Determining the Direction of Natural Fractures by Combining Acoustic Emission with Paleomagnetism

Wei Li, Xiaowei Gong, Kelin Wang, Jin ZhouSchool of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang

2Exploration Division, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang

3Oil and Gas Engineering Research Institute, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang

Abstract

Keywords

1.前言

在水力壓裂過程中，人們越來越意識到掌握天然裂縫方向的重要性。水力壓裂不僅能夠提高老油田的產(chǎn)量，也是實現(xiàn)非常規(guī)油氣有效開發(fā)的重要技術手段之一。而水力壓裂能否形成復雜裂縫，是評價其能否成功的一個重要標準。水力裂縫能否形成復雜裂縫的影響因素有很多，如工程上的主觀因素以及儲層中的客觀因素，其中天然裂縫對水力裂縫的形態(tài)、擴展延伸方向等都有重要的影響。因此，研究天然裂縫的方向對儲層改造以及開發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇具有十分重要的現(xiàn)實意義。當前，研究天然裂縫方向的評價方法主要有6種[1]：① 通過鉆井取心的方式，直接觀察天然裂縫；② 聲波測井的方法；③ 利用探井和注水開發(fā)動態(tài)資料；④ 施工過程中微地震波測量；⑤ 滯彈性應變恢復；⑥ 三維CT掃描。上述技術方法難度系數(shù)相對較大，且成本較高。為此，筆者利用聲發(fā)射試驗和古地磁相結合確定天然裂縫方向的方法，通過先確定地應力方向，進而確定天然裂縫的方向，解決了大慶長垣南部地區(qū)扶余油層中天然裂縫方向的評價問題。

2.基本原理

主要利用聲發(fā)射試驗中的Kaiser效應，測標志線相對于地應力的方向。材料在受到外載荷作用時裂紋增加，其內(nèi)部貯存的應變能快速釋放，產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。巖石對所受載荷的最大值具有“記憶”效應，只有當加載應力達到或超過先前所施加的最大應力后，才會產(chǎn)生大量聲發(fā)射，這就是Kaiser效應。結合單軸壓縮試驗和聲發(fā)射系統(tǒng)測試巖石Kaiser效應特征，從而確定巖石地應力，進而得出標志線相對于地應力的方向[2][3][4][5]。

巖石或沉積物中鐵磁礦物具有記錄和保存地磁方向的能力。地磁場長期作用的結果使地球具有軸向地心偶極子磁場性質。在實驗室內(nèi)，通過磁清洗(退磁方法)，可獲得巖心定向所需的原生剩磁、天然剩磁和次生剩磁等磁矢量?，F(xiàn)代地磁場作用下，疊加的黏滯剩磁(VRM)屬于次生剩磁，現(xiàn)代地磁場的水平分量與地理北極之問存在一個地區(qū)性磁偏角，在大慶長垣附近，該磁偏角約為10? (中科院地球物理所，1987)。因此，在獲得VRM矢量后，即可將巖心進行定向[6][7][8][9]。

3.試驗巖樣的制備

首先，在巖樣的圓柱面上畫一條有方向的標志線(標志線是聲發(fā)射試驗和古地磁法測量共同的參考線)，并將標志線的方向順延到巖樣斷面上，在斷面上畫出平行于該條線的一組平行線，如圖1所示。然后，將取完心的巖樣制成直徑為25 mm、高為25 mm的標準試樣。具體的過程是：將帶有標志線的巖樣放在切割機上固定好，進行切割，切成直徑為25 mm、高為25 mm的標準試樣。

Figure 1.The preparation of acoustic emission and paleomagnetic rock samples圖1.聲發(fā)射和古地磁巖樣的準備

對于一個巖樣來說，聲發(fā)射法求出的應力分量，就是巖樣加載方向的正應力分量。從巖心庫中取出一塊巖心(直井段)，假設一個主應力的方向為垂直方向，加工巖樣的方向為垂直方向，進行垂直主應力測試。通常只有在水平面內(nèi)取出3個方向以上的巖樣，才可用聲發(fā)射法測出水平內(nèi)的應力狀態(tài)。該次研究由于巖樣有限，只取了3個方向的巖樣，分別為0?、45?和90?，其中0?為標志線方向。由于巖樣偏小，為了便于進行單軸壓縮試驗時，探頭能夠順利安裝，設計了2個剛性試件，如圖2所示。

