王 鵬,安繼剛,劉鵬虎
(延長(zhǎng)油田股份有限公司富縣采油廠,陜西 延安 716000)
地應(yīng)力大小測(cè)量和方向識(shí)別對(duì)致密油儲(chǔ)層的壓裂施工、水平井設(shè)計(jì)、井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、井網(wǎng)布置優(yōu)化和注水開發(fā)具有重要意義。對(duì)于致密油儲(chǔ)層,需要進(jìn)行水力壓裂才能提高采收率,地應(yīng)力大小和方向控制著水力壓裂裂縫的起裂、破裂和延伸[1-2]。致密油藏常采用水平井技術(shù),并進(jìn)行壓裂增產(chǎn),當(dāng)水平井方向與最小主應(yīng)力方向一致時(shí),鉆井過程中所消耗的能量最小,可以形成垂直水平井井軸的多條水力壓裂裂縫,人工裂縫與低角度天然裂縫溝通形成裂縫網(wǎng)絡(luò),極大地提高了油井產(chǎn)能。地應(yīng)力也是井壁穩(wěn)定性的主要影響因素,井孔的存在會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力在井壁發(fā)生應(yīng)力集中,在最大水平主應(yīng)力方向上應(yīng)力集中較弱,最小水平主應(yīng)力方向上應(yīng)力集中最強(qiáng)[3-6]。
黃陵地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部,主要產(chǎn)油層位為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層組,其巖石類型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖,孔隙度和滲透率低,是典型的致密油儲(chǔ)層。本文通過水力壓裂法、測(cè)井計(jì)算和微地震監(jiān)測(cè)確定研究區(qū)地應(yīng)力大小和方向,分析地應(yīng)力類型,以期為鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密油勘探開發(fā)提供資料。
目前確定地應(yīng)力方向的方法主要有波速各向異性法、井壁崩落法、偶極聲波法(DSI)、有限元模擬法、粘滯剩磁法、測(cè)井資料法和壓裂誘導(dǎo)縫法。由于資料的限制,本次研究?jī)H用壓裂誘導(dǎo)縫法對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力方向進(jìn)行分析。
鉆井過程中當(dāng)泥漿比重過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致地層發(fā)生破裂,此時(shí)產(chǎn)生垂直的水力壓裂縫,壓裂縫的走向即為最大水平主應(yīng)力的方向。黃陵探區(qū)壓裂裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表1),研究區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE-SWW。
表1 黃陵地區(qū)水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
垂向地應(yīng)力與地層深度和地層體積密度相關(guān),要使計(jì)算值更加接近實(shí)際值,就要將地層劃分成多段進(jìn)行測(cè)量。上覆地層的重力是垂向地應(yīng)力σV的主要來源,其大小會(huì)隨地層巖石的密度及地層深度而發(fā)生變化,可以應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中的地層深度和巖石密度計(jì)算垂直地應(yīng)力:
(1)
式中:σV為H垂深處垂向地應(yīng)力大小,MPa;h為地層的深度,m;ρ(h)為地層密度與深度關(guān)系的函數(shù),g/cm3;g為重力加速度,m/s2。
選取黃陵探區(qū)內(nèi)上173井,首先通過上述方法計(jì)算各點(diǎn)的垂向地應(yīng)力σV,然后統(tǒng)計(jì)σV與深度之間的關(guān)系,從而得到垂向地應(yīng)力,垂向地應(yīng)力與深度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖1所示。通過統(tǒng)計(jì),垂直地應(yīng)力計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為下式:
σV=0.025H-2.794 6
(2)
式中:σV為垂直地應(yīng)力,MPa;H為深度,m。
圖1 垂直主應(yīng)力與深度關(guān)系
水平地應(yīng)力可以通過實(shí)驗(yàn)和水力壓裂等方法計(jì)算,但只能獲得某深度的應(yīng)力參數(shù),不能獲得整個(gè)單井或多井連續(xù)的地應(yīng)力數(shù)據(jù),測(cè)井計(jì)算方法可以對(duì)單井地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行求取[7]。目前基于不同地質(zhì)假設(shè)條件提出了多種地應(yīng)力計(jì)算方法,本次研究選取最具代表性的組合彈性模型進(jìn)行單井地應(yīng)力計(jì)算,公式如下:
