徐 珂, 戴俊生, 商 琳, 馮建偉, 房 璐

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東青島 266580; 2.中國(guó)石油冀東油田勘探開(kāi)發(fā)研究院, 河北唐山 063004; 3.中國(guó)石油塔里木油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆庫(kù)爾勒 841000)

深層低滲透砂巖油藏是冀東油田近年來(lái)勘探的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。深層低滲透砂巖油藏埋藏深度大,斷層特征復(fù)雜,巖性、巖相及物性變化快,現(xiàn)今地應(yīng)力數(shù)值差異大且方向多變,人工裂縫走向不明確,井網(wǎng)與縫網(wǎng)匹配優(yōu)化難度大。為了滿足勘探開(kāi)發(fā)一體化的需求,合理調(diào)整開(kāi)發(fā)措施,需要針對(duì)復(fù)雜斷塊低滲油藏開(kāi)展地應(yīng)力三維空間分布預(yù)測(cè)工作,為壓裂開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持,對(duì)提高低滲透油藏開(kāi)發(fā)效果意義重大[2-5]。井點(diǎn)現(xiàn)今地應(yīng)力可以通過(guò)測(cè)量、測(cè)試以及測(cè)井計(jì)算的方法獲得。目前已有一套較為成熟的測(cè)量與測(cè)試手段,通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)、波速各向異性法、水力壓裂法、聲發(fā)射法與差應(yīng)變法等手段確定井點(diǎn)現(xiàn)今地應(yīng)力的數(shù)值與方向[6-8]。受取心與測(cè)試成本等客觀因素的限制,測(cè)試數(shù)據(jù)有限,結(jié)合測(cè)井資料,包括通過(guò)成像測(cè)井觀察誘導(dǎo)縫走向與井壁崩落方位以及多極子陣列聲波測(cè)井可確定現(xiàn)今地應(yīng)力方向,中外學(xué)者也提出了大量基于測(cè)井資料的非均質(zhì)地層地應(yīng)力計(jì)算模型[9-11]來(lái)確定地應(yīng)力的數(shù)值。然而井點(diǎn)實(shí)測(cè)的非連續(xù)點(diǎn)數(shù)據(jù)與測(cè)井計(jì)算的一維連續(xù)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確、全面地描述油藏應(yīng)力場(chǎng)分布特征。對(duì)于井間地應(yīng)力的研究,還缺乏一套成熟的解析方法與預(yù)測(cè)技術(shù)。目前應(yīng)力場(chǎng)的模擬與預(yù)測(cè)主要基于井點(diǎn)約束的二維有限元模擬與三維有限元模擬[12-18],前者一般用于盆地尺度進(jìn)行大范圍模擬,主要針對(duì)地應(yīng)力方向進(jìn)行預(yù)測(cè)以及對(duì)地應(yīng)力數(shù)值的定性研究,后者的三維模型是通過(guò)對(duì)目的層構(gòu)造圖進(jìn)行人工數(shù)字化處理獲取的地層三維坐標(biāo)來(lái)建立,雖然能體現(xiàn)斷層與構(gòu)造起伏對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響,但人工數(shù)字化精度較低,且將一定區(qū)塊的地層視為均一地質(zhì)體,即全區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)用約束井的巖石力學(xué)參數(shù)替代[19],并忽略了斷層傾角與接觸面上的摩擦,降低了模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果的精度,難以滿足油藏應(yīng)力場(chǎng)研究的需要,是制約低滲透油藏開(kāi)發(fā)效果進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問(wèn)題。筆者基于“巖心測(cè)試-測(cè)井計(jì)算-地震屬性”, 構(gòu)建高深南區(qū)三維巖石力學(xué)場(chǎng),通過(guò)Petrel和Ansys聯(lián)合建模,利用有限元數(shù)值模擬法對(duì)其現(xiàn)今地應(yīng)力三維空間分布進(jìn)行研究,并提供壓裂優(yōu)勢(shì)區(qū)和優(yōu)勢(shì)井段優(yōu)選的建議。

