王兆生 ，曾聯(lián)波，李晶，劉道杰，于江濤

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京昌平 102249；3.中國石油測井有限公司新疆分公司，新疆克拉瑪依 834000；4.中國石油冀東油田分公司，河北唐山063000

引言

地應(yīng)力是地殼中應(yīng)力的總稱，是指存在于地殼中未受工程擾動的天然應(yīng)力[1]。地質(zhì)力學(xué)將地應(yīng)力分為古地應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力，其中，現(xiàn)今地應(yīng)力是指目前存在的或正在發(fā)生變化的地應(yīng)力[2]?，F(xiàn)今地應(yīng)力對井壁穩(wěn)定性、井網(wǎng)布局及水力壓裂施工等方面具有重要影響[3-4]。應(yīng)用測井資料分析油氣藏的地應(yīng)力特征，具有垂向連續(xù)性好、精度高和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點[5-6]，國內(nèi)外眾多學(xué)者主要利用地層傾角測井、成像測井和偶極聲波測井等資料，基于井壁崩落法、誘導(dǎo)縫法和波速各向異性法開展地應(yīng)力場的研究工作[7-10]。由于每種測井資料在解釋地應(yīng)力方位時都有其適用條件和不利干擾因素，對地應(yīng)力方位結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來影響。

本文以渤海灣盆地高尚堡油田G6 井為例，闡述基于地層傾角測井、成像測井和正交偶極聲波測井資料分析現(xiàn)今地應(yīng)力方位的理論基礎(chǔ)、解釋方法和影響因素，參考鄰井的微地震監(jiān)測結(jié)果，分析不同測井地應(yīng)力解釋方法的可靠性，對于準(zhǔn)確判斷單井地應(yīng)力方位具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

高尚堡油田處于渤海灣盆地南堡凹陷高柳斷層的上升盤，整體構(gòu)造形態(tài)為一穹隆狀背斜，構(gòu)造面積約90 km2（圖1）。地層產(chǎn)狀平緩，背斜幅度隨地層沉積厚度加大而逐漸減小，至東營組后背斜逐步消失[11-12]。

圖1 高尚堡油田構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of Gaoshangpu Oilfield

G6 井是位于高尚堡油田東南部的一口直井，沙河街組三段是其主要的含油層段。儲層巖性以扇三角洲前緣水下分流河道砂體為主、河口壩砂體次之。巖芯中有少量的中高角度天然裂縫發(fā)育。物性測試表明，儲層平均孔隙度約10.0%，平均滲透率為21.6 mD，屬于典型的低滲透砂巖儲層。目前，單井原油產(chǎn)量低，開發(fā)效果不理想，正處于水力壓裂注水開發(fā)的試驗階段。

2 基本原理和方法

2.1 測井地應(yīng)力分析的基本原理

鉆井過程中井壁崩落和誘導(dǎo)縫產(chǎn)生的原因與應(yīng)力場的非平衡性有關(guān)。厚度大且各向同性的彈性地層中，在最大水平主應(yīng)力（SH）、最小水平主應(yīng)力（Sh）和井內(nèi)流體與地層流體間壓力差?p的共同作用下，任意一點O′（圖2）滿足Kirsch 方程[13]

圖2 井周圍應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution around wellbore

當(dāng)σθA<σt（σt抗張強度，MPa）時，井壁發(fā)生破裂，形成走向與最大水平主應(yīng)力方向一致的壓裂縫。

B點及對稱點B′周向應(yīng)力σθB（σθB′）值最大

壓應(yīng)力在最小水平主應(yīng)力方向上集中，若σθ摩爾圓與庫侖破裂包絡(luò)線相交，巖石將破碎，產(chǎn)生井壁崩落現(xiàn)象。因此，崩落長軸方向與最小水平主應(yīng)力方向相一致，崩落的半徑由SH和Sh的比值決定[14]。鉆井導(dǎo)致地下巖石原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，在應(yīng)力釋放過程中伴有微小裂縫產(chǎn)生。微裂縫的空間分布與原巖應(yīng)力方向有關(guān)，同時，微裂縫數(shù)量和發(fā)育強度與原巖應(yīng)力大小成正比。在聲波傳播特性上，表現(xiàn)為聲波傳播速度在最大水平主應(yīng)力方向上最快[15]。在應(yīng)力不均或裂縫性地層中，橫波的傳播速度具有方位各向異性，即橫波傳播過程中會分裂成快橫波和慢橫波，出現(xiàn)明顯偏振現(xiàn)象[16-17]，而快橫波方位與SH方位或者天然裂縫走向相一致，以此來判斷地應(yīng)力方位或天然裂縫走向。