Figure 2.The acoustic emission probe specimen圖2.聲發(fā)射探頭試件

4.數(shù)據(jù)處理方法

通過聲發(fā)射試驗以及單軸壓縮試驗，得出計數(shù)、載荷與時間的關系曲線。在數(shù)據(jù)處理中，將聲發(fā)射中計數(shù)的突變點作為地應力Kaiser效應點。但是測量過程中出現(xiàn)了多個突變點，給Kaiser效應點的確定帶來了一定困難。為此，將所有巖樣的計數(shù)、載荷與時間的關系曲線進行綜合考慮，找出其規(guī)律性，將具有共同特征的突變點作為Kaiser效應點。圖3為同一樣品中，從不同方向(0?、45?和90?)取出的3個巖心試件的曲線圖。由圖3可見，0?方向的Kaiser效應點對應的應力值為40 MPa，45?方向的Kaiser效應點對應的應力值為36 MPa，90?方向的Kaiser效應點對應的應力值為35 MPa。然后將得到的應力值代入公式(1)，得到不同方向的正應力：

Figure 3.The relationship of stress and count changing with time of rock core specimen in different directions圖3.不同方向巖心試件的應力、計數(shù)隨時間的變化關系

式中：σθ為θ方向的正應力(AE法的測量值)，MPa；θ為標志線方向，(?)；σx、σy、τxy分別為X、Y、XY坐標軸方向的地應力分量，MPa。

將不同方向θ的測量值分別代入公式(1)，聯(lián)立方程組，即可求出以X、Y為坐標軸的地應力分量。根據(jù)彈性理論，將σx、σy、τxy代入公式(2)、(3)和(4)[10]，可得水平最大主應力(σH)、水平最小主應力(σh)及其作用方向(α，即為最大主應力與標志線的夾角)：

運用Fisher統(tǒng)計方法處理古地磁試驗得到的數(shù)據(jù)，最終得出樣品的測試結果。利用黏滯剩磁定向測定的磁偏角可直接轉為地理北極方向(在鉆取巖心傾角很小情況下)，不考慮地質年代、當?shù)卮牌恰６艃A角(垂直向量)取決于當?shù)氐牡乩砭暥?，該緯度與磁傾角的關系式為[11]：

式中：I為黏滯剩磁磁傾角，(?)；L為當?shù)氐牡乩砭暥龋??)。

因此，如取樣地點的緯度已知，可在相關溫度內(nèi)(低于350℃)，通過篩選向量矢量方法分離黏滯剩磁，其中總有某一個傾角接近于地球中心偶極(GAD)磁場值，然后校正向量偏角，由此確定巖心原始方位[11]。

5.試驗結果

通過聲發(fā)射和古地磁試驗得出了大慶長垣南部地區(qū)3口井的地應力狀況(天然裂縫分布情況)，結果見表 1、表 2。古地磁與聲發(fā)射測量結果表明：σH方向為 NE91.9?～NE112.9?。該結果與地層傾角測井曲線測得的結果較為一致，因此可以認為在大慶長垣南部地區(qū)儲層中，天然裂縫的方位為NE91.9?～NE112.9?，可為儲層改造以及開發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇提供依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

Table 2.The main stress measurement results of acoustic emission and paleomagnetism表2.聲發(fā)射與古地磁主應力測量結果

6.結語

利用聲發(fā)射與古地磁巖心定向測定了大慶長恒南部地區(qū) 3口井的地應力方向，天然裂縫的方位為NE91.9?～NE112.9?，與地層傾角測井曲線測得的結果接近。利用聲發(fā)射結合古地磁巖心定向的方法，能夠正確測出地層中三向應力分布的方向，進而得出天然裂縫的方位，對儲層改造以及開發(fā)井井排方向的確定和井網(wǎng)的選擇，具有十分重要的現(xiàn)實意義。