葛忠偉，歐陽(yáng)嘉穗，蔡文軒，楊 建，周 靜

(中石化西南油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都 610041)

永川頁(yè)巖氣區(qū)塊位于川南帚狀構(gòu)造帶，為川東高陡構(gòu)造帶往川南延伸的傾末端，構(gòu)造較為復(fù)雜。龍馬溪組表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的構(gòu)造格局特征，即區(qū)塊中部為新店子背斜隆起區(qū)，西北和東南分別為石盤鋪和來(lái)蘇向斜的局部，斷裂發(fā)育，構(gòu)造長(zhǎng)軸北東—南西向。

近年來(lái)該區(qū)頁(yè)巖氣水平井方位以南北向部署為主，單井測(cè)試產(chǎn)量偏低，而鄰區(qū)鉆井以北東—南西向?yàn)橹?，且測(cè)試產(chǎn)量較高。研究表明，單井產(chǎn)能除受優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率影響外，水平井軌跡方位也是影響產(chǎn)能的主要因素，而水平井方位的確定主要以與地應(yīng)力方位的相互關(guān)系來(lái)判定，當(dāng)水平井方位與最大水平主應(yīng)力方位垂直時(shí)，水力壓裂易于造縫，進(jìn)而溝通井筒附近一定范圍內(nèi)有機(jī)孔隙中的天然氣，單井產(chǎn)能往往較高。然而，永川頁(yè)巖氣區(qū)塊前期基于測(cè)井資料分析井間地應(yīng)力方位為30°～95°，井間差異較大，給該區(qū)水平井部署帶來(lái)困難。

前人針對(duì)地應(yīng)力的研究方法較多[1]，但多從理論角度來(lái)闡釋，結(jié)合具體勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐較少。該研究在系統(tǒng)地歸納總結(jié)現(xiàn)有地應(yīng)力研究方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)有資料情況下的地應(yīng)力方位判定結(jié)果，提出以提高水平井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為核心的水平井方位部署方案，支撐該區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)建產(chǎn)。

1 研究區(qū)地應(yīng)力方位特征

1.1 地應(yīng)力方位的判定方法

地應(yīng)力產(chǎn)生的原因較多，主要有板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地殼非均勻擴(kuò)容等。根據(jù)地應(yīng)力的方向及相互關(guān)系，可以分為垂向地應(yīng)力(σv)和水平地應(yīng)力，而水平地應(yīng)力又可分為最大水平地應(yīng)力(σH)和最小水平地應(yīng)力(σh)。根據(jù)三者間相互關(guān)系，地應(yīng)力類型又可劃分為正常(拉張)地應(yīng)力(σv>σH>σh)、走滑地應(yīng)力(σH>σv>σh)、反轉(zhuǎn)(擠壓)地應(yīng)力(σH>σh>σv)[2]。在不同地應(yīng)力類型的情況下，水平井方位與最大(或最小)水平地應(yīng)力方向之間的夾角關(guān)系決定了井壁的穩(wěn)定性，同時(shí)，對(duì)大型水力壓裂改造效果也起到了至關(guān)重要的作用。

目前，地應(yīng)力研究的方法較多[3]，包括巖石實(shí)驗(yàn)、測(cè)井響應(yīng)計(jì)算、地球物理反演、數(shù)值模擬以及鉆井工程實(shí)驗(yàn)等。其中，基于測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力大小及方位的成像測(cè)井、聲波測(cè)井及地層傾角測(cè)井常用于石油天然氣行業(yè)。成像測(cè)井判定地應(yīng)力方向主要是通過(guò)“井眼崩落”和“鉆井誘導(dǎo)縫”法，而快橫波的方位指示最大應(yīng)力方向[4]。地層傾角測(cè)井根據(jù)井徑曲線和極板方位角的特征確定井壁崩落段，然后根據(jù)井徑曲線的相對(duì)大小和極板方位角判斷最小水平主應(yīng)力方位，最后統(tǒng)計(jì)并確定最小水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方位。

此外，地球物理預(yù)測(cè)地應(yīng)力的方法主要有基于反射系數(shù)反演、物模多波和各向異性性質(zhì)反演、曲率和楊氏模量屬性、巖石物理模型等地應(yīng)力預(yù)測(cè)方法等。

