基于儲層地應(yīng)力大小與方向的致密砂巖壓裂效果的評價(jià)方法

蘇向群，張超謨, 2，張占松, 2，張 沖,2，聶 昕,2

(1. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州 434023)

0 引 言

致密砂巖氣是發(fā)育于低孔、低滲透砂巖中的一種非常規(guī)油氣資源，具有豐富的潛在油氣儲量，由于其儲層致密、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、巖性多樣，常規(guī)技術(shù)難以開采，多需進(jìn)行壓裂施工以得到具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的天然氣[1]。因此，致密砂巖氣藏儲層的可壓裂性評價(jià)對指導(dǎo)壓裂施工等具有重要意義。在儲層產(chǎn)能研究中發(fā)現(xiàn)，儲層的地應(yīng)力大小和方向與儲層的壓裂效果及產(chǎn)能關(guān)系具有相關(guān)性[2-3]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究利用陣列聲波測井資料與巖心聲學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展儲層地應(yīng)力大小、方向評價(jià)[4]；通過對該區(qū)塊主力氣層地應(yīng)力中的最小水平主應(yīng)力平面分布考察，精細(xì)分析了區(qū)域最小水平主應(yīng)力大小和方向的特征，最后研究了最小水平主應(yīng)力特征對壓裂效果影響及與產(chǎn)能的關(guān)系，并且結(jié)合研究區(qū)多口井資料進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部晉西撓褶帶，其構(gòu)造相對簡單，整體為單斜，東側(cè)中部為受紫金山構(gòu)造作用影響形成的隆起區(qū)，斷裂較發(fā)育，且呈環(huán)形放射狀展布[5]。研究區(qū)繼承了鄂爾多斯盆地的構(gòu)造演化特征[6]，區(qū)域構(gòu)造東高西低，發(fā)育海陸過渡相—陸相沉積[7-9]。主要研究目的層為上古生界二疊系，自下而上依次發(fā)育下二疊統(tǒng)太原組及山西組、中二疊統(tǒng)石盒子組和上二疊統(tǒng)石千峰組。巖心物性分析資料表明，研究區(qū)二疊系儲層的物性整體較差，孔隙度主要為2%～12%，平均為6.87%，滲透率主要為 0.01～5 mD，平均為 0.76 mD；各層組的孔隙度和滲透率的分布趨勢大致相同，其中石盒子組和石千峰組的物性整體略好于太原組和山西組。依據(jù)致密砂巖的定義，研究區(qū)二疊系儲層屬于低孔、低滲透致密砂巖儲層。

2 地應(yīng)力大小及方向評價(jià)

2.1 儲層地應(yīng)力大小計(jì)算

地應(yīng)力指在地下環(huán)境中，巖石在外力作用下，自身所表現(xiàn)出來的應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力既受到重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力和熱應(yīng)力等外部因素的影響，也會受到巖石自身屬性影響，從而呈現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)。

地應(yīng)力的大小影響著施工壓力的大小，從而影響壓裂縫的高度和走向；地應(yīng)力存在方向，一般裂縫都是沿著最大水平主應(yīng)力方向伸展。所以地應(yīng)力的大小和方向?qū)拥目蓧毫研缘挠绊懛浅４?，其中最主要的影響是其大小對壓裂高度的控制[10]。

地應(yīng)力大小的計(jì)算利用石油大學(xué)黃榮樽教授的地應(yīng)力計(jì)算模型[11]：

(1)

(2)

(3)

式中，g是重力加速度，m/s2；ρ是巖石密度，g/cm3；μ是地層的泊松比，無量綱；α是地層孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)，無量綱；Pp是地層孔隙壓力，MPa；Kh，KH分別是最小和最大水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；σv是上覆地層壓力，MPa；σh，σH分別是最小和最大水平主應(yīng)力，MPa。根據(jù)查閱的附近地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得出：最小水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)Kh為0.46，最大水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)KH為0.59。

2.2 儲層水平主應(yīng)力方向計(jì)算

在裂縫不發(fā)育的地層中，其時(shí)差各向異性主要是由于地應(yīng)力的不均衡所致[12]，此時(shí)計(jì)算的快橫波方位角代表著現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向；在裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育的地層，由裂縫系統(tǒng)所致各向異性差異，此時(shí)所計(jì)算的地層地應(yīng)力方向代表著裂縫系統(tǒng)的走向[13]。經(jīng)分析，該地區(qū)的裂縫發(fā)育并不明顯，因此在該地區(qū)可以用快橫波的方位角計(jì)算最大水平主應(yīng)力的方向。

