中東×區(qū)塊地層應(yīng)力研究及其在探井測(cè)試中的應(yīng)用

李行船，武好杰，尚會(huì)昌，蘇勤，薛世峰

（1.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)西亞－北非大區(qū)公司，阿聯(lián)酋迪拜118621；2.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司工程技術(shù)部，北京100080；3.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）

中東×區(qū)塊地層應(yīng)力研究及其在探井測(cè)試中的應(yīng)用

李行船1，武好杰1，尚會(huì)昌1，蘇勤2，薛世峰3

（1.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)西亞－北非大區(qū)公司，阿聯(lián)酋迪拜118621；2.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司工程技術(shù)部，北京100080；3.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）

在中東×區(qū)塊的探井測(cè)試及儲(chǔ)層改造實(shí)踐中開(kāi)展了系統(tǒng)的地層應(yīng)力研究。結(jié)合地形變資料實(shí)施了地層應(yīng)力數(shù)值模擬，確定了區(qū)塊的主壓應(yīng)力方向；結(jié)合壓前測(cè)試資料，確定了三向主應(yīng)力值大小，并以此建立該區(qū)塊擬作業(yè)井的分層地層應(yīng)力剖面。根據(jù)地層應(yīng)力方向，確定了2口側(cè)鉆探井的側(cè)鉆方位；根據(jù)主應(yīng)力值的大小，結(jié)合流固耦合滲流模擬技術(shù)，確定了探井的臨界測(cè)試壓差；根據(jù)分層地層應(yīng)力特征及水力裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果，確定了水力壓裂工藝技術(shù)方案。最終在2口探井成功實(shí)施了水力壓裂測(cè)試作業(yè)，并取得顯著改造效果。

測(cè)井應(yīng)用；探井測(cè)試；地層應(yīng)力；測(cè)試壓差；水力壓裂

0 引 言

中東×區(qū)塊是中國(guó)石化集團(tuán)在海外的重點(diǎn)勘探區(qū)塊，面積3.8×104km2，其中A圈閉S組與U圈閉U組是其中主要的勘探目的層。2個(gè)主要勘探目的層具有相似的儲(chǔ)層特征，包括埋藏深（＞4 500 m）、壓力高（壓力系數(shù)1.8MPa／100m）、溫度高（約150℃～180℃）、滲透率低（＜0.01×10－3μm2）、地層應(yīng)力狀態(tài)尚不明確、井筒條件復(fù)雜、儲(chǔ)層流體特征復(fù)雜、具凝析氣藏特征等。所有這些對(duì)探井的測(cè)試及壓裂改造都帶來(lái)極大的難度。

A圈閉S組在測(cè)試時(shí)獲得近7×103m3／d產(chǎn)氣量；U圈閉U組測(cè)試折算日產(chǎn)液量20bbl（非法定計(jì)量單位，1bbl＝42gal＝0.159m3，下同），產(chǎn)少量氣。項(xiàng)目部決定對(duì)該井實(shí)施壓裂作業(yè)提高單井產(chǎn)能，佐證勘探成果，但在初期的探井測(cè)試中，2個(gè)構(gòu)造圈閉的2口直井都發(fā)生了卡管柱不能起出情況。由于卡管柱部位離儲(chǔ)層較近，從成本上考慮，實(shí)施側(cè)鉆改造經(jīng)濟(jì)可行。由于側(cè)鉆完井后要重新進(jìn)行測(cè)試，還要實(shí)施壓裂改造，保持良好的井筒工作環(huán)境。分析認(rèn)為2口直井發(fā)生卡管柱情況是由于測(cè)試時(shí)壓差控制不當(dāng)造成的，因而控制一個(gè)合理的試采壓差是側(cè)鉆井測(cè)試時(shí)必須考慮的問(wèn)題。同時(shí)考慮到要在側(cè)鉆井上實(shí)施水力壓裂，優(yōu)化壓裂工藝方案，控制裂縫的擴(kuò)展使其不通過(guò)原直井筒并保證作業(yè)成功實(shí)施。