1.2 地應(yīng)力方位

研究區(qū)基于成像測(cè)井、偶極聲波識(shí)別的應(yīng)力方向變化快。區(qū)塊南部和北部向斜區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向均在45°以上，Y1井最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?0°，Y2井50°，Y3-1井95°。中部新店子背斜區(qū)最大水平主應(yīng)力方向30°～45°。但是，通過(guò)井眼崩落法識(shí)別的地應(yīng)力方向均是在非主要目的層段的龍二段、寶塔組、龍一段中上部，例如Y2井全井段偶極聲波各向異性比較微弱，且方位不穩(wěn)定，縱向地應(yīng)力方向介于30°～170°；Y7井非目的層段井壁崩落明顯，但縱向變化也大(30°～170°)，如圖1所示。因此，通過(guò)井壁崩落及偶極聲波各向異性方法進(jìn)行識(shí)別可能受到共軛剪切裂縫影響，可靠性較差。

圖1 永川區(qū)塊地應(yīng)力測(cè)井方位判別圖

基于地震預(yù)測(cè)的地應(yīng)力方位表明，平面上研究區(qū)最大水平主應(yīng)力方向整體近東西向，局部受斷層影響存在一定角度偏轉(zhuǎn)(70°～120°)，Y1井區(qū)地應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向(70o～80o)，Y2井區(qū)為北東—南西向(50o～60o)，Y3井區(qū)為近東西向(90o～100o)，Y6井區(qū)為北東—南西向(40o～50o)，Y7井區(qū)為北東—南西向(30o～40o)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)地應(yīng)力預(yù)測(cè)圖

1.3 斷裂對(duì)地應(yīng)力方位的影響

影響地應(yīng)力的因素較多，包括巖層自重、地形地貌、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、流體溫度等，其中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷層對(duì)地應(yīng)力的影響在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)表現(xiàn)明顯。永川區(qū)塊中部為受多條北東—南西向展布的逆沖斷層控制的長(zhǎng)軸背斜，斷裂十分發(fā)育，對(duì)地應(yīng)力方位的偏轉(zhuǎn)影響顯著。

1.3.1 斷層影響地應(yīng)力方向的表現(xiàn)形式

研究表明[5]，在構(gòu)造形態(tài)單一，斷層欠發(fā)育的區(qū)域，地應(yīng)力方位與區(qū)域主應(yīng)力方向一致。斷裂發(fā)育區(qū)受斷層的影響，地應(yīng)力方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)機(jī)理包括斷層規(guī)模、斷層走向與地應(yīng)力方位之間的夾角，以及斷層幾何形態(tài)等幾個(gè)方面。

地應(yīng)力在斷層尖滅端偏離較為嚴(yán)重，最大水平主應(yīng)力朝斷層走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[6]；在單一斷層區(qū)域，近斷層端部的地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向?yàn)檠刂鴶鄬幼呦蛲鶖鄬佣瞬堪l(fā)生偏轉(zhuǎn)；在多條斷層發(fā)育的區(qū)域，斷層附近地應(yīng)力方位與斷層走向區(qū)域一致的方向[7]。

同時(shí)，隨著地應(yīng)力方向與斷層走向之間夾角的逐漸增大，地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)幅度也越大[8]，由此表明，對(duì)于同一條斷層，由于其在不同部位斷層面可能發(fā)生一定程度的擾曲，因而導(dǎo)致在斷層走向方向上的地應(yīng)力也是在不斷發(fā)生變化的[9]。此外，斷層幾何形態(tài)多樣，主要以直線型和弧線型兩種常見(jiàn)，但弧狀斷層周圍的地應(yīng)力變化波及的方位和幅度相較直線型斷層更顯著[10]。

1.3.2 斷層附近地應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)的巖石力學(xué)機(jī)理

斷層的規(guī)模、與最大水平主應(yīng)力方向的夾角、幾何形態(tài)所引起的地應(yīng)力方向變化只是表象，深層次的機(jī)理為斷層本身和兩側(cè)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)(變形模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等)的影響[11]。

研究區(qū)巖石力學(xué)與地應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表1。研究區(qū)不同構(gòu)造部位鉆井實(shí)測(cè)巖石力學(xué)性質(zhì)表明，位于斷裂區(qū)的YY6和YY7井，巖石彈性模量較高，地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)幅度越大；不同斷塊間的彈性模量差異越大，相互之間受斷層影響地應(yīng)力方向的變化幅度也越大。

