何小東 馬俊修 石善志 劉 剛 譚 強(qiáng)

(1. 中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院 新疆克拉瑪依 834000; 2. 北京陽(yáng)光杰科科技股份有限公司 北京 100192;3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249)

瑪湖油田位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地，其致密砂礫巖油藏已成為新疆油田油氣開發(fā)的主要接替領(lǐng)域。油田主要含油層系為埋深2 812～3 920 m的三疊系百口泉組地層，屬于超深特低滲致密砂礫巖儲(chǔ)層[1];主要儲(chǔ)集層段百二段以灰綠色砂礫巖為主，夾有棕灰色泥巖層[2]。由于百口泉組致密砂礫巖儲(chǔ)層屬于低孔低滲、特低滲儲(chǔ)層，埋藏深度較深，物性較差，需要進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂才能取得良好的開發(fā)效果[3-4]。在壓裂設(shè)計(jì)和施工中，地應(yīng)力的大小和方向?qū)α芽p起裂壓力和延伸形態(tài)有顯著影響，應(yīng)力差異系數(shù)的大小也是決定能否形成縫網(wǎng)的重要因素[5-6]。因此，在致密砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造之前，必須對(duì)地應(yīng)力大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，用以指導(dǎo)壓裂施工。目前地應(yīng)力的評(píng)價(jià)方法主要有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量、鉆完井工程數(shù)據(jù)分析和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算等多種[7]，其中室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要根據(jù)力學(xué)、聲學(xué)等原理，對(duì)鉆井中獲取的地層巖心進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析以獲得地應(yīng)力大小數(shù)值。本文利用瑪湖油田百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層和泥巖隔層巖心，進(jìn)行了差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，對(duì)三向主應(yīng)力大小進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)原理與巖心準(zhǔn)備

1.1 差應(yīng)變法實(shí)驗(yàn)原理

差應(yīng)變法是通過(guò)對(duì)立方體巖心樣品進(jìn)行三向等應(yīng)力加載，測(cè)量加載過(guò)程中3個(gè)正交方向上的應(yīng)變變化，進(jìn)而確定地層主應(yīng)力大小的一種實(shí)驗(yàn)方法。巖心在地下受地應(yīng)力作用處于三向壓縮狀態(tài)，取到地面后，應(yīng)力釋放引起巖石卸載，導(dǎo)致巖心中原有的微裂隙張開，并產(chǎn)生新的微裂隙。微裂隙的數(shù)量和張開程度使巖心在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生微應(yīng)變，微應(yīng)變的大小與巖心在地下所處的應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，能夠反映地下應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)。假設(shè)微裂隙的數(shù)量與張開程度與原地應(yīng)力大小成正比，在給巖心重新加載的過(guò)程中，微裂隙逐漸閉合，微應(yīng)變也同時(shí)逐漸恢復(fù)。理論上，當(dāng)巖心表面重復(fù)加載壓力達(dá)到原地應(yīng)力大小時(shí)，微裂隙將完全閉合，應(yīng)變將完全恢復(fù)。由于一般地下應(yīng)力狀態(tài)具有各向異性，因此在對(duì)巖心進(jìn)行三向相等的靜水壓力加載時(shí)，巖心各個(gè)方向上的應(yīng)變恢復(fù)是有差異的，此時(shí)的應(yīng)變之差就能夠反映巖心受的原地應(yīng)力狀態(tài)[8-10]。

差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中需要在巖樣上粘貼9個(gè)不同方向的應(yīng)變片，通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量的是加載過(guò)程中9個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值，通過(guò)計(jì)算得出的巖心原位地層三向主應(yīng)力的比值。地層的上覆巖層壓力可以通過(guò)地層密度積分獲得，假設(shè)垂向主應(yīng)力與上覆巖層壓力相等，則根據(jù)三向主應(yīng)力比值，以上覆巖層壓力為基準(zhǔn)，可以計(jì)算水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力大小，即得到三向主應(yīng)力大小數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與巖心準(zhǔn)備

差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)前需要將巖心加工成邊長(zhǎng)為50～60 mm的近似立方體，在立方體的3個(gè)相互垂直的面上貼三組應(yīng)變片，并依次對(duì)每個(gè)應(yīng)變片編號(hào)。巖樣制備完成后，在巖心面上沿軸向繪制標(biāo)志線，作為差應(yīng)變分析和巖心定向的參考標(biāo)準(zhǔn)線。差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)巖心準(zhǔn)備示意圖如圖1所示。