解決這些問(wèn)題的核心是明確該區(qū)各圈閉的地層應(yīng)力狀態(tài)，而后根據(jù)主壓應(yīng)力方位確定儲(chǔ)層改造的側(cè)鉆方位；結(jié)合流固耦合數(shù)值模擬技術(shù)確定合理的試采壓差以保證井筒不變形，為水力壓裂創(chuàng)造良好的井筒條件；根據(jù)縱向上分層地層應(yīng)力分布特征確定合適的水力壓裂工藝。由于該區(qū)塊是海外勘探區(qū)塊，可供借鑒的資料并不多，僅有的區(qū)塊外圍地層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)［1－6］難以滿足需要。

鑒于上述情況，項(xiàng)目組從GPS地形變資料入手，開(kāi)展了地層應(yīng)力方向模擬，結(jié)合壓前注入資料確定了三向應(yīng)力狀態(tài)并以此建立分層地層應(yīng)力解釋模型。在此基礎(chǔ)上著手側(cè)鉆方位、測(cè)試臨界壓差及儲(chǔ)層改造方案的確定。

1 地層應(yīng)力方向模擬

以文獻(xiàn)［2］中所給出的阿拉伯板塊邊界GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界約束，采用有限元彈性靜力分析方法，計(jì)算阿拉伯板塊內(nèi)的位移，進(jìn)一步計(jì)算區(qū)域地層應(yīng)力方向變化。以阿拉伯板塊內(nèi)部已有地層應(yīng)力方向資料、×區(qū)塊測(cè)井解釋資料等作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整模型中地層、斷層的物理參數(shù)方式，尋求與已有資料的最佳吻合的水平地層應(yīng)力方向有限元解。

以阿拉伯板塊邊界GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)為位移約束，模擬計(jì)算得到阿拉伯板塊區(qū)域水平位移方向、最大水平主應(yīng)力方向計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖1）。阿拉伯板塊最大水平主應(yīng)力方向與板塊水平位移方向基本對(duì)應(yīng)，模擬區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向相對(duì)板塊水平位移方向發(fā)生了一致的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反映出構(gòu)造應(yīng)力與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系密切。

圖1 中東阿拉伯板塊最大水平主應(yīng)力方向

圖2 中東×區(qū)塊古生界U組頂面最大主應(yīng)力方向

依據(jù)GPS地形變資料，對(duì)涵蓋×區(qū)塊的整個(gè)阿拉伯地塊水平主應(yīng)力方位進(jìn)行了模擬分析，模擬成果中的主應(yīng)力跡線顯示區(qū)內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向以N－W／S－E向?yàn)橹鳎ㄒ?jiàn)圖2、圖3）。該結(jié)論與采用FMI測(cè)井資料解釋得到區(qū)塊內(nèi)A－0002S井、M－0002S井及鄰近區(qū)塊內(nèi)F－1井和T－2井古生界致密砂巖地層現(xiàn)今最大水平主應(yīng)方向?yàn)镹－W／S－E方向結(jié)論相吻合。

圖3 中東×區(qū)塊古生界S組頂面最大主應(yīng)力方向

2 地層應(yīng)力值及分層地層應(yīng)力特征

目的層段單井點(diǎn)地層應(yīng)力值是根據(jù)壓前注入資料獲取的閉合壓力進(jìn)行相應(yīng)處理得出［7］。處理結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)2個(gè)圈閉的三向主壓應(yīng)力關(guān)系為σH＞σv＞σh，表明應(yīng)力場(chǎng)呈走滑擠壓特征（見(jiàn)表1）；應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大變化：已由扎格羅斯沖斷帶的Ⅱ型（逆斷型應(yīng)力場(chǎng)）過(guò)渡到Ⅲ型走滑擠壓應(yīng)力狀態(tài)，與區(qū)塊所處前陸斜坡或外緣構(gòu)造形跡相符合。尤其是對(duì)M－0002S井，垂向應(yīng)力與最大水平主壓應(yīng)力值接近，更體現(xiàn)了這種過(guò)渡的存在。

表1 注入測(cè)試獲取的地層應(yīng)力值

考慮到水力壓裂作業(yè)的需要，為認(rèn)識(shí)、了解水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，采取針對(duì)性的改造工藝，進(jìn)行了該區(qū)分層地層應(yīng)力分布規(guī)律研究。研究認(rèn)為，組合彈簧模型［8］能有效地解釋砂巖地層比相鄰的頁(yè)巖層有更高地層應(yīng)力的現(xiàn)象，對(duì)×區(qū)塊古生代致密砂巖地層，組合彈簧模型是合理的地層應(yīng)力計(jì)算模型。