(3)
(4)
式中:μ為泊松比;β1和β2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);α為孔隙彈性系數(shù);PP為地層壓力。其中構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、孔隙彈性系數(shù)和地層壓力求取是計(jì)算水平主應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)。
3.2.1 孔隙彈性系數(shù)的確定
巖石的孔隙彈性系數(shù)與巖石所受到的應(yīng)力、巖石孔隙壓力密切相關(guān),是權(quán)衡孔隙壓力對(duì)有效應(yīng)力的作用程度的一個(gè)重要參數(shù)。劉莉[8]通過研究,總結(jié)了孔隙彈性參數(shù)計(jì)算公式并到了廣泛應(yīng)用:
(5)
式中:ρ為地層巖石密度,g/cm3;ρm=2.65g/cm3;Vp、Vs為巖石的縱波波速和橫波波速,m/s;Vmp=5.95 km/s;Vms=3.0 km/s。
3.2.2 地層壓力的計(jì)算
地層中孔隙壓力即為地層巖石孔隙中的各類流體所具有的壓力,一般用PP表示。壓力系數(shù)是地層中某點(diǎn)的壓力換算為水柱高度之后和該點(diǎn)深度的比值,即
αP=PP/Pn。前人對(duì)黃陵探區(qū)槐21井、槐3井和槐19井的壓力研究表明,黃陵探區(qū)的地層壓力系數(shù)平均為0.79,所以地層壓力PP=0.79ρgh。
3.2.3 構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算
水力壓裂法是求取某地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的主要方法。在壓裂施工過程中,通過壓裂施工曲線得到地層破裂壓力Pwf、停泵壓力Ps和已閉合裂縫的重張壓力Pr等,根據(jù)這些參數(shù),可以反推研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。一般水平主應(yīng)力與壓裂相關(guān)參數(shù)有如下關(guān)系:
σh=Ps+0.001ρgh
(6)
式中:ρ為壓裂液密度,kg/m3;g為重力加速度kg·m/s2;h為深度,m。
σH=3σh-Pr-PP+σt
(7)
σt=Pf-Pr
(8)
式中:Pr為裂縫重張壓力;MPa;PP為地層壓力,MPa;σt為抗拉強(qiáng)度,MPa
根據(jù)水力壓裂相關(guān)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出最大和最小水平主應(yīng)力,進(jìn)而反推構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)β1和β2。本次研究搜集黃陵探區(qū)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工曲線和相關(guān)參數(shù),見表2。
根據(jù)這些壓裂施工數(shù)據(jù),將其帶入彈性模型計(jì)算公式,得到β1=1.07,β2=0.09。
表2 黃陵地區(qū)S173井壓裂施工數(shù)據(jù)
圖2 S173井地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果圖
在前面敘述的地應(yīng)力預(yù)測(cè)模型研究及個(gè)關(guān)鍵參數(shù)求取的基礎(chǔ)上,得到了上173井的單井連續(xù)地應(yīng)力剖面(圖2)。從上173井的地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,三大地應(yīng)力關(guān)系滿足SH>Sv>Sh,即最大主應(yīng)力為水平最大地應(yīng)力,中間主應(yīng)力是垂直地應(yīng)力,最小主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力,為典型的走滑應(yīng)力。整體上看,三大地應(yīng)力隨深度增加而逐漸增加,但增幅不大,應(yīng)力曲線趨勢(shì)平緩,起伏較小,表明在縱向上研究區(qū)延長(zhǎng)組地應(yīng)力具有較好的連續(xù)性。
致密油開發(fā)過程中,水力壓裂是增加產(chǎn)量的必要因素。地應(yīng)力方向的確定是影響水力壓裂效果的關(guān)鍵因素。黃陵探區(qū)延長(zhǎng)組地層水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向。最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力滿足: SH>Sv>Sh,為典型的走滑應(yīng)力。因此水平井應(yīng)該平行于最大水平主應(yīng)力方向,這樣在鉆井過程中所消耗能源最小,成本最低。