1 研究區(qū)概況

高尚堡深層油藏位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部南堡凹陷的高尚堡構(gòu)造帶,是一個(gè)受高柳斷層及其派生斷層作用形成的復(fù)雜斷塊區(qū)[20],高尚堡深層油藏被高北斷層分為兩個(gè)區(qū)域,北區(qū)與南區(qū)。北區(qū)斷層走向多為NE向,斷塊呈條帶狀或類(lèi)橢圓狀,南區(qū)的斷層展布與北區(qū)不同,NE向和NW向斷層均很發(fā)育,呈網(wǎng)狀展布,南區(qū)被斷層切割為若干近矩形或菱形的斷塊(圖1),是一個(gè)典型的復(fù)雜斷塊油藏,主要含油層位為Es32+3,以南區(qū)(高深南區(qū))Es32+3作為研究的目標(biāo)區(qū)塊。

高深南區(qū)Es32+3包含5個(gè)油組,自上到下分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ油組。埋深大于3 200 m,主要為扇三角洲沉積砂體[20],據(jù)冀東油田已有測(cè)試數(shù)據(jù),高深南區(qū)平均孔隙度為16.3%,平均滲透率為47.1×10-3μm2,屬于中低孔、低滲透油藏。另外高深南區(qū)物性差、非均質(zhì)強(qiáng)、構(gòu)造裂縫不甚發(fā)育。經(jīng)過(guò)多年的注水開(kāi)發(fā),目前已進(jìn)入井網(wǎng)層系重組階段。

2 三維地質(zhì)建模與巖石力學(xué)場(chǎng)

2.1 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

地質(zhì)模型的精度是預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性的保證。為了提高建模精度,采用三維可視化建模軟件Petrel,基于錄井資料、測(cè)井資料、地震資料及區(qū)域地質(zhì)資料構(gòu)建研究區(qū)目的層位的高精度地質(zhì)模型,包含構(gòu)造模型及其相關(guān)地質(zhì)信息,構(gòu)造模型主要包括斷層模型與層面模型。斷層模型根據(jù)單井的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)及地震解釋得到的斷層面建立,而地層模型利用構(gòu)造解釋所得的構(gòu)造面擬合成面。為真實(shí)反映地下構(gòu)造特征,構(gòu)造模型還需多種資料結(jié)合調(diào)整與修正。

高深南區(qū)構(gòu)造模型包括5個(gè)油組的層面和14條斷層。從構(gòu)造模型可見(jiàn)高深南區(qū)是一個(gè)被斷層復(fù)雜化的單斜構(gòu)造,總體上北低南高。斷層規(guī)模不等,均為正斷層,斷距為20～120 m,以50°～75°的中高角度傾角為主。

圖1 高深南區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Southern area of Gaoshen

2.2 三維非均質(zhì)巖石力學(xué)場(chǎng)

巖石力學(xué)參數(shù)是地應(yīng)力研究的前基礎(chǔ)。在動(dòng)-靜態(tài)校正后的測(cè)井計(jì)算基礎(chǔ)上,結(jié)合地震屬性,獲取研究區(qū)目的層巖石力學(xué)參數(shù)三維展布[21-22]。

對(duì)取自高深南區(qū)不同斷塊12口井的36塊樣品進(jìn)行單軸/三軸壓縮試驗(yàn),得到的彈性模量、泊松比等彈性參數(shù)為靜態(tài)參數(shù)。利用測(cè)井資料解釋單井剖面上連續(xù)的巖石力學(xué)參數(shù),計(jì)算方法[23]如下:

(1)

(2)

式中,Ed為動(dòng)態(tài)楊氏彈性模量,MPa;μd為動(dòng)態(tài)泊松比,無(wú)量綱;ρb為巖石密度,kg/m3;Δtp和Δts分別為縱波時(shí)差和橫波時(shí)差,μs/m。

從高深南區(qū)具有陣列聲波測(cè)井資料的6口井進(jìn)行縱波時(shí)差與橫波時(shí)差的提取,建立二者之間的關(guān)系:

Δts=2.259 6Δtp-29.774.