圖1 差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)巖心及應(yīng)變片粘貼示意圖Fig .1 Diagram of differential strain analysis core and strain gauge sticking mode

巖樣制備完成后，先通過(guò)采集線將應(yīng)變片與應(yīng)變采集卡連接好，然后將巖樣放置在尺寸略大于邊長(zhǎng)的容器內(nèi)，將調(diào)制好的硅膠灌注入容器和巖樣之間，硅膠固結(jié)后即可進(jìn)行差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將固結(jié)好的巖樣放在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的高壓釜內(nèi)，以小于0.01 MPa/s的速度連續(xù)加載靜水壓力，直至超過(guò)巖樣所在地層的應(yīng)力水平。在加載的同時(shí)同步記錄各應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變值，并重復(fù)加載和卸載3次。

利用瑪湖油田M井百口泉組致密砂礫巖儲(chǔ)層及泥巖隔層巖心，加工用于差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)的巖心6塊，巖樣照片見圖2，巖樣相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 瑪湖油田百口泉組差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)巖心Fig .2 Differential strain analysis cores of the Baikouquan Formation in Mahu oilfield

表1 差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)巖心統(tǒng)計(jì)表
Table 1 Statistics table of differential strain test cores

序號(hào)巖心編號(hào)井深/m巖性長(zhǎng)/mm寬/mm高/mm11-4/153062.04～3064.04泥巖62555721-6/153062.04～3064.04泥巖65566331-7/153062.04～3064.04泥巖65565842-1/453064.69～3065.65砂礫巖63575952-7/453065.65～3067.17砂礫巖68536362-10/453065.65～3067.17砂礫巖565558

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 差應(yīng)變數(shù)據(jù)分析方法

差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接采集到的是在巖樣上相鄰的、相互正交的3個(gè)面上9個(gè)方向的應(yīng)變。根據(jù)彈性力學(xué)基本原理，通過(guò)這9個(gè)應(yīng)變可以計(jì)算出試樣在加載過(guò)程中的正應(yīng)變和剪應(yīng)變[11]：

(1)

式(1)中：ε1至ε9為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的9個(gè)應(yīng)變值；εxx、εyy、εzz為三向正應(yīng)變；εxy、εyz、εzx為三向剪應(yīng)變。

根據(jù)計(jì)算得到的正應(yīng)變和剪應(yīng)變確定應(yīng)變矩陣，并進(jìn)一步利用以下一元三次方程求取3個(gè)方向的主應(yīng)變。

(2)

式(2)中：εii為主應(yīng)變的張量表達(dá)形式。

方程(2)的3個(gè)根即為巖樣受到的三向主應(yīng)變。其中：

(3)

根據(jù)彈性力學(xué)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，由三向主應(yīng)變可求取三向有效主應(yīng)力的比值：

[μ(ε11+ε22)+(1-μ)ε33]∶

[μ(ε11+ε33)+(1-μ)ε22]

(4)

根據(jù)多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力原理[12]，有效應(yīng)力與總應(yīng)力的關(guān)系為

σ=σ′+αpp

(5)

式(5)中：σ為總應(yīng)力，MPa；σ′為有效應(yīng)力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)。

因此，在通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定孔隙壓力、有效應(yīng)力系數(shù)的前提下，即可計(jì)算出水平主地應(yīng)力總應(yīng)力的大小。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)加工的6塊巖心試樣分別進(jìn)行差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)差應(yīng)變數(shù)據(jù)處理分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出三向主應(yīng)力有效應(yīng)力比值隨靜水壓力的變化曲線(圖3)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，三向主應(yīng)力中，第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力數(shù)值接近。根據(jù)實(shí)驗(yàn)試樣的垂向標(biāo)志線和瑪湖凹陷靠近山前推覆體、發(fā)育走滑斷裂帶的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)[13-14]，判斷上覆巖層壓力為第二主應(yīng)力。

圖3 巖心差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)解釋三向主應(yīng)力比值數(shù)據(jù)圖Fig .3 Data diagram of three directional principal stress ratios from core differential strain tests

以上覆巖層壓力為基準(zhǔn)，確定泥巖隔層段三向有效主應(yīng)力比值約為1.06∶1∶0.75，砂礫巖儲(chǔ)層段三向有效主應(yīng)力比值約為1.03∶1 ∶0.62。

