王 鵬,安繼剛,劉鵬虎

(延長油田股份有限公司富縣采油廠,陜西 延安 716000)

0 前言

地應(yīng)力大小測量和方向識別對致密油儲層的壓裂施工、水平井設(shè)計、井壁穩(wěn)定性評價、井網(wǎng)布置優(yōu)化和注水開發(fā)具有重要意義。對于致密油儲層,需要進(jìn)行水力壓裂才能提高采收率,地應(yīng)力大小和方向控制著水力壓裂裂縫的起裂、破裂和延伸[1-2]。致密油藏常采用水平井技術(shù),并進(jìn)行壓裂增產(chǎn),當(dāng)水平井方向與最小主應(yīng)力方向一致時,鉆井過程中所消耗的能量最小,可以形成垂直水平井井軸的多條水力壓裂裂縫,人工裂縫與低角度天然裂縫溝通形成裂縫網(wǎng)絡(luò),極大地提高了油井產(chǎn)能。地應(yīng)力也是井壁穩(wěn)定性的主要影響因素,井孔的存在會導(dǎo)致地應(yīng)力在井壁發(fā)生應(yīng)力集中,在最大水平主應(yīng)力方向上應(yīng)力集中較弱,最小水平主應(yīng)力方向上應(yīng)力集中最強[3-6]。

1 研究背景

黃陵地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部,主要產(chǎn)油層位為三疊系延長組長6油層組,其巖石類型主要為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖,孔隙度和滲透率低,是典型的致密油儲層。本文通過水力壓裂法、測井計算和微地震監(jiān)測確定研究區(qū)地應(yīng)力大小和方向,分析地應(yīng)力類型,以期為鄂爾多斯盆地延長組致密油勘探開發(fā)提供資料。

2 地應(yīng)力方向

目前確定地應(yīng)力方向的方法主要有波速各向異性法、井壁崩落法、偶極聲波法(DSI)、有限元模擬法、粘滯剩磁法、測井資料法和壓裂誘導(dǎo)縫法。由于資料的限制,本次研究僅用壓裂誘導(dǎo)縫法對現(xiàn)今地應(yīng)力方向進(jìn)行分析。

鉆井過程中當(dāng)泥漿比重過大時會導(dǎo)致地層發(fā)生破裂,此時產(chǎn)生垂直的水力壓裂縫,壓裂縫的走向即為最大水平主應(yīng)力的方向。黃陵探區(qū)壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明(表1),研究區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為NEE-SWW。

表1 黃陵地區(qū)水力壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 地應(yīng)力大小

3.1 垂直地應(yīng)力

垂向地應(yīng)力與地層深度和地層體積密度相關(guān),要使計算值更加接近實際值,就要將地層劃分成多段進(jìn)行測量。上覆地層的重力是垂向地應(yīng)力σV的主要來源,其大小會隨地層巖石的密度及地層深度而發(fā)生變化,可以應(yīng)用測井?dāng)?shù)據(jù)中的地層深度和巖石密度計算垂直地應(yīng)力:

(1)

式中:σV為H垂深處垂向地應(yīng)力大小,MPa;h為地層的深度,m;ρ(h)為地層密度與深度關(guān)系的函數(shù),g/cm3;g為重力加速度,m/s2。

選取黃陵探區(qū)內(nèi)上173井,首先通過上述方法計算各點的垂向地應(yīng)力σV,然后統(tǒng)計σV與深度之間的關(guān)系,從而得到垂向地應(yīng)力,垂向地應(yīng)力與深度之間的統(tǒng)計關(guān)系如圖1所示。通過統(tǒng)計,垂直地應(yīng)力計算公式可簡化為下式:

σV=0.025H-2.794 6

(2)

式中:σV為垂直地應(yīng)力,MPa;H為深度,m。

圖1 垂直主應(yīng)力與深度關(guān)系

3.2 水平地應(yīng)力

水平地應(yīng)力可以通過實驗和水力壓裂等方法計算,但只能獲得某深度的應(yīng)力參數(shù),不能獲得整個單井或多井連續(xù)的地應(yīng)力數(shù)據(jù),測井計算方法可以對單井地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行求取[7]。目前基于不同地質(zhì)假設(shè)條件提出了多種地應(yīng)力計算方法,本次研究選取最具代表性的組合彈性模型進(jìn)行單井地應(yīng)力計算,公式如下:

(3)

(4)

式中:μ為泊松比;β1和β2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);α為孔隙彈性系數(shù);PP為地層壓力。其中構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、孔隙彈性系數(shù)和地層壓力求取是計算水平主應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)。

3.2.1 孔隙彈性系數(shù)的確定

巖石的孔隙彈性系數(shù)與巖石所受到的應(yīng)力、巖石孔隙壓力密切相關(guān),是權(quán)衡孔隙壓力對有效應(yīng)力的作用程度的一個重要參數(shù)。劉莉[8]通過研究,總結(jié)了孔隙彈性參數(shù)計算公式并到了廣泛應(yīng)用:

(5)

式中:ρ為地層巖石密度,g/cm3;ρm=2.65g/cm3;Vp、Vs為巖石的縱波波速和橫波波速,m/s;Vmp=5.95 km/s;Vms=3.0 km/s。

3.2.2 地層壓力的計算

地層中孔隙壓力即為地層巖石孔隙中的各類流體所具有的壓力,一般用PP表示。壓力系數(shù)是地層中某點的壓力換算為水柱高度之后和該點深度的比值,即

αP=PP/Pn。前人對黃陵探區(qū)槐21井、槐3井和槐19井的壓力研究表明,黃陵探區(qū)的地層壓力系數(shù)平均為0.79,所以地層壓力PP=0.79ρgh。

3.2.3 構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的計算

水力壓裂法是求取某地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的主要方法。在壓裂施工過程中,通過壓裂施工曲線得到地層破裂壓力Pwf、停泵壓力Ps和已閉合裂縫的重張壓力Pr等,根據(jù)這些參數(shù),可以反推研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。一般水平主應(yīng)力與壓裂相關(guān)參數(shù)有如下關(guān)系:

σh=Ps+0.001ρgh

(6)

式中:ρ為壓裂液密度,kg/m3;g為重力加速度kg·m/s2;h為深度,m。

σH=3σh-Pr-PP+σt

(7)

σt=Pf-Pr

(8)

式中:Pr為裂縫重張壓力;MPa;PP為地層壓力,MPa;σt為抗拉強度,MPa

根據(jù)水力壓裂相關(guān)數(shù)據(jù)可以計算出最大和最小水平主應(yīng)力,進(jìn)而反推構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)β1和β2。本次研究搜集黃陵探區(qū)現(xiàn)場壓裂施工曲線和相關(guān)參數(shù),見表2。

根據(jù)這些壓裂施工數(shù)據(jù),將其帶入彈性模型計算公式,得到β1=1.07,β2=0.09。

表2 黃陵地區(qū)S173井壓裂施工數(shù)據(jù)

圖2 S173井地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果圖

4 單井地應(yīng)力剖面建立

在前面敘述的地應(yīng)力預(yù)測模型研究及個關(guān)鍵參數(shù)求取的基礎(chǔ)上,得到了上173井的單井連續(xù)地應(yīng)力剖面(圖2)。從上173井的地應(yīng)力計算結(jié)果可知,三大地應(yīng)力關(guān)系滿足SH>Sv>Sh,即最大主應(yīng)力為水平最大地應(yīng)力,中間主應(yīng)力是垂直地應(yīng)力,最小主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力,為典型的走滑應(yīng)力。整體上看,三大地應(yīng)力隨深度增加而逐漸增加,但增幅不大,應(yīng)力曲線趨勢平緩,起伏較小,表明在縱向上研究區(qū)延長組地應(yīng)力具有較好的連續(xù)性。

5 結(jié)語

致密油開發(fā)過程中,水力壓裂是增加產(chǎn)量的必要因素。地應(yīng)力方向的確定是影響水力壓裂效果的關(guān)鍵因素。黃陵探區(qū)延長組地層水平主應(yīng)力方向為NEE向。最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力滿足: SH>Sv>Sh,為典型的走滑應(yīng)力。因此水平井應(yīng)該平行于最大水平主應(yīng)力方向,這樣在鉆井過程中所消耗能源最小,成本最低。