表1 研究區(qū)巖石力學(xué)與地應(yīng)力參數(shù)表

綜上所述，研究區(qū)受斷層的分割，不同構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力方向發(fā)生了明顯的區(qū)別于區(qū)域地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向及幅度與斷層的規(guī)模及性質(zhì)密切相關(guān)。永川區(qū)塊中部背斜區(qū)以斷距大于50 m，延伸長(zhǎng)度大于2 km的Ⅰ-Ⅱ級(jí)大斷層為主；南部及北部向斜區(qū)以斷距小于50 m，延伸長(zhǎng)度小于2 km的Ⅲ級(jí)及以下中小規(guī)模斷層為主，且發(fā)育相當(dāng)數(shù)量的斷距小于20 m的層內(nèi)裂縫。斷層規(guī)模越大，斷層附近地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)范圍及強(qiáng)度也越明顯，在斷層端部地應(yīng)力集中程度也增加明顯，并且地應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)方向也更為明顯，在多條大斷裂加持的斷塊區(qū)，地應(yīng)力方向表現(xiàn)為與斷裂走向趨于一致的特征，因此，背斜區(qū)鉆探的Y6井、Y7井最大水平地應(yīng)力方向?yàn)?0°～45°，基本平行于斷層走向。而遠(yuǎn)離大斷裂的南北向斜區(qū)，雖然也發(fā)育相當(dāng)數(shù)量的斷層，但斷層規(guī)模較小，對(duì)趨于地應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)幅度不大，整體表現(xiàn)出近東西向的地應(yīng)力方位特征，Y1井、Y3-1井最大水平地應(yīng)力方向分別為80°和95°。

2 水平井方位對(duì)產(chǎn)能的影響

近年來(lái)，通過(guò)勘探開(kāi)發(fā)不斷探索實(shí)踐，四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣水平井靶窗位置取得一致認(rèn)識(shí)，即龍馬溪組底部具有高伽瑪、低密度、高電阻特征的儲(chǔ)層段，區(qū)域厚度為5.4～7.4 m，各油氣企業(yè)針對(duì)該套儲(chǔ)層開(kāi)展了精細(xì)刻畫與評(píng)價(jià)，并對(duì)儲(chǔ)層類型賦予了不同的含義。中石化頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中將該套儲(chǔ)層定義為I類儲(chǔ)層，即對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層品質(zhì)為TOC大于4%，含氣量大于4 m3/t，孔隙度大于6%，脆性礦物含量大于50%，層理縫發(fā)育。水平井在該套儲(chǔ)層中穿行可以確保后期壓裂改造獲得更好的施工效果，形成更大規(guī)模的人工裂縫系統(tǒng)，取得更高的氣井初期產(chǎn)能。

研究區(qū)試采分析表明，產(chǎn)能主要受優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率、裂縫發(fā)育程度、壓裂改造效果及埋深影響，各構(gòu)造區(qū)之間略有差異[12]。以南部向斜區(qū)為例，中小規(guī)模斷層走向呈北東—南西向展布，產(chǎn)能除與總液量、砂量呈正相關(guān)關(guān)系外，鉆遇I類儲(chǔ)層水平段長(zhǎng)及鉆遇率與產(chǎn)能相關(guān)性明顯[13]。圖3所示為I類儲(chǔ)層鉆遇率及鉆遇長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響關(guān)系。例如，Y5-1HF南北向布井，鉆遇3條V級(jí)斷層，I類儲(chǔ)層鉆遇率15.3%，無(wú)阻流量11.7×104m3/d；Y1-3HF近南北向布井，鉆遇1條IV級(jí)斷層，I類儲(chǔ)層鉆遇率2%，無(wú)阻流量8.5×104m3/d；而Y1-4HF北東—南西向布井，與最大主應(yīng)力方向夾角約60°，雖然鉆遇了1條IV級(jí)斷層，但I(xiàn)類儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)77.28%，無(wú)阻流量26.45×104m3/d。因此，鉆井時(shí)間證實(shí)，在斷裂發(fā)育的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，I類儲(chǔ)層鉆遇率及鉆遇長(zhǎng)度對(duì)單井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)明顯強(qiáng)于地應(yīng)力方位的影響。

圖3 I類儲(chǔ)層鉆遇率及鉆遇長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響關(guān)系圖