通過(guò)密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，瑪湖油田3 062～3 068 m地層上覆巖層總應(yīng)力約為70 MPa。同時(shí)有研究表明，瑪湖凹陷中深部地層存在欠壓實(shí)作用導(dǎo)致的異常高壓[15]，根據(jù)M井測(cè)試數(shù)據(jù)，百口泉組3 065 m儲(chǔ)層壓力系數(shù)為1.26，孔隙壓力絕對(duì)值約為38 MPa。由于通過(guò)差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為有效應(yīng)力比，因此在地應(yīng)力分析中需要確定巖心的有效應(yīng)力系數(shù)。利用實(shí)際巖心進(jìn)行了有效應(yīng)力系數(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出泥巖巖心有效應(yīng)力系數(shù)約為0.40，砂礫巖巖心有效應(yīng)力系數(shù)約為0.53。由此可以根據(jù)有效應(yīng)力原理得出，泥巖段垂向有效主應(yīng)力約為55 MPa，砂礫巖段垂向有效主應(yīng)力約為50 MPa。

以垂向有效主應(yīng)力為基準(zhǔn)，根據(jù)通過(guò)差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的三向主應(yīng)力比值，分別計(jì)算出水平最大、最小主應(yīng)力的有效應(yīng)力大小，再根據(jù)有效應(yīng)力原理，計(jì)算得出水平最大、最小主應(yīng)力的總應(yīng)力大小，即達(dá)到差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)?zāi)康模@得瑪湖油田取心井段原地應(yīng)力數(shù)值。分析結(jié)果見表2。

表2 利用差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)計(jì)算的地層水平主應(yīng)力大小Table 2 The horizontal principal stresses calculated by differential strain tests

分析結(jié)果表明，3 062～3 064 m泥巖水平最大主應(yīng)力為71.8～73.5 MPa，水平最小主應(yīng)力為54.2～58.1 MPa；3 064～3 067 m砂礫巖水平最大主應(yīng)力為71.6～72.1 MPa，水平最小主應(yīng)力為48.1～54.1 MPa。結(jié)合上覆巖層壓力大小分析，瑪湖油田百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層段水平最大主應(yīng)力略高于上覆巖層壓力，且泥巖層中水平最大、最小主應(yīng)力均略高于礫巖儲(chǔ)層。

3 工程驗(yàn)證

地應(yīng)力大小會(huì)在鉆完井工程數(shù)據(jù)中有所反映，例如鉆井過(guò)程中的地漏實(shí)驗(yàn)測(cè)試，壓裂施工與小型壓裂測(cè)試以及通過(guò)成像測(cè)井識(shí)別的井壁坍塌區(qū)或拉伸誘導(dǎo)縫等數(shù)據(jù)，均能反映水平地應(yīng)力的大小[16-19]。在水力壓裂施工中，注入前置液階段開始不久瞬時(shí)停泵，可認(rèn)為瞬時(shí)停泵壓力與井筒靜液柱壓力之和等于裂縫閉合壓力，與水平最小主應(yīng)力近似相等[20-21]。

瑪湖油田M井附近的水平井MH井在射孔完井后進(jìn)行了分段壓裂增產(chǎn)措施，該井水平段位于三疊系百口泉組砂礫巖油藏，垂深約3 292 m，平均滲透率1.9 mD，孔隙度約12%，孔隙壓力40.7 MPa。MH井分段壓裂施工中前置液注入后至瞬時(shí)停泵壓力與排量曲線見圖4。根據(jù)瞬時(shí)停泵壓力分析，停泵時(shí)地面泵壓約為21～24 MPa，折算井下裂縫閉合壓力為54～57 MPa，與差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析得出的水平最小主應(yīng)力數(shù)值接近。

圖4 MH井水平段壓裂前置液階段泵壓與排量曲線Fig .4 Pump pressure and displacement curves of horizontal fracturing in pad-fluid stage of the Well MH

利用壓裂數(shù)據(jù)可以分析得出水平最小主應(yīng)力大小，但受流體特性、套管射孔完井井筒應(yīng)力分布等因素影響，無(wú)法較準(zhǔn)確的計(jì)算水平最大主應(yīng)力值。在鉆井過(guò)程中，從力學(xué)角度分析，井壁坍塌是井眼周圍應(yīng)力集中超過(guò)地層抗壓強(qiáng)度造成的，坍塌角度大小與地應(yīng)力有直接關(guān)系。另外，井壁上產(chǎn)生的拉伸裂縫也與水平主應(yīng)力大小密切相關(guān)[22-24]。因此，在充分掌握地層巖石力學(xué)特性和鉆井液流動(dòng)規(guī)律、溫度變化規(guī)律等環(huán)境變量的基礎(chǔ)上，通過(guò)成像測(cè)井識(shí)別井壁發(fā)生坍塌的井段以及形成拉伸誘導(dǎo)縫的井段，根據(jù)已確定的水平最小主應(yīng)力數(shù)值，可以估算水平最大主應(yīng)力大小[25-26]。

