锦州X 潜山油藏裂缝应力状态分析及开启状态预测

高智梁，柴世超，李恩林，孟向丽，张 宁，罗 珊

（1.中海石油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司，天津塘沽300450；2.中海石油有限公司天津分公司）

目前渤海变质岩潜山油藏的勘探开发已显示出巨大潜力［1］。由于变质岩潜山储层是典型双重孔隙介质，其裂缝系统和岩块系统具备不同渗流特征和驱替机理。裂缝系统作为常规方法开采的主要对象，其可采储量占总可采储量的70%以上，而岩块系统储量难以得到有效利用［2-3］。油藏降压开采是提高岩块系统储量动用程度、增大岩块系统贡献量的有效途径［4］，但是，降压开采过程中可能会出现裂缝闭合现象，降低储层整体渗透性，影响油田开发效果。本文以锦州X 潜山油藏为例，通过断面（裂缝面）应力状态分析，确定其地层压力变化对裂缝面开启状态的影响程度，指导本油田及类似潜山裂缝油藏的勘探开发。

锦州X 油田位于渤海辽东湾辽西凸起中北段（图1），构造上是一个狭长的北东向凸起，西侧紧邻辽西凹陷中洼，东侧毗邻辽中凹陷中、北洼。太古界潜山是其主力产层之一，主要分布于构造东高点，上覆沙三段泥岩，属风化体块状储集层地貌潜山，该油田是目前渤海海域投入开发规模最大的变质岩潜山油藏［5-7］。

1 裂缝面（断面）压力确定原理

童亨茂（1998）利用断面正压力和流体压力耦合关系，建立了描述断裂（裂缝）面开启或闭合的定量数学模型［8］。断面压力是指断面所承受的净压力值，与断面正压力和孔隙流体压力（地层压力）有关。

断面正压力主要受上覆岩石重力作用和水平构造应力作用影响。根据岩石非线性弹性变形假设，可以确定上覆岩石重力作用引起的垂向应力σgv和水平方向应力σgh［8］：

图1 锦州X油田区域位置图（据周心怀 等，2005）

式中：ρs——上覆岩石平均密度，g／cm3；h——储层埋深，m；g——重力加速度m／s2；μ——泊松比，无量纲；n——与非线性压缩有关的常数，一般岩石采用0.67。

考虑地壳内普遍存在的水平构造应力，得出地壳内某一点上所受的水平方向应力（σh1、σh2）为［8］：

式中：σh1、σh2——分别为水平方向的两个总应力，MPa；σta，σti——分别为水平方向构造应力，MPa。

根据断面压力定义，利用作用在断面上的垂向应力σgv和水平方向应力σh1、σh2，计算断面正压力σn［8］：σn＝

式中：θ——裂缝倾角，°；φ——裂缝走向与水平构造最大主应力夹角，°。

当孔隙流体压力（地层压力）为Pw时，断面压力Pf可表示为：

理论上在完全弹性条件下，当断面正压力大于孔隙流体压力，即断面压力Pf大于0时，断面会处于闭合状态，而当孔隙流体压力大于断面正压力，即Pf小于0时，断面会处于开启状态。实际上，由于断面两侧岩石具有变形特性，当断面压力处于上述两种状态时，断面也不一定处于开启、闭合状态。对于断面开启的断层，即使断面正压力大于孔隙流体压力，但断面压力不能克服岩石变形强度时，断层仍将处于开启状态，只有当断面压力Pf大于或等于岩石变形强度后，断面两侧岩石发生破裂、变形，进而使断面闭合。相反，对于断面闭合的断层，除需要克服断面正压力，还必须克服岩石变形强度，断面才能开启［9］。

上述讨论未考虑断层岩体在长期应力作用下发生蠕变，进而使断面逐渐闭合的因素。由于本文讨论的是在油藏开发过程中地层压力发生变化时，短时期内储层裂缝的状态变化及对储层渗透性带来的影响，因此可忽略岩石长期蠕变对裂缝开启状态的影响。

2 锦州X潜山油藏裂缝开启、闭合状态分析

汪周华等（2006）、周 文等（2008）和李勇明等（2009），通过物理模拟方法研究发现储层岩石的孔渗性会随岩层围压、地层压力等升降而发生变化，特别是裂缝系统渗透性受地层压力变化的影响尤其明显［9-11］。因此，有必要对锦州X 南潜山油藏开发过程中，地层压力变化与裂缝开启状态间的关系进行分析和估算。

2.1 裂缝面压力预测参数

从断面正压力计算公式（5）可以看出，分析、估算裂缝面正压力需要以下参数：储层埋深、上覆岩层平均密度、裂缝倾角、走向、构造应力值和主应力方向以及岩石力学参数等。

2.1.1 储层埋深及上覆岩层平均密度

根据探井及开发井实际钻遇情况，锦州X 潜山油藏储层构造幅度中部埋深约1 800 m。上覆岩层平均密度采用研究区内沙河街组一口采油井的测井解释成果的平均值，约2.26 g／cm3，由于该层段位于潜山上覆岩层下部，压实作用较强，因此该值较实际平均密度要大。

2.1.2 储层裂缝发育特征

根据锦州X 南7 口探井钻井取心和旋转井壁取心分析，区内潜山变质岩储层在区域构造应力下，发育了多组裂缝。裂缝线密度以50～150条／m 为主，裂缝有效面孔率一般为0.2%～3.41%，裂缝平均宽度为0.3～1.2 mm，以0.5～1.0mm 为主。裂缝倾角为15°～80°，其中，以45°～60°高角度斜交缝为主，裂缝走向主要有两组：北东- 南西向（NE40°）、北北西-南南东向（NE150°）［6-7］（图2）。