2.2 井壁崩落法

井壁崩落法地應(yīng)力分析主要利用地層傾角測井和成像測井資料。地層傾角測井常用測井儀器包括四臂、六臂和八臂地層傾角測井儀。以六臂地層傾角測井儀為例，該設(shè)備依靠下部的推靠器實現(xiàn)六極板與井壁緊密接觸，通常極板可±6?自轉(zhuǎn)，以達(dá)到更好的井壁接觸效果。當(dāng)井徑發(fā)生變化時，極板帶動機械傳動裝置引發(fā)推靠器內(nèi)電位計的電阻變化，進而實現(xiàn)井徑值測量[18-19]。井壁崩落段在六臂地層傾角測井曲線中表現(xiàn)為3 條井徑曲線（C14、C25和C36）中的兩條近似重合且與鉆頭直徑接近，而另一條井徑曲線明顯大于另外兩條（圖3），依據(jù)第一極板的方位（AZ1）來判斷橢圓井眼的長軸方位。井壁崩落段垂向上主要分布在幾米至十幾米，甚至局部可達(dá)幾十米。

圖3 G6 井六臂地層傾角測井曲線的崩落特征Fig.3 Characteristics of borehole breakout in six-arm dipmeter log of Well G6

橢圓井眼長軸方位的判別方法如下：

（1）若C14井徑值最大，C25和C36近似重合，長軸方位為AZ1；

（2）若C25井徑值最大，C14和C36近似重合，長軸方位為AZ1+60?；

（3）若C36井徑值最大，C14和C25近似重合，長軸方位為AZ1+120?。

在成像測井過程中，儀器借助液壓系統(tǒng)使極板緊貼井壁。當(dāng)井壁崩落形成橢圓井眼時，極板不能緊貼井壁，在2D 成像測井圖像表現(xiàn)為180?對稱的暗色或黑色雙軌（圖4）。井徑橢圓的長軸方位與暗色雙軌方位一致，即SH方位與暗色雙軌方位相垂直[20-21]，可依據(jù)雙軌分布位置的方位信息分析水平主應(yīng)力方位。

圖4 G6 井井壁崩落和誘導(dǎo)裂縫圖像Fig.4 The borehole breakout and drilling induced fractures image of Well G6

2.3 鉆井誘導(dǎo)縫法

鉆井誘導(dǎo)縫包括應(yīng)力釋放縫和重泥漿壓裂縫兩種類型。應(yīng)力釋放縫與天然裂縫在成像測井圖上的區(qū)別較為明顯，前者表現(xiàn)為斷續(xù)正弦曲線特征，呈180?對稱的“八”字形或“倒八”字排列，應(yīng)力釋放裂縫走向即為SH方位[22]。在鉆井過程中，泥漿柱壓力起到與水力壓裂相似作用[23]。當(dāng)泥漿柱壓力超過某一數(shù)值時，SH方位上的壓性應(yīng)力可轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿詰?yīng)力。當(dāng)張性應(yīng)力超過巖石抗張強度時，在井壁易產(chǎn)生重泥漿壓裂縫，重泥漿壓裂縫走向與SH方位一致[24]。在G6 井中深層，重泥漿壓裂縫表現(xiàn)兩條對稱的垂直縫，裂縫寬度變化不大，方位穩(wěn)定，同時伴有崩落現(xiàn)象，崩落方位和重泥漿壓裂縫走向垂直（圖4）。

2.4 波速各向異性法

波速各向異性法主要基于橫波分裂現(xiàn)象來分析水平主應(yīng)力方位。以正交偶極聲波測井為例，正交偶極聲波測井儀有兩個相互垂直的聲波發(fā)射器和8 組接收陣列（圖5a），通常利用四分量波形數(shù)據(jù)函數(shù)來計算快橫波方位和各向異性程度[25]，當(dāng)正交偶極聲源與快（慢）橫波偏振面重合時，正交偶極聲源激發(fā)的只有快（慢）橫波。當(dāng)偶極聲源與快橫波偏振面的夾角不為0?或90?時，將會發(fā)生橫波分裂現(xiàn)象（圖5b），波形方程見式（6）～式（9）。