組合彈簧模型假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地層和地層之間不發(fā)生相對(duì)位移，所有地層2個(gè)水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。由廣義虎克定律可得

式中，ξh、ξH分別為最小、最大水平主應(yīng)力方向的應(yīng)變，在同一斷塊內(nèi)假定為常數(shù)。

應(yīng)用表1中獲取的單個(gè)測(cè)點(diǎn)地層應(yīng)力值，對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)進(jìn)行了刻度（見(jiàn)表2），由此建立起區(qū)內(nèi)分層地層應(yīng)力剖面解釋模型，對(duì)作業(yè)層段的地層應(yīng)力及相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了解釋處理（見(jiàn)圖4）。

表2 中東×區(qū)塊古生界致密砂巖U組與S組應(yīng)變系數(shù)

圖4 M－0002S井3 962.4～4 684.78m井段分層應(yīng)力模型剖面

3 地層應(yīng)力研究成果的應(yīng)用

3.1 在鉆井及井壁穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用

根據(jù)前述最大水平主壓應(yīng)力方向（NW－SE），結(jié)合儲(chǔ)層展布特征研究成果，確定了2口井的側(cè)鉆方位（A－0002S井NE81°；M－0002S井265°），最大程度避免了壓裂過(guò)程中水力壓裂縫穿過(guò)原井筒的風(fēng)險(xiǎn)。

自鉆井打開(kāi)儲(chǔ)層開(kāi)始，井壁周圍地層就產(chǎn)生了應(yīng)力集中，后續(xù)任何不合適的壓力激蕩都有可能加劇井筒變形，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象從而影響生產(chǎn)作業(yè)。U組埋深相對(duì)淺，膠結(jié)弱，井壁穩(wěn)定性需控制合適的試采（返排）壓差［9－10］以規(guī)避井筒失穩(wěn)出砂；而S組埋深大，膠結(jié)強(qiáng)度高，則需要控制合適的試采壓差以規(guī)避井筒變形縮徑等危害。

基于流固耦合理論，以巖心實(shí)驗(yàn)獲取的應(yīng)力敏感結(jié)果為基礎(chǔ)（見(jiàn)圖5），綜合考慮生產(chǎn)壓差、地層應(yīng)力、儲(chǔ)集層結(jié)構(gòu)（孔道、炮眼等）、儲(chǔ)層力學(xué)性能、流體滲流等影響因素，建立了一個(gè)儲(chǔ)層變形與流體運(yùn)移耦合形式的井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型；應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法定量評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)過(guò)程中流固耦合效應(yīng)導(dǎo)致的近井壁區(qū)域儲(chǔ)集層骨架結(jié)構(gòu)變形及井壁穩(wěn)定變化。

以M－0002S井為例，以其射孔設(shè)計(jì)參數(shù)建立模型，相位角72°，孔密16孔／m，孔徑1.09cm，穿深150.3cm，采用2D－RZ坐標(biāo)進(jìn)行有限元模擬分析（見(jiàn)圖6），計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖7。計(jì)算中采用網(wǎng)格局部加密及高精度單元處理，套管壁按封閉邊界處理，射孔壁處按滲透性邊界處理。對(duì)研究區(qū)塊內(nèi)的M－0002S井進(jìn)行了井壁穩(wěn)定模擬分析。當(dāng)生產(chǎn)壓差大于20MPa時(shí)，儲(chǔ)層井壁破壞程度加?。ㄒ?jiàn)圖8）。由此，將探井測(cè)試臨界壓差定為20MPa；同樣，將A－0002S井臨界測(cè)試壓差定為40MPa。