(3)

通過(guò)公式(3)計(jì)算高深南區(qū)沒(méi)有陣列聲波測(cè)井資料井點(diǎn)的巖石力學(xué)參數(shù)。測(cè)井計(jì)算得到的彈性參數(shù)為動(dòng)態(tài)參數(shù),反映的是地層在瞬時(shí)加載時(shí)的力學(xué)性質(zhì)。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)彈性模量與泊松比在數(shù)值上存在一定差異。由于巖石的靜態(tài)彈性參數(shù)更適合工程,需要建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,進(jìn)行動(dòng)態(tài)-靜態(tài)參數(shù)校正(圖2),而巖石密度基本不受試驗(yàn)或計(jì)算方法的影響,無(wú)需進(jìn)行校正。

結(jié)合高深南區(qū)地震屬性,得到高深南區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)的三維展布(圖3(b)～(d)),其中彈性模量主要分布在10～50 GPa,泊松比主要集中于0.2～0.25,二者在斷塊內(nèi)及斷塊間差異比較明顯。巖石密度在三維空間上變化較小,數(shù)值主要介于2.1～2.6 g/cm3。

圖2 動(dòng)-靜態(tài)參數(shù)校正Fig.2 Calibration of dynamic and static mechanical parameter

圖3 高深南區(qū)地質(zhì)模型及三維巖石力學(xué)參數(shù)Fig.3 Structural model and its 3D rock mechanics parameters in Southern area of Gaoshen

3 三維非均質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)預(yù)測(cè)

在構(gòu)建三維地質(zhì)模型和非均質(zhì)巖石力學(xué)場(chǎng)之后,開(kāi)展三維非均質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)的精細(xì)預(yù)測(cè)工作。研究思路(圖4)為:首先導(dǎo)出研究區(qū)目的層位的層面數(shù)據(jù)與斷層數(shù)據(jù),借助AutoCAD軟件進(jìn)行曲面和曲線的提取及模型的重構(gòu),再利用自編插件將模型轉(zhuǎn)化為Ansys可以識(shí)別的格式(.iges),實(shí)現(xiàn)模型在Ansys軟件中的建立。其次采用合適的步長(zhǎng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過(guò)編程將粗化后三維非均質(zhì)力學(xué)參數(shù)賦予進(jìn)每一個(gè)網(wǎng)格中,形成有限元模型。以單井現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為約束,并結(jié)合研究區(qū)所處的大地構(gòu)造背景,對(duì)模型施加合適的約束與載荷,結(jié)果由軟件自動(dòng)計(jì)算。最后借助地質(zhì)模型與有限元模型的無(wú)縫焊接技術(shù),將數(shù)值模擬所得到的應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果作為一種地質(zhì)信息再次輸入三維地質(zhì)模型中,進(jìn)行層間應(yīng)力場(chǎng)分析。

圖4 三維非均質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)預(yù)測(cè)的流程Fig.4 Flow chart for precise prediction of 3D heterogeneous stress field

3.1 有限元模型的構(gòu)建

復(fù)雜斷塊區(qū)的模型構(gòu)建要突出斷層的刻畫(huà),特別是內(nèi)部呈網(wǎng)狀展布的斷層。建模的第一步為斷層模型的建立。按照三維構(gòu)造模型的斷層形態(tài)、走向及位置,建立不同規(guī)模、不同傾角的斷層14條(圖5(a))。第二步建立層面模型,并根據(jù)斷距值設(shè)置斷層厚度,以符合地質(zhì)規(guī)律(圖5(b))。由于邊界斷層產(chǎn)生的影響可以通過(guò)調(diào)整邊界條件實(shí)現(xiàn),所以研究重點(diǎn)刻畫(huà)了區(qū)塊內(nèi)部的網(wǎng)狀斷層。以往研究往往忽略了斷層的摩擦,而斷層面的摩擦強(qiáng)度會(huì)影響地應(yīng)力狀態(tài)[24-25],將摩擦系數(shù)設(shè)置為臨界下限μ=0.6[24]。第三步在地層與斷層模型外建立一個(gè)立方體作為圍巖,以便施加復(fù)雜的邊界條件。第四步選