同理，對(duì)于背斜區(qū)，雖然地應(yīng)力方向與斷裂走向趨于一致，理論上最佳布井方位應(yīng)垂直于最大水平地應(yīng)力方向，即水平井方位應(yīng)垂直于斷層[14-17]。但從Y6HF井實(shí)施效果來(lái)看，該井水平段垂直于斷層，由于鉆遇多條不同規(guī)模的斷層，導(dǎo)致I類儲(chǔ)層鉆遇率僅17%，無(wú)阻流量?jī)H8.1×104m3/d。Y7HF井雖順斷裂走向布井，同樣鉆遇多條斷層，導(dǎo)致Ⅰ類儲(chǔ)層鉆遇率僅24.5%，無(wú)阻流量也僅8×104m3/d。因此，對(duì)于復(fù)雜斷塊區(qū)水平井單井產(chǎn)能，I類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，而水平井方位的選擇優(yōu)先以提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為標(biāo)準(zhǔn)。

3 水平井方位優(yōu)選

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及裂縫監(jiān)測(cè)表明，水平井方位與最大水平地應(yīng)力方位相互垂直時(shí)，巖石最易起裂進(jìn)而形成裂縫系統(tǒng)，然而受限于四川沉積盆地特有的復(fù)雜構(gòu)造特征，受到多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地應(yīng)力的疊加，同時(shí)為了資源最大化利用，難以嚴(yán)格按照兩者相互垂直的方位來(lái)部署井位。從目前四川盆地已規(guī)模開(kāi)發(fā)區(qū)塊的探索實(shí)踐也表明，尋找合適的地應(yīng)力方位與水平井方位之間的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣資源有效動(dòng)用的關(guān)鍵。例如，涪陵頁(yè)巖氣田一期產(chǎn)建區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，實(shí)施井軌跡方向與最小主應(yīng)力方向<40°，氣井測(cè)試產(chǎn)量較高；其焦頁(yè)10井區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，實(shí)施井軌跡方向與最小主應(yīng)力方向<30°，破裂壓力低，利于改造。中石油渝西區(qū)塊實(shí)施氣井井軌跡方向與最小主應(yīng)力夾角<30°，測(cè)試效果也較好。

因此，根據(jù)以上分析，為提高I類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，同時(shí)避免套管變形，獲得較高的單井產(chǎn)能，水平井部署在兼顧軌跡方位與現(xiàn)有地應(yīng)力方位認(rèn)識(shí)結(jié)果保持一定的夾角，確保利于壓裂的基礎(chǔ)上，盡量避開(kāi)不同尺度的斷層。

以永川區(qū)塊南部向斜區(qū)為例，建立了適合于該區(qū)的水平井方位優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，即水平井方位為北東向、順斷層部署，研究區(qū)水平井部署井網(wǎng)如圖4所示。井軌跡盡量與最大水平主應(yīng)力夾角大于60°，各平臺(tái)之間根據(jù)斷層的走向適度調(diào)整水平井方位，盡量避開(kāi)較大規(guī)模的斷層，以提高I類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇長(zhǎng)度。近期實(shí)施的Y5-2井按照優(yōu)選的方位壓裂測(cè)試獲日產(chǎn)20萬(wàn) m3高產(chǎn)氣流，證實(shí)了在高陡復(fù)雜構(gòu)造帶根據(jù)地質(zhì)特征開(kāi)展針對(duì)性的水平井方位部署的重要性。

圖4 研究區(qū)水平井部署井網(wǎng)圖

4 結(jié)論

1)永川區(qū)塊地應(yīng)力方位差異較大，介于30°～95°，整體呈北東—南西及近東西向，表現(xiàn)出斷裂帶兩側(cè)與區(qū)域最大地應(yīng)力方位較大差異的特征。受斷層的影響，地應(yīng)力方向在斷層區(qū)域發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的幅度與斷層規(guī)模、斷層及附近巖體巖石彈性模量密切相關(guān)。

2)在斷裂發(fā)育區(qū)域，地應(yīng)力方位對(duì)產(chǎn)能高低的影響顯著低于I類儲(chǔ)層鉆遇率或鉆遇長(zhǎng)度的影響，水平井方位的選擇在兼顧軌跡方位與最大水平主應(yīng)力方向保持大于60°夾角的前提下，以順斷裂走向部署為主，劈開(kāi)鉆遇斷裂后導(dǎo)致軌跡在非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中穿行。

3)通過(guò)開(kāi)展高陡復(fù)雜構(gòu)造帶水平井方位的優(yōu)選，水平井產(chǎn)量顯著提高到20萬(wàn) m3以上，為復(fù)雜構(gòu)造帶開(kāi)展針對(duì)性的水平井部署提供了重要的指導(dǎo)作用。