圖2中展示了LX-6井1 450～1 480 m地應(yīng)力方向處理的成果。第一道：巖性曲線，GR(自然伽馬，API)，CAL(井徑，in)；第二道：深度道，m；第三道：各向異性大小，ANI為各向異性度(%)，ANIA為裸眼井平均各向異性度(%)；第四道：地應(yīng)力大小，DMAX為最大水平主應(yīng)力(MPa)，DMIN為最小水平主應(yīng)力(MPa)；第五、六道：快橫波方位，F(xiàn)ast Azimuth為快橫波方位角的頻率圖(deg)，AMAP為各向異性變密度圖，F(xiàn)ANGCRI為快橫波相對于地理北極的方位(deg)，F(xiàn)API為FANGCRI+180(°)(deg)。(ANI=2(S1-S2)/(S1+S2)×100%；S1是慢橫波時(shí)差，S2是快橫波時(shí)差)。

圖1 LX6井(1 450～1 480 m)地應(yīng)力處理成果

2.3 測井地應(yīng)力與壓裂工程地應(yīng)力對比

基于陣列聲波測井資料計(jì)算的地應(yīng)力[14]是否準(zhǔn)確需要進(jìn)行驗(yàn)證，對照驗(yàn)證方式主要有兩種：一是利用巖心聲學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的地應(yīng)力與利用測井資料計(jì)算的地應(yīng)力進(jìn)行對比；二是利用測試時(shí)的地層瞬時(shí)停泵壓力資料與利用測井資料計(jì)算的地應(yīng)力進(jìn)行對比。

圖2為巖石聲學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算的地應(yīng)力與基于陣列測井計(jì)算地應(yīng)力的交會圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測井計(jì)算最大水平主應(yīng)力小于40 MPa時(shí)或最小水平主應(yīng)力小于36 MPa時(shí)，產(chǎn)氣層段和非氣層段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測井結(jié)果幾乎一致；當(dāng)測井計(jì)算最大水平主應(yīng)力大于40 MPa時(shí)或最小水平主應(yīng)力大于36 MPa時(shí)，非產(chǎn)氣層段的結(jié)論依然不變，但是產(chǎn)氣層段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻大于測井結(jié)果，但其數(shù)據(jù)量較少，因此并不能說明問題。所以，根據(jù)圖2僅可知，用陣列聲波測井計(jì)算地應(yīng)力與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算地應(yīng)力在最大水平主應(yīng)力小于40 MPa時(shí)或最小水平主應(yīng)力小于36 MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果較為可靠。

蔣廷學(xué)認(rèn)為求取裂縫閉合壓力的可靠方法是使用長源距聲波測井和裂縫監(jiān)測的方法，在以往的壓裂設(shè)計(jì)中，為留有余地，一般將瞬時(shí)停泵壓力與井底流壓之差作為作用在支撐劑上的有效閉合壓力，其實(shí)質(zhì)是認(rèn)為瞬時(shí)停泵壓力就是裂縫的閉合壓力，這將會帶有較大誤差[15]。從圖3中也可以看出，利用陣列聲波計(jì)算的最小水平主應(yīng)力與測試獲取的瞬時(shí)停泵壓力大小存在差異，尤其在測試瞬時(shí)停泵壓力小于25 MPa時(shí)，陣列聲波測井計(jì)算的最小水平主應(yīng)力明顯偏大。

圖2 巖石聲學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算地應(yīng)力與測井地應(yīng)力關(guān)系

圖3 測井資料計(jì)算最小水平主應(yīng)力與地層瞬時(shí)停泵壓力關(guān)系

3 主力氣層最小水平主應(yīng)力分布特征描述

基于臨興區(qū)塊康寧東區(qū)和康寧西區(qū)的29口井的8個(gè)主力氣層段(千5段、盒2段、盒4段、盒6段、盒7段、盒8段、太1段及太2段)最小水平主應(yīng)力的大小與方向的統(tǒng)計(jì)，繪制的部分最小水平主應(yīng)力的平面分布圖(圖4與圖5)。利用該平面圖可以從橫向和縱向比較最小水平主應(yīng)力的大小與方向。

縱向上，最小水平主應(yīng)力的大小和方向都具有連續(xù)性。從圖4到圖5，隨著地層深度的增加，圖中顏色逐漸變藍(lán)，表明了康寧區(qū)的最小水平主應(yīng)力大小隨著深度增加整體在縱向上都在逐漸增大。圖中的玫瑰圖是對快橫波方位角(最大水平主應(yīng)力方向)的統(tǒng)計(jì)，所以玫瑰圖指明的方向是最大水平主應(yīng)力方向。大多數(shù)井的玫瑰圖特征表明與最大水平主應(yīng)力方向相互垂直的紅色最小水平主應(yīng)力的方向在縱向上都保持了穩(wěn)定性和連續(xù)性，符合實(shí)際地質(zhì)情況。

橫向上，通過陣列聲波測井計(jì)算的最大水平主應(yīng)力方向較為雜亂，并沒有很好的相關(guān)性。但是，其最小水平主應(yīng)力的大小，總體上呈現(xiàn)出康寧東區(qū)比康寧西區(qū)大的特點(diǎn)。這一特征與生產(chǎn)上康寧東區(qū)的產(chǎn)能比康寧西區(qū)更大相吻合。