圖5 各向異性地層橫波分裂示意圖Fig.5 Diagram of S-wave splitting in anisotropic formation

式中：

式中：

由式（6）～式（9）聯(lián)立可推導(dǎo)出快橫波Vf、慢橫波Vs和β

快橫波和慢橫波的速度變化可用來評價地層各向異性程度，橫波各向異性程度與地應(yīng)力差異（SH與Sh數(shù)值差）和裂縫發(fā)育強度成正比[26]。橫波各向異性用快橫波與慢橫波速度（或時差）之差與快橫波、慢橫波速度（或時差）之和的比值表示[27]

3 測井地應(yīng)力解釋結(jié)果

高尚堡油田G6 井同時具有的六臂地層傾角測井、微電阻率掃描成像測井和正交偶極聲波測井資料，為開展不同方法地應(yīng)力方位判別的適應(yīng)性評價提供了重要對比依據(jù)。

應(yīng)用井壁崩落法、誘導(dǎo)裂縫法和波速各向異性法解釋的G6 井沙三段的最大水平主應(yīng)力方位如圖6 所示，幾種方法的最大水平主應(yīng)力方位均為NEE——SWW 向，但不同測井資料的解釋地應(yīng)力方位結(jié)果也存在一定差別。

圖6 G6 井不同資料解釋的最大水平主應(yīng)力方位結(jié)果Fig.6 Results of the SH orientation analysis by different interpretation methods in Well G6

基于成像測井資料，應(yīng)用井壁崩落法分析的SH方位在60?～90?，優(yōu)勢方位為70?～80?（圖6a）。鉆井誘導(dǎo)裂縫法解釋的SH方位是70?～80?（圖6b）；基于六臂地層傾角測井資料，應(yīng)用井壁崩落法分析SH的優(yōu)勢方位分布在80?～90?（圖6c）；基于正交偶極聲波測井，應(yīng)用波速各向異性法解釋的地應(yīng)力方位較為復(fù)雜，SH方位表現(xiàn)為70?～100?和近S——N向，SH優(yōu)勢方位為80?～90?（圖6d）。對比上述3 種測井資料分析地應(yīng)力方位的結(jié)果，不同地應(yīng)力解釋方法的SH優(yōu)勢方位結(jié)果間有約10?的差別。G6 井實驗室?guī)r芯差應(yīng)變分析SH方位為75?，同時，在G6井相鄰區(qū)域有兩口井（G12 井和G23 井）開展了水力壓裂作業(yè)，且G12 井和G23 井距離斷層較遠(yuǎn)，地應(yīng)力方位不受斷層擾動影響。對壓裂井G12 井和G23井實施了井中微地震監(jiān)測，微地震監(jiān)測反演SH方位分別為72?和74?。

4 可靠性對比分析

在鉆井過程中的應(yīng)力不均、天然裂縫發(fā)育或鉆遇斷層等原因都可以誘發(fā)井壁出現(xiàn)崩落現(xiàn)象，因而地層傾角測井在直井中判斷井壁崩落時易受其他非構(gòu)造應(yīng)力因素影響。結(jié)合地層傾角矢量圖或地震解釋成果可以排除斷層干擾。當(dāng)裂縫發(fā)育且準(zhǔn)確位置未知時，難以排除裂縫誘發(fā)崩落的干擾，導(dǎo)致基于地層傾角測井的井壁崩落法解釋地應(yīng)力方位出現(xiàn)一定偏差。由于研究區(qū)裂縫發(fā)育密度較低，對基于地層傾角測井的井壁崩落法解釋的地應(yīng)力方位結(jié)果影響十分有限，地應(yīng)力方位的解釋偏差更多屬于系統(tǒng)誤差。成像測井在地層信息上可獲得可視化圖像，可有效識別天然裂縫或斷層發(fā)育位置[28]。在利用井壁崩落法分析地應(yīng)力方位時，可排除天然裂縫或斷層干擾。因此，基于成像測井的井壁崩落法分析地應(yīng)力方位是準(zhǔn)確的。

