基于主方向Kaiser效應(yīng)的地應(yīng)力測試技術(shù)

徐延濤，郭布民，邱守美，黃 杰，王緒性，王洪斌，陳 玲

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

地應(yīng)力是地殼中的巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)[1]，對(duì)于油田合理注采開發(fā)、油井套損、水力壓裂尤其是油田整體壓裂方案等具有重要意義[2]。目前地應(yīng)力預(yù)測技術(shù)主要有測井計(jì)算法、數(shù)值模擬法、地應(yīng)力測量法等[3]。采用測井資料計(jì)算地應(yīng)力方法[4-6]隨著測井技術(shù)發(fā)展越來越完善，可以獲取地應(yīng)力方向、大小，并且能夠得到沿著井筒的連續(xù)地應(yīng)力剖面，但該方法需要實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；地應(yīng)力測量法又分為現(xiàn)場測量與室內(nèi)測量，現(xiàn)場測量[7]應(yīng)用最廣泛的是水壓致裂法，該方法無需巖石力學(xué)參數(shù)參與計(jì)算，測量結(jié)果可靠穩(wěn)定，但成本相對(duì)較高；地應(yīng)力室內(nèi)測量[8-9]目前最常用的是差應(yīng)變法與聲發(fā)射法，常規(guī)測量方法實(shí)驗(yàn)工作量大、對(duì)巖心要求高，限制了地應(yīng)力測量技術(shù)廣泛應(yīng)用。地應(yīng)力數(shù)值模擬方法[10-13]綜合利用地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)與測井計(jì)算成果回歸分析得到三維空間應(yīng)力場分布規(guī)律。本文首先通過巖石波速各向異性確定巖心最大、最小水平主應(yīng)力方向，然后在水平主應(yīng)力方向上鉆取巖心進(jìn)行Kaiser 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)測量水平主應(yīng)力大小，即主方向Kaiser 效應(yīng)分析法，該方法在水平方向僅鉆取2 塊巖心即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大幅度降低了對(duì)巖心長度的要求及實(shí)驗(yàn)工作量，有利于地應(yīng)力室內(nèi)測量方法的推廣應(yīng)用。

1 常規(guī)的聲發(fā)射分析法

巖石在外部載荷作用下，微裂隙發(fā)生破壞和擴(kuò)展，其部分能量以聲波的形式釋放出來，稱為巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象[14]，也被稱為Kaiser 聲發(fā)射效應(yīng)。

常規(guī)Kaiser 聲發(fā)射需要在全直徑鉆井心柱上至少要取4 塊巖心，見圖1，垂向取1 塊巖心，水平方向需要間隔45 度提取3 塊巖心。分別對(duì)4 塊巖心進(jìn)行Kaiser聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)彈性力學(xué)理論就可確定水平最大、最小主應(yīng)力和垂向地應(yīng)力。常規(guī)方法對(duì)巖心長度要求至少在15 cm 以上，且連續(xù)無裂紋，條件比較苛刻。

圖1 常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)取心示意圖

2 主方向Kaiser 效應(yīng)分析法

主方向Kaiser 效應(yīng)分析法的基本原理與常規(guī)Kaiser 效應(yīng)分析法一致，但其首先利用巖心聲波各向異性與主應(yīng)力方向之間的關(guān)系簡化了實(shí)驗(yàn)過程、降低了巖心的要求及實(shí)驗(yàn)工作量。

2.1 波速各向異性測試主應(yīng)力方向

地層巖石是處在三向應(yīng)力狀態(tài)下的，當(dāng)鉆井取心時(shí)巖石脫離應(yīng)力作用狀態(tài)，將產(chǎn)生應(yīng)力釋放，在應(yīng)力釋放過程中巖石會(huì)產(chǎn)生許多十分微小的裂隙，這些微裂隙與卸載程度成比例。在最大水平地應(yīng)力方向上巖心的松弛變形最大，由于巖心中微小裂隙的存在，將使聲波在巖心的不同方向上傳播的速度有明顯的各向異性特征。巖石在原地層中所受應(yīng)力大的方向上聲波傳播速度慢，反之在所受應(yīng)力較小的方向上，聲波傳播速度則較快。測量時(shí)，在巖心的橫截面上每間隔一定角度測量一組波速，通過測定不同方向（徑向）的聲波時(shí)差，確定最大水平主應(yīng)力方向[15]。

本文提取海上某深層低滲氣藏全直徑巖心，長度6 cm，按照?qǐng)D2 標(biāo)識(shí)線進(jìn)行聲波波速測量，測量結(jié)果見圖3。

圖2 巖心波速測量標(biāo)識(shí)線

圖3 巖心波速測量曲線

從圖3 可以看出，波速最大的方向?yàn)?35°，即為最小水平主應(yīng)力方向；波速最小的方向?yàn)?5°，即為最大水平主應(yīng)力方向。需要說明一點(diǎn)：聲波波速各向異性所測定的主應(yīng)力方向僅為巖心相對(duì)方向。

2.2 主方向Kaiser 地應(yīng)力測試

通過聲波各向異性測得巖心主應(yīng)力方向后，按照?qǐng)D4 方向鉆取巖心，進(jìn)行聲發(fā)射Kaiser 實(shí)驗(yàn)，測量的地應(yīng)力大小可表示為：

圖4 主方向聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)取心示意圖

式中：σH，σh－最大、最小水平地應(yīng)力；σKH，σKh－最大、最小水平地應(yīng)力方向上的Kaiser 點(diǎn)應(yīng)力；pp－孔隙壓力；α－有效應(yīng)力系數(shù)。

測試結(jié)果見表1。

表1 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 小型測試壓裂分析

利用該井小型測試壓裂數(shù)據(jù)，見圖5，通過壓降曲線分析得到閉合壓力，利用公式（2）及公式（3）計(jì)算得到最大、最小水平主應(yīng)力[16]。

圖5 小型測試壓裂曲線

式中：P閉－裂縫閉合壓力，MPa；Pr－裂縫重張壓力，MPa。

主方向Kaiser 效應(yīng)分析法與小型測試壓裂測量結(jié)果對(duì)比，見表2。

由表2 可看出，主方向Kaiser 效應(yīng)分析法與水力壓裂的測量結(jié)果吻合較好，說明主方向Kaiser 效應(yīng)分析法測量地應(yīng)力是完全可行的，并且降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)巖心的要求及實(shí)驗(yàn)工作量，為室內(nèi)地應(yīng)力測量提供了一套簡易可行的新方法。

表2 不同地應(yīng)力測試方法結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

（1）在常規(guī)聲發(fā)射分析法的基礎(chǔ)上結(jié)合巖石波速各向異性與地應(yīng)力方向的相關(guān)性原理，建立了一套室內(nèi)地應(yīng)力測量的新方法，即主方向Kaiser 效應(yīng)分析法。實(shí)例研究表明該方法的測量精度滿足要求，實(shí)驗(yàn)方案切實(shí)可行。

（2）主方向Kaiser 效應(yīng)分析法根據(jù)巖石波速各向異性特征確定出的水平地應(yīng)力方向來加工實(shí)驗(yàn)巖樣，降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)巖心的要求及實(shí)驗(yàn)工作量，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。