3.2 在壓裂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及效果

結(jié)合測(cè)試壓裂及分層地層應(yīng)力剖面研究成果，對(duì)主加砂壓裂程序進(jìn)行了優(yōu)化。特別是對(duì)M－0002S井的水力壓裂裂縫的擴(kuò)展模擬成果發(fā)現(xiàn)，預(yù)先制定的壓裂方案難以滿足縱向上縫高控制的需要，裂縫易迅速擴(kuò)展至目的層下10m處的水層。為此調(diào)整了壓裂施工作業(yè)方案：①?gòu)慕档途G泥石對(duì)酸敏感而產(chǎn)生地層傷害的角度，酸處理射孔孔眼降低摩擦阻力作業(yè)后采取快速?gòu)氐追蹬糯胧虎趶目刂瓶p高、保證瓜膠壓裂液有效破膠并減少殘留的角度，實(shí)施轉(zhuǎn)向及“三變［13］”壓裂液體系作業(yè)（見(jiàn)表3）；③從保證支撐裂縫有效寬度抑制節(jié)流裂縫產(chǎn)生的角度，采用支撐劑欠頂工藝（一般欠頂4bbl＊）。

表3 M－0002S井壓裂液及助劑泵注剖面

4 現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)效果

根據(jù)調(diào)整的壓裂工藝技術(shù)方案，M－0002S井安全順利地完成了施工作業(yè)，從設(shè)計(jì)與實(shí)際施工規(guī)模參數(shù)來(lái)看（見(jiàn)表4）該作業(yè)全面完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。壓后返排測(cè)試獲得了10倍的產(chǎn)液量。對(duì)A－0002S井，應(yīng)用地層應(yīng)力研究成果亦成功保障了壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全、順利施工，作業(yè)后獲得4.6×104m3／d的產(chǎn)氣量，取得了顯著增產(chǎn)效果（增產(chǎn)6倍）。

表4 設(shè)計(jì)及施工裂縫參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié)束語(yǔ)

在地層應(yīng)力研究的基礎(chǔ)上就確定的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行合理地測(cè)試壓差控制、根據(jù)分層地層應(yīng)力特征下水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征，采取針對(duì)性的水力壓裂工藝技術(shù)是測(cè)試改造成功實(shí)施的重要保障。

對(duì)于海外的勘探區(qū)塊，在進(jìn)行探井測(cè)試及改造時(shí)，地層應(yīng)力的研究應(yīng)是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，可采取各種方法對(duì)三向主應(yīng)力方向及大小進(jìn)行確定。對(duì)主應(yīng)力方向，除應(yīng)用GPS地形變反演技術(shù)外，還可對(duì)目的層段的巖心應(yīng)用古地磁、差應(yīng)變、聲波各向異性對(duì)其方向進(jìn)行確定；同樣亦可結(jié)合室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)確定其大??；以此為基礎(chǔ)，深入開(kāi)展井壁穩(wěn)定性研究，為探井壓裂改造及測(cè)試工作創(chuàng)造良好的井筒條件；根據(jù)確定的地層應(yīng)力狀態(tài)，特別是沿井筒剖面的分層地層應(yīng)力特征指導(dǎo)壓裂設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)優(yōu)化是保障海外探井成功測(cè)試的重要技術(shù)手段。

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Formation Stress Research on Exploration Well Testing and Its Application in Block×，Middle East

LI Xingchuan1，WU Haojie1，SHANG Huichang1，SU Qin2，XUE Shifeng3
（1.SINOPEC International Petroleum Exploration and Production ME，Dubai 118621，U.A.E.；2.Engineering Technology Departmrnt，International Petroleum Explorational ＆Development LTD.，SINOPEC，Beijing 100080，China；3.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266555，China）

Systemically studied are formation stress in exploration well test and reservoir reconstruction in Block×，Middle East.Combining with ground movement data，simulated are formation stress datum and determined is main stress direction of the block.Determined are three main stress vaules with pre－frac test data，then stratum stress profile is built in intended job well.Acorrding to stratum stress direction，sidetrack drilling direction is determined in 2wells.According to the main stress value，the critical pressure difference of the exploration well is also determined combined with fluid solid coupling technique；and according to layer stress characteristics and the hydraulic fracturing simulation results，set up is hydraulic fracturing technology scheme for the exploration well.The hydraulic fracture job is successfully completed in 2exploration wells with better effect.

log application，exploration well testing，fomation stress，test pressure differential，hydraulic fracturing

P631.81

A

2011－12－26 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0410－06

國(guó)家重大專項(xiàng)“中東魯十哈里盆地古生界致密砂巖儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)及氣藏商業(yè)評(píng)價(jià)”（2008ZX0531－002－003）

李行船，男，1971年生，博士，高級(jí)工程師，從事油氣井工程技術(shù)研究及應(yīng)用等工作。