4 最小水平主應(yīng)力與壓裂效果及產(chǎn)能的關(guān)系

在儲層產(chǎn)能—測井與產(chǎn)能關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，利用臨興地區(qū)28個(gè)測試層，41個(gè)解釋層的數(shù)據(jù)，已確定了儲層的儲集性能對產(chǎn)能具有主要的影響，并建立了評價(jià)圖版和標(biāo)準(zhǔn)(圖6)。

在保持井眼居中、地層含水飽和度15%左右且經(jīng)過泥質(zhì)校正，做密度孔隙度減去中子孔隙度的差值。由圖6可以看出，自然伽馬與密度中子孔隙度差值可以對四個(gè)產(chǎn)能等級的儲層進(jìn)行有效地劃分，密度中子孔隙度差值<-3%為壓后無阻流量<3 000 m3/d儲層；密度中子孔隙度差值>4%為壓后無阻流量>10 000 m3/d儲層；密度中子孔隙度差值介于-3%～4%之間時(shí)，當(dāng)自然伽馬>50API為壓后無阻流量3 000～10 000 m3/d儲層；當(dāng)自然伽馬<50API為壓后無阻流量>10 000 m3/d儲層。

圖4盒4段最小水平主應(yīng)力分布圖5盒6段最小水平主應(yīng)力分布

圖6 分級產(chǎn)能自然伽馬和密度中子孔隙度差值關(guān)系

雖然該圖版(圖6)可以定性地將產(chǎn)能劃分，但卻不能再細(xì)分，主要是因?yàn)閴毫押蟮漠a(chǎn)能不僅與儲集性能有關(guān)，還與地層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

從上一小節(jié)中的最小水平主應(yīng)力平面分布圖觀察，康寧東區(qū)的最小水平主應(yīng)力大小要明顯大于康寧西區(qū)，與實(shí)際生產(chǎn)中的康寧東區(qū)的產(chǎn)能小于康寧西區(qū)吻合，因此利用11口井的21個(gè)產(chǎn)能段資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用壓后產(chǎn)能與最小水平主應(yīng)力作交會圖(圖7)。

圖7 壓后無阻流量與最小水平主應(yīng)力關(guān)系

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著最小水平主應(yīng)力的增加，壓后無阻流量整體上呈現(xiàn)下降趨勢。這種現(xiàn)象說明最小水平主應(yīng)力也是產(chǎn)能的影響因素之一。因此，基于控制變量法，選取了品質(zhì)條件相近的儲層，觀察其最小水平主應(yīng)力與產(chǎn)能的關(guān)系。

從圖9中可以看出儲層產(chǎn)能主要受儲層品質(zhì)的影響，但是在儲層品質(zhì)條件相近時(shí)，最小水平主應(yīng)力的大小與儲層產(chǎn)能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，最小水平主應(yīng)力越小，儲層產(chǎn)能越高。

圖8 同等孔隙度下，最小水平主應(yīng)力與儲層產(chǎn)能關(guān)系

圖10a和圖10b中選取的兩口井，分別是LX6、LX9盒8段。這兩個(gè)層段的物性條件非常近似，但是產(chǎn)能差異非常明顯。如圖9中所示，2個(gè)具有相同儲層品質(zhì)的儲層由于最小水平主應(yīng)力存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)能出現(xiàn)區(qū)別。

5 結(jié) 論

一般情況下，儲層巖石的閉合壓力大致等于儲層的最小水平主應(yīng)力。最小水平主應(yīng)力較大，說明該儲層巖石的閉合壓力越大，因此，壓裂時(shí)需要壓裂的壓力要增大。另外，隨著距離壓裂點(diǎn)距離的增加，巖石保持閉合狀態(tài)，張開難度增大，所以導(dǎo)致壓裂的效果不充分，所以產(chǎn)能會降低。因此，在儲層的產(chǎn)能評價(jià)時(shí)，需要結(jié)合儲層的品質(zhì)及最小水平主應(yīng)力的大小綜合考慮。在儲層品質(zhì)條件相近時(shí)，最小水平主應(yīng)力的大小與儲層產(chǎn)能有一定的關(guān)系，最小水平主應(yīng)力越小，儲層產(chǎn)能越高。因此利用地應(yīng)力大小和方向建立儲層壓裂產(chǎn)能評價(jià)，對致密氣儲層開發(fā)具有一定的參考意義。

圖9 盒8上段最小水平主應(yīng)力分布(圖中標(biāo)紅圈即對應(yīng)圖10中的井)

a LX6井盒8段(1 641.8～1 651.9 m)壓后產(chǎn)氣8 280×103m3/(d·m) b LX9井盒8段(1 737.8～1 752.9 m)壓后產(chǎn)氣微量

圖10部分相同層段近似儲層品質(zhì)而不同產(chǎn)能對比