鉆井誘導(dǎo)縫的形成主要受控井壁上的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力釋放縫誘因是水平差應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值時，井眼SH方位上擠壓力超過巖石破裂壓力，會在井壁上產(chǎn)生應(yīng)力釋放裂縫。圖4 所示的重泥漿壓裂縫是誘導(dǎo)縫的一種，重泥漿壓裂縫相比井壁崩落形成的雙軌圖像，走向讀數(shù)更加清晰準(zhǔn)確。一般在地表淺層，SH>Sh>Sv（Sv—垂向主應(yīng)力的絕對值，MPa），重泥漿壓裂縫走向為與SH方位相同的水平縫；在中深層區(qū)域，當(dāng)SH>Sv>Sh時，重泥漿壓裂縫為與SH走向相同的垂直縫，當(dāng)SH>Sv≈Sh時，產(chǎn)生是垂直縫或水平縫；在超深地層中，Sv>SH>Sh，重泥漿壓裂縫走向為與SH方位相同的垂直縫[29]。在利用重泥漿壓裂縫判斷地應(yīng)力方位時，排除垂直天然裂縫的干擾十分關(guān)鍵。有垂直天然裂縫存在時，天然裂縫的雙軌在成像測井上常表現(xiàn)為非180?對稱。天然裂縫誘發(fā)的崩落，很少產(chǎn)生對稱性的雙軌現(xiàn)象。另外，天然裂縫受巖石力學(xué)層影響，垂向上穿層現(xiàn)象少見[30]。據(jù)此判斷G6 井產(chǎn)生重泥漿壓裂縫的位置沒有垂直天然裂縫存在。若同時發(fā)育有崩落，壓裂縫方位與崩落方位近垂直（圖4）。因此，基于成像測井資料的誘導(dǎo)裂縫法解釋地應(yīng)力方位最為準(zhǔn)確，巖芯差應(yīng)變分析和鄰井基于水力壓裂的微地震監(jiān)測分析的地應(yīng)力方位結(jié)果可進一步印證其準(zhǔn)確性（圖6a，圖6b）。

波速各向異性法判斷直井地應(yīng)力方位的依據(jù)是橫波分裂現(xiàn)象，但產(chǎn)生橫波分裂現(xiàn)象的原因有多種，如裂縫性地層、斷層、應(yīng)力各向異性地層或者地層傾角較大時都可以產(chǎn)生橫波分裂現(xiàn)象[31]。研究區(qū)的地層傾角較小，G6 井在沙河街組三段未鉆遇斷層，可排除斷層和地層傾角的干擾。G6 井巖芯和成像測井資料表明有多組天然裂縫存在，以近E——W向和近S——N 向裂縫最為發(fā)育，導(dǎo)致波速各向異性方位較為復(fù)雜（圖6d）。由于天然裂縫發(fā)育的密度相對較小，因此，波速各向異性優(yōu)勢方位仍是由地應(yīng)力的各向異性主導(dǎo)。當(dāng)剔除裂縫發(fā)育段影響時，波速各向異性法分析的水平應(yīng)力方位結(jié)果與基于成像測井的井壁崩落法和誘導(dǎo)縫法判斷的地應(yīng)力方位相一致。因此，在利用偶極聲波測井資料結(jié)合波速各向異性法分析直井地應(yīng)力方位時，應(yīng)分析產(chǎn)生橫波分裂的主導(dǎo)因素，排除非應(yīng)力各向異性的干擾，進行必要的校正工作，才能獲取更接近實際地應(yīng)力的方位。

5 結(jié)論

（1）不同測井資料在解釋地應(yīng)力方位時都有一定的條件限制，需進行必要的處理來獲取準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。成像測井的鉆井誘導(dǎo)裂縫法和井壁崩落法易于排除非應(yīng)力因素干擾，判斷的地應(yīng)力方位最為準(zhǔn)確。

（2）基于地層傾角測井資料的井壁崩落法和基于偶極聲波測井資料的波速各向異性法，在解釋地應(yīng)力方位時，不同程度地受天然裂縫、應(yīng)力各向異性和斷層等因素的影響，需分析產(chǎn)生井壁崩落和橫波分裂的主導(dǎo)因素，并進行適當(dāng)?shù)男Ｕぷ鳌?/p>

（3）在單井地應(yīng)力方位評價中應(yīng)以成像測井的鉆井誘導(dǎo)縫法和井壁崩落法為主，地層傾角測井的井壁崩落法為輔助，而對于偶極聲波測井的波速各向異性法分析的地應(yīng)力方位，需結(jié)合地質(zhì)或測試資料進一步分析。