn)氣層為深層龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)頁巖段，包括龍一1亞段a、b、c、d小層及五峰組，小層厚度較薄，最薄層段為1.8 m，層間厚度變化較快。從前期鉆井、生產(chǎn)情況可以初步認識到，研究區(qū)井間具有明顯的應(yīng)力差異，但由于研究區(qū)缺少精細化的地應(yīng)力模型，導(dǎo)致對地應(yīng)力的空間展布情況認識不清楚，對井間應(yīng)力差異的判斷缺乏依據(jù)，影響儲層改造效果。有利條件是研究區(qū)擁有豐富的地質(zhì)、地震、測井、鉆井、壓裂、測試等資料可供分析。將三維地應(yīng)力建模新方法應(yīng)用于寧209井區(qū)精細化地應(yīng)力模型建立工作，重點對寧209井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖地應(yīng)力展布進行了描述，同時也對寧209井和寧201井的地應(yīng)力差異進行分析。

圖1 寧209井區(qū)龍馬溪組底面構(gòu)造圖

2. 模擬結(jié)果分析

考慮頁巖氣壓裂生產(chǎn)需求，重點提取了寧209井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖地層孔隙壓力、最小水平主應(yīng)力，水平應(yīng)力差異、脆性指數(shù)，同時進行了區(qū)域特征分析。總體認為，研究區(qū)地應(yīng)力參數(shù)具有以下特征：

(1)地層孔隙壓力方面，全區(qū)壓力系數(shù)一般不低于1.40，最高可以達到2.00以上，這與該區(qū)頁巖氣自生自儲，優(yōu)質(zhì)頁巖總體處于異常高壓地層環(huán)境下相一致。同時，斷層切割地層對地層壓力有一定影響，比較而言，向斜中部和西部壓力系數(shù)相對較高，西部寧201井最高可以達到2.03。

(2)最小水平主應(yīng)力方面，有自向斜中部向南北兩翼逐漸減弱的趨勢，中部最高可達80 MPa以上，而兩翼最小水平主應(yīng)力一般在50～70 MPa，寧209井應(yīng)力明顯要高于北翼的寧203井和寧213井，此外，西部的寧201井也具有較高的最小水平主應(yīng)力。

(3)水平應(yīng)力差方面，大部分區(qū)域低于20 MPa，一般在15 MPa附近，有利于壓裂時多縫的形成。以寧203井附近的北部地區(qū)，水平應(yīng)力差較大，最大可達27 MPa，可能會影響壓裂時的儲層改造效果。

(4)脆性指數(shù)方面，全區(qū)分布基本在0.40～0.60之間，總體中等偏高，比較而言，向斜中部及東北部脆性條件更好，脆性指數(shù)大多在0.50以上，更為有利于壓裂時形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

提取過寧203井和寧209井連井剖面，清晰直觀展示寧203井區(qū)與寧209井區(qū)龍馬溪組地應(yīng)力的差異。分析可知，寧203和寧209兩口井龍馬溪組地層孔隙壓力縱向規(guī)律較為相近，由淺層向深層逐漸變大，優(yōu)質(zhì)頁巖存在異常高壓且壓力系數(shù)基本在1.60～2.00之間(圖2)。然而，與寧203井區(qū)相比，寧209井區(qū)最小水平主應(yīng)力和水平應(yīng)力差均偏高(圖3、圖4)，分析與區(qū)域構(gòu)造橫向變化大、寧209井區(qū)構(gòu)造埋深較大有關(guān)。

3． 三維模型質(zhì)控

為了驗證三維地應(yīng)力模型的可靠性，前期采用寧201、寧203和寧209井并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地球物理資料建立了三維模型，然后采用未參與三維地應(yīng)力建模的寧213井對三維模型進行了可靠性驗證，具體方法是:在三維模型中沿寧213井軌跡抽取地層孔隙壓力和最小水平主應(yīng)力，與寧213井測井分析地應(yīng)力結(jié)果進行比較，由圖5和圖6可知，三維模型與單井分析結(jié)果具有較高的符合度，總體而言，地層孔隙壓力和最小水平主應(yīng)力的平均誤差均不會超過5%。

圖2 過寧203和寧209井地層孔隙壓力剖面圖

圖3 過寧203和寧209井最小水平主應(yīng)力剖面圖

圖4 過寧203和寧209井水平應(yīng)力差剖面圖

4． 應(yīng)用效果分析

研究區(qū)內(nèi)長寧H26平臺有4口井，長寧H26-3井為其南半支中的一口，目的層為龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段。采用三維地應(yīng)力建模新技術(shù)指導(dǎo)該井支撐劑性能等級選擇及壓裂分段設(shè)計，從三維最小水平主應(yīng)力模型中沿長寧H26-3井鉆井軌跡提取優(yōu)質(zhì)頁巖段最小水平主應(yīng)力并分析特征，總體認為，最小水平主應(yīng)力變化不大，為50～55 MPa，按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》中對支撐劑性能的要求，選擇支撐劑性能等級應(yīng)不低于應(yīng)力52 MPa的支撐劑。另外，考慮優(yōu)質(zhì)頁巖段最小水平主應(yīng)力變化不大，按照等間距設(shè)計壓裂分段，結(jié)合水平段巷道位置、儲層參數(shù)、裂縫特征、工程因素等綜合考慮，最終設(shè)計壓裂段長1 551 m，壓裂段數(shù)23段，平均每段段長67.45 m。

圖5 寧213井三維模型提取地層孔隙壓力與測井分析結(jié)果對比圖

圖6 寧213井三維模型提取最小水平主應(yīng)力與測井分析結(jié)果對比圖

圖7 長寧H26-3井龍馬溪組排液曲線

長寧H26-3井實際壓裂18段(設(shè)計中有5段因發(fā)生套管變形未壓裂)，實際壓裂段長1 217 m，累計壓裂液量33 609 m3，平均日產(chǎn)氣量達到40.01×104m3(圖7)，改造后比同平臺其它井日產(chǎn)氣量提高31%以上。

三、結(jié)論

(1)提出描述三維地應(yīng)力模型的三維地應(yīng)力建模新方法，以單井地應(yīng)力模型為基礎(chǔ)，綜合考慮密度積分、欠壓實作用、有效應(yīng)力比及巖性建模等相關(guān)理論和方法。

(2)通過三維地應(yīng)力建模，獲得了壓裂工程中最為關(guān)心的地層孔隙壓力、最小水平主應(yīng)力、水平應(yīng)力差異、脆性指數(shù)等參數(shù)，為壓裂工程服務(wù)提供有效基礎(chǔ)支撐。

(3)通過寧209井區(qū)研究實例，證實了三維地應(yīng)力建模方法在頁巖氣地應(yīng)力建模研究中能夠得到很好的應(yīng)用。