擇合適的單元類(lèi)型及網(wǎng)格邊長(zhǎng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。高深南區(qū)樣品的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明樣品總體表現(xiàn)為脆性變形,按彈性體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。Solid186是最符合地下巖體性質(zhì)的固體結(jié)構(gòu)單元,可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)格模型[19],且符合儲(chǔ)層巖石的力學(xué)特性[26],所以采用Solid186作為斷層與地層的單元類(lèi)型。權(quán)衡模擬精度與運(yùn)算效率,力求二者達(dá)到平衡,將斷層網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為150,地層和圍巖網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為300,模型共劃分節(jié)點(diǎn)41 485個(gè),單元232 109個(gè)(圖5(c))。第五步對(duì)高深南區(qū)有限元模型的單元賦予非均質(zhì)巖石力學(xué)參數(shù)?；赑etrel建立的三維精細(xì)模型包含百萬(wàn)級(jí)三維網(wǎng)格,即包含百萬(wàn)級(jí)組巖石力學(xué)參數(shù),Ansys難以處理如此巨大數(shù)據(jù)量的計(jì)算。采用算數(shù)平均的粗化方法,通過(guò)編程使一組相鄰網(wǎng)格只包含一組參數(shù),從而使巖石力學(xué)參數(shù)與有限元單元的數(shù)量一致,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維非均質(zhì)巖石力學(xué)參數(shù)的賦予。需要說(shuō)明的是圖5(d)每個(gè)三角形網(wǎng)格代表一種材料,包含一個(gè)由彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)組成的數(shù)組,不同顏色代表材料的不同編號(hào),當(dāng)材料數(shù)量多于Ansys顏色種類(lèi)時(shí),默認(rèn)用特定的顏色序列循環(huán)著色,網(wǎng)格顏色不代表巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)值的分布。

圖5 高深南區(qū)有限元模型構(gòu)建Fig.5 Construction of finite element model of Southern area of Gaoshen

3.2 邊界條件

采用差應(yīng)變法對(duì)高深南區(qū)12口井進(jìn)行現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。高深南區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力數(shù)值分布區(qū)間大,具有較高離散性。最大水平主應(yīng)力(SHmax)介于37.59～81.32 MPa,最小水平主應(yīng)力(Shmin)變化區(qū)間為32.9～70.17 MPa,垂向主應(yīng)力(SV)變化區(qū)間為47.16～84.98 MPa,水平差應(yīng)力(SHmax-Shmin)介于2.88～21.15 MPa,地應(yīng)力總體上呈西低東高的分布趨勢(shì)。12口井的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)均滿足SV>SHmax>Shmin,且Shmin為擠壓應(yīng)力,屬于Ia類(lèi)型的地應(yīng)力狀態(tài)[24]。

根據(jù)井壁崩落方位、井下微地震監(jiān)測(cè)及陣列聲波測(cè)井等方法確定高深南區(qū)15口井的最大水平主應(yīng)力方向,繪制最大水平主應(yīng)力方向的玫瑰花圖(圖6(a)),結(jié)合研究區(qū)所處的大地構(gòu)造背景(圖6(b)),并以表1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為約束,經(jīng)過(guò)多次試算確定模型的邊界條件(圖6(c))。在模型西部邊界施加60 MPa的壓力,北部邊界施加60～65 MPa的梯度壓力,模型南部施加55～65 MPa的梯度壓力,東部邊界施加66～78 MPa梯度壓力的同時(shí)再施加10 MPa的右旋走滑,模擬郯廬斷裂的影響。垂直方向在巖體重力的基礎(chǔ)上再施加45 MPa的壓力。

