黃巖氣田地應(yīng)力分布規(guī)律研究

胡 強(qiáng) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100；中石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠，湖北 荊州434024）

何 帆 （中石油新疆油田分公司采油二廠油田工藝研究所，新疆 克拉瑪依834000）

申健龍 （江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 武漢430000）

萬(wàn)禮鵬 （中石油吐哈油田分公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善838202）

黃巖氣田在鉆井作業(yè)過(guò)程中遇阻頻繁、井眼垮塌和擴(kuò)徑嚴(yán)重，同時(shí)部分開(kāi)發(fā)井作業(yè)深度較深，進(jìn)尺超過(guò)5000m，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較大。為此，筆者對(duì)黃巖氣田的地應(yīng)力分布規(guī)律展開(kāi)研究，以便為該氣田實(shí)施安全、優(yōu)質(zhì)、高效的鉆進(jìn)作業(yè)提供參考。

1 凱塞爾效應(yīng)法測(cè)量地應(yīng)力的原理

凱塞爾效應(yīng)指的是在對(duì)巖石進(jìn)行聲發(fā)射的過(guò)程中，巖石會(huì) “記憶”它受過(guò)的最大應(yīng)力值。若僅增加巖石受到的應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)已經(jīng)施加過(guò)的最大應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射會(huì)明顯增加。巖石受力之后會(huì)發(fā)生微破裂，且發(fā)生頻率隨應(yīng)力增加而增加［1-2］。凱塞爾效應(yīng)法測(cè)量地應(yīng)力的方法如下，將取自地下的巖石在室內(nèi)進(jìn)行加載試驗(yàn)，用聲發(fā)射儀測(cè)出巖石受載過(guò)程中巖石內(nèi)部所發(fā)出的聲波信號(hào)，當(dāng)巖石所受應(yīng)力達(dá)到它歷史上所受的最大應(yīng)力時(shí)，巖石產(chǎn)生的聲波信號(hào)會(huì)突然變大，由此求得試驗(yàn)巖石在地下所受的地應(yīng)力值［3］。在進(jìn)行取心測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，至少要選取3個(gè)水平方向 （各相隔45°）和1個(gè)垂直方向的巖樣，將上述4種巖樣的測(cè)試結(jié)果代入式 （1）～ （3）就可以確定巖石所在井深處的3個(gè)地層主地應(yīng)力，即［4］：

式中，σv1為試驗(yàn)點(diǎn)上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g／cm3；σH1、σh1分別為試驗(yàn)點(diǎn)最大、最小水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度，g／cm3；σ⊥為垂直方向巖心凱塞爾點(diǎn)的應(yīng)力當(dāng)量密度，g／cm3；σ0°、σ45°、σ90°分別為水平0°、45°和90°方向巖心的凱塞爾點(diǎn)應(yīng)力當(dāng)量密度，g／cm3。

據(jù)此可求得構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)［4］：

式中，ω1、ω2分別為水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；Pp為地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g／cm3；μ為泊松比；α為有效應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)。

為了研究油氣田各地層的地應(yīng)力，假設(shè)地下巖層所受地應(yīng)力主要有水平方向的構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層壓力，且水平方向的構(gòu)造應(yīng)力與上覆巖層壓力成正比，則油氣田各地層最大、最小水平主地應(yīng)力可以利用如下公式進(jìn)行計(jì)算［5］：

式中，σH、σh分別為油氣田各地層最大、最小水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度，g／cm3；σv為油氣田各地層上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g／cm3。

2 黃巖氣田地應(yīng)力大小分布規(guī)律

首先利用凱塞爾效應(yīng)法對(duì)黃巖氣田特定井深的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量 （見(jiàn)表1）并與水力壓裂法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較 （見(jiàn)表2），發(fā)現(xiàn)2種方法所得地應(yīng)力值的相對(duì)誤差在3%之內(nèi)，說(shuō)明凱塞爾效應(yīng)法測(cè)量地應(yīng)力的精度較高，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。其次，計(jì)算黃巖氣田各地層地應(yīng)力并繪制了各井地應(yīng)力剖面圖。黃巖氣田X1井地應(yīng)力剖面如圖1所示。從圖1可以看出，3個(gè)地應(yīng)力間的大小關(guān)系為上覆巖層壓力＞最大水平主地應(yīng)力＞最小水平主地應(yīng)力，且隨著井深的增加，地應(yīng)力值也相應(yīng)增大。

表1 黃巖油氣田地應(yīng)力凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 凱塞爾效應(yīng)法與現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)法測(cè)量地應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表

3 黃巖氣田最大水平主地應(yīng)力方向確定

井壁巖石所受的應(yīng)力狀態(tài)可用周向應(yīng)力σθ、徑向應(yīng)力σr和剪切應(yīng)力τθz來(lái)表示：

式中，pi為井眼中的液柱壓力當(dāng)量密度，g／cm3；θ為井眼周?chē)滁c(diǎn)徑向與最大水平主地應(yīng)力方向的夾角，（°）；Gz為上覆巖層壓力梯度，Pa／m；H為井深，m。

圖1 X1井地應(yīng)力剖面

井壁上的應(yīng)力差值（σθ-σr）決定井壁是否會(huì)發(fā)生剪切破壞，當(dāng)或（即圖2中的B、D點(diǎn)）時(shí)，應(yīng)力差值達(dá)到最大。不同性質(zhì)的地層巖石都具有其固有拉剪強(qiáng)度，鉆開(kāi)井眼時(shí)破壞了地層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，井眼周?chē)鷳?yīng)力將會(huì)重新分布。在地應(yīng)力作用下，井壁圍巖發(fā)生變形并引起井壁附近應(yīng)力集中，當(dāng)作用在B、D點(diǎn)的應(yīng)力差達(dá)到或超過(guò)該處巖石的固有抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起井壁崩落，進(jìn)而形成井壁崩落橢圓，該橢圓長(zhǎng)軸方向與最大水平主地應(yīng)力方向垂直。因此，可借用井壁崩落橢圓來(lái)確定地應(yīng)力的方向。統(tǒng)計(jì)分析黃巖氣田井壁崩落橢圓數(shù)據(jù) （見(jiàn)表3），可知黃巖氣田最大水平主地應(yīng)力方向?yàn)镹87.32°E～N93.17°E。

圖2 井壁崩落橢圓示意圖

表3 黃巖氣田井壁崩落橢圓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

（1）黃巖氣田各地層相關(guān)地應(yīng)力大小關(guān)系為上覆巖層壓力＞最大水平主地應(yīng)力＞最小水平主地應(yīng)力，且隨著井深的增加，地應(yīng)力值也相應(yīng)增大。

（2）黃巖氣田最大水平主地應(yīng)力方向?yàn)镹87.32°E～N93.17°E，同時(shí)井壁崩落橢圓長(zhǎng)軸方向與最大水平主地應(yīng)力方向垂直。

［1］樓一珊 .地應(yīng)力在油氣田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 ［J］.石油鉆探技術(shù)，1997，25（3）：58-59.

［2］鄧榮貴，付小敏 .三向應(yīng)力下長(zhǎng)石石英砂巖凱賽爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，29（1）：97-99.

［3］張守良，鄧金根 .油田測(cè)量地應(yīng)力技術(shù)及中國(guó)西部地應(yīng)力分布規(guī)律 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（Z1）：2135-2138.

［4］劉鴻文 .材料力學(xué) （下冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［5］樓一珊，金業(yè)權(quán) .巖石力學(xué)與石油工程 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.