图2 锦州X潜山油藏裂缝发育方位（据邓强，2007）

2.1.3 岩石力学特性

岩石的泊松比、杨氏模量及抗压强度等力学性质直接影响储层裂缝面压力和两壁岩石的变形特性，与裂缝面的开启与闭合密切相关。研究区内潜山储层岩石未进行相关力学实验，参考李行船等（2001）进行埕北30潜山油藏储层裂缝预测研究时所做的储层片麻岩力学特性参数［12］，确定岩石力学特性：非断层（裂缝）处岩石抗压强度252 MPa，杨氏模量53.95 GPa，泊松比0.28。断层（裂缝）处岩石力学参数值是非断层（裂缝）处的60%［13］。

2.1.4 现今构造应力值及主应力方向

研究区处于下辽河盆地范围内，其现今构造应力场可借鉴下辽河盆地区域应力场。石盛昌等（1999）、马寅生（2004）等研究下辽河盆地区域应力场演化时，采用井壁崩落法、声发射法、水压致裂法等地应力场分析方法，确定了下辽河盆地及邻区现代应力场为NW-SE向拉张应力，区域最大主压应力方向80°～100°，平均82°，最大主压应力大小约45 MPa，最小主压应力大小约31 MPa［14-15］。综上所述，裂缝面压力预测参数见表1。

表1 裂缝面压力计算参数

2.2 裂缝面应力状态

根据裂缝不同倾角和不同方位，按照式（5）试算四组不同组合下的裂缝面正压力σn，结果见表2。

表2 锦州X潜山储层裂缝面正压力计算结果

从中可以看出，锦州X 油田不同产状裂缝面正压力σn范围在52～72 MPa之间，且主要受裂缝倾角影响，倾角较小的裂缝面正压力较大，与前人认识相符［16］。目前潜山油藏地层压力Pw约10.5 MPa，因此根据式（6）计算储层裂缝面压力Pf范围在41.5～61.5 MPa之间。同时根据讨论，只有在裂缝面压力超过两壁处岩石变形强度后，裂缝面闭合、开启状态才会发生变化。储层裂缝处岩石力学参数可取非裂缝处岩石抗压强度的60%［13］，即裂缝两壁处岩石变形强度σz为：151.2 MPa

2.3 油田裂缝面开启、闭合状态分析

由以上预测的裂缝面各应力状态分布范围可以看到，裂缝两壁处岩石变形强度σz明显大于裂缝面压力Pf，裂缝面压力尚未达到使两壁岩石发生变形的程度，不能造成裂缝面开启或闭合状态的变化。地层压力值与另外两者差值相比明显偏小，因此，地层压力变化不能明显影响裂缝面的闭合或开启状态。即锦州X 油田开发过程中地层压力由原始值17 MPa下降到目前的10.5 MPa，对裂缝面的开启或闭合影响很小，地层压力下降不会引起储层裂缝闭合。同时，上述结果是根据裂缝面两壁处岩石变形强度取非裂缝处的60%计算的结果，当储层裂缝十分发育时，裂缝面两壁处岩石变形强度可能更小，此时裂缝面正压力σn就会与裂缝两壁处岩石变形强度σz相当。这种情况下，地层压力变化就会对裂缝的闭合与否产生明显影响。值得说明的是，上述预测多项重要参数，均由参考同区域（下辽河盆地）变质岩油藏实测数据得出，与油田实际情况存在差异，上述分析需要与油田实际生产情况互相印证。

3 油井产液指数与地层压力关系

根据锦州X 潜山油藏投入开发后地层静压、流压和产液情况，绘制油井地层压力水平与产液指数关系图（图3）。从中可以看出在生产的9 口油井中，除A25h和A30h外，其余7口油井地层压力下降对油井产液指数影响较小，储层渗透性随地层压力下降变化不明显，即裂缝开启程度与状态受地层压力变化影响不明显。A25h和A30h两口井初期产液指数较大，随地层压力下降，产液指数明显减小，分析认为是两口油井的储层裂缝较为发育，使其初期产液能力强，同时也因裂缝较为发育的情况下裂缝两壁岩石变形强度小，裂缝开启程度受地层压力变化影响较明显，地层压力下降造成产液指数大幅降低。在部分裂缝闭合后，产液指数逐渐与其余井相当。总体来说，从锦州X 潜山油藏油井产液指数与地层压力关系可以看出，地层压力下降后裂缝基本未发生闭合。

图3 锦州X潜山油井静压与产液指数关系

4 结论

（1）只有在上覆岩层重力作用和水平构造应力引起的裂缝面正压力与裂缝两壁处岩石变形强度相当时，地层压力变化才会对裂缝闭合与否产生明显影响。即当储层埋深较大或储层裂缝发育、两壁岩石变形强度小时，裂缝开启程度受地层压力变化影响明显。

（2）预测得出的锦州X 潜山储层裂缝面压力明显小于裂缝两壁岩石变形强度，地层压力下降基本不会引起裂缝闭合。受分析资料限制，预测的储层裂缝面应力状态存在误差，需要在本油田取得实测数据后进一步研究。

（3）锦州X 潜山多数油井产液指数不随地层压力降低明显减小，只有少数裂缝较为发育的油井，因裂缝两壁岩石变形强度低，裂缝开启程度受地层压力变化影响明显，产液指数随地层压力下降大幅降低，但仍与其余油井产液指数相当，总之在地层压力下降后储层裂缝未发生大规模闭合，与预测结果相符。

（4）两口油井产液指数大幅下降，证实了一定条件下地层压力下降会引起油井产液能力大幅下降，造成储层裂缝闭合，因此，对于潜山裂缝油藏降压开采，需要进行储层裂缝闭合压力研究，防止地层压力下降引起裂缝闭合。

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