圖6 高深南區(qū)邊界條件及設(shè)置依據(jù)Fig.6 Boundary conditions of model and its evidence in Southern area of Gaoshen

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)與分析

通過(guò)有限元模擬及計(jì)算,得到高深南區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力分布特征,包括最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂向主應(yīng)力及水平差應(yīng)力的方向與數(shù)值。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表1、2)可見(jiàn)最大水平主應(yīng)力方向的平均誤差為7.80%,最大水平主應(yīng)力數(shù)值的平均誤差為6.02%,最小水平主應(yīng)力數(shù)值的平均誤差為7.81%,垂向主應(yīng)力數(shù)值的平均誤差為6.80%,水平應(yīng)力差的平均誤差值為1.04 MPa。

表1 高深南區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果及誤差分析

表2 高深南區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力方向模擬結(jié)果及誤差分析Table 2 Error analysis of simulation results of orientation of the maximum horizontal principal stressin Southern area of Gaoshen

高深南區(qū)三維應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)可見(jiàn)最大水平主應(yīng)力數(shù)值分布趨勢(shì)總體呈西低東高,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布趨勢(shì)一致。最大水平主應(yīng)力數(shù)值主要介于53～80 MPa,隨埋深增大,最大水平主應(yīng)力值增大。斷層周邊的應(yīng)力值較低,約25～46 MPa,與地層相比,最大水平主應(yīng)力值降低了40%～50%(圖7(a))。規(guī)模大(斷距大、延伸長(zhǎng))的斷層引起的低值區(qū)范圍較大。在斷層交匯處內(nèi)部巖體碎裂更為嚴(yán)重,應(yīng)力值降低程度增大。斷層傾角的差異對(duì)地應(yīng)力的分布也有不同,傾角越大斷層引起的低值區(qū)范圍較小,而傾角越小低值區(qū)范圍較大。

圖7 高深南區(qū)三維應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.7 Simulation results of 3D stress field in southern area of Gaoshen

最大水平主應(yīng)力方向總體呈NE-NEE,變化范圍一般在NE 60°～85°。不同斷塊間的最大水平主應(yīng)力方向有較大差異,而在同一斷塊內(nèi)部,方向比較統(tǒng)一,變化也較為規(guī)律。如圖7(c),斷塊A和斷塊H的最大水平主應(yīng)力方向約為NE 60°～68°,斷塊B的方向約為NE70°,斷塊C、D、E的方向主要在NE 76°～85°之間變化,而斷塊F、G的方向則近于E-W向。

最大水平主應(yīng)力方向的變化主要受斷層影響。在斷層附近一定范圍的區(qū)域,最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)程度與斷層的屬性參數(shù)有關(guān)。當(dāng)斷層走向與區(qū)域最大水平主應(yīng)力呈30°～60°的夾角時(shí),最大水平主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度最大且順著斷層走向偏轉(zhuǎn),如圖7(c)中在斷層F1、F2、F3走向約40°,區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向約為70°～80°,二者呈約40°夾角,在斷層F1、F2、F3附近,最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),與斷層走向平行。當(dāng)區(qū)域最大水平主應(yīng)力與斷層走向的夾角近于平行或者近于垂直時(shí),即二者夾角小于30°或者大于60°時(shí),最大水平主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)很小甚至不發(fā)生偏轉(zhuǎn),比如斷層F4走向約NW 40°,與區(qū)域最大水平主應(yīng)力呈60°～70°夾角,最大水平主應(yīng)力方向在穿過(guò)時(shí)斷層F4基本沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。斷層的斷距也影響地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)程度,斷距大,地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)明顯且影響范圍廣,而斷距小,影響范圍小且偏轉(zhuǎn)角度小,如斷層F5和F6的引起的最大水平主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)不及斷層F1、F2、F3引起的偏轉(zhuǎn)顯著。