根據(jù)Zoback提出的應(yīng)力多邊形理論[27]，對(duì)瑪湖油田百口泉組砂礫巖地層水平最大主應(yīng)力進(jìn)行了分析。從成像測(cè)井和雙井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可見，M井約3 028 m百口泉組地層存在井壁坍塌現(xiàn)象(圖5)。該地層上覆巖層壓力為69 MPa，孔隙壓力為37.5 MPa，取斷層摩擦系數(shù)為0.6，根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取地層單軸抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa，并取水平最小主應(yīng)力與差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析和壓裂數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)果相當(dāng)，約為55 MPa。據(jù)此計(jì)算得出水平最大主應(yīng)力在66～73 MPa(圖6)。計(jì)算結(jié)果與差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果基本一致，并且分析得出的地應(yīng)力特點(diǎn)為正斷層機(jī)制向走滑斷層機(jī)制過(guò)渡，也符合瑪湖油田所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征。

因此，根據(jù)壓裂施工數(shù)據(jù)和成像測(cè)井中井壁坍塌數(shù)據(jù)分析得出的水平最大、最小主應(yīng)力大小，能夠與差應(yīng)變室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的水平主應(yīng)力數(shù)值相互印證，表明差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)可信，能夠反映瑪湖油田百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 M井百口泉組井壁坍塌段成像測(cè)井圖Fig .5 Imaging log of wellbore collapse section of the Baikouquan Formation of Well M

圖6 根據(jù)應(yīng)力多邊形和井壁坍塌數(shù)據(jù)分析M井百口泉組地層水平最大主應(yīng)力Fig .6 Analysis of maximum horizontal principal stress of the Baikouqun Formaiton of Well M based on stress polygon and wellbore collapse data

根據(jù)差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果和瑪湖油田現(xiàn)場(chǎng)工程數(shù)據(jù)分析，百口泉組垂深約3065 m砂礫巖儲(chǔ)層與泥巖隔層水平最大主應(yīng)力差值平均約1.1 MPa，水平最小主應(yīng)力差值平均約5.0 MPa。在砂礫巖儲(chǔ)層內(nèi)，水平最大、最小主應(yīng)力差值約為20.7 MPa。儲(chǔ)層中較大的水平應(yīng)力差值使壓裂過(guò)程中容易形成單一裂縫，但儲(chǔ)層與隔層之間應(yīng)力差較小，造成裂縫縫高不易控制，如果施工排量和規(guī)模較大，可能造成裂縫縱向擴(kuò)展。因此，應(yīng)當(dāng)參考地應(yīng)力分析結(jié)果有針對(duì)性的進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)，降低裂縫竄層風(fēng)險(xiǎn)，提高壓裂效率。

4 結(jié)論

1) 利用瑪湖油田百口泉組垂深約3 065 m砂礫巖儲(chǔ)層和泥巖隔層巖心進(jìn)行了室內(nèi)差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明地層中上覆巖層壓力為中間主應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力與上覆巖層壓力數(shù)值接近。

2) 垂深約3 065 m儲(chǔ)層上覆巖層壓力約70 MPa。通過(guò)差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，致密砂礫巖儲(chǔ)層段水平最大主應(yīng)力平均為71.8 MPa，水平最小主應(yīng)力平均為51.1 MPa；泥巖隔層段水平最大主應(yīng)力平均為72.9 MPa，水平最小主應(yīng)力平均為56.1 MPa。

3) 根據(jù)鄰近水平井百口泉組垂深3 292 m儲(chǔ)層壓裂數(shù)據(jù)分析，水平最小主應(yīng)力為54～57 MPa。根據(jù)垂深3 028 m成像測(cè)井中識(shí)別的井壁坍塌數(shù)據(jù)分析，水平最大主應(yīng)力為66～73 MPa。工程數(shù)據(jù)分析與差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析的地應(yīng)力結(jié)果有較好的一致性。