水平應(yīng)力差值總體不超過(guò)25 MPa,一般為3～18 MPa,水平應(yīng)力差數(shù)值分布趨勢(shì)總體也呈西低東高,中西部斷塊的水平應(yīng)力差較低,一般小于9 MPa,局部甚至低于3 MPa,而南東部斷塊為水平應(yīng)力差的高值區(qū),約大于15 MPa(圖7(b))。

由于Ansys有限元模型在縱向的網(wǎng)格步長(zhǎng)較大,難以精確展示高深南區(qū)應(yīng)力場(chǎng)在剖面的特征。但得益于Petrel與Ansys的無(wú)縫焊接技術(shù),將數(shù)值模擬所得到的應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果作為一種地質(zhì)信息再次輸入三維地質(zhì)模型中,將應(yīng)力場(chǎng)剖面特征精細(xì)地呈現(xiàn)(圖7(d)、圖8(a)),可以看出地應(yīng)力在剖面上變化較大,層間地應(yīng)力有較顯著的差異。由于巖石力學(xué)參數(shù)與地應(yīng)力具有定量關(guān)系[27],地應(yīng)力的層間差異與儲(chǔ)層巖石巖石力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性有直接關(guān)聯(lián)。

圖8 地應(yīng)力剖面及壓裂層位優(yōu)選Fig.8 Profile of in-situ stress and optimization of fracturing target position

綜上表明對(duì)于復(fù)雜斷塊油藏,斷層是影響地應(yīng)力分布的最主要因素,能夠顯著影響地應(yīng)力的數(shù)值與方向,斷層的規(guī)模、走向、傾角、形態(tài)等因素對(duì)地應(yīng)力均有不同程度的影響。儲(chǔ)層巖性主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層巖石的力學(xué)參數(shù),是影響地應(yīng)力數(shù)值的重要因素,二者之間具有定量關(guān)系,對(duì)地應(yīng)力方向影響較小。高深南區(qū)的構(gòu)造形態(tài)對(duì)地應(yīng)力的影響僅僅體現(xiàn)在引起斷塊內(nèi)部應(yīng)力值的改變,影響程度遠(yuǎn)不及斷層因素和巖性因素。因此斷層的刻畫(huà)與建模是復(fù)雜斷塊區(qū)應(yīng)力場(chǎng)研究的關(guān)鍵,巖石力學(xué)參數(shù)的研究是應(yīng)力場(chǎng)研究的重要基礎(chǔ)。

4 應(yīng) 用

高深南區(qū)屬于低滲透儲(chǔ)層,需改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)才有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能,體積壓裂是該類(lèi)儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的主要措施[28-29]。地應(yīng)力的研究對(duì)壓裂施工有重要的指導(dǎo)作用[30]。

一方面水平主應(yīng)力差值是體積壓裂的關(guān)鍵控制因素[28,31],當(dāng)差值較小時(shí),才容易形成復(fù)雜縫網(wǎng),否則易形成與最大水平主應(yīng)力平行的單一方向裂縫。高深南區(qū)三維應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果(圖7(b))表明,G15-20、G104-3、G75、G74等井處于水平應(yīng)力差較低的部位,基本具備通過(guò)體積壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的應(yīng)力條件,可以作為進(jìn)行壓裂作業(yè)的井位。

另一方面壓裂裂縫的開(kāi)啟與延伸受地應(yīng)力狀態(tài)控制,裂縫高度的延伸狀況主要受壓裂層段上最小主應(yīng)力的分布情況控制[32],而長(zhǎng)度的延伸主要受最大水平主應(yīng)力方向控制[33]。正確評(píng)估裂縫在高度和長(zhǎng)度的延伸情況,才能合理確定施工規(guī)模和井網(wǎng)布署,獲得改造儲(chǔ)層的最好效果。結(jié)合地應(yīng)力剖面做進(jìn)一步分析優(yōu)選壓裂層位,以高深南區(qū)G15-20井為例(圖8)。油層主要分布于3 532～3 544 m,其水平應(yīng)力差基本不超過(guò)5 MPa,除3 537.7～3 539.3 m段,水平應(yīng)力差在層間變化也不大。根據(jù)最小水平主應(yīng)力剖面進(jìn)行劃分選區(qū),初步選定A～I(xiàn)為9個(gè)壓裂備選層位。在A區(qū)進(jìn)行壓裂,水力縫起裂之后向下邊的低應(yīng)力區(qū)B延伸,隨后被下部隔層遮擋,此時(shí)被壓裂的井段是A+B,需要考慮液量與施工規(guī)模。在B區(qū)壓裂,裂縫上下受阻僅在B區(qū)延伸,壓裂施工規(guī)模較小。在F區(qū)進(jìn)行壓裂,由于該區(qū)水平應(yīng)力差偏大約為15 MPa,不易形成復(fù)雜縫網(wǎng),并且裂縫易向上部地應(yīng)力區(qū)的非油層延伸,不是壓裂的優(yōu)勢(shì)層位。在G區(qū)壓裂,裂縫向上延伸至F區(qū)之上的非油層,向下穿透一套隔層延伸至I區(qū),壓裂液量與施工規(guī)模較大。在H區(qū)和I區(qū)進(jìn)行壓裂作業(yè),裂縫限制在目的區(qū)延伸,不易穿層。另外相比之下H區(qū)具有較低的最小水平主應(yīng)力約為34 MPa,而I區(qū)的水平應(yīng)力差極小約為1 MPa,二者各具優(yōu)勢(shì)。因此壓裂施工期應(yīng)充分明確層間地應(yīng)力的分布,預(yù)估裂縫在層間的延伸,否則易造成施工的砂堵、中止和失敗。

另外地層中的主滲流方向很大程度受壓裂縫延伸方向影響,也就是受最大水平主應(yīng)力方向控制。在開(kāi)發(fā)井網(wǎng)布置上,一般將注采主流線最大限度地與最大水平主應(yīng)力方向避開(kāi)[30],一般呈45°夾角時(shí)效果較好。對(duì)于高深南區(qū),由于構(gòu)造裂縫比較發(fā)育,儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),壓裂縫的延伸不但受地應(yīng)力的影響,與天然裂縫也有很大關(guān)系。因此在井網(wǎng)布置上要考慮地應(yīng)力和天然裂縫的雙重影響。

5 結(jié) 論

(1)高深南區(qū)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E-NEE向,不同斷塊間具一定差異,地應(yīng)力數(shù)值離散性較大,總體呈西低東高,屬于Ia類(lèi)地應(yīng)力(SV>SHmax>Shmin>0)。

(2)斷層是影響高深南區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布的最主要因素,能夠明顯導(dǎo)致地應(yīng)力數(shù)值降低與方向偏轉(zhuǎn),斷層的規(guī)模、走向、傾角、形態(tài)等因素對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)均有不同程度的影響。其次是巖石力學(xué)參數(shù),主要影響地應(yīng)力的數(shù)值,再次是深度因素,其與地應(yīng)力數(shù)值呈較好的線性關(guān)系。

(3)高深南區(qū)中部與東部斷塊水平應(yīng)力差較低,屬于壓裂優(yōu)勢(shì)區(qū),以G15-20為代表的井,其部分油層段具備形成復(fù)雜縫網(wǎng)的條件,是壓裂的優(yōu)勢(shì)層位。

(4)斷層的刻畫(huà)與建模是高深南區(qū)應(yīng)力場(chǎng)研究的關(guān)鍵,三維非均質(zhì)巖石力學(xué)場(chǎng)的構(gòu)建是其重要基礎(chǔ),該技術(shù)不但還原了目標(biāo)區(qū)塊形態(tài),還體現(xiàn)了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性,提高了預(yù)測(cè)精度,為類(lèi)似復(fù)雜斷塊區(qū)地應(yīng)力研究提供了參考,為低